Por qué el control determinista es esencial para los sistemas modernos

05
julio

El caso acumulado a favor del control determinista

• Por:Brian McMorris
• EtherCat
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Por Dave Perkon, editor técnico
Reimpreso de Control Design, 27 de junio de 2019

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

¿Qué necesitan saber los fabricantes de máquinas, integradores de sistemas y fabricantes sobre las redes sensibles al tiempo (TSN)? En términos más simples, es mejor Ethernet.

Lo que solían ser muchas redes y puertas de enlace para cumplir con los requisitos de rendimiento serán control e información deterministas en un solo cable.

Además de un mejor rendimiento, será fácil de usar, pero los integradores y usuarios finales estarán felices de respaldar las soluciones actuales.

"No creo que TSN vaya a complicar las cosas para los integradores involucrados en la robótica y la fabricación avanzada", dice Brian D McMorris, presidente de Futura Automation en Scottsdale, Arizona. "Somos un integrador de fábrica. No sabemos mucho sobre el mundo de TI, pero la estructura y la visión de nuestra empresa se centran en la Industria 4.0, gran parte de la cual se ejecuta en la fábrica. Por ejemplo, estamos en el mundo de los sistemas de ejecución de fabricación (MES) a nivel de aplicación con la línea de software Tulip Interface. Proporcionamos capacidad de servicios de campo y ayudamos a los clientes a implementar los beneficios de un MES, sistemas computarizados de gestión de mantenimiento (CMMS) y sistemas de gestión de calidad (QMS)".

Futura trabaja con TI principalmente en el aspecto de la seguridad, en términos de su solución basada en la nube y cómo se protegen las aplicaciones en la nube. "Estoy seguro de que será bueno que IEEE tome un protocolo patrocinado por una empresa como EtherCAT y lo convierta en un estándar abierto global bajo los auspicios de una asociación industrial, pero realmente no veo ninguna deficiencia en EtherCAT hoy en día, aparte del costo de la licencia por dispositivo para su uso", afirma McMorris.

Si bien McMorris apoya los desarrollos en la tecnología de redes, con EtherCAT no ve muchas limitaciones. "Usamos EtherCAT con nuestros variadores Servotronix para el control multieje de nuestros robots de diseño abierto:cartesianos y delta", afirma. "Es una red propietaria muy rápida con una fluctuación sustancialmente inferior a 1 microsegundo, pero solo es adecuada para ciertos requisitos informáticos duros y blandos en tiempo real en la tecnología de automatización".

Doug Putnam-Pite, director de desarrollo de software de Owens Design en Fremont, California, aprecia que las redes propietarias como EtherCAT y CC-Link IE proporcionen comunicaciones en tiempo real, pero también reconoce sus limitaciones. "La desventaja de estas tecnologías es que sólo funcionan con dispositivos de control que admitan el protocolo", afirma Putnam-Pite. "Esto significa que no se pueden tener dispositivos en la misma red que no admitan el protocolo. Estas redes de bus de campo deben estar separadas de cualquier otra red Ethernet de la herramienta".

TSN puede permitir que los dispositivos que actualmente no pueden comunicarse en tiempo real lo hagan. "Las redes urgentes brindan a los integradores más opciones sobre cómo diseñar sistemas de control", dice Putnam-Pite. "Una herramienta con una red sensible al tiempo puede descentralizar el control, permitiendo que los dispositivos individuales se comuniquen directamente entre sí en tiempo real, lo que permite descargar cierto nivel de control desde un controlador central de herramientas. Además, las PC pueden comunicarse con dispositivos de red sensibles al tiempo en tiempo semi-real".

Informe de progreso

“Para que los fabricantes de máquinas, integradores de sistemas y fabricantes implementen TSN, es necesario incorporarlo a protocolos de automatización industrial y contar con el respaldo de un conjunto de proveedores lo suficientemente amplio como para crear un sistema”, afirma Paul Didier, coordinador del banco de pruebas de TSN, Industrial Internet Consortium (IIC, www.iiconsortium.org) y arquitecto de soluciones de Internet de las cosas en Cisco. "Ese aún no es el caso, pero la industria está trabajando arduamente para alcanzar ese objetivo (Figura 1)".

