Aproveitando Dados em Tempo Real para Controle Preciso de Sistemas Industriais Modernos

O escalonador de um sistema operacional (SO) convencional de alto nível, como Windows ou macOS, tem o objetivo de maximizar a utilização da CPU. Neste cenário, múltiplos usuários podem querer executar muitos aplicativos de uma vez. Todos os processos e threads subjacentes devem obter sua parcela justa de tempo de CPU.

 

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

 

Um SO de 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 determinado anteriormente e em uma ordem válida. Maximizar a utilização da CPU e a taxa de transferência de dados sem considerar o tempo e a ordem de execução não é suficiente ao lidar com restrições de tempo do mundo real comumente encontradas em aplicações industriais.

Este artigo investiga o que engenheiros podem fazer ao projetar uma aplicação que requer alta taxa de transferência de dados, latência precisa e controle de jitter.

 

Diferentes Máquinas e Suas Necessidades de Rede

Um sistema de tempo real puro é frequentemente a solução ao olhar para um único equipamento isolado do resto de seu ambiente.

No entanto, pisos de fábrica modernos compreendem muito mais do que apenas o maquinário no salão de produção. À medida que a Internet Industrial das Coisas (IIoT), Indústria 4.0 e computação de borda têm visto um aumento constante nos últimos anos, os requisitos de comunicação dentro de um único salão de produção estão se tornando mais complexos. Isso se deve parcialmente ao aumento de dispositivos conectados, mas os diferentes requisitos de comunicação de cada dispositivo também desempenham um papel chave.

Neste contexto, engenheiros frequentemente usam os termos tecnologia operacional (OT) e tecnologia da informação (IT) para classificar as duas principais categorias distintas de comunicação de rede. OT é tráfego crítico de tempo, por exemplo, enviado de uma máquina para um braço robótico quando uma peça está pronta para coleta. Aqui, a informação deve alcançar todos os destinatários dentro de um período de tempo determinado.

 

Figura 2. Uma rede industrial de maquinário.

 

IT, por outro lado, frequentemente requer maior taxa de transferência de dados. Tipicamente, são dados como streams de vídeo, por exemplo, de uma câmera de segurança ou aplicações de escritório como e-mail. Em IT, a taxa de transferência é o que importa. Confiabilidade, latência e jitter são frequentemente preocupações secundárias.

Engenheiros querem projetar uma única rede capaz de atender aos requisitos de tráfego IT e OT sem adicionar muita complexidade e custo — um artigo anterior discutiu os dois conceitos em mais detalhes. Ele investiga ainda como redes sensíveis ao tempo (TSN) ajudam a resolver os problemas de mesclar tráfego IT e OT na mesma rede e estuda como hardware de rede, como o Layerscape LS1028A, ajuda engenheiros a projetar soluções industriais modernas.

 

Por Que OT e IT Andam de Mãos Dadas: Um Exemplo de Aplicação

Funções de tempo real e não tempo real não são mais separadas em ambientes modernos de sistemas de controle industrial. Em vez disso, funções de tempo real e não tempo real devem trabalhar de mãos dadas 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 todos estar conectados usando diferentes padrões. Vários sensores, por exemplo, reportam periodicamente suas leituras em tempo real. Tais sensores podem incluir, mas não se limitam a sensores de temperatura, sensores de pressão e dispositivos que detectam gases nocivos 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 — tipicamente até que o dispositivo entregue a leitura subsequente. Portanto, o primeiro ponto de entrada que coleta e agrega os dados dos sensores deve ser capaz de fazer isso em tempo real.

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

Além de sensores, maquinário dentro da planta contém numerosos módulos de entrada/saída (I/O) que, por exemplo, conectam a atuadores. Neste caso, os engenheiros da usina decidiram usar uma rede com fio para conectar os módulos I/O e o controlador lógico programável (CLP).

Os módulos I/O, atuadores e CLP todos funcionam em tempo real, e uma ponte de comunicação capaz de tempo real é necessária para conectar os dispositivos. Os módulos I/O provavelmente requerem um microcontrolador rodando código bare-metal, e o CLP e a ponte de comunicação usarão um microprocessador rodando um sistema operacional de tempo real, como o software real-time edge da NXP.

Sistemas IT mais acima na corrente coletam estatísticas, monitoram o sistema geral e transmitem dados de vídeo de câmeras. Esses sistemas não estão rodando um SO de tempo real. Da mesma forma, a transmissão de dados de e para o sistema IT não acontece em tempo real.

 

Uma Solução de Software que Suporta OT e IT

Além do aspecto de rede, seria benéfico mesclar operações IT e OT em um único processador. Fazer isso reduziria a complexidade geral do sistema e o custo comparado a um processador dedicado para tarefas críticas de tempo e outro que realiza apenas operações menos críticas. Um SO de tempo real desempenha um papel chave em aplicações críticas de tempo.

 

Figura 4. Um diagrama de blocos do software real-time edge da NXP. Imagem usada com cortesia da NXP

 

Algumas soluções de software existentes permitem que engenheiros construam aplicações críticas de tempo seguras, escaláveis e manteníveis usando Linux de código aberto. Com seu software real-time edge, a NXP fornece um ambiente de tempo real seguro e confiável para aplicações que requerem latência determinística e jitter previsível.

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 requerem temporização precisa e latência determinística ao se comunicar com outros equipamentos. À medida que o número de dispositivos conectados aumenta, engenheiros buscam uma maneira de integrar tráfego OT e IT em uma única rede. Tráfego OT frequentemente requer infraestrutura de rede de tempo real confiável, enquanto dados IT frequentemente precisam de alta taxa de transferência.

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