Una nuova alba in fabbrica – standard Ethernet IEEE 802.1 ora con capacità in tempo reale

I bus di campo non svaniranno completamente dall'automazione industriale nel prossimo futuro, ma lo standard Ethernet Time Sensitive Networking (TSN) in congiunzione con lo standard di interoperabilità indipendente dalla piattaforma  OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) offre già nuovi modi di procedere. Nel valutare i processi produttivi per le strategie di digitalizzazione (si pensi a Industria 4.0 e Industrial Internet of Things, IIoT), è diventato evidente che l'attuale distinzione tra IT (Information Technology) e OT (Operational Technology) dovrebbe essere gradualmente smantellata per garantire prestazioni, costi e gestibilità dell'infrastruttura futura.

OPC UA e TSN conquistano l'officina

TSN svolge un ruolo importante in questo, poiché rappresenta l'estensione dello standard Ethernet esistente verso il trasferimento dei dati deterministico (capacità in tempo reale), offrendo così l'elemento principale per la convergenza di IT e OT sul livello di trasporto.

Lo standard di interoperabilità OPC UA consente il flusso di informazioni continuo, sicuro e affidabile tra dispositivi di diversi produttori e contribuisce ulteriormente alla convergenza delle infrastrutture industriali. Con OPC UA, i nuovi requisiti di sicurezza, modellazione dei dati, scalabilità ed espandibilità vengono soddisfatti in maniera ottimale.

Tra i fattori trainanti della inesorabile tendenza vi è il rapido sviluppo dell'hardware embedded per dispositivi IoT e tecnologie come il cloud computing. Tuttavia, per stabilirli in ambienti industriali difficili, sono necessari standard appropriati. I due standard che stanno rapidamente guadagnando terreno sono Open Platform Communications Unified Architecture (IEC62541 OPC UA) in congiunzione con Time Sensitive Networking (IEEE 802.1 TSN). TSN sta iniziando a soppiantare le specifiche del bus di campo tradizionali e ha il potenziale per sostituirle a medio termine.

Stabilire uno standard richiede che i giocatori sia sul lato produttore che utente lavorino duramente per preparare il mercato. I grandi player IT, tra i quali primeggia Microsoft con le sue offerte cloud Azure IoT Edge, si stanno avvicinando sempre di più alla base della piramide dell'automazione. Questo è il motivo per cui Kontron ha deciso di avere molti dei suoi PC e workstation integrati, alcuni dei quali anche come server embedded, certificati Microsoft Azure IoT Edge per fog e edge computing. Per quanto riguarda gli standard, Kontron supporta pienamente OPC UA e TSN.

La Fondazione OPC che sviluppa e definisce lo standard OPC UA conta oltre 610 rinomate aziende e organizzazioni tra i suoi membri a partire dal novembre 2018. Tra queste vi sono aziende manifatturiere, fornitori, ma anche fornitori di tecnologia come Kontron. Lo standard è importante perché consente la connessione del livello di campo al dispositivo a livello IT e al sistema operativo in modo indipendente. Per garantire il successo dello standard, Microsoft ha pubblicato le specifiche corrispondenti come software open source. A differenza della versione precedente, che girava esclusivamente su Windows, ora supporta tutti i sistemi operativi più comuni.

TSN rende possibile la convergenza reti basate su Ethernet che eseguono trasferimenti di dati IT in parallelo a comunicazioni deterministiche sincrone, indispensabili per il controllo della macchina e dei processi sensibili temporalmente. Le specifiche IEEE 802.1 TSN, quali temporizzazione e sincronizzazione, pianificazione tempo consapevole del traffico , preimpostazione del frame, ridondanza senza soluzione di continuità, configurazione di rete e altro, garantiscono che i pacchetti di dati possano essere consegnati in modo tempestivo e con elevata disponibilità su una rete Ethernet standard, se necessario. Nelle applicazioni industriali, TSN Ethernet con latenza garantita e qualità del servizio (QoS) con sincronizzazione temporale possono integrare, o nel medio termine sostituire, bus di campo proprietari nel controllo della macchina di produzione, comunicando perfettamente con il livello IT.