Figura 1:Muchos de los líderes de la industria en redes, automatización y electrónica están realizando pruebas de las numerosas partes de TSN.
(Fuente:Consorcio de Internet Industrial)

Se está trabajando para definir el conjunto de aproximadamente 12 estándares IEEE 802 destinados a abordar el determinismo y la calidad de servicio requeridos por TSN, dice el Dr. Al Beydoun, presidente de ODVA (www.odva.org). "Además, se debe mantener la interoperabilidad. Completar el perfil industrial IEC/IEEE 60802 para TSN es clave, y esto está previsto para mediados de 2021", afirma. "Mientras tanto, las actualizaciones de las especificaciones de red, como la especificación EtherNet/IP, no se finalizarán hasta que se finalice el estándar subyacente de TSN".

Ethernet estándar no es determinista por diseño, afirma Michael Bowne, director ejecutivo de PI North America. "Las redes urgentes son un conjunto de herramientas de aproximadamente dos docenas de estándares IEEE que crean Ethernet determinista estandarizada", explica. "Ahora que otras industrias fuera de la automatización industrial están interesadas en Ethernet determinista, hay un mercado más grande para el hardware. La idea es que eventualmente esta tecnología estará disponible en chips comerciales listos para usar (COTS). De los estándares IEEE en la caja de herramientas de TSN, hemos identificado aproximadamente media docena que son particularmente relevantes para la automatización industrial. Estos estándares abordan el determinismo con características como sincronización, baja latencia, alta disponibilidad y robustez".

Es importante lograr el estándar correcto y eso llevará tiempo. "Como se mencionó anteriormente, TSN es una caja de herramientas con muchos estándares diferentes, y no solo una cosa", dice Bowne. "Algunos son relevantes para la automatización industrial, y otros no. Para garantizar que no terminemos con diferentes tipos de TSN en la automatización industrial, se ha iniciado un esfuerzo conocido como IEC/IEEE 60802. Actualmente está integrado por ingenieros de proveedores de automatización grandes y pequeños para garantizar la armonización entre las empresas".

La fábrica digital exige interoperabilidad y simplicidad en las comunicaciones, afirma Armando Astarloa Cuéllar, director general de ingeniería de sistemas en chip de Relyum. "TSN es la Ethernet de nueva generación diseñada expresamente para cumplir con esos requisitos", afirma. Aunque la introducción de TSN será progresiva según el sector, algunos sectores críticos como el ferroviario, el de automoción o el aeroespacial, están adoptando TSN como red IT/OT estándar en sus nuevas plataformas.

¿Por qué debería importarle TSN?

"Desde la perspectiva del usuario, en este momento, el estado de las redes urgentes está un poco estancado", dice Paul Brooks, gerente de desarrollo empresarial, redes:IIPA, estándares globales, OPC y redes urgentes, en Rockwell Automation. "Se han publicado los estándares TSN en IEEE 802, pero sólo proporcionan interoperabilidad a nivel de funciones, no interoperabilidad a nivel de sistema", afirma. "Por lo tanto, desde la perspectiva de los proveedores, nosotros, como comunidad de automatización industrial, estamos desarrollando IEC/IEEE 60802, que determinará el perfil de automatización industrial para que TSN ofrezca esta interoperabilidad a nivel de sistema".

Sólo cuando estos estándares estén bloqueados las organizaciones de protocolos, como ODVA, podrán publicar ese perfil en especificaciones, continúa Brooks. "Algunas empresas han estado lanzando productos preestándar y, si bien brindarán valor al usuario, no hay garantía de que estos productos sean compatibles con el estándar final", afirmó.

En noviembre de 2018, la Fundación OPC anunció la iniciativa Field Level Communication respaldada por un conjunto muy amplio de actores industriales y de TI:ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, entre otros, dice Didier de Cisco. "La visión es apuntar a una solución de comunicación IIoT abierta, unificada y basada en estándares entre sensores, actuadores, controladores y la nube que aborde todos los requisitos de la automatización industrial", afirma. "La iniciativa incorporará el trabajo de la OPC en comunicación pub/sub y TSN (Figura 2)".

Figura 2:La comunicación TSN con OPC UA permitirá que las aplicaciones de control funcionen en una red estándar abierta con una gran variedad de otros tráficos y aplicaciones, del sensor a la nube.
(Fuente:Hilscher)

TSN permite que todas las aplicaciones de control dependan de una red estándar abierta. "Esa red también puede admitir una gran variedad de otros tipos de tráfico y aplicaciones. Esta convergencia y la capacidad de comunicarse, del sensor a la nube, son las mejoras clave", afirma Didier.

