A valós idejű adatok alkalmazásának fontossága a modern ipari alkalmazások vezérlésében
A modern ipari létesítmények a termelés megbízhatóságának fenntartásához determinisztikus kommunikációra, valós idejű operációs rendszerekre és konvergens OT/IT-architektúrákra támaszkodnak. Ez a c...
Miért vált nélkülözhetetlenné a valós idejű adat a modern gyártóüzemekben?
Az ipari automatizálás már nem korlátozódik az egyes gépeket működtető, elszigetelt vezérlőkre. A modern létesítmények ma már összekapcsolt rendszerekre támaszkodnak, amelyek folyamatosan üzemi adatokat cserélnek a PLC-k, peremeszközök, elosztott vezérlők, érzékelők és vállalati platformok között.
Ahogy az ipari környezetekben terjed a peremalapú számítástechnika és az ipari dolgok internete (IIoT) architektúrája, a valós idejű adatok determinisztikus időzítésű feldolgozásának képessége alapvető követelménnyé, nem pedig versenyelőnnyé vált.
1. ábra. A modern ipari operációs rendszereknek biztosítaniuk kell a determinisztikus végrehajtást és az összehangolt kommunikációt az összekapcsolt automatizálási eszközök között.
A hagyományos, a CPU-hatékonyságot és a többfeladatos működést előnyben részesítő vállalati számítástechnikai rendszerekkel ellentétben az ipari vezérlőrendszereknek garantálniuk kell, hogy a kritikus műveletek pontos időablakokon belül hajtódjanak végre. Már néhány ezredmásodpercnyi késleltetés-ingadozás is hatással lehet a gépek összehangolására, a folyamat stabilitására vagy a személyzet biztonságára.
Az ipari hálózatok két nagyon eltérő forgalomtípust továbbítanak
Az ipari automatizálás egyik legnagyobb architekturális kihívása az operatív technológia (OT) és az információtechnológia (IT) összeolvadása. A két környezet közös infrastruktúrát használ, kommunikációs prioritásaik azonban jelentősen eltérnek.
Az OT-forgalom determinisztikus időzítést igényel
Az operatív technológiai hálózatok időkritikus vezérlési funkciókat kezelnek. A mozgásvezérlő rendszerek, a robotkarok, a turbinavezérlők és a nagy sebességű I/O-szinkronizálás mind kiszámítható késleltetést és rendkívül alacsony jittert igényelnek.
Amikor például egy robotmanipulátor felvételi parancsot kap egy szállítópálya-követő rendszertől, a kommunikációs késleltetésnek állandónak kell maradnia. Bármilyen kiszámíthatatlan időzítési eltérés megszakíthatja a gyártási sorrendet vagy károsíthatja a berendezést.
A fejlett gépvédelmi rendszereket alkalmazó létesítmények gyakran determinisztikus kommunikációt kombinálnak olyan állapotfelügyeleti platformokkal, mint a Bently Nevada 3500 gépvédelmi rendszerek, hogy javítsák az eszközök megbízhatóságát és az üzemi folyamatok átláthatóságát.
2. ábra. Az ipari kommunikációs infrastruktúrának mind a determinisztikus vezérlési forgalmat, mind a nagy áteresztőképességű vállalati adatok továbbítását támogatnia kell.
Az IT-forgalom az áteresztőképességet és a skálázhatóságot helyezi előtérbe
Az információtechnológiai rendszerek nagy mennyiségű üzemi adat vállalati környezetek közötti továbbítására összpontosítanak. A videostreaming, a felhőalapú elemzések, a karbantartási adatbázisok és a jelentéskészítő rendszerek az időzítés determinisztikussága helyett a sávszélességet és a skálázhatóságot részesítik előnyben.
Korábban az OT- és IT-rendszerek egymástól függetlenül működtek, mivel kommunikációs követelményeik összeegyeztethetetlenek voltak. A modern ipari létesítményeknek azonban egyre inkább biztosítaniuk kell, hogy mindkét forgalomtípus együtt élhessen egy egységes hálózati infrastruktúrán.
Az időérzékeny hálózatépítés átalakítja az ipari Ethernetet
Az időérzékeny hálózatépítés (TSN) az OT és az IT konvergenciáját támogató egyik legfontosabb technológiává válik. A TSN azáltal fejleszti a szabványos Ethernetet, hogy determinisztikus kommunikációs működést biztosít az ipari forgalom számára.
A TSN használatával a kritikus vezérlési csomagok garantált továbbítási időablakokat kapnak, miközben a nem kritikus forgalom továbbra is megosztva használja ugyanazt a fizikai hálózatot. Ez az architektúra csökkenti a hardver összetettségét és a telepítési költségeket az elszigetelt vezérlőhálózatok fenntartásához képest.
A skálázható, elosztott architektúrákat bevezető ipari gyártók gyakran TSN-kompatibilis vezérlőket integrálnak a Siemens SIMATIC S7 rendszerei és a peremhálózathoz kapcsolódó automatizálási infrastruktúra platformjai mellé.
