OPC UA + TSN – единый коммуникационный стандарт для процессов, требующих режима реального времени
10.11.2017
В то время как реальный потенциал Индустриального IoT трудно себе представить, готовится дополнение к самому распространенному промышленному стандарту для создания в промышленных системах бесшовной связи между IT-уровнем и уровнем автоматизации. Использование в спецификации OPC UA расширения Ethenet-стандарта IEEE 802.1 - чувствительной ко времени сети (TSN) - обеспечивает точно синхронизированный доступ к данным от механизмов, контроллеров и систем ввода/вывода независимо от производителя.
Открытый протокол промышленного стандарта совместимости OPC UA продвигается промышленным консорциумом OPC Foundation. Технология нашла широкое применение в промышленности, ее используют почти все производители контроллеров. Благодаря стандартизированной системе подключения к OPC UA выбор проприетарной коммуникационной технологии не сделает специалистов заложниками системы с закрытым кодом и позволят им сосредоточиться на решении новых задач, стоящих перед ними на пороге Industry 4.0.
Множество сетевых узлов
Одна из важнейших задач- найти способ эффективно управлять устройствами в сети. Критически важны программные средства, упрощающие настройку и конфигурацию сложных сетей с большим количеством узлов. Растет не только число устройств, в геометрической прогрессии увеличиваются генерируемые датчиками и механизмами объемы данных. Управлять потоками Больших Данных с помощью обычных промышленных протоколов легче с OPC UA.
Не данные, а Информация
Основное преимущество технологии OPC UA - информационные модели. Традиционные системы шин передают безразмерные данные – простые номера, без единиц измерения или любой другой полезной информации. Приложение в контроллере знает, как интерпретировать эти числа с помощью семантической модели данных.Как только становится необходимым использовать данные в других странах – на других устройствах, системах SCADA или облачных ERP-системах – семантический смысл теряется, остается набор цифр.
Меньше ошибок
В прошлом смысловой контекст передавался в другие системы в табличном или в рукописном виде - кропотливая утомительная работа и потенциальный источник ошибок. ОPC UA значительно облегчает реализацию более гибких и модульных отраслевых решений.
Благодаря своим информационным моделям OPC UA передает сопутствующую информацию, которая может быть интерпретирована любым узлом сети без дополнительных объяснений. К примеру, датчик измерил температуру: 5°C. С помощью традиционного протокола контроллер получил бы тип данных целое число со значением "5". Тот факт, что число представляет собой величину температуры, измеренное в градусах Цельсия, так же как и факт существования предельно допустимых значений этого параметра, определяется в приложении контроллера.
Протокол ОРС UА использует другой подход. Значение " 5 " передается вместе со всем его семантическим контекстом – в нашем случае это числовое значение температуры, измеренное в градусах Цельсия вместе с предельно допустимыми значениями параметра, которые необходимо отслеживать.
Информация по требованию
Другие устройства и узлы, связанные промышленным стандартом OPC UA, также в свою очередь могут воспользоваться ценной информацией. Она может быть полезна, например, для передачи данных в ERP-систему. Раньше было бы необходимо вручную программировать передачу данных, и любые изменения в такой статичной структуре также потребует ручного перепрограммирования.
Использование ОРС UА упрощает коммуникацию уровня автоматизации с системами более высокого уровня. Правда, когда системы более высокого уровня отправляют запросы вниз в промышленные сети, сетевая нагрузка неизбежно возрастает.
Единая распределенная сеть
Для IT-сетей задержка порядка миллисекунды, как правило, не имеет большого значения. Для точно синхронизированного процесса производства, в особенности в критически важных приложениях, необходимая точность составляет миллисекунды. Задержка может привести к отключению механизмов, снижению качества выпускаемой продукции или, нанести ущерб оборудованию и персоналу. Именно поэтому практически на промышленных предприятиях традиционно разделяют производственные и IT-сети, не имеющие временных ограничений и циклического технологического процесса, что очень важно для уровня автоматизации технологических процессов.
IT-сети следуют известному принципу " негарантированной доставки ". Это означает, что все пакеты данных имеют одинаковый уровень приоритета и передаются максимально быстро. Если пропускная способность превышена, возникает задержка – что недопустимо на уровне промышленных сетей. До сих пор не было возможности реализовать в одной сетевой инфраструктуре одновременно с принципом «негарантированной доставки» детерминированный циклический трафик. Чувствительная ко времени сеть (TSN) позволяет передавать как обычные, так и критичные ко времени данные по одной сети.
Сначала в рамках адаптации сети к детерминированному режиму работы разработано расширение стандарта IEEE 802.1 AS-Rev, описывающее механизм синхронизации внутренних часов всех узлов сети и установления единого сетевого времени.
Следующий шаг - обеспечение приоритета детерминированному трафику данных в сети. Это предусмотрено стандартами IEEE802.1 Qbv и Qba, в спецификации которых оговорена работа сетевых коммутаторов таким образом, чтобы детерминированный трафик данных гарантированно передавался в течение определенного периода времени.
Для создания единого подхода к настройке используется протокол сетевого управления устройствами NETCONF, обеспечивающий стандартные интерфейсы и механизмы конфигурирования.
Попрощайтесь с проблемами трафика
Если объединить описанные выше технологии, становится возможным передавать критически важные циклические данные на том же физическом уровне, что и некритические. Промышленные сети передают данные на скорости Gigabit Ethernet или выше, что увеличивает пропускную способность.
OPC UA и ТSN создаст предпосылки для появления кардинально новых, децентрализированных архитектур промышленной автоматизации, особенностями которых станет срастание IT-сетей с производственными сетями. Причем не только в новых производственных площадках, подключенных с нуля, но и на промышленных предприятиях с устаревшим оборудованием, которое может быть интегрировано в M2M-коммуникации через OPC UA без конструктивных изменений.
