Przejdź do głównej zawartości

Time Sensitive Networking: Uproszczenie kolejowych sieci łączności Ethernet w metrze

Richard Weatherburn

Z Industry 4.0 przyszła kolejna generacja automatyki przemysłowej. Technologia ta miała na celu poprawę wydajności fabryk ze zautomatyzowanymi maszynami pracującymi na szybko poruszających się liniach produkcyjnych. Ale teraz, gdy coraz więcej danych musi być przesyłanych przez coraz bardziej obciążone sieci Ethernet, informacje mogą zostać spowolnione lub opóźnione. Rezultat? Mniej wydajne operacje i ostatecznie mniejszy wynik – co jest całkowicie sprzeczne z pierwotnymi celami. TSN został opracowany, aby sprostać tym wyzwaniom, ale może być również z doskonałymi efektami użyty w środowisku transportowym.


Wartość technologii TSN
Do tej pory wszystkie dane przesyłane przez sieć miały ten sam priorytet. Jeśli sieć była zajęta, wydajność sieci spadała. Niekrytyczne dane, takie jak wideo z monitoringu, mogą zapchać sieć. Może to oznaczać, że wrażliwe czasowo dane dotyczące maszyn i linii produkcyjnej zostaną opóźnione, co w najgorszym przypadku może doprowadzić do awarii urządzenia i przestojów.
Pojawia się zatem pytanie, czy wszystkie dane powinny być traktowane jednakowo? Absolutnie nie. Istnieje duże zapotrzebowanie na wrażliwe na czas dane, które mają być priorytetowe w stosunku do innych transferów danych. Aby to osiągnąć, opracowano technologię TSN (Time Sensitive Networking), aby zapewnić terminowe przesyłanie krytycznych danych, nawet gdy sieć jest zajęta.
Oto jak to działa. TSN sortuje dane zgodnie z ich przeznaczeniem, wysyłając niekrytyczne dane do kolejki, by przechodziły dalej, gdy ruch sieciowy na to pozwoli. Jednak dane wrażliwe na czas od razu trafiają na „ekspresowy pas”, aby natychmiast dotrzeć do zamierzonego celu.

Na przykład w czasie, gdy twoja sieć jest zajęta, dane wideo monitoringu i obserwacji stanu są przesyłane przez sieć w tym samym czasie, co ważne dane z robotyki linii produkcyjnej. Bez priorytetu oba pakiety danych zostaną przesłane w tym samym czasie. Jeśli jednak kryzys przepustowości spowoduje nawet milisekundę opóźnienia w transferze danych z robotyki, delikatne wahania automatyzacji na linii produkcyjnej mogą przestać być synchronizowane, co doprowadzi do desynchronizacji, a w efekcie do przestojów na linii produkcyjnej.

TSN w działaniu: zastosowanie w kolei
Każda branża z danymi wrażliwymi na czas wyraźnie skorzysta na technologii TSN. W tym artykule zagłębimy się bardziej w branżę transportową, która ma wiele elementów krytycznych pod względem czasu.

Tradycyjnie, zwiększanie przepustowości w sieci kolejowej metra wiązało się z dużymi nakładami inwestycyjnymi na infrastrukturę kolejową. Typowe rozwiązania problemów z wydajnością mogły wymagać ułożenia dodatkowych linii biegowych, być może nudnych nowych tuneli i wydłużanie peronów, aby dostosować je do dłuższych pociągów. Te duże projekty o charakterze cywilnym są nie tylko drogie, ale także mogą potencjalnie zakłócić funkcjonowanie usług operacyjnych.

Dzięki wykorzystaniu dokładnych informacji o pociągu w czasie rzeczywistym, sterowanie pociągiem oparte na komunikacji (CBTC) stanowi rozwiązanie problemów związanych z przepustowością i pozwala uniknąć wielu z tych kosztownych i uciążliwych projektów inżynieryjnych. Ponieważ dane w systemie CBTC mają znaczenie dla bezpieczeństwa, wymagana jest sieć Ethernet o wysokim poziomie niezawodności i dostępności. Ponadto sieć komunikacyjna CBTC jest "ogrodzona pierścieniem" (ang. "ring-fenced" - chroniona barierą bezpieczeństwa), aby zagwarantować kryteria wydajności przepustowości i opóźnienia. Oznacza to, że sieci Ethernet CBTC zawierają wyłącznie dane związane z aplikacją CBTC o znaczeniu krytycznym.

Jednocześnie nasze warunki dotyczące pociągów stały się bardziej wymagające. Systemy diagnostyczne zgłaszają się teraz do magazynów, zanim pociąg przyjedzie na konserwację, aby można było zorganizować części zapasowe i narzędzia. Systemy informacji pasażerskiej dostarczają nam informacji w czasie rzeczywistym podczas sprzedaży biletów. Systemy rezerwacji miejsc i bezprzewodowy dostęp do Internetu lub systemów rozrywki sprawiają, że nasza podróż jest mniej stresująca. Wszystkie te aplikacje wymagają również sieci komunikacyjnej Ethernet oraz połączenia między pociągiem a systemem naziemnym.

