Marco
Reichenbacher
Niezawodna, szybka transmisja danych nie jest już
tylko opcją. I przy większej ilości danych niż kiedykolwiek wcześniej, sieci
przemysłowe muszą nadążyć za zmieniającymi się wymaganiami dotyczącymi
przepustowości.
Wraz z napływem danych z inteligentnych maszyn, kiedyś
podzielone światy IT i OT muszą przestrzegać podobnych standardów, aby działać
bardziej efektywnie i osiągnąć te wymagania. Z powodu tej nieuniknionej
zbieżności IT i OT oraz większego zapotrzebowania na płynną komunikację na
wielu podłączonych urządzeniach, sieci będą wymagać coraz większej
przepustowości. Nasz wniosek? Pełne sieci gigabitowe to standard przyszłości.
Obecnie potrzebna jest jedno-gigabitowa i 2,5
gigabitowa prędkość, ale wiemy, że prędkości 10 Gigabitów są tuż za rogiem.
Podczas gdy obecne i przyszłe prędkości przesyłu danych będą miały wpływ na
wiele sektorów, wykorzystamy przemysł motoryzacyjny jako doskonały przykład
ilustrujący stopień zmiany, jaki musi nastąpić przy modernizacji sieci
automatyzacji.
Wykorzystanie
pełnej sieci Gigabit: aktualne i przyszłe wymagania
Pomiędzy rosnącym wykorzystaniem technologii opartych
na sieci Ethernet i większą liczbą urządzeń podłączonych do sieci Ethernet
ważna jest integracja wszystkich komponentów ze strukturą sieci. Sieci
produkcyjne i firmowe muszą być płynnie zintegrowane w ramach tych samych
standardów informatycznych i technologii komunikacyjnych. Takie dostosowanie
jest podstawą digitalizacji procesów produkcyjnych. Standardy komunikacji
bezprzewodowej również odgrywają kluczową rolę w wykorzystaniu potencjału tej
integracji.
Aby poradzić sobie z rosnącymi złożonościami, nowoczesne
sieci dzielą się na logiczne segmenty (lub warstwy) zorientowane na określone
procesy produkcyjne. Dzięki temu są łatwiejsze w zarządzaniu. Hierarchiczny model sieciowy to trójwarstwowy model do projektowania sieci, który dzieli
sieci na trzy warstwy: rdzeń, dystrybucję i dostęp. O ile IT zazwyczaj tylko
"posiada" sieć Enterprise, mają one coraz większy wpływ na warstwy
sieciowe, które zwykle są "własnością" OT.
Na potrzeby tego artykułu (i ze względu na moje
doświadczenie w produkcji samochodów) użyjemy przykładu zakładu
motoryzacyjnego. Zrozumienie, w jaki sposób trzy warstwy sieciowe są ze sobą
powiązane i jak muszą się ze sobą komunikować w obrębie sieci, będzie
ilustrować, jak ważne stało się pełne połączenie gigabitowe. W zależności od
warstw sieci, których jesteś właścicielem lub na które masz wpływ, możesz
przejść do odpowiedniej sekcji, aby przeczytać, jakie wyzwania lub trendy
powinny znaleźć się na liście priorytetów w ciągu najbliższych kilku lat.
Rdzeń:
kręgosłup komunikacji
Sieć szkieletowa zapewnia szybkie i wysoce redundantne
usługi przesyłania. Przenosi pakiety między urządzeniami w warstwie dystrybucji
do różnych regionów sieci. Urządzenia używane w warstwie rdzenia, takie jak
przełączniki i routery, są zazwyczaj najpotężniejsze i zarządzają połączeniami
o najwyższej szybkości. Warstwa Core skupia się na najszybszej i najbardziej
niezawodnej transmisji pakietów danych i łączy sieć produkcyjną z siecią
firmową.
Główne wymagania dla warstwy sieci bazowej i sposobu
ich zmiany obejmują:
Przepustowość
dla nadrzędnej sieci
Obecnie istnieje duża różnorodność danych
rozprowadzanych w sieci komunikacyjnej. Przykłady obejmują przydziały pracy do
maszyn, aktualizacje oprogramowania, dane wideo z systemów wizyjnych i wiele
innych. Na tym poziomie komunikacji przepustowość jest bardzo wysoka i będzie
nadal rosła wraz z rozwojem fabryk i dodawaniem komponentów do sieci. Przy
większej przepustowości zapotrzebowanie na przepustowość dla przełączników na
poziomie rdzenia wzrasta do 10 Gbit/s i więcej. Jednak przeskok do sieci 10
Gbit/s jest poważnym zobowiązaniem.
Podczas aktualizacji istnieją bardziej konserwatywne
opcje, takie jak wdrożenie nowego standardu 2.5 Gbit/s, zgodnie z IEEE 802.3bz.
To mniejsze przejście nadal umożliwia wyższe szybkości transmisji danych bez
konieczności dokonywania nowych inwestycji. Ta aktualizacja działa jako
pośredni etap przewodowej przepustowości sieci Ethernet na ścieżce do aktualizacji
do pełnej sieci gigabitowej.
