A importância de utilizar dados em tempo real para controlar aplicações industriais modernas

O planejador de um sistema operacional (SO) convencional de alto nível, como Windows ou macOS, tem o objetivo de maximizar a utilização da CPU. Nesse cenário, vários usuários podem querer executar vários aplicativos ao mesmo tempo. Todos os processos e threads subjacentes devem receber sua parte justa do tempo de CPU.

Figura 1 . Uma representação de um sistema operacional industrial. Imagem usada cortesia de Pixabay

Um sistema operacional em tempo real, por outro lado, tem objetivos diferentes. Este sistema operacional deve garantir que cada thread seja executado estritamente dentro de um período de tempo previamente determinado e em uma ordem válida. Maximizar a utilização da CPU e a taxa de transferência de dados sem levar em conta o tempo e a ordem de execução não é suficiente ao lidar com as restrições de tempo do mundo real comumente encontradas em aplicações industriais.

Este artigo investiga o que os engenheiros podem fazer ao projetar um aplicativo que requer alto rendimento de dados, latência precisa e controle de jitter.

Máquinas diferentes e suas necessidades de rede

Um sistema de tempo real puro geralmente é a solução quando se olha para um único equipamento isolado do resto de seu ambiente.

No entanto, os pisos de fábricas modernos compreendem muito mais do que apenas as máquinas na área de produção. Como a Internet das coisas industrial (IIoT), a Indústria 4.0 e a computação de ponta tiveram um aumento constante nos últimos anos, os requisitos de comunicação dentro de uma única sala de produção estão se tornando mais complexos. Isso se deve em parte ao aumento de dispositivos conectados, mas os diferentes requisitos de comunicação de cada dispositivo também desempenham um papel fundamental.

Nesse contexto, os engenheiros costumam usar os termos tecnologia de operações (OT) e tecnologia da informação (TI) para classificar as duas principais categorias distintas de comunicação em rede. OT é um tráfego de tempo crítico, por exemplo, enviado de uma máquina para um braço robótico quando uma peça está pronta para ser retirada. Aqui, a informação deve chegar a todos os destinatários dentro de um determinado período de tempo.

Figura 2 . Uma rede industrial de máquinas.

A TI, por outro lado, geralmente requer uma taxa de transferência de dados mais alta. Normalmente, são dados como streams de vídeo, por exemplo, de uma câmera de segurança ou aplicativos de escritório, como e-mail. Em TI, o rendimento é o que importa. Confiabilidade, latência e jitter são freqüentemente preocupações secundárias.

Os engenheiros desejam projetar uma única rede capaz de atender aos requisitos de tráfego de TI e OT sem adicionar muita complexidade e custo - um artigo anterior discutiu os dois conceitos com mais detalhes. Ele investiga como a rede sensível ao tempo (TSN) ajuda a resolver os problemas de fusão do tráfego de TI e OT na mesma rede e estuda como o hardware de rede, como o Layerscape LS1028A, ajuda os engenheiros a projetar soluções industriais modernas.

Por que OT e TI andam de mãos dadas:um exemplo de aplicação

As funções em tempo real e não em tempo real não são mais separadas em ambientes de sistemas de controle industriais modernos. Em vez disso, as funções em tempo real e não em tempo real devem trabalhar lado a lado para garantir que uma instalação de produção funcione de forma eficiente e correta.

Uma usina de energia pode ser vista como um exemplo concreto que compreende centenas de dispositivos que podem ser todos conectados usando padrões diferentes. Vários sensores, por exemplo, relatam periodicamente suas leituras em tempo real. Esses sensores podem incluir, mas não estão limitados a sensores de temperatura, sensores de pressão e dispositivos que detectam gases prejudiciais que um processo pode produzir.

Figura 3. Medidores de pressão em uma fábrica de leite.

Os dados desses sensores podem ser válidos, precisos e úteis apenas por um curto período - normalmente até que o dispositivo forneça a leitura subsequente. Portanto, o primeiro ponto de entrada que coleta e agrega os dados do sensor deve ser capaz de fazer isso em tempo real.

Neste exemplo, os sensores ficam distantes e em locais de difícil acesso. Eles são conectados por meio de uma rede sem fio e o primeiro ponto de acesso que se comunica com os sensores deve ter recursos em tempo real.

Além dos sensores, o maquinário da planta contém vários módulos de entrada / saída (E / S) que, por exemplo, se conectam a atuadores. Neste caso, os engenheiros da usina decidiram usar uma rede com fio para conectar os módulos de E / S e o controlador lógico programável (PLC).

Os módulos de E / S, atuadores e PLC funcionam em tempo real e uma ponte de comunicação com capacidade em tempo real é necessária para conectar os dispositivos. Os módulos de E / S provavelmente requerem um microcontrolador executando código bare-metal, e o PLC e a ponte de comunicação usarão um microprocessador executando um sistema operacional em tempo real, como o software de borda em tempo real da NXP.

Os sistemas de TI mais acima no fluxo reúnem estatísticas, monitoram o sistema geral e transmitem dados de vídeo das câmeras. Esses sistemas não estão executando um sistema operacional em tempo real. Da mesma forma, a transmissão de dados de e para o sistema de TI não acontece em tempo real.

Uma solução de software que oferece suporte a OT e TI

Além do aspecto de rede, seria benéfico mesclar as operações de TI e OT em um único processador. Isso reduziria a complexidade e o custo geral do sistema em comparação com um processador dedicado para tarefas críticas de tempo e um que executa apenas outras operações menos críticas. Um sistema operacional em tempo real desempenha um papel fundamental em aplicativos de tempo crítico.

Figura 4. Um diagrama de blocos do software de borda em tempo real da NXP. Imagem usada cortesia de NXP

Algumas soluções de software existentes permitem que os engenheiros criem aplicativos críticos de tempo seguros, escalonáveis ​​e de fácil manutenção usando Linux de código aberto. Com seu software de borda em tempo real, o NXP fornece um ambiente em tempo real seguro e confiável para aplicativos que requerem latência determinística e jitter previsível.

As aplicações típicas incluem dispositivos conectados em vários campos profissionais, como controle industrial, automação predial, controle automotivo, segurança e sistemas de infoentretenimento.

Resumo

Muitos sistemas comerciais exigem tempo preciso e latência determinística ao se comunicar com outro equipamento. Conforme o número de dispositivos conectados aumenta, os engenheiros procuram uma maneira de integrar o tráfego de OT e TI em uma única rede. O tráfego de OT geralmente requer uma infraestrutura de rede confiável em tempo real, enquanto os dados de TI geralmente precisam de uma alta taxa de transferência.

O software em tempo real da NXP cria redes capazes de mesclar tráfego de OT e TI em uma única linha usando TSN Ethernet. Isso pode reduzir a complexidade e o custo geral da rede. A NXP também oferece software de borda em tempo real que consiste em três blocos de construção principais, cada um suportando diferentes aspectos-chave da comunicação em tempo real.