Ta tabela przedstawia niektóre z często wdrażanych zastosowań wymagających połączenia pociągu z ziemią. Każde z tych zastosowań wymaga transferu danych między pociągiem a systemem naziemnym, a także przytorowej infrastruktury komunikacyjnej.

Przed rozpoczęciem korzystania z technologii TSN operatorzy kolejowi uruchomili oddzielne bezprzewodowe sieci Ethernet wyłącznie w celu obsługi ważnych z punktu widzenia bezpieczeństwa danych. Następnie sieci wtórne obsługują mniej ważne dane, takie jak dostęp do WiFi przez pasażerów i materiały do ​​nadzoru wideo w czasie rzeczywistym. Każda sieć zarządza własnymi danymi i ich indywidualnym połączeniem między pociągiem a siecią naziemną.
Po co sięgać po te skrajne środki? Po prostu tak bardzo ważne jest to, że pociągi mogą niezawodnie przekazywać wrażliwe na czas dane CBTC. Ta konfiguracja zapobiega problemom z priorytetami danych. I chociaż operatorzy kolejowi mają określony cel w tym, aby podjąć takie środki ostrożności, biorąc pod uwagę kwestie bezpieczeństwa dla pasażerów, ta praktyka polegania na kilku pojedynczych sieciach zwiększa zarówno koszty CAPEX, jak i OPEX, a także znacznie zwiększa złożoność infrastruktury przytorowej.

Ten diagram pokazuje złożoność i wzajemne połączenia wymagane w połowie typowej sieci Ethernet CBTC. Systemy kolejowe często składają się z kilku nieporęcznych sieci. Sieć TSN redukuje liczbę niezbędnych sieci do zaledwie jednej.

Technologia TSN może uprościć ten proces, zachowując wszystkie dane w tej samej sieci. W przypadku TSN po raz pierwszy możliwa jest deterministyczna transmisja danych ze standardową siecią Ethernet zgodną z IEEE 802.1 i 802.3. Jeśli wykorzystamy TSN do połączenia sieci Ethernet zainstalowanych dla danych innych niż CBTC z siecią CBTC, wyeliminujemy potrzebę korzystania z jakiejkolwiek z tych dodatkowych sieci innych niż CBTC. Korzystanie z TSN w celu zagwarantowania opóźnienia transmisji danych CBTC pozwala nam wykorzystać sieć CBTC do przenoszenia danych innych niż CBTC. Znaczne oszczędności w kosztach inwestycyjnych i instalacji, a także zmniejszenie złożoności przytorowych, a tym samym kosztów OPEX.

4 zalety TSN dla zastosowania w Metrze
Wraz z jej zastosowaniami w liniach produkcyjnych i systemach kolejowych, technologia TSN będzie odgrywać ważną rolę w rosnącej liczbie infrastruktur komunikacyjnych, ponieważ coraz większa liczba urządzeń jest połączona w ramach Industrial Internet of Things (IIoT) i rewolucji Industry 4.0.

Ponieważ TSN kreuje się jako kolejny standard w sieci Ethernet, otrzymasz wiele korzyści o wysokiej wartości:
·   TSN zapewnia prawdziwą sieć działającą w czasie rzeczywistym.
Podczas gdy Ethernet jest lubiany ze względu na dużą przepustowość, interoperacyjność i niższe koszty utrzymania, do tej pory nie był w stanie sprostać rosnącym potrzebom związanym z opóźnieniami i czasem dostarczania danych. Jednak możliwość zapewnienia gwarancji w czasie przesyłania danych jest kluczowym wymogiem dla krytycznych zastosowań, takich jak CBTC, które opierają się na komunikacji sieciowej. TSN reguluje chronometraż.
·   Technologia TSN pomaga ci zabezpieczyć się na przyszłość.
TSN nie jest pojedynczą technologią, ale raczej układem wielu różnych technologii. Podczas gdy pierwsza i jedna z najważniejszych części TSN została wydana jako "IEEE 802.1Qbv -Ulepszenia dla zaplanowanego ruchu", inne specyfikacje będą obowiązywać w ciągu najbliższych 3-4 lat.
Nie musisz jednak czekać na wypuszczenie wszystkich części standardu, zanim zastosujesz technologię TSN w swojej sieci komunikacyjnej metra! Dobrze zdefiniowany proces standaryzacji IEEE 802.1 gwarantuje, że każda nowa specyfikacja zostanie bezproblemowo zintegrowana z istniejącym ekosystemem TSN.
·   TSN zapewnia współdziałanie.
TSN pozwala na współistnienie w czasie rzeczywistym i z opóźnieniem komunikacji w tej samej sieci i obsługuje tolerancję błędów i rezerwację przepustowości. Te możliwości zasadniczo poprawiają podstawową technologię Ethernet.
Ponieważ standardy TSN będą kontynuowane, wynikiem będzie szeroka interoperacyjność pomiędzy sprzedawcami i powszechna dostępność jednolitych chipów krzemowych, które obsługują tę technologię.
·   TSN stanie się fundamentem Rail IoT.
TSN stała się już jedną z kluczowych technologii wspomagających IIoT i Industry 4.0, na przykład poprzez starania standaryzacyjne z OPC Unified Architecture (UA). Łącząc standardy TSN dla niższych warstw komunikacji ze standardami OPC UA dla wyższych warstw protokołu, otrzymujemy otwartą architekturę, która może być wykorzystana aby w pełni połączyć nawet najbardziej wymagające procesy produkcyjne.
Od pojedynczych zastosowań kolejowych po elastyczne inteligentne sieci komunikacyjne przyszłości, TSN jest technologią podstawową, która spaja wszystko ze sobą.