A késleltetés és a jitter fontosabb a nyers sebességnél
Sok mérnök tévesen kizárólag az áteresztőképességgel azonosítja az ipari hálózatok teljesítményét. A valóságban a determinisztikus időzítés gyakran fontosabb, mint az abszolút sávszélesség.
A késleltetés azt határozza meg, milyen gyorsan jut el az adat a célállomásra. A jitter az átvitelek közötti időzítési eltérést méri. A mozgásvezérlésben, a turbinavédelemben és az összehangolt gyártási folyamatokban a jitter szabályozása alapvető fontosságú az üzemi stabilitás szempontjából.
Egy nagy mennyiségű adat továbbítására képes hálózat is megbízhatatlanná válik ipari vezérlés esetén, ha a kommunikáció időzítése kiszámíthatatlanul változik.
Az erőművek jól szemléltetik, miért fontosak a valós idejű architektúrák
A nagy energiatermelő létesítmények jól példázzák, miért vált nélkülözhetetlenné a valós idejű kommunikáció az ipari automatizálásban.
Egy modern erőműben több száz elosztott érzékelő továbbít folyamatosan üzemi adatokat, köztük nyomásértékeket, rezgési értékeket, gázkoncentrációkat és hőmérséklet-méréseket.
3. ábra. A valós idejű ipari felügyelet összehangolt érzékelőadat-gyűjtést és determinisztikus kommunikációs infrastruktúrát igényel.
Ezen adatok jelentős része csak nagyon rövid ideig marad értékes. Ha az információ az üzemi időablakon túl érkezik meg, többé nem feltétlenül támogatja a biztonságos vagy hatékony folyamatvezérlési döntéseket.
Ezért a peremátjáróknak, az elosztott I/O-rendszereknek és a PLC-knek determinisztikus kommunikációs képességekre van szükségük az érzékelőadatok valós idejű feldolgozásához. Ezek a rendszerek gyakran vezetékes ipari Ethernetet kombinálnak szigorú időzítési korlátok mellett működő vezeték nélküli ipari kommunikációs hálózatokkal.
A szoftver ugyanolyan fontossá válik, mint a hardver
Az ipari automatizálási mérnökök hagyományosan nagy hangsúlyt fektettek a vezérlő hardverének kiválasztására. Ma már a szoftveres környezet is ugyanilyen kritikus.
A modern ipari processzorok egyre gyakrabban egyetlen platformon egyesítik a valós idejű és a nem valós idejű munkaterheléseket. Ez csökkenti az infrastruktúra költségeit és egyszerűsíti a karbantartást, ugyanakkor nagymértékben optimalizált operációs környezeteket igényel.
A valós idejű operációs rendszerek és az ipari Linux-disztribúciók ma már ugyanazon a hardverplatformon támogatják a determinisztikus kommunikációt, az összehangolt ütemezést és a biztonságos peremalapú feldolgozást.
4. ábra. A valós idejű peremszoftver egyesíti a determinisztikus kommunikációt, a biztonságot és a skálázható ipari alkalmazáskezelést.
A következő ipari szűk keresztmetszet az adatok időzítése lesz
Az ipari digitalizáció sok éven át elsősorban a hálózati összekapcsolhatóság növelésére összpontosított. A következő kihívás ennek a kapcsolódásnak az időzítési pontosságának biztosítása.
A gyárak egyre több érzékelőt, gépi látórendszert, autonóm robotot, prediktív karbantartási platformot és mesterséges intelligencián alapuló elemzőeszközt adnak hozzá rendszereikhez. Ezek a technológiák folyamatosan növelik a hálózati forgalom mennyiségét és a szinkronizálás összetettségét.
Azok a létesítmények, amelyek nem képesek fenntartani a determinisztikus kommunikációs teljesítményt, az üzemi terhelések növekedésével egyre több megbízhatósági problémával fognak szembesülni.
A szerző véleménye
Sok ipari üzemeltető még mindig alábecsüli, mennyire kritikus szerepet fog betölteni a determinisztikus hálózatépítés a következő évtizedben. Az összekapcsolt eszközök egyszerű hozzáadása a kommunikációs infrastruktúra újratervezése nélkül instabil, nehezen hibaelhárítható automatizálási környezeteket hoz létre.
A hosszú távú üzemi ellenálló képességet elérő ipari létesítmények azok lesznek, amelyek korán beruháznak a TSN-architektúrákba, a valós idejű peremalapú számítástechnikába és az integrált OT/IT-kommunikációs stratégiákba. A valós idejű adat már nem csupán optimalizálási eszköz — a biztonságos és skálázható ipari termelés alapjává válik.
Írta: Daniel Mercer, vezető ipari rendszerekért felelős riporter, aki 14 éve foglalkozik ipari hálózatépítéssel, turbinavezérlő rendszerekkel és valós idejű automatizálási platformokkal. Szakmai hátterébe a Siemens, az Emerson, a Honeywell és a Bently Nevada infrastruktúráit érintő helyszíni integrációs projektek tartoznak energiatermelő és folyamatipari létesítményekben.