"TSN está diseñado para proporcionar mensajería determinista y capacidad en tiempo real a través de Ethernet estándar para garantizar la comunicación de información en un período de tiempo fijo y predecible", explica Beydoun. "Las aplicaciones clave de TSN serán aquellas que requieren control de sincronización preciso y comportamientos deterministas de la red. Sin embargo, Ethernet TSN es deseable en cualquier aplicación industrial donde se desee un mayor ancho de banda y una respuesta de red más rápida, como es el caso de las aplicaciones de red que transmiten información de audio y video. La escalabilidad de TSN permitirá la transmisión de paquetes con un gran ancho de banda con una latencia garantizada a velocidades de transferencia Gigabit más altas".

¿Por qué necesito TSN?

"Muchos integradores y fabricantes de máquinas cuestionan la necesidad de TSN y afirman que Ethernet industrial existente y los protocolos relacionados, como EtherNet/IP, EtherCAT y Profinet, satisfacen sus necesidades, por lo que '¿Por qué necesito TSN?' es una pregunta común", dice Bowne de PI North America. "Es válida, particularmente porque muchas de las técnicas empleadas por TSN (sincronización, reserva de ancho de banda, programación) son las que hemos estado usando en Profinet durante más de 15 años. Si TSN hubiera existido en aquel entonces, lo habríamos adoptado y nos habríamos ahorrado muchos esfuerzos de ingeniería. Y, sin embargo, Profinet siempre ha permitido que el tráfico relacionado con el control de alta velocidad coexista claramente con otro tráfico relacionado con la información".

El mismo principio se aplica exactamente a TSN, entonces, nuevamente, ¿por qué lo necesita? "La respuesta es sutil y está relacionada con el futuro de las redes", dice Bowne. "A medida que avanzamos hacia el ámbito de la Industria 4.0/Internet industrial de las cosas (IIoT), se proporcionará cada vez más información a los sistemas de nivel superior. Con el tiempo, parece que puede ocurrir cierto aplanamiento del modelo Purdue. Si bien TSN puede no ser el impulsor de esto, ciertamente puede ser una de las herramientas para ayudar a habilitarlo".

En el futuro, imaginamos que a medida que los protocolos de TI utilicen cada vez más ancho de banda, TSN garantizará que el tráfico OT urgente (de ahí el nombre) reciba el determinismo que requiere, incluso en redes cargadas con otro tráfico de TI de mejor esfuerzo, explica Bowne. "Mientras todos compartan una base TSN común, los fabricantes pueden comenzar a implementar redes TI/OT convergentes sin tener que preocuparse de que su tráfico OT se sacrifique a expensas del tráfico TI", afirma. "Queremos continuar con esta filosofía de larga data porque creemos en el uso de la herramienta adecuada para la tarea correcta:el protocolo Profinet para mover datos, otros protocolos, por ejemplo, OPC UA, para mover información, todo en un solo cable".

La hoja de ruta de integración OT/IT no termina en una situación intermedia con una plétora de dispositivos heterogéneos conectados a través de gateways, afirma Cuéllar de Relyum. “En cambio, se plantea la adopción de una tecnología de comunicación a nivel de enlace que sea válida para ambos mundos”, afirma. "De esta manera, sería factible una topología de intercambio de datos entre todos en una planta homogénea, similar a un pilar (Figura 3)".

Figura 3:El pilar de automatización muestra conexiones claras y de alta velocidad entre los controladores y los dispositivos de E/S de la planta con la fábrica, el nivel empresarial y la nube.
(Fuente:Belden a través de System-On-Chip Engineering)

Este pilar de automatización se basa en una publicación de blog titulada "¿Qué es TSN? Una mirada a su papel en las futuras redes Ethernet", de René Hummen, arquitecto senior de tecnología e innovación de Belden.

En este contexto de pilar, el esquema tradicional de comunicación y ciberseguridad basado en capas ya no es válido. “Los elementos incluidos en las E/S de campo se comunicarían directamente con aplicaciones y servicios habilitados en la nube remota”, explica Cuéllar. "Por lo tanto, es fundamental asegurar la comunicación entre los diferentes dispositivos. Los requisitos de tiempo real de TSN representan uno de los grandes desafíos para proteger este tipo de red porque los mecanismos tradicionales de TI de ciberseguridad no pueden garantizar la transmisión de paquetes con la latencia requerida".

