Четвертая Промышленная революция (Индустрия 4.0) меняет способ создания продуктов путем распространения оцифрованного производства / обработки и автоматизации. За десятилетия мы увидели преимущества автоматизации и теперь добавляем в эту систему расширенные данные, машинное обучение и искусственный интеллект. Сегодня автономные системы более взаимосвязаны, обмениваются информацией, анализируют и интерпретируют их, что позволяет менеджерам разумно принимать решения и действовать в других областях предприятия.
Умные заводы генерируют инициативы, которые создают ценность для бизнеса за счет увеличения выпуска продукции, улучшения использования активов и производительности. Они используют новые потоки данных для повышения гибкости и качества при одновременном снижении энергопотребления и потерь. Все чаще подключенные к облачным сетям сети позволяют предприятиям повышать эффективность за счет массовой настройки.
Цель индустрии 4.0, как и IIoT, состоит в том, чтобы увеличить объем используемых данных и улучшить процесс принятия решений. Своевременный доступ к данным и их доставка зависит от сети. Сетевые технологии, наряду с производственными процессами и методами, должны развиваться, чтобы обрабатывать больше данных. Интеллектуальная, взаимосвязанная автоматизация требует, чтобы подключенные машины собирали и обменивались информацией. Машины и фабрика взаимодействуют через сети, что делает возможным использование промышленности 4.0.
Необходимость бесперебойной связи с каждым датчиком и приводом на заводе, даже в удаленных местах, невозможна в рамках существующей инфраструктуры. Задача состоит в том, чтобы найти способ обработки беспрецедентных объемов данных без ущерба для сети связи, предназначенной для ее передачи. В связи с этим возникает вопрос о том, как создавать и развертывать промышленные сети связи для удовлетворения потребностей современных сред автоматизации и виртуальных производственных площадок завтрашнего дня.
Зачем развертывать промышленный Ethernet?
Связь — это ключевое место в индустрии 4.0, но перед тем, как подключиться, должны произойти три вещи. Во-первых, информационные технологии более высокого уровня (ИТ или корпоративная инфраструктура) должны объединиться с эксплуатационной технологией предприятия (ЭТ и управляющая сеть). Во-вторых, производственные ячейки на заводах должны взаимодействовать. В-третьих, должны быть плавные и безопасные соединения от границы процесса до облака.
Для решения этих проблем отрасль должна внедрить сети, поддерживающие взаимодействие, расширяемость и охват. Ethernet кажется идеальным решением, будучи хорошо понятым и широко используемым на большинстве предприятий. Он также имеет высокую пропускную способность и может быть развернут относительно быстро.
На рисунке выше изображено чем информационные технологии (ИТ) и операционные технологии (ОТ) должны обмениваться друг с другом в процессе работы
Однако Ethernet не подходит для промышленного управления, учитывая необходимость операций в реальном времени. Управляющие сети должны отправлять информацию, где и когда это необходимо для обеспечения правильной обработки задач. Протокол TCP / IP для маршрутизации трафика не гарантирует такой уровень производительности. Точно так же стандартный Ethernet позволяет пользователям обмениваться файлами и получать доступ к сетевым устройствам, таким как принтеры, промышленный Ethernet позволяет контроллерам получать доступ к данным и отправлять инструкции из ПЛК на датчики, исполнительные механизмы и роботы.
Основное различие между ними заключается в воздействии отложенных и не доставленных сообщений. В приложениях не в реальном времени, если веб-страница обновляется слишком медленно, это влияет только на настроение пользователя. В производственных условиях, однако, последствия могут быть более катастрофическими — от перерасхода материалов до травмирования или смерти рабочих. Чтобы системы управления работали корректно, сообщения должны доставляться к месту назначения надежно и своевременно каждый раз.
В результате, промышленный Ethernet стал технологией выбора на уровне управления операционной технологией. Цель состоит в том, чтобы соединить ИТ и рабочие сети высокого уровня, а также соединить уровни операционной сети завода с датчиками и исполнительными устройствами конечного узла (рисунок ниже).
Сегодня сложные энергозатратные шлюзы необходимы для подключения производственных ячеек к Ethernet на более высоких уровнях, где требуются конвергентные ИТ / операционные технологии. Наличие в масштабах предприятия интероперабельной сети автоматизации на основе Ethernet устранит необходимость в этих шлюзах, тем самым упростив сеть.
На самом деле протокольные шлюзы, которые транслируют и подключаются к верхнему уровню операционной сети, не имеют прямой адресации и создают информационную изоляцию внутри сети. Такая изоляция данных ограничивает возможность обмена информацией на предприятии. Это противоречит видению промышленности 4.0, в котором производители хотят собирать данные телеметрии с операционной стороны, чтобы стимулировать аналитику и бизнес-процессы на стороне ИТ.