La soluzione di Kontron raggiunge precisioni inferiori a 100 ns per la sincronizzazione del clock tra gli elementi di rete di Kontron. Il jitter di pacchetto è in genere nell'intervallo di 1 μs. Per gli switch TSN, le latenze indipendenti dalla lunghezza del pacchetto sono intorno a 2,5 μs (pacchetti da 64 byte). Queste qualità coprono già un buon numero di applicazioni a livello di campo. L'obiettivo è attualmente quello di espandere il pub/sub-standard OPC-UA con funzionalità in tempo reale tramite TSN. Ciò comporta l'attivazione degli switch TSN in modalità cut-through per le latenze minime. Questa procedura consente di soddisfare i più elevati requisiti tecnologici di controllo.

La raccolta di standard sotto l'etichetta TSN è da considerarsi un insieme di elementi costitutivi che offrono meccanismi per varie applicazioni dall'automotive passando per l'audio/video fino all'automazione industriale. Ciò implica che l'utente implementa le funzionalità pertinenti e utili alla sua applicazione senza dover attendere il completamento di ulteriori standard che non ritiene rilevanti. Gli standard più importanti a supporto delle applicazioni industriali sono già stati pubblicati oggi. La situazione dell'IEE 802.1 è la seguente:

  • IEEE802.1Qbv Scheduled Traffic - pubblicato
  • IEEE802.1AS (-rev) Time Synchronization - AS è pubblicato, AS (-rev) è Sponsor Ballot
  • IEEE802.1CB Frame Replication and Elimination - pubblicato
  • IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation - pubblicato
  • IEEE802.1Qbu Frame Preemption - pubblicato
  • IEEE802.1Qcc SRP Enhancements - pubblicato
  • IEEE 802.1Qch Cyclic Queuing and Forwarding - pubblicato
  • IEEE 802.1Qci Filtering and Policing - pubblicato

Le soluzioni industriali complete sono già pronte sul mercato per l'implementazione in base agli standard disponibili. Per il provisioning centralizzato di reti su larga scala, gli strumenti necessari (istanza CNC Central Network Controller) devono essere portati avanti. Attualmente, un gran numero di produttori sta implementando TSN e sta conducendo test di interoperabilità. In questo, alcune società sono molto più avanti di altre, che sono solo all'inizio.

In evidenza: il modulo Kontron SMARC 2.0 con un massimo di 5 porte TSN

Kontron ha attivamente guidato i prodotti TSN dal 2017 offrendo una scheda PCIe con 4 porte TSN e un kit di avviamento TSN pronto all'uso. Tra gli ultimi prodotti ottimizzati per TSN c'è SMARC-sAL28 (figura 1). La sua introduzione segna la prima volta che Kontron offre un modulo SMARC 2.0 con fino a cinque porte Ethernet da 1GB integrate con capacità TSN. Soddisfa le specifiche IEEE 802.1 TSN (Time Sensitive Networking) ed è ideale per l'utilizzo in sistemi industriali IoT o Industria 4.0 basati su protocolli Ethernet standard.

Figura 1: Il Kontron SMARC-sAL28 con dimensioni di soli 82 x 50 mm si basa su NXP Layerscape LS1028 e offre una delle soluzioni più compatte ed economiche per implementare gateway Edge e gateway IoT con capacità TSN. Oltre alle 5 porte TSN offre un'interfaccia CAN, fino a 6 porte USB 2.0, una porta USB 3.0, 4 seriali, 12 GPIO e un'interfaccia LVDS a doppio canale per la connessione a display HDMI o DP.

Questa versione supporta 4 porte TSN commutabili da 1 GB tramite l'interfaccia QSGMII con un'ulteriore interfaccia Ethernet TSN in grado di fornire un totale di 5 porte da 1 GB compatibili con TSN utilizzando un quad-PHY sul carrier. Sono disponibili altre opzioni che consentono l'assegnazione flessibile delle corsie PCIe a spese delle porte GbE. Il modulo altamente integrato è attualmente la soluzione più economica per l'implementazione di gateway IoT compatibili con TSN.

Conclusione

La rigida barriera tra la tecnologia operativa alla base e la tecnologia dell'informazione nella parte superiore della piramide dell'automazione sta iniziando a dissolversi. Molte aree del livello di campo, come il controllo macchina, che sembravano fuori dalla portata della tecnologia basata su protocollo Internet, si stanno avvicinando a un punto di svolta. Kontron in collaborazione con S&T Technologies non è solo in posizione ideale per fornire l'adeguato hardware, ma anche il flessibile IoT Software Framework SUSiEtec, soluzioni cloud preintegrate per Azure IoT Edge nonché servizi di consulenza e sviluppo software.

Autore Norbert Hauser, Vicepresidente Marketing, Kontron.

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