Niezależnie od tego, czy aktualizacja odbywa się
przyrostowo, czy też następuje przeskok do pełnej prędkości gigabitowej, obie
opcje stanowią ulepszenie w stosunku do obecnych standardów łączności
bezprzewodowej. Łączność bezprzewodowa często opiera się na transferach o
przepustowości 1 Gbit/s, co nakłada poważne ograniczenia na sieć.
Wysoka
dostępność i redundancja
W dzisiejszych czasach sieci muszą być bardziej
dostępne, aby zakłócenia w działaniu konkretnego komponentu nie powodowały
niepożądanych przestojów. Większą dostępność można uzyskać dzięki mechanizmom
redundancji:
· MRP
(Media Redundancy Protocol) i DLR (Device Level Ring) spełniają określone czasy
przełączania
· PRP
(Parallel Redundancy Protocol) i HSR (High-Availability Seamless Redundancy)
gwarantują czas transferu wynoszący zero milisekund
· VRRP
(Virtual Router Redundancy Protocol) pozwala na redundantne połączenie z
routera produkcyjnego do nadrzędnej sieci firmowej
W zakładzie samochodowym rozmiar i przepustowość sieci
są decydującymi czynnikami przy rozważaniu tych protokołów i mechanizmów. Szybkości
i dostępność sieci muszą rosnąć, aby sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym
wydajności. W tym przypadku zastosowanie standardów IT, takich jak dynamiczny
protokół routingu OSPF (Open-Shortest-Path-First) jest korzystne, szczególnie
ze względu na lepszą skalowalność. Inne standardy IT, takie jak MPLS
(Multiprotocol Label Switching), oferują rezerwację przepustowości dla różnych
usług.
Wysoka dostępność oferowana przez standard TSN (Time-Sensitive Networking) będzie również coraz częściej wykorzystywana w
produkcji w przyszłości.
Komunikacja
w czasie rzeczywistym
Aby podłączyć programowalne kontrolery logiczne (PLC)
do chmury lokalnej, informacje będą musiały być przesyłane w czasie
rzeczywistym z poziomu Access (pole) do Core (szkieletu). Jednym ze sposobów
umożliwienia przesyłania danych z trudnymi wymaganiami w czasie rzeczywistym i
dołączania danych w tle jest technologia TSN, która jest w pełni kompatybilna z
obecną siecią Ethernet.
Jeśli dane nie są przesyłane w ten sposób,
prawdopodobnie wystąpią zakłócenia. Poparcie standardu TSN zostało wykazane,
między innymi, przez wejście wielu znaczących firm automatyki do Grupy
Zadaniowej TSN (IEEE 802.1), w tym Belden.
Dystrybucja:
Łączenie komórek produkcyjnych z rdzeniem
Warstwa dystrybucja to "inteligentna"
warstwa w modelu. W tym miejscu dane są filtrowane i kierowane. Zarządza się
tutaj również jakością usług (QoS), oprócz pojedynczych połączeń WAN. Ten
poziom sieci łączy każdą komórkę produkcyjną z maszynami w terenie. Poziom dystrybucji
podlega znacznym zmianom technologicznym z powodu wirtualizacji mechanizmów
kontrolnych aplikacji - procesu wprowadzonego przez przyjęcie nowych standardów
Industrie 4.0.
Główne wymagania dotyczące warstwy sieci
dystrybucyjnej i sposobu ich zmiany obejmują:
Zwiększenie
wymagań przepustowości
Wymagania na tym poziomie dotyczące przepustowości nadal znacznie
wzrastają. Wymagania te są napędzane przez te same czynniki, o
których mowa powyżej w segmencie Core. Dzisiaj wciąż widzimy wiele sieci 1
Gigabit, ale 10 Gigabitów staje się standardem w hali produkcyjnej.
Elastyczna
segmentacja dla ochrony sieci
Łączność komórek produkcyjnych wymaga segmentacji z
kilku powodów. Po pierwsze, segmentacja pomaga ograniczyć skutki błędów sieci,
awarii i cyberataków. Po drugie, podzielenie na łatwą do zarządzania liczbę
uczestników automatyzacji zapewnia większą elastyczność maszyn.
Segmentacja odbywa się w warstwie 2 za pośrednictwem
wirtualnych sieci lokalnych (VLAN). Wraz ze wzrostem liczby urządzeń IP w tym
segmencie wzrasta również liczba sieci VLAN do łączenia urządzeń. Może to
jednak prowadzić do burz transmisyjnych lub innych problemów z zalewaniem
sieci. Aby rozwiązać ten problem, routing do warstw dostępu drastycznie
zmniejsza wpływ awarii, wykorzystując wszystkie połączenia i tworząc
konfigurowalne, dynamiczne środowisko sieciowe.
Bezpieczeństwo zwiększa się również dzięki użyciu
zapór z ograniczeniami dostępu. Zwiększają bezpieczeństwo sieci w ogólnej
architekturze sieci routingu. Jednak korzystanie z centralnej zapory nie jest
wystarczające. Na poziomie komórki produkcyjnej zdecentralizowane podejście do
bezpieczeństwa staje się coraz ważniejsze. Proaktywne rozwiązania do nadzoru
bezpieczeństwa przemysłowego, które wykrywają anomalie w ruchu danych, pomagają
zapewnić większe bezpieczeństwo.
