Por que o controle determinístico é essencial para sistemas modernos

05
julho

Os argumentos acumulados para o controle determinístico

• Por:Brian McMorris
• EtherCat
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Por Dave Perkon, Editor Técnico
Reimpresso de Control Design, 27 de junho de 2019

https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumulating-case-for-deterministic-control/

O que os construtores de máquinas, integradores de sistemas e fabricantes precisam saber sobre redes sensíveis ao tempo (TSN)? Em termos mais simples, é melhor Ethernet.

O que costumavam ser muitas redes e gateways para atender aos requisitos de desempenho será controle determinístico e informações em um único cabo.

Além de melhor desempenho, será fácil de usar, mas os integradores e usuários finais ficarão felizes em oferecer suporte às soluções atuais.

“Não creio que a TSN complique as coisas para os integradores envolvidos com manufatura avançada e robótica”, diz Brian D McMorris, presidente da Futura Automation em Scottsdale, Arizona. "Somos um integrador de chão de fábrica. Não sabemos muito sobre o mundo de TI, mas a estrutura e a visão de nossa empresa estão focadas na Indústria 4.0, grande parte da qual é executada no chão de fábrica. Por exemplo, estamos no mundo do sistema de execução de fabricação (MES) em nível de aplicação com a linha de software Tulip Interface. Fornecemos capacidade de serviços de campo e ajudamos os clientes a implementar os benefícios de um MES, sistemas computadorizados de gerenciamento de manutenção (CMMS) e sistemas de gerenciamento de qualidade (QMS)."

A Futura trabalha com TI principalmente no lado da segurança, em termos de sua solução baseada em nuvem e como os aplicativos em nuvem são protegidos. “Tenho certeza de que será bom que o IEEE pegue um protocolo patrocinado pela empresa, como o EtherCAT, e o transforme em um padrão aberto global sob os auspícios de uma associação industrial, mas não vejo nenhuma deficiência do EtherCAT hoje, além do custo da licença por dispositivo para seu uso”, diz McMorris.

Embora McMorris apoie o desenvolvimento da tecnologia de rede, com o EtherCAT ele não viu muitas limitações. “Usamos EtherCAT com nossos drives Servotronix para controle multieixo em nossos robôs de design aberto – cartesianos e delta”, diz ele. “É uma rede proprietária muito rápida, com jitter substancialmente inferior a 1 microssegundo, mas só é adequada para certos requisitos de computação em tempo real rígidos e suaves em tecnologia de automação.”

Doug Putnam-Pite, diretor de desenvolvimento de software da Owens Design em Fremont, Califórnia, reconhece que redes proprietárias como EtherCAT e CC-Link IE fornecem comunicações em tempo real, mas também reconhece suas limitações. “A desvantagem dessas tecnologias é que elas só funcionam com dispositivos de controle que suportam o protocolo”, diz Putnam-Pite. "Isso significa que você não pode ter dispositivos na mesma rede que não suportem o protocolo. Essas redes fieldbus devem ser separadas de quaisquer outras redes Ethernet na ferramenta."

O TSN pode permitir que dispositivos que atualmente não conseguem se comunicar em tempo real o façam. “A rede urgente oferece aos integradores mais opções sobre como arquitetar sistemas de controle”, afirma Putnam-Pite. "Uma ferramenta com uma rede sensível ao tempo pode ser capaz de descentralizar o controle, permitindo que dispositivos individuais se comuniquem diretamente entre si em tempo real, permitindo que algum nível de controle seja descarregado de um controlador de ferramenta central. Além disso, os PCs podem ser capazes de se comunicar com dispositivos de rede sensíveis ao tempo de maneira semi-tempo real."

Relatório de progresso

“Para que construtores de máquinas, integradores de sistemas e fabricantes implantem o TSN, ele precisa ser incorporado em protocolos de automação industrial e apoiado por um conjunto amplo o suficiente de fornecedores para montar um sistema”, diz Paul Didier, coordenador de testes do TSN, Industrial Internet Consortium (IIC, www.iiconsortium.org) e arquiteto de soluções de Internet das Coisas da Cisco. “Esse ainda não é o caso, mas a indústria está trabalhando duro para atingir esse objetivo (Figura 1).”

