Mengapa Kontrol deterministik Penting untuk Sistem Modern

05
Juli

Kasus Akumulasi untuk Pengendalian deterministik

• Oleh :Brian McMorris
• EtherCat
• Komentar:0

Oleh Dave Perkon, Editor Teknis
Dicetak ulang dari Control Design, 27 Juni 2019

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

Apa yang perlu diketahui oleh pembuat mesin, integrator sistem, dan produsen tentang jaringan sensitif waktu (TSN)? Sederhananya, ini adalah Ethernet yang lebih baik.

Yang dulunya merupakan banyak jaringan dan gateway untuk memenuhi persyaratan kinerja akan menjadi kontrol deterministik dan informasi pada satu kabel.

Selain kinerja yang lebih baik, ini akan mudah digunakan, namun integrator dan pengguna akhir dengan senang hati mendukung solusi saat ini.

“Saya tidak berpikir TSN akan mempersulit integrator yang terlibat dalam manufaktur maju dan robotika,” kata Brian D McMorris, presiden Futura Automation di Scottsdale, Arizona. "Kami adalah integrator lantai pabrik. Kami tidak tahu banyak tentang dunia TI, namun struktur dan visi perusahaan kami terfokus pada Industri 4.0, yang sebagian besar dijalankan di lantai pabrik. Misalnya, kami berada di dunia sistem eksekusi-manufaktur (MES) pada tingkat aplikasi dengan lini perangkat lunak Tulip Interface. Kami menyediakan kemampuan layanan lapangan dan membantu pelanggan menerapkan manfaat MES, sistem manajemen pemeliharaan terkomputerisasi (CMMS) dan sistem manajemen mutu (QMS).."

Futura bekerja dengan TI sebagian besar di sisi keamanan, dalam hal solusi berbasis cloud dan cara mengamankan aplikasi cloud. “Saya yakin akan baik jika IEEE mengambil protokol yang disponsori perusahaan seperti EtherCAT dan mengubahnya menjadi standar terbuka global di bawah naungan asosiasi industri, namun saya tidak melihat adanya kekurangan EtherCAT saat ini, selain dari biaya lisensi per perangkat untuk penggunaannya,” kata McMorris.

Meskipun McMorris mendukung perkembangan teknologi jaringan, dengan EtherCAT dia tidak melihat banyak keterbatasan. “Kami menggunakan EtherCAT dengan penggerak Servotronix kami untuk kontrol multi-sumbu pada robot berdesain terbuka kami—kartesian dan delta,” katanya. “Ini adalah jaringan eksklusif yang sangat cepat dengan jitter yang jauh di bawah 1 mikrodetik, namun hanya cocok untuk persyaratan komputasi real-time hard dan soft tertentu dalam teknologi otomasi.”

Doug Putnam-Pite, direktur pengembangan perangkat lunak di Owens Design di Fremont, California, menghargai bahwa jaringan berpemilik seperti EtherCAT dan CC-Link IE menyediakan komunikasi waktu nyata, namun dia juga mengakui keterbatasannya. “Kelemahan dari teknologi ini adalah mereka hanya bekerja dengan perangkat kontrol yang mendukung protokol tersebut,” kata Putnam-Pite. "Artinya, Anda tidak boleh memiliki perangkat di jaringan yang sama yang tidak mendukung protokol tersebut. Jaringan fieldbus ini harus dipisahkan dari jaringan Ethernet lain di alat tersebut."

TSN mungkin mengizinkan perangkat yang saat ini tidak dapat berkomunikasi secara real time untuk melakukannya. “Jaringan yang sensitif terhadap waktu memberi integrator lebih banyak pilihan tentang cara merancang sistem kontrol,” kata Putnam-Pite. “Alat dengan jaringan yang sensitif terhadap waktu mungkin dapat mendesentralisasikan kendali, memungkinkan masing-masing perangkat berkomunikasi langsung satu sama lain secara real-time, memungkinkan beberapa tingkat kendali dilepaskan dari pengontrol alat pusat. Selain itu, PC mungkin dapat berkomunikasi dengan perangkat jaringan yang sensitif terhadap waktu secara semi-real-time.”

Laporan kemajuan

“Bagi pembuat mesin, integrator sistem, dan produsen yang ingin menerapkan TSN, hal ini perlu dimasukkan ke dalam protokol otomasi industri dan didukung oleh vendor yang cukup luas untuk menyusun suatu sistem,” kata Paul Didier, koordinator pengujian TSN, Industrial Internet Consortium (IIC, www.iiconsortium.org), dan arsitek solusi Internet of Things di Cisco. “Hal tersebut belum terjadi, namun industri sedang bekerja keras untuk mencapai tujuan tersebut (Gambar 1).”