Управляющим приложениям нужна предсказуемость в доставке пакетов данных и гарантиях синхронизации. Поэтому многие поставщики пытались предоставлять протоколы в реальном времени для действующих сетей. Это привело к решениям, которые, хотя и были предсказуемы, все же были специфичны для протокола каждого поставщика. Это, в свою очередь, привело к появлению множества разных несовместимых протоколов связи, работающих в разных производственных ячейках. Это увековечивает изоляцию данных или «острова данных». Различные производственные ячейки, работающие по разным протоколам, должны совместно использовать сеть таким образом, чтобы гарантировать, что трафик управления не будет скомпрометирован.
Ответ — чувствительная ко времени сеть (TSN), независимый от производителя стандарт Ethernet в реальном времени, основанный на IEEE 802.1. Как следует из названия, TSN фокусируется на времени. Он превращает стандартную связь Ethernet в процесс, который гарантирует синхронизацию для критически важных приложений. Данный подход гарантирует, что информация перемещается из одной точки в другую в фиксированное и предсказуемое время. Таким образом, сеть чувствительная ко времени (TSN) гарантирует своевременную доставку пакетов.
Чтобы связь была предсказуемой, сетевые устройства должны иметь общее представление о времени. Стандарт определяет, как передавать определенные кадры Ethernet TSN по расписанию, в то же время, позволяя передавать кадры, не относящиеся к TSN, с максимальной отдачей. Именно так сеть чувствительная ко времени обрабатывает трафик в реальном и не в реальном времени в одной сети. Все устройства совместно используют одно и то же время, поэтому данные могут передаваться с низкой задержкой и джиттером на гигабитных скоростях.
Цель — конвергентная сеть, в которой каждый из протоколов предсказуемо и надежно разделяет канал. Инструменты TSN обеспечивают предсказуемость. Он представляет собой переход к надежной и стандартизированной архитектуре подключения, исключающей изоляцию данных через проприетарные полевые шины. Конвергенция сетей будет стимулировать генерацию данных благодаря растущей масштабируемости сети в полосах пропускания от 10 Мбит / с до 1 Гбит / с и выше.
Вероятный сценарий заключается в том, что TSN будет применяться во всех новых установках, но постепенно в ячейках или сегментах внутри объектов. Для производителей полевых устройств это означает, что в обозримом будущем должна быть введена поддержка промышленного Ethernet и TSN.
Подключение всего предприятия
Нашим последним и, возможно, наиболее важным изменением является создание бесшовной связи от пограничного узла к облаку предприятия в приложениях управления процессами (рисунок ниже).
На сегодняшний день подключение к узлу ограничено токовой петлей 4-20 мА или полевой шиной (fieldbus). Эти проводные двухточечные соединения ограничивают гибкость сети для роста и изменений со временем.
Эти не основанные на Ethernet коммуникации сталкиваются с несколькими проблемами. Во-первых, пропускная способность, например, 1,2 кбит / с для HART при 4–20 мА, ограничивает объем и скорость информационного потока. Во-вторых, ограниченная подача питания на инструмент ограничивает функциональность. Наконец, шлюзы на уровне управления и ИТ являются неустойчивыми накладными расходами. Существует также проблема работы в искробезопасной зоне 0 и использования существующей кабельной сети для обеспечения более быстрого и недорогого ввода в эксплуатацию.
Эти проблемы требовали разработки стандарта IEEE 802.3cg-2019, стандарта для 10BASE-T1L, полнодуплексной связи. Он был недавно одобрен и предусматривает полнодуплексную связь 10 Мбит / с с питанием по одному кабелю витой пары длиной до 1 км.
Данные передаются с датчика в виде пакета Ethernet и поступают в рабочую сеть и ИТ-инфраструктуру в виде пакета Ethernet. Нет необходимости в переводе формата данных, который создает задержки и затраты и потребляет электроэнергию. Существующие сети изменятся, а удаленные устройства ввода-вывода перейдут к полевым коммутаторам Ethernet.
Команды Ethernet могут отправляться на контроллер и с него через многопортовые полевые коммутаторы 10BASE-T1L на полевые приборы и от них. Выводы, генерируемые в полевых узлах, могут отправляться через пакеты Ethernet (с более высокой пропускной способностью) через сеть полевого коммутатора на программируемые логические контроллеры PLC / DCS (распределенная система управления (РСУ)) и, в конечном итоге, в облако.