Figura 1:Os testes das inúmeras partes do TSN estão em andamento por muitos dos líderes da indústria em redes, automação e eletrônica.
(Fonte:Consórcio de Internet Industrial)
Estão em andamento trabalhos para definir o conjunto de aproximadamente 12 padrões IEEE 802 destinados a abordar o determinismo e a qualidade de serviço exigidos para TSN, afirma o Dr. Al Beydoun, presidente da ODVA (www.odva.org). "Além disso, a interoperabilidade deve ser mantida. A conclusão do perfil industrial IEC/IEEE 60802 para TSN é fundamental e está prevista para meados de 2021", diz ele. “Enquanto isso, as atualizações nas especificações de rede, como a especificação EtherNet/IP, não serão finalizadas até que o padrão subjacente do TSN seja finalizado.”

A Ethernet padrão não é determinística por natureza, diz Michael Bowne, diretor executivo da PI North America. “A rede sensível ao tempo é um kit de ferramentas de aproximadamente duas dúzias de padrões IEEE que criam Ethernet determinística padronizada”, explica ele. "Agora que outras indústrias fora da automação industrial estão interessadas em Ethernet determinística, há um mercado maior para o hardware. A ideia é que eventualmente essa tecnologia esteja disponível em chips comerciais prontos para uso (COTS). Dos padrões IEEE na caixa de ferramentas TSN, identificamos cerca de meia dúzia que são particularmente relevantes para a automação industrial. Esses padrões abordam o determinismo com recursos como sincronização, baixa latência, alta disponibilidade e robustez."

É importante acertar o padrão e isso levará tempo. “Conforme mencionado acima, o TSN é uma caixa de ferramentas com muitos padrões diferentes, e não apenas uma coisa”, diz Bowne. "Alguns são relevantes para a automação industrial, outros não. Para garantir que não acabemos com diferentes sabores de TSN na automação industrial, foi iniciado um esforço conhecido como IEC/IEEE 60802. Atualmente é composto por engenheiros de grandes e pequenos fornecedores de automação para garantir a harmonização entre empresas."

A fábrica digital exige interoperabilidade e simplicidade nas comunicações, afirma Armando Astarloa Cuéllar, CEO de engenharia de sistemas em chip da Relyum. “TSN é a Ethernet de nova geração projetada expressamente para atender a esses requisitos”, diz ele. Embora a introdução do TSN seja progressiva dependendo do setor, alguns setores críticos, como o ferroviário, o automóvel ou o aeroespacial, estão a adotar o TSN como rede padrão de TI/TO nas suas novas plataformas.

Por que você deveria se preocupar com o TSN?

“Do ponto de vista do usuário, neste momento, o status das redes sensíveis ao tempo está um pouco paralisado”, diz Paul Brooks, gerente de desenvolvimento de negócios, redes – IIPA, padrões globais, OPC e redes sensíveis ao tempo, na Rockwell Automation. “Os padrões TSN no IEEE 802 foram publicados, mas eles fornecem apenas interoperabilidade em nível de recurso, não interoperabilidade em nível de sistema”, diz ele. “Portanto, do ponto de vista dos fornecedores, nós, como comunidade de automação industrial, estamos desenvolvendo a IEC/IEEE 60802, que determinará o perfil de automação industrial para que a TSN forneça esta interoperabilidade em nível de sistema.”

Somente quando esses padrões forem bloqueados é que as organizações de protocolo, como a ODVA, poderão publicar esse perfil nas especificações, continua Brooks. “Algumas empresas têm lançado produtos pré-padrão e, embora agreguem valor ao usuário, não há garantia de que esses produtos serão compatíveis com o padrão final”, disse ele.

Em novembro de 2018, a OPC Foundation anunciou a iniciativa Field Level Communication apoiada por um conjunto muito amplo de players industriais e de TI:ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, entre outros, afirma Didier da Cisco. “A visão é buscar uma solução de comunicação IIoT aberta, unificada e baseada em padrões entre sensores, atuadores, controladores e nuvem, atendendo a todos os requisitos da automação industrial”, diz ele. “A iniciativa incorporará o trabalho do OPC em comunicação pub/sub e TSN (Figura 2).”

Figura 2:A comunicação TSN com OPC UA permitirá que aplicações de controle funcionem em uma rede aberta e padrão com uma grande variedade de outros tráfegos e aplicações – do sensor à nuvem.
(Fonte:Hilscher)
O TSN permite que todas as aplicações de controle dependam de uma rede aberta e padrão. "Essa rede também pode suportar uma enorme variedade de outros tipos de tráfego e aplicações. Esta convergência e a capacidade de comunicação, do sensor para a nuvem, são as principais melhorias", afirma Didier.