Gambar 1:Pengujian berbagai bagian TSN sedang dilakukan oleh banyak pemimpin industri di bidang jaringan, otomasi, dan elektronik.
(Sumber:Konsorsium Internet Industri)

Pekerjaan sedang dilakukan untuk mendefinisikan serangkaian sekitar 12 standar IEEE 802 yang bertujuan untuk mengatasi determinisme dan kualitas layanan yang diperlukan untuk TSN, kata Dr. Al Beydoun, presiden ODVA (www.odva.org). "Selain itu, interoperabilitas harus tetap dijaga. Penyelesaian profil industri IEC/IEEE 60802 untuk TSN adalah kuncinya, dan ini ditargetkan pada pertengahan tahun 2021," ujarnya. “Sementara itu, pembaruan pada spesifikasi jaringan seperti spesifikasi EtherNet/IP tidak akan diselesaikan hingga standar dasar TSN diselesaikan.”

Standar Ethernet tidak bersifat deterministik, kata Michael Bowne, direktur eksekutif di PI Amerika Utara. “Jaringan yang sensitif terhadap waktu adalah perangkat dari sekitar dua lusin standar IEEE yang menciptakan Ethernet deterministik standar,” jelasnya. "Sekarang industri lain di luar otomasi industri tertarik pada Ethernet deterministik, terdapat pasar yang lebih besar untuk perangkat keras tersebut. Idenya adalah bahwa pada akhirnya teknologi ini akan tersedia dari chip komersial siap pakai (COTS). Dari standar IEEE di kotak alat TSN, kami telah mengidentifikasi sekitar setengah lusin yang sangat relevan dengan otomasi industri. Standar ini mengatasi determinisme dengan fitur seperti sinkronisasi, latensi rendah, ketersediaan tinggi, dan ketahanan."

Penting untuk mendapatkan standar yang tepat, dan itu akan memakan waktu. “Seperti disebutkan di atas, TSN adalah seperangkat standar yang berbeda-beda, dan bukan hanya satu hal,” kata Bowne. "Beberapa di antaranya relevan dengan otomasi industri, dan ada pula yang tidak. Untuk memastikan bahwa kita tidak menggunakan jenis TSN yang berbeda dalam otomasi industri, sebuah upaya telah dimulai yang dikenal sebagai IEC/IEEE 60802. Saat ini, upaya tersebut dikelola oleh para insinyur dari vendor otomasi besar dan kecil untuk memastikan harmonisasi di seluruh perusahaan."

Pabrik digital menuntut inter-operabilitas dan kesederhanaan dalam komunikasi, kata Armando Astarloa Cuéllar, CEO, system-on-chip engineering, di Relyum. “TSN adalah Ethernet generasi baru yang dirancang khusus untuk memenuhi persyaratan tersebut,” katanya. Meskipun pengenalan TSN akan bersifat progresif tergantung pada sektornya, beberapa sektor penting seperti kereta api, otomotif, atau ruang angkasa, mengadopsi TSN sebagai jaringan TI/OT standar di platform baru mereka.

Mengapa Anda harus peduli dengan TSN?

“Dari sudut pandang pengguna, saat ini, status jaringan yang sensitif terhadap waktu sedang sedikit terhenti,” kata Paul Brooks, manajer pengembangan bisnis, jaringan—IIPA, standar global, OPC, dan jaringan yang sensitif terhadap waktu, di Rockwell Automation. “Standar TSN di IEEE 802 telah dipublikasikan, namun standar tersebut hanya menyediakan interoperabilitas tingkat fitur, bukan interoperabilitas tingkat sistem,” katanya. “Oleh karena itu, dari sudut pandang vendor, kami sebagai komunitas otomasi industri sedang mengembangkan IEC/IEEE 60802, yang akan menentukan profil otomasi industri bagi TSN untuk menghadirkan interoperabilitas tingkat sistem ini.”

Hanya ketika standar-standar ini dikunci maka organisasi protokol, seperti ODVA, dapat mempublikasikan profil tersebut dalam spesifikasi, lanjut Brooks. “Beberapa perusahaan telah merilis produk pra-standar, dan meskipun mereka memberikan nilai bagi pengguna, tidak ada jaminan bahwa produk tersebut akan kompatibel dengan standar akhir,” katanya.

Pada bulan November 2018, OPC Foundation mengumumkan inisiatif Komunikasi Tingkat Lapangan yang didukung oleh berbagai pelaku industri dan TI:ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, dan lain-lain, kata Didier dari Cisco. “Visinya adalah mencapai solusi komunikasi IIoT yang terbuka, terpadu, dan berbasis standar antara sensor, aktuator, pengontrol, dan cloud yang memenuhi semua kebutuhan otomasi industri,” katanya. “Inisiatif ini akan menggabungkan pekerjaan OPC dalam komunikasi pub/sub dan TSN (Gambar 2).”