Dostęp:
komunikacja na poziomie podstawowym
Ten poziom sieci umożliwia komunikację między
komputerami na poziomie podstawowym i pomaga urządzeniom końcowym w komórce
produkcyjnej połączyć się ze sobą. Komunikacja na tym poziomie zmienia się
znacząco, gdy wdrażane są standardy IIoT.
Główne wymagania dotyczące warstwy sieci dostępu i
sposobu ich zmiany obejmują:
Komunikacja
w czasie rzeczywistym
Potrzeba komunikacji w czasie rzeczywistym stale
rośnie ze względu na rosnące wykorzystanie sieci PROFINET i EtherNet/IP do
sterowania i łączenia maszyn. Co więcej, wzajemne połączenie urządzeń
obiektowych z wirtualnymi urządzeniami sterującymi musi być obliczane z
przesunięciem paradygmatu. Warunkiem tego jest użycie przełączników czasu
rzeczywistego, opartych na nowych otwartych procesach standaryzacji, takich jak
TSN, i opartych na istniejących protokołach komunikacji Ethernet.
Integracja
maszyn z tymi samymi adresami IP
Wraz ze wzrostem rozpowszechnienia Ethernet w
maszynach, urządzenia końcowe (takie jak urządzenia I/O w każdej maszynie) mają
własne adresy IP. Wąskie gardła adresów IP mogą powstawać w procesie integracji
tych maszyn poprzez dostęp do sieci w nadrzędnej sieci dystrybucyjnej.
Korzystając z funkcji NAT w przełącznikach warstwy 3 lub firewallach routowanych,
można uniknąć indywidualnej regulacji adresu IP, ponieważ translator NAT
dokonuje ich translacji automatycznie. Zaletą jest to, że sieci mogą być
identycznie ustalone, a następnie łatwiejsze w użyciu dla techników automatyki.
Odporny
na trudne warunki
W komórkach produkcyjnych zespołów napędowych i
nadwoziowych podzespoły są poddawane surowym warunkom. Od iskier spawalniczych
do temperatur do 700 stopni, kable i części elektroniczne mogą łatwo ulec
uszkodzeniu. W obszarze napędowym dużą rolę odgrywa odporność na oleje i
chemikalia, a także odporność na wstrząsy i wibracje. W warsztacie samochodowym
roboty są nawet czyszczone suchym lodem!
Wraz z tendencją do optymalizacji kosztów
automatyzacji, napędy przenoszą części - takie jak przełączniki i moduły I/O -
bliżej maszyny, co następnie eliminuje szafę sterowniczą. Z tego powodu widzimy
większe wykorzystanie komponentów o stopniu ochrony IP65 lub wyższych, a także
tych z technologią połączeń M12.
Bezprzerwowa,
bezprzewodowa komunikacja
Korzystanie ze zautomatyzowanych pojazdów z
kierownicą, wahadłowców magazynowych i zautomatyzowanych wózków widłowych jest
coraz bardziej centralnym komponentem w zakresie dostaw materiałów w fabrykach
motoryzacyjnych - i technologie te będą ważnym składnikiem przyszłych inicjatyw
Industrie 4.0. Pojazdy te umożliwiają odpływ materiału od linii montażowej do
elastycznej wyspy produkcyjnej. Bezprzewodowe połączenie LAN o wysokiej
dostępności, które zapewnia szeroki zasięg przestrzenny i możliwość korzystania
z roamingu bez przerw, jest niezbędne do spełnienia rosnących wymagań.
PRP, w połączeniu z bezprzewodową siecią LAN, oferuje
również ciekawe rozwiązania do wyznaczania trendów. Wiele nowych wschodzących
obszarów będzie polegać na zastosowaniu bezprzewodowej sieci LAN. Może to
obejmować monitorowanie warunków w celu przesyłania sygnałów wideo lub
monitorowania linii prasy. W ciągu najbliższych kilku lat spodziewamy się
zobaczyć ponad 10 000 interfejsów bezprzewodowych w jednym zakładzie
produkcyjnym! Doprowadzi to do dodatkowych wymagań w odniesieniu do
skalowalności i przepustowości wykorzystywanej technologii bezprzewodowej.
Czy
Twoja przemysłowa sieć produkcyjna jest w stanie zmierzyć się z większą
przepustowością? Czy jesteś gotowy na przystosowanie się do prędkości
gigabitowych? Na początek, dowiedz się więcej o tym, w jaki sposób technologia
TSN pomoże IIoT i Industrie 4.0 w pełni wykorzystać swój potencjał w naszym raporcie:
"TSN - Time Sensitive Networking" (w języku angielskim).
Jeśli masz jakiekolwiek
pytania, wątpliwości czy uwagi, zapraszamy do kontaktu! Jesteśmy do
dyspozycji od poniedziałku do piątku w godz. 8:00 – 16:00.
Tel: +48 32 256 25
33
E-mail: info@pf-electronic.pl
Komentarze
Prześlij komentarz