TSN no es un protocolo
TSN es simplemente otra versión mejor de Ethernet; No es un protocolo. "Lo que está mejorando es la infraestructura sobre la que existen todos los protocolos basados ​​en Ethernet", afirma Bowne de PI. "TSN vive en la capa de enlace de datos (Capa 2) del modelo IOS/OSI (Figura 4). Los protocolos viven en la capa de aplicación (Capa 7) del modelo ISO/OSI. Las puertas de enlace traducen datos entre los diferentes protocolos o idiomas".

Figura 4:TSN reside en la capa de enlace de datos 2 del modelo IOS/OSI y no es un protocolo, que reside en la capa de aplicación 7.
(Fuente:Pi Norteamérica)

TSN está diseñado para complementar la funcionalidad de la red existente. "Las funciones de red que están disponibles hoy y que ofrecen operaciones confiables deberían estar disponibles de la misma manera después de la introducción de TSN", dice Brooks de Rockwell. "No debería forzar ningún cambio de comportamiento a menos que haya un nuevo valor que justifique ese cambio (Figura 5)".

Figura 5:Gran parte del hardware de la red y la confiabilidad funcional seguirán siendo los mismos después de la introducción de TSN, pero habrá un valor agregado para justificar el cambio.
(Fuente:Rockwell Automation)

Centrándose en EtherNet/IP, las redes urgentes son completamente independientes del protocolo de comunicaciones, continúa Brooks. "La tarea de las organizaciones de protocolos como ODVA y OPC Foundation es simplemente definir cómo funcionan sus protocolos con TSN y hacer que TSN sea lo más transparente posible para el usuario", afirma. "Y necesitan hacer esto mientras convierten los mecanismos de calidad de servicio existentes, como DSCP (punto de código de servicios diferenciados), en un acrónimo que la mayoría de los fabricantes de máquinas e integradores de sistemas nunca necesitarán entender".

¿Cómo ayudará TSN a una aplicación?

"Si todos hacemos nuestro trabajo correctamente, un fabricante de máquinas o un integrador de sistemas no tendrá que interactuar mucho con TSN", dice Bowne de PI North America. "Será fácil de utilizar y transparente para sus tareas de ingeniería, configuración y puesta en marcha relacionadas con Profinet. Es simplemente una versión mejor de Ethernet que se emplea hoy en día".

Las redes urgentes son una herramienta que facilita el aplanamiento de las redes, pero es sólo una de las herramientas que lo hacen posible y práctico, dice Brooks de Rockwell. "Por ejemplo, la segmentación de la red es el corazón de una arquitectura de red segura", explica. "Las redes urgentes no ayudan con la segmentación. Para ello es necesario utilizar protocolos enrutados, y TSN no admite el enrutamiento".

Sin embargo, si tiene múltiples transmisiones de gran ancho de banda a través de un solo cable, entonces TSN ciertamente puede reducir los esfuerzos de ingeniería necesarios para saber que el enlace de red funcionará como se espera, explica Brooks. "Cada uno de los dispositivos de una red puede anunciar el volumen de tráfico y la velocidad periódica a la que ese tráfico se enviará a la infraestructura de la red", afirma. "La infraestructura de la red puede planificar la carga de la red en función del volumen general de tráfico que fluye a través de la red. También puede proteger los recursos de la red para ayudar a garantizar que este volumen de tráfico pueda fluir a través de la red".

TSN permite que los diversos protocolos IE utilicen una única red interconectada para todas las aplicaciones de control industrial, como E/S, seguridad y movimiento, y coexistan con otros dispositivos, por ejemplo, cámaras de vídeo y aplicaciones, manteniendo al mismo tiempo los requisitos deterministas de la red en los que dependen las aplicaciones de control, afirma Paul Didier de Cisco. "De esta manera, las aplicaciones de IoT industrial pueden acceder de forma directa y segura a los dispositivos finales para extraer datos e información muy relevantes que a menudo no pueden ser manejados por una puerta de enlace", afirma.

Sobre el autor:Dave Perkon
Dave Perkon pulgar Dave Perkon es editor técnico de Control Design. Ha diseñado y gestionado proyectos de automatización para empresas Fortune 500 en las industrias médica, automotriz, de semiconductores, de defensa y solar.