Gambar 2:Komunikasi TSN dengan OPC UA akan memungkinkan aplikasi kontrol bekerja pada jaringan standar terbuka dengan beragam lalu lintas dan aplikasi lainnya—sensor hingga cloud.
(Sumber:Hilscher)

TSN memungkinkan semua aplikasi kontrol mengandalkan jaringan standar yang terbuka. "Jaringan tersebut juga dapat mendukung berbagai jenis lalu lintas dan aplikasi lainnya. Konvergensi dan kemampuan berkomunikasi, sensor hingga cloud adalah peningkatan utama," kata Didier.

“TSN dirancang untuk memberikan pesan deterministik dan kemampuan real-time melalui Ethernet standar untuk memastikan komunikasi informasi dalam jumlah waktu yang tetap dan dapat diprediksi,” jelas Beydoun. "Aplikasi utama TSN adalah aplikasi yang memerlukan kontrol waktu yang presisi dan perilaku jaringan deterministik. Namun, Ethernet TSN diinginkan dalam aplikasi industri apa pun yang memerlukan bandwidth lebih tinggi dan respons jaringan lebih cepat, seperti halnya aplikasi jaringan yang menyampaikan informasi audio dan video. Skalabilitas TSN akan memungkinkan streaming paket bandwidth tinggi dengan latensi terjamin pada kecepatan transfer Gigabit lebih tinggi."

Mengapa saya memerlukan TSN?

“Banyak integrator dan pembuat mesin mempertanyakan perlunya TSN dan mengklaim bahwa Ethernet industri dan protokol terkait yang ada, seperti EtherNet/IP, EtherCAT, dan Profinet, memenuhi kebutuhan mereka, jadi 'Mengapa saya memerlukan TSN?' adalah pertanyaan umum,” kata Bowne di PI Amerika Utara. "Ini valid, terutama karena banyak teknik yang digunakan oleh TSN—sinkronisasi, reservasi bandwidth, penjadwalan—adalah teknik yang telah kami gunakan di Profinet selama lebih dari 15 tahun. Jika TSN sudah ada saat itu, kami akan mengadopsinya dan menghemat banyak upaya rekayasa. Namun Profinet selalu mengizinkan lalu lintas terkait kontrol kecepatan tinggi untuk hidup berdampingan secara jelas dengan lalu lintas terkait informasi lainnya."

Prinsip yang sama berlaku untuk TSN, jadi, sekali lagi, mengapa Anda membutuhkannya? “Jawabannya tidak kentara dan terkait dengan masa depan jaringan,” kata Bowne. "Seiring dengan masuknya kita ke ranah Industri 4.0/Industrial-Internet-of-Things (IIoT), semakin banyak informasi yang akan diberikan ke sistem tingkat yang lebih tinggi. Pada akhirnya, tampaknya perataan Model Purdue mungkin akan terjadi. Meskipun TSN mungkin bukan pendorong hal ini, namun TSN dapat menjadi salah satu alat untuk membantu mewujudkannya."

Di masa depan, kami membayangkan bahwa seiring dengan semakin banyaknya bandwidth yang digunakan oleh protokol TI, TSN akan memastikan lalu lintas OT yang sensitif terhadap waktu—sesuai dengan namanya—lalu lintas OT menerima determinisme yang diperlukan, bahkan pada jaringan yang sarat dengan lalu lintas TI dengan upaya terbaik lainnya, jelas Bowne. “Selama mereka semua memiliki landasan TSN yang sama, maka produsen dapat mulai menerapkan jaringan TI/OT yang terkonvergensi tanpa harus khawatir lalu lintas OT mereka akan dikorbankan dengan mengorbankan lalu lintas TI,” ujarnya. “Kami ingin melanjutkan filosofi yang telah lama dipegang ini karena kami percaya dalam menggunakan alat yang tepat untuk tugas yang tepat:protokol Profinet untuk memindahkan data, protokol lain, misalnya, OPC UA, untuk memindahkan informasi, semuanya dalam satu kabel.”

Peta jalan integrasi OT/TI tidak berakhir pada situasi peralihan dengan sejumlah besar perangkat heterogen yang terhubung melalui gateway, kata Cuéllar di Relyum. “Sebaliknya, hal ini meningkatkan adopsi teknologi komunikasi pada tingkat hubungan yang berlaku untuk kedua dunia,” katanya. “Dengan cara ini, topologi pertukaran data menyeluruh dapat dilakukan di pabrik yang homogen, mirip dengan pilar (Gambar 3).”