Несколько преимуществ обеспечат переход от устаревших полевых шин к промышленному Ethernet. Во-первых, возможность повторного использования существующих кабелей (длиной до 1 км) упрощает развертывание и снижает затраты на модернизацию. Во-вторых, мощность, передаваемая по кабелю к оборудованию, была ограничена 36 мВт (в лучшем случае при развертывании от 4 мА до 20 мА). В приложениях зоны 0 мощность может быть до 60 Вт (зависит от кабеля) или до 500 мВт.
Дополнительная мощность позволяет оборудованию выполнять более расширенный функционал с помощью умных функций конечного узла. Это и доступная скорость восходящей линии связи 10 Мбит обеспечат более глубокое понимание того, как извлечь выгоду из обещанной эффективности индустрии 4.0.
Что доступно сейчас?
Для развития сетей автоматизации необходимо надежное оборудование с низким уровнем задержки и низким энергопотреблением с масштабируемой коммутацией. Для поддержки приложений следующего поколения производители промышленного Ethernet разрабатывают оборудование и программное обеспечение, чтобы обеспечить надежную доставку срочных данных во всех промышленных приложениях. Например, ADI Chronus от Analog Devices предоставляет встроенные коммутаторы и многопротокольное программное обеспечение, которые полностью протестированы и проверены для быстрого выхода на рынок.
- Известные решения в Chronous включают: 10 Мбит / с и 100 Мбит / с промышленный Ethernet PHY с улучшенными функциями и долговечностью.
- Гигабитный PHY с наименьшей задержкой и наименьшей мощностью, который выдерживает суровые условия. Fido5200 / fido5100 — встроенный двухпортовый многопротокольный коммутатор реального времени, поддерживающий множество функций TSN.
- Новые функции TSN могут быть добавлены через обновления прошивки, которые довольно часто выходят. Многопротокольные обновления программного обеспечения также поддерживаются и доступны через портал разработчика.
Для поддержки перехода и обеспечения обратной совместимости с устаревшими полевыми устройствами программно конфигурируемый ввод-вывод (AD74413R) от Analog Devices позволяет пользователям разрабатывать настраиваемые на местах удаленные блоки ввода-вывода, которые обеспечивают связь между устаревшими компьютерами и высокоуровневыми сетями Ethernet.
А как насчет безопасности?
В Ethernet есть уязвимости, а безопасность является критически важной, что замедляет внедрение промышленности 4.0. При открытом потоке корпоративной информации между операционными сетями и ИТ и от конечного узла или датчика к облаку, последствия взлома системы безопасности могут быть разрушительными.
Безопасность должна быть основной проблемой управления рисками при планировании стратегии индустрии 4.0. Встраивать безопасность во все более сложные сети нелегко. Это должен быть многослойный подход, который проходит через всю систему — внутри периферийных устройств, контроллеров, шлюзов и далее в стек. Когда аппаратное и программное обеспечение становятся доступными, OEM-производители могут предлагать безопасность в каждой точке узла системы, сводя к минимуму компромисс между мощностью, производительностью и задержкой.
Дорожная карта по развертыванию промышленности 4.0
Несмотря на значительный рост промышленного Ethernet в последние годы, полевые шины и другие устаревшие сетевые технологии все еще используются. Преимущества конвергентных сетей на основе промышленного Ethernet включают упрощенную сетевую архитектуру, снижение затрат за счет удаления шлюзов, оптимизацию системы и увеличение времени безотказной работы. Появление новых стандартов и их неизбежная ратификация являются катализатором, необходимым для ускорения этого ожидаемого перехода.
Этот переход обусловлен необходимостью создания более эффективных сетей связи с улучшенной интеграцией между ОТ и ИТ. Сеть чувствительная ко времени — это средство для доставки конвергентной сети, и, когда она является «одним целым» с 10BASE-T1L, то обеспечит бесперебойную связь от узла к облаку. Миграция не произойдет в одночасье, но потенциальные выгоды настолько убедительны, что, вероятно, их принятие превзойдет стандартные промышленные нормы.
В основе концепции индустрии 4.0 лежит способность автоматизировать процессы с использованием подключенных устройств, способных собирать, отправлять и получать информацию. Новая технология разблокирует данные и информацию, ранее недоступную для многих периферийных устройств. Это открывает двери для лучшего анализа данных и понимания операций. Возможность подключения к промышленному Ethernet пробудит эту реальность благодаря плавной передаче текущих и будущих потоков данных через сеть автоматизации в облако.
Существуют «участки информации», к которым мы не можем получить доступ сегодня, но поскольку развертывание промышленного Ethernet становится нормой, задача промышленности 4.0 заключается в уклоне на безопасность данных и то, что делать со всеми этими данными, чтобы максимизировать ценность нашего бизнеса.