Zastanawiasz się, w jaki sposób technologia TSN może obniżyć koszty CAPEX i OPEX? Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak działa TSN? Zapoznaj się z naszym najnowszym raportem "Uproszczenie Metro Ethernet Communications Networks" (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

Popularne posty z tego bloga

Ethernet przemysłowy a zwykły Ethernet: dlaczego to ma znaczenie?

Sylvia Feng Środowiska przemysłowe są trudne. Mówię o oleju, kurzu, wodzie i wysokich temperaturach. Środowisko, w którym działa wiele obiektów przemysłowych, znacznie różni się od budynku biurowego lub sklepu detalicznego. Mimo to oczekuje się, że wiele (pozornie) podstawowych funkcji będzie działać płynnie, pomimo tych warunków. Fabryki muszą mieć możliwość przesyłania danych z jednej maszyny do drugiej i muszą mieć możliwość polegania na kablu, aby działał w ekstremalnych warunkach. Jednym z obszarów, który może wywrzeć niesamowity wpływ na producentów, zarówno pozytywnie, jak i negatywnie, jest niezawodność, bezpieczeństwo i siła ich kabla sieciowego. Po prostu użycie dowolnego kabla Ethernet nie będzie działać. Zwykłe urządzenia, które mogą działać dobrze w warunkach biurowych z kontrolowaną temperaturą, nie wytrzymają ekstremów środowiska przemysłowego. Oto świetna analogia: jak niedorzeczne byłoby umieścić pingwina na pustyni? Wszyscy wiemy, że pingwiny nie

W jaki sposób wibracje, hałas i przesłuch mogą powodować przestoje

Jeremy Friedmar Trudne środowiska wymagają wytrzymałych produktów Wibracje i hałas są powszechne w środowiskach przemysłowych, takich jak produkcja i transport kolejowy. Huk linii montażowych może zakłócać transmisję danych, a złącza mogą stać się luźne. Zastanów się, ile wibracji występuje, gdy wagon jedzie do miejsca docelowego. Środowiska takie jak te wymagają solidnego produktu. Oto świetna analogia: jak absurdalnie byłoby, gdyby zespół rockowy ćwiczył w bibliotece? Byłoby to nie tylko zakłócające, ale całkowicie uniemożliwiałoby normalne funkcjonowanie. Wibracje i hałas w bibliotece byłyby nie do zniesienia dla osób pracujących w tej przestrzeni. W przypadku środowiska przemysłowego głównym skutkiem zarówno hałasu, jak i wibracji jest utrata sygnału. Ma to szczególne znaczenie w przypadku okablowania Ethernet ze względu na fakt, że może powstać wyższy bitowy poziom błędu, co jest szkodliwe dla sieci komunikacyjnej wymaganej dla czasu pracy bez przestojów. Wpł

Zmniejsz swoje maszyny, używając mniejszych kabli

Sri Senthamaraikannan Mniejsze maszyny zaczynają się od mniejszych kabli Jeśli jesteś konstruktorem maszyn, wiesz, jak ważny jest trend miniaturyzacji i jak nieustannie musisz dążyć do projektowania precyzyjnych i wydajnych maszyn. Mniejsze maszyny zmniejszają zapotrzebowanie na energię, zwiększają elastyczność projektowania, pozwalają między innymi na pracę większej liczby maszyn w tej samej zatłoczonej fabryce i obniżają koszty konserwacji. Wszystko to oznacza niższe koszty i większą wydajność. A dla Ciebie mniejsze maszyny oferują nie tylko możliwość sprzedaży większej ich liczby, ale także oszczędzają czas i pieniądze na każdym etapie procesu produkcyjnego - od zaopatrzenia, przez montaż, wysyłkę, logistykę, aż po instalację. Aby to wesprzeć, Belden opracował wysokiej jakości, wytrzymały przemysłowo kabel elektroniczny, który oferuje taką samą wydajność jak tradycyjny kabel elektroniczny 300 V – a jest znacznie mniejszy i bardziej elastyczny. Kabel  SpaceMaker  ma oko