TSN: Khóa học được thiết lập để kiểm tra thực tế 

Các bước cụ thể để triển khai PROFINET @ TSN
Nếu không có giao tiếp thời gian thực, nhiều tác vụ tự động hóa trong các ứng dụng điều khiển và chuyển động sẽ không thể tưởng tượng được. Đây là lý do tại sao rất nhiều kỳ vọng hiện đang được đặt ra về công nghệ Mạng Nhạy cảm Thời gian (TSN) và nhiều câu hỏi được đặt ra. Những gì mà thời gian chuyển giao đảm bảo, độ trễ và hiệu suất? Tôi có thể tiếp tục sử dụng các công nghệ hiện có không? Khi nào công nghệ mới sẽ sẵn sàng? Hiệp hội PI đang cung cấp câu trả lời cụ thể cho những câu hỏi này.

Rất nhiều chi tiết đứng trong cách thực hiện công nghệ mới. Một trong những yêu cầu quan trọng nhất là người dùng tiếp tục có thể sử dụng các ứng dụng PROFINET đã thử và các kiến trúc hiện có của họ. Công nghệ mới vẫn có thể được quản lý bởi người dùng – nó khó bán được sự phức tạp.

PI đã xem xét kỹ hơn và bắt đầu bằng cách có cái nhìn tổng quan về những gì cần thiết bởi các tùy chọn khác nhau của TSN cho tự động hóa. Nó rất cần thiết để hiểu những gì TSN thực sự đại diện. Công nghệ xác định đường dẫn giao tiếp và hành vi của các công tắc / cầu nối từ nguồn qua nhiều thiết bị chuyển mạch đến đích để đảm bảo hành vi thời gian thực (được hiển thị trong hình 1). Trong IEEE 802.1, một số quy trình cho TSN đã được chỉ định các cơ chế tốt nhất cho hành vi thời gian thực được yêu cầu có sẵn, tùy thuộc vào ứng dụng. Không phải tất cả các quá trình này là phù hợp cho tự động hóa. Ví dụ, đối với truyền âm thanh và video, một mô hình thác nước (IEEE 802.1Q – Máy tạo mẫu dựa trên tín dụng / IEEE 802.1BA) cung cấp thời gian truyền 10 – 20 ms và chỉ một hướng truyền là phù hợp. Điều này có ý nghĩa đối với các dịch vụ phát trực tuyến, nhưng giải pháp một chiều không phù hợp với các vòng điều khiển. Ngoài ra, các chu kỳ quá chậm.

Một lựa chọn tốt
PI đã chọn bốn cơ chế TSN đặc biệt quan trọng đối với các yêu cầu truyền thời gian thực trong tự động hóa. Họ là như sau:
• Đồng bộ hóa thời gian theo tiêu chuẩn IEEE 802.1ASrev (tức là ít hơn 1 Jitter jitter để điều khiển danh sách truyền và các ứng dụng đồng bộ).
• Các cải tiến cho lưu lượng truy cập theo lịch trình (các khe thời gian cho dữ liệu thời gian thực và dữ liệu khác) theo tiêu chuẩn IEEE 802.11.1Q-2018 (trước đây là IEEE 802.1Qbv).
• Ưu tiên khung theo tiêu chuẩn IEEE 802.1Q-2018 / IEEE 802.3-2018 (trước đây là IEEE 802.1Qbu / IEEE 802.3br) (gián đoạn các bức điện có mức độ ưu tiên thấp).
• Và phát hiện lớp liên kết theo IEEE 802.1AB để ghi lại cấu trúc liên kết.
Các quy trình này rất lý tưởng cho độ trễ thấp và hiệu suất cao. Đây thường là những nguyên tắc tương tự áp dụng cho IRT (thời gian thực đẳng thời). Nói cách khác, PI thiết lập khóa học phù hợp trong quá khứ.

Đơn giản hóa sự phức tạp
Phải thừa nhận rằng, các cơ chế liên quan – đặc biệt là trong bối cảnh tiêu chuẩn hóa quốc tế – rất phức tạp. Ai muốn biết chính xác cách chuyển đổi thông tin hoạt động? Đó phải là mục tiêu được tuyên bố để thiết kế công nghệ mới đơn giản nhất có thể cho người dùng, đồng thời vẫn linh hoạt cho các trường hợp sử dụng Công nghiệp 4.0 trong tương lai.

Tin tốt là người dùng thực sự trở nên dễ dàng hơn, vì cấu hình mạng ngày nay (tức là thông số kỹ thuật của các đường truyền thông từ bộ điều khiển đến thiết bị) là một phần của kỹ thuật. Trong tương lai, tác vụ này sẽ được chuyển sang phần mềm của các thiết bị PROFINET và do đó, là một phần của thời gian chạy trong
bộ điều khiển hoặc thiết bị. Điều cần lưu ý là mọi thiết bị PROFINET không chỉ chứa các tham số của thiết bị mà còn có thể cung cấp các tham số mạng. Điều này không chỉ làm mất lòng người dùng mà còn tăng tính linh hoạt.

