Por Qué el Control Determinista es Esencial para Sistemas Modernos

5 de julio

El Caso Acumulativo a Favor del Control Determinista

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

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

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

Lo que solían ser muchas redes y pasarelas para cumplir requisitos de rendimiento será control determinista e información en un solo cable.

Además de mejor rendimiento, será fácil de usar, pero los integradores y usuarios finales están contentos apoyando soluciones actuales.

“No creo que TSN complique las cosas para integradores involucrados en fabricación avanzada y robótica”, dice Brian D. McMorris, presidente de Futura Automation en Scottsdale, Arizona. “Somos un integrador de planta. No sabemos mucho del mundo IT, pero nuestra estructura y visión empresarial se centran en Industria 4.0, gran parte de la cual se ejecuta en la planta. Por ejemplo, estamos en el mundo de 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 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 IT principalmente en el lado de seguridad, en términos de su solución basada en la nube y cómo se aseguran 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 global abierto bajo los auspicios de una asociación industrial, pero no veo realmente deficiencias de EtherCAT hoy, más que el coste de licencia por dispositivo para su uso”, dice McMorris.

Mientras McMorris apoya los desarrollos en tecnología de redes, con EtherCAT no ha visto muchas limitaciones. “Usamos EtherCAT con nuestros drives Servotronix para control multi-eje en nuestros robots de diseño abierto – cartesianos y delta”, dice. “Es una red propietaria muy rápida con jitter sustancialmente menor a 1 microsegundo, pero solo es adecuada para ciertos requisitos de computación en tiempo real duro y blando en tecnología de automatización.”

Doug Putnam-Pite, director de desarrollo de software en Owens Design en Fremont, California, aprecia que redes propietarias como EtherCAT y CC-Link IE proporcionan comunicaciones en tiempo real, pero también reconoce sus limitaciones. “La desventaja de estas tecnologías es que solo funcionan con dispositivos de control que soportan el protocolo”, dice Putnam-Pite. “Esto significa que no puedes tener dispositivos en la misma red que no soporten el protocolo. Estas redes fieldbus deben separarse de cualquier otra red Ethernet en la herramienta.”

TSN puede permitir que dispositivos que no pueden comunicarse actualmente en tiempo real lo hagan. “Las redes sensibles al tiempo dan a los integradores más opciones sobre cómo arquitecturar sistemas de control”, dice Putnam-Pite. “Una herramienta con una red sensible al tiempo puede ser capaz de descentralizar el control, permitiendo que dispositivos individuales se comuniquen directamente entre sí en tiempo real, permitiendo que algún nivel de control se descargue de un controlador central de herramienta. Además, los PCs pueden ser capaces de comunicarse con dispositivos de red sensible al tiempo de manera semi-tiempo-real.”

Informe de progreso

“Para que constructores de máquinas, integradores de sistemas y fabricantes implementen TSN, necesita incorporarse en protocolos de automatización industrial y ser soportado por un conjunto lo suficientemente amplio de proveedores para armar un sistema”, dice Paul Didier, coordinador de testbed TSN, Consorcio Industrial de Internet (IIC, www.iiconsortium.org), y arquitecto de soluciones Internet de las Cosas en Cisco. “Ese no es el caso aún, pero la industria está trabajando duro para alcanzar esa meta (Figura 1).”

Figura 1: Las pruebas de las numerosas partes de TSN están bien avanzadas por muchos de los líderes de la industria en redes, automatización y electrónica.
(Fuente: Consorcio Industrial de Internet)

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

El Ethernet estándar no es determinista por diseño, dice Michael Bowne, director ejecutivo en PI North America. “Las redes sensibles al tiempo son un kit de herramientas de aproximadamente dos docenas de estándares IEEE que crean Ethernet determinista estandarizado”, explica. “Ahora que otras industrias fuera de la automatización industrial están interesadas en Ethernet determinista, hay un mercado mayor para el hardware. La idea es que eventualmente esta tecnología estará disponible en chips comerciales off-the-shelf (COTS). De los estándares IEEE en la caja de herramientas 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 acertar con el estándar, y eso llevará tiempo. “Como se mencionó arriba, TSN es una caja de herramientas de muchos estándares diferentes, y no solo una cosa”, dice Bowne. “Algunos son relevantes para automatización industrial, y algunos no. Para asegurar que no terminemos con diferentes sabores de TSN en automatización industrial, se ha iniciado un esfuerzo conocido como IEC/IEEE 60802. Actualmente está compuesto por ingenieros de proveedores de automatización grandes y pequeños para asegurar armonización entre empresas.”