“O TSN foi projetado para fornecer mensagens determinísticas e capacidade em tempo real através da Ethernet padrão, a fim de garantir a comunicação de informações em um período de tempo fixo e previsível”, explica Beydoun. "As principais aplicações do TSN serão aquelas que exigem controle de tempo preciso e comportamentos determinísticos de rede. No entanto, o Ethernet TSN é desejado em qualquer aplicação industrial onde maior largura de banda e resposta de rede mais rápida são desejadas, como é o caso em aplicações de rede que transmitem informações de áudio e vídeo. A escalabilidade do TSN permitirá streaming de pacotes em alta largura de banda com latência garantida em taxas de transferência de Gigabit mais altas."

Por que preciso do TSN?

“Muitos integradores e fabricantes de máquinas questionam a necessidade do TSN e afirmam que a Ethernet industrial existente e os protocolos relacionados, como EtherNet/IP, EtherCAT e Profinet, atendem às suas necessidades, então ‘Por que preciso do TSN?’ é uma pergunta comum”, diz Bowne, da PI North America. "É válido, principalmente porque muitas das técnicas empregadas pelo TSN - sincronização, reserva de largura de banda, agendamento - são aquelas que usamos no Profinet há mais de 15 anos. Se o TSN existisse naquela época, nós o teríamos adotado e economizado muito esforço de engenharia. E ainda assim o Profinet sempre permitiu que o tráfego relacionado ao controle de alta velocidade coexistisse claramente com outro tráfego relacionado à informação."

Exatamente o mesmo princípio se aplica ao TSN, então, novamente, por que você precisa dele? “A resposta é sutil e está relacionada ao futuro das redes”, diz Bowne. "À medida que avançamos para o domínio da Indústria 4.0/Internet Industrial das Coisas (IIoT), mais e mais informações serão fornecidas aos sistemas de nível superior. Eventualmente, parece que pode ocorrer algum achatamento do Modelo Purdue. Embora o TSN possa não ser o impulsionador disso, certamente pode ser uma das ferramentas para ajudar a habilitá-lo."

No futuro, prevemos que, à medida que mais e mais largura de banda for utilizada pelos protocolos de TI, o TSN garantirá que o tráfego TO sensível ao tempo (daí o nome) receba o determinismo necessário, mesmo em redes carregadas com outro tráfego de TI de melhor esforço, explica Bowne. “Desde que todos compartilhem uma base TSN comum, os fabricantes poderão começar a implementar redes convergentes de TI/TO sem ter que se preocupar com o sacrifício do tráfego de TO em detrimento do tráfego de TI”, diz ele. “Queremos continuar esta filosofia de longa data porque acreditamos no uso da ferramenta certa para a tarefa certa:o protocolo Profinet para movimentação de dados, outros protocolos, por exemplo, OPC UA, para movimentação de informações, tudo em um único fio.”

O roteiro de integração de TO/TI não termina em uma situação intermediária com uma infinidade de dispositivos heterogêneos conectados por meio de gateways, diz Cuéllar da Relyum. “Em vez disso, aumenta a adoção de uma tecnologia de comunicação ao nível da ligação que seja válida para ambos os mundos”, diz ele. “Dessa forma, seria viável uma topologia de troca de dados todos para todos em uma planta homogênea, semelhante a um pilar (Figura 3).”

Figura 3:O pilar de automação mostra conexões claras e de alta velocidade entre os dispositivos de E/S do chão de fábrica e os controladores para a fábrica, o nível empresarial e a nuvem.
(Fonte:Belden via System-On-Chip Engineering)
Este pilar de automação é baseado em uma postagem de blog intitulada "O que é TSN? Uma análise de seu papel nas futuras redes Ethernet", de René Hummen, arquiteto sênior de tecnologia e inovação da Belden.

Neste contexto de pilar, o esquema tradicional de comunicação e cibersegurança baseado em camadas já não é válido. “Os elementos incluídos no campo I/O se comunicariam diretamente com aplicações e serviços habilitados em nuvem remota”, explica Cuéllar. "Assim, é fundamental proteger a comunicação entre os diferentes dispositivos. Os requisitos de tempo real do TSN representam um dos grandes desafios para proteger este tipo de rede porque os mecanismos tradicionais de TI de cibersegurança não conseguem garantir a transmissão de pacotes com a latência necessária."