Trong tương lai, sẽ có một Công cụ quản lý mạng (NME) trong mọi miền TSN, được phát triển bởi các chuyên gia PI và được mô tả trong thông số kỹ thuật. NME sẽ bao gồm:
• Cấu hình mạng
• Khám phá cấu trúc liên kết
• Quy hoạch đường đi
• Đàm phán NME tốt nhất

Điểm cuối cùng là bắt buộc nếu, ví dụ, có nhiều bộ điều khiển có mặt và phải đưa ra quyết định liên quan đến thông tin nào quan trọng hơn và do đó, phải được thông qua nhanh hơn. Sau đó, người dùng chỉ cần xác định các quy tắc đơn giản cho mạng để tính toán cấu hình. Các quy tắc là:
• Việc lựa chọn một đồng hồ làm việc chính (thường là PLC)
• Tốc độ dữ liệu (ví dụ: 100 Mbps hoặc 1 Gbps)
• Tên miền
• Lập lịch các chu kỳ cập nhật

Các cài đặt này được thực hiện nhanh chóng, đặc biệt vì chúng được xác định cho toàn bộ mạng (toàn bộ miền) chứ không phải cho từng thiết bị. Điều này làm giảm chi tiêu đáng kể. Việc tạo ra một cấu trúc liên kết cụ thể trong giai đoạn kỹ thuật cũng không còn cần thiết, nhưng vẫn có thể nếu được yêu cầu.

NME tính toán các đường dẫn và cài đặt cần thiết trong các công tắc bằng các cài đặt cơ bản này và kết quả của khám phá cấu trúc liên kết trực tuyến – ví dụ: công tắc nào sẽ được chuyển qua thông tin nào vào thời gian nào. Ở đây, các địa chỉ MAC đích được xác định cho các luồng TSN để tham số hóa các chuyển đổi từ bộ điều khiển sang thiết bị, ví dụ. Quy trình này cũng được khuyến nghị trong IEC / IEEE 60802. Do cần có sự phối hợp bổ sung (rộng hơn), do đó cho phép một mạng hội tụ trên tất cả các cấu hình có thể, tuy nhiên, PI đã quyết định cung cấp một cách tương thích nhưng thực tế, để bắt đầu với TSN công nghệ ngày nay: NME.

Lợi thế cho người dùng là họ có cùng quan điểm người dùng (dữ liệu IO, tham số hóa, hành vi PROFINET, v.v.) như trước đây. Xem xét hơn 20 triệu thiết bị đã cài đặt PROFINET, đây là một suy nghĩ yên tâm. Kiến trúc cốt lõi của PROFINET cũng giữ nguyên, chẳng hạn như các máy trạng thái PROFINET để khởi động, trao đổi dữ liệu, chẩn đoán, v.v. Chỉ thêm NME hoặc giao tiếp tương ứng để tải xuống các tham số cho mạng.

Bằng chứng đã được chứng minh
Bằng chứng cho thấy điều này thực sự hoạt động lần đầu tiên được đưa ra bởi mô hình demo tại gian hàng PI (Hình 3) trong hội chợ thương mại SPS vào tháng 11 năm 2018 và sau đó cũng tại Hội chợ thương mại Hanover vào tháng 4 năm nay. Bản demo này là sự kết hợp của một loạt các mô-đun phần cứng TSN có sẵn và các ngăn xếp PROFINET được thử nghiệm để đồng bộ hóa mạng, đồng bộ hóa IO, tích hợp các thiết bị hiện có và tải mạng. Nó đã chỉ ra rằng các ứng dụng IO có khả năng thời gian thực với độ biến động nhỏ hơn 1 Bangs cũng giống như khả năng cắm và làm việc trong khi thay đổi mạng. Sự kết nối dễ dàng của các thiết bị PROFINET hiện tại và sự mạnh mẽ của giao tiếp PROFINET, ngay cả với tải mạng cao, cũng đã được chứng minh. Mặc dù IEC / IEEE 60802 vẫn chưa hoàn thiện, các cơ chế do PI phát triển đã hoạt động. Đồng thời, giải pháp linh hoạt đến mức chúng thậm chí có thể được tích hợp nếu thay đổi được thực hiện.

Trong bản demo trực tiếp, các triển khai nguyên mẫu từ các công ty khác nhau (Thiết bị analog, Hilscher và Texas Cụ) đã làm việc cùng với các nền tảng phần cứng và phần sụn độc quyền tương ứng của họ. Khả năng tương tác giữa các nhà cung cấp công nghệ là rất quan trọng đối với PI. Chỉ bằng cách này, các nhà sản xuất thiết bị mới có khả năng chọn một nền tảng phù hợp nhất với thiết bị cụ thể của họ. Đây là lý do tại sao PI cũng chọn một cách hợp lý việc tuân thủ cấu hình TSN IA của IEC / IEEE 60802 sau khi được chỉ định. Nó nói rằng các yêu cầu phần cứng cho tự động hóa, trong số những thứ khác, được xác định để có thể dựa vào một hệ sinh thái các nhà cung cấp chất bán dẫn lớn hơn để thực hiện giao diện bus trường.

Triển vọng
Cũng như các dự án PI khác, nó đã được chứng minh là có giá trị khi bắt đầu triển khai cụ thể trong phần cứng và phần sụn thông qua nhiều công ty công nghệ khác nhau đồng thời tìm ra các thông số kỹ thuật tương ứng. Chẳng hạn, nó có thể đánh giá cách các thông số kỹ thuật có thể được thực hiện trong các sản phẩm thực và để xác minh xem thông số kỹ thuật có nhất quán, đầy đủ và có thể tương tác hay không.

Nhìn chung, điều này hoàn thành bước tiếp theo của một bằng chứng về khái niệm. Các công việc đặc điểm kỹ thuật đã được hoàn thành gần đây. Các triển khai khác đã có trong công trình, cũng như chuẩn bị cho các bài kiểm tra chứng nhận tương ứng. Với điều này, các bước quan trọng nhất trên con đường thực hiện công nghệ TSN mới đã được thực hiện.