La fábrica digital demanda interoperabilidad y simplicidad en comunicaciones, dice Armando Astarloa Cuéllar, CEO, ingeniería system-on-chip, en Relyum. “TSN es el Ethernet de nueva generación diseñado expresamente para cumplir esos requisitos”, dice. Aunque la introducción de TSN será progresiva dependiendo del sector, algunos críticos como ferrocarril, automoción o aeroespacial, están adoptando TSN como la red estándar IT/OT en sus nuevas plataformas.

¿Por qué debería importarle TSN?

“Desde la perspectiva del usuario, en este momento, el estado de las redes sensibles al tiempo está en un punto muerto”, dice Paul Brooks, gerente de desarrollo de negocio, redes – IIPA, estándares globales, OPC y redes sensibles al tiempo, en Rockwell Automation. “Los estándares TSN en IEEE 802 han sido publicados, pero solo proporcionan interoperabilidad a nivel de características, no a nivel de sistema”, dice. “Por 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 TSN para entregar esta interoperabilidad a nivel de sistema.”

Solo cuando estos estándares estén cerrados, las organizaciones de protocolos, como ODVA, podrán publicar ese perfil en especificaciones, continúa Brooks. “Algunas empresas han estado lanzando productos pre-estándar, y, aunque entregarán valor al usuario, no hay garantía de que estos productos sean compatibles con el estándar final”, dijo.

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

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

TSN permite que todas las aplicaciones de control confíen en una red abierta, estándar. “Esa red también puede soportar una enorme variedad de otros tipos de tráfico y aplicaciones. Esta convergencia y la capacidad de comunicar, sensor a nube, son las mejoras clave”, dice Didier.

“TSN está diseñado para proporcionar mensajería determinista y capacidad en tiempo real sobre Ethernet estándar para asegurar la comunicación de información en una cantidad fija y predecible de tiempo”, explica Beydoun. “Las aplicaciones clave de TSN serán aquellas que requieran control de temporización preciso y comportamientos de red deterministas. Sin embargo, Ethernet TSN es deseado en cualquier aplicación industrial donde se desee mayor ancho de banda y respuesta de red más rápida, como en aplicaciones de red que transmiten información de audio y video. La escalabilidad de TSN permitirá streaming de paquetes de alto ancho de banda con latencia garantizada a tasas de transferencia de Gigabit más altas.”

¿Por qué necesito TSN?

“Muchos integradores y constructores de máquinas cuestionan la necesidad de TSN y afirman que los protocolos Ethernet industriales existentes y relacionados, como EtherNet/IP, EtherCAT y Profinet, satisfacen sus necesidades, así que ‘¿Por qué necesito TSN?’ es una pregunta común”, dice Bowne en 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 por más de 15 años. Si TSN hubiera existido entonces, lo habríamos adoptado y nos habríamos ahorrado mucho esfuerzo de ingeniería. Y, sin embargo, Profinet siempre ha permitido que el tráfico de control de alta velocidad coexista llanamente con otro tráfico relacionado con información.”

El mismo principio exacto se aplica a TSN, así que, de nuevo, ¿por qué lo necesitas? “La respuesta es sutil y se relaciona con el futuro de las redes”, dice Bowne. “A medida que nos movemos hacia el reino de Industria 4.0/Internet Industrial de las Cosas (IIoT), más y más información será proporcionada a sistemas de nivel superior. Eventualmente, parece que puede ocurrir algún aplanamiento del Modelo Purdue. Aunque TSN no sea el conductor de esto, ciertamente puede ser una de las herramientas para ayudar a habilitarlo.”