TSN não é um protocolo
TSN é apenas mais uma versão melhor da Ethernet; não é um protocolo. “O que está melhorando é a infraestrutura sobre a qual existem todos os protocolos baseados em Ethernet”, diz Bowne da PI. "O TSN reside na camada de enlace de dados (camada 2) do modelo IOS/OSI (Figura 4). Os protocolos residem na camada de aplicação (camada 7) do modelo ISO/OSI. Os gateways traduzem dados entre os diferentes protocolos ou linguagens."

Figura 4:O TSN reside na Camada de Enlace de Dados 2 do Modelo IOS/OSI e não é um protocolo, que reside na Camada de Aplicativo 7.
(Fonte:Pi América do Norte)
O TSN foi projetado para complementar a funcionalidade da rede existente. “As funções de rede que estão disponíveis hoje e que oferecem operações confiáveis ​​deveriam estar disponíveis da mesma forma após a introdução do TSN”, diz Brooks da Rockwell. “Não deve forçar qualquer mudança de comportamento, a menos que haja um novo valor que justifique essa mudança (Figura 5).”

Figura 5:Grande parte do hardware de rede e da confiabilidade funcional permanecerão os mesmos após a introdução do TSN, mas haverá valor agregado para justificar a mudança.
(Fonte:Rockwell Automation)
Com foco na EtherNet/IP, a rede sensível ao tempo é completamente independente do protocolo de comunicação, continua Brooks. “A tarefa das organizações de protocolo como ODVA e OPC Foundation é simplesmente definir como seus protocolos funcionam com o TSN e tornar o TSN o mais transparente possível para o usuário”, diz ele. “E eles precisam fazer isso ao mesmo tempo em que transformam os mecanismos de qualidade de serviço existentes, como DSCP (ponto de código de serviços diferenciados), um acrônimo que a maioria dos fabricantes de máquinas e integradores de sistemas nunca precisará entender!”

Como o TSN ajudará um aplicativo?

“Se todos fizermos nosso trabalho corretamente, um construtor de máquinas ou integrador de sistemas não terá que interagir muito com a TSN”, diz Bowne, da PI North America. "Será fácil de empregar e transparente para suas tarefas de engenharia, configuração e comissionamento relacionadas ao Profinet. É apenas uma versão melhor da Ethernet empregada hoje."

A rede urgente é uma ferramenta que facilita o nivelamento de redes, mas é apenas uma das ferramentas que torna isso possível e prático, diz Brooks, da Rockwell. “Por exemplo, a segmentação de rede é o coração de uma arquitetura de rede segura”, explica ele. "Rede urgente não ajuda na segmentação. Para isso você precisa usar protocolos roteados, e o TSN não suporta roteamento."

No entanto, se você tiver vários fluxos de alta largura de banda passando por um único cabo, o TSN certamente poderá reduzir os esforços de engenharia necessários para saber se o link de rede funcionará conforme o esperado, explica Brooks. “Cada um dos dispositivos de uma rede pode anunciar o volume de tráfego e a taxa periódica na qual esse tráfego será enviado para a infraestrutura da rede”, afirma. "A infraestrutura de rede pode planejar o carregamento da rede com base no volume geral de tráfego que flui pela rede. Ela também pode proteger os recursos da rede para ajudar a garantir que esse volume de tráfego possa fluir pela rede."

O TSN permite que vários protocolos IE usem uma rede única e interconectada para todas as aplicações de controle industrial, como E/S, segurança e movimento, e coexistam com outros dispositivos, por exemplo, câmeras de vídeo e aplicações, mantendo os requisitos determinísticos de rede dos quais as aplicações de controle dependem, diz Paul Didier, da Cisco. “Desta forma, as aplicações de IoT Industrial podem acessar dispositivos finais de forma direta e segura para extrair dados e informações muito relevantes que muitas vezes não podem ser tratados por um gateway”, afirma.

Sobre o autor:Dave Perkon
Dave Perkon thumbDave Perkon é editor técnico da Control Design. Ele projetou e gerenciou projetos de automação para empresas da Fortune 500 nos setores médico, automotivo, de semicondutores, de defesa e solar.