En el futuro imaginamos que a medida que más y más ancho de banda sea utilizado por protocolos IT, TSN asegurará que el tráfico OT sensible al tiempo – de ahí el nombre – reciba el determinismo que requiere, incluso en redes cargadas con otro tráfico IT de mejor esfuerzo, explica Bowne. “Mientras todos compartan una base TSN común, los fabricantes pueden comenzar a implementar redes IT/OT convergentes sin tener que preocuparse por su tráfico OT siendo sacrificado a expensas del tráfico IT”, dice. “Queremos continuar esta filosofía largamente sostenida porque creemos en usar la herramienta correcta 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 pasarelas, dice Cuéllar en Relyum. “En su lugar, eleva la adopción de una tecnología de comunicación a nivel de enlace que es válida para ambos mundos”, dice. “De esta manera, sería factible una topología de intercambio de datos all-to-all en una planta homogénea, similar a un pilar (Figura 3).”

Figura 3: El pilar de automatización muestra conexiones claras de alta velocidad entre dispositivos I/O de planta y controladores a nivel de fábrica, empresarial y a la nube.
(Fuente: Belden vía Ingeniería System-On-Chip)

Este pilar de automatización se basa en una entrada de blog titulada “¿Qué es TSN? Una Mirada a su Papel en Futuras Redes Ethernet”, por René Hummen, arquitecto senior – tecnología e innovación, en Belden.

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

TSN no es un protocolo

TSN es solo otra versión mejor de Ethernet; no es un protocolo. “Lo que mejora es la infraestructura sobre la que existen todos los protocolos basados en Ethernet”, dice PI’s Bowne. “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 pasarelas traducen datos entre los diferentes protocolos, o lenguajes.”

Figura 4: TSN reside en la Capa 2 de Enlace de Datos del modelo IOS/OSI y no es un protocolo, que reside en la Capa 7 de Aplicación.
(Fuente: Pi North America)

TSN está diseñado para ser aditivo a la funcionalidad de red existente. “Las funciones de red disponibles hoy y que entregan operaciones fiables deberían estar disponibles de la misma manera después de la introducción de TSN”, dice Brooks en Rockwell. “No debería forzar ningún cambio de comportamiento a menos que haya nuevo valor que justifique ese cambio (Figura 5).”

Figura 5: Gran parte del hardware de red y fiabilidad funcional permanecerán igual después de la introducción de TSN, pero se añadirá valor para justificar el cambio.
(Fuente: Rockwell Automation)

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

¿Cómo ayudará TSN a una aplicación?

“Si todos hacemos nuestro trabajo correctamente, un constructor de máquinas o integrador de sistemas no tendrá que interactuar con TSN mucho en absoluto”, dice Bowne en PI North America. “Será fácil de emplear y transparente a sus tareas relacionadas con Profinet de ingeniería, configuración y puesta en marcha. Es solo una mejor versión del Ethernet empleado hoy.”

Las redes sensibles al tiempo son una herramienta que hace más fácil el aplanamiento de redes, pero es solo una de las herramientas que hacen esto posible y práctico, dice Brooks en Rockwell. “Por ejemplo, la segmentación de red es el corazón de una arquitectura de red segura”, explica. “Las redes sensibles al tiempo no ayudan con la segmentación. Para esto necesitas usar protocolos enrutados, y TSN no soporta enrutamiento.”

Sin embargo, si tienes múltiples flujos de alto ancho de banda pasando por un solo cable, entonces TSN ciertamente puede reducir los esfuerzos de ingeniería requeridos para saber que el enlace de red operará como se espera, explica Brooks. “Cada uno de los dispositivos en una red puede anunciar el volumen de tráfico y la tasa periódica a la que ese tráfico será enviado a la infraestructura de red”, dice. “La infraestructura de red puede planificar la carga de red basada en el volumen total de tráfico fluyendo a través de la red. También puede proteger recursos de red para ayudar a asegurar que este volumen de tráfico pueda fluir a través de la red.”

TSN permite que los diversos protocolos IE usen una sola red interconectada para todas las aplicaciones de control industrial, como I/O, seguridad y movimiento, y coexistan con otros dispositivos, por ejemplo, cámaras de video, y aplicaciones mientras mantienen los requisitos de red deterministas en los que confían las aplicaciones de control, dice Paul Didier en Cisco. “De esta manera, las aplicaciones Industrial IoT pueden acceder directa y seguramente a dispositivos finales para extraer datos e información muy relevantes que a menudo no pueden ser manejados por una pasarela”, dice.

Sobre el autor: Dave Perkon

Dave Perkon es editor técnico de Control Design. Ha diseñado y gestionado proyectos de automatización para empresas Fortune 500 en industrias médicas, automotriz, semiconductores, defensa y solar.