Gambar 3:Pilar otomatisasi menunjukkan koneksi berkecepatan tinggi yang jelas antara perangkat I/O di lantai pabrik dan pengontrol ke pabrik, tingkat perusahaan, dan ke cloud.
(Sumber:Belden melalui System-On-Chip Engineering)

Pilar otomatisasi ini didasarkan pada postingan blog berjudul, "Apa itu TSN? Sekilas Perannya dalam Jaringan Ethernet Masa Depan", oleh René Hummen, arsitek senior—teknologi dan inovasi, di Belden.

Dalam konteks pilar ini, skema komunikasi dan keamanan siber berbasis lapisan tradisional tidak lagi berlaku. “Elemen yang termasuk dalam bidang I/O akan berkomunikasi langsung dengan aplikasi dan layanan yang diaktifkan di cloud jarak jauh,” jelas Cuéllar. "Oleh karena itu, sangat penting untuk mengamankan komunikasi antar perangkat yang berbeda. Persyaratan TSN secara real-time merupakan salah satu tantangan besar untuk mengamankan jaringan semacam ini karena mekanisme TI keamanan siber tradisional tidak dapat menjamin transmisi paket dengan latensi yang diperlukan."

TSN bukanlah sebuah protokol
TSN hanyalah versi Ethernet yang lebih baik; itu bukan protokol. “Yang mengalami peningkatan adalah infrastruktur yang menjadi dasar semua protokol berbasis Ethernet,” kata Bowne dari PI. "TSN berada di lapisan data link (Layer 2) Model IOS/OSI (Gambar 4). Protokol berada di lapisan aplikasi (Layer 7) Model ISO/OSI. Gateway menerjemahkan data antara berbagai protokol atau bahasa."

Gambar 4:TSN berada di Data Link Layer 2 Model IOS/OSI dan bukan merupakan protokol, yang berada di Application Layer 7.
(Sumber:Pi Amerika Utara)

TSN dirancang untuk menjadi tambahan pada fungsionalitas jaringan yang ada. “Fungsi jaringan yang tersedia saat ini dan memberikan operasi yang andal akan tersedia dengan cara yang sama setelah diperkenalkannya TSN,” kata Brooks di Rockwell. “Hal ini tidak boleh memaksakan perubahan perilaku apa pun kecuali ada nilai baru yang membenarkan perubahan tersebut (Gambar 5).”

Gambar 5:Sebagian besar perangkat keras jaringan dan keandalan fungsional akan tetap sama setelah diperkenalkannya TSN, namun akan ada nilai tambah yang membenarkan perubahan tersebut.
(Sumber:Otomatisasi Rockwell)

Berfokus pada EtherNet/IP, jaringan yang sensitif terhadap waktu sepenuhnya independen dari protokol komunikasi, lanjut Brooks. “Tugas organisasi protokol seperti ODVA dan OPC Foundation hanyalah mendefinisikan bagaimana protokol mereka bekerja dengan TSN dan membuat TSN setransparan mungkin kepada pengguna,” katanya. “Dan mereka perlu melakukan hal ini sambil menjadikan mekanisme kualitas layanan yang ada seperti DSCP (titik kode layanan terdiferensiasi) sebagai akronim yang tidak perlu dipahami oleh sebagian besar pembuat mesin dan integrator sistem!”

Bagaimana TSN akan membantu aplikasi?

“Jika kita semua melakukan tugasnya dengan benar, pembuat mesin atau integrator sistem tidak perlu banyak berinteraksi dengan TSN sama sekali,” kata Bowne dari PI Amerika Utara. "Ethernet ini akan mudah digunakan dan transparan terhadap tugas-tugas teknis, konfigurasi, dan commissioning yang terkait dengan Profinet. Ini merupakan versi Ethernet yang lebih baik yang digunakan saat ini."

Jaringan yang peka terhadap waktu adalah alat yang membuat perataan jaringan menjadi lebih mudah, namun ini hanya salah satu alat yang membuat hal ini mungkin dan praktis, kata Brooks di Rockwell. “Misalnya, segmentasi jaringan adalah inti dari arsitektur jaringan yang aman,” jelasnya. “Jaringan yang sensitif terhadap waktu tidak membantu segmentasi. Untuk melakukan ini, Anda perlu menggunakan protokol yang dirutekan, dan TSN tidak mendukung perutean.”

Namun, jika Anda memiliki beberapa aliran bandwidth tinggi melalui satu kabel, maka TSN pasti dapat mengurangi upaya rekayasa yang diperlukan untuk mengetahui bahwa tautan jaringan akan beroperasi seperti yang diharapkan, jelas Brooks. “Setiap perangkat di jaringan dapat mengumumkan volume lalu lintas dan kecepatan periodik lalu lintas tersebut akan dikirim ke infrastruktur jaringan,” katanya. “Infrastruktur jaringan dapat merencanakan pemuatan jaringan berdasarkan keseluruhan volume lalu lintas yang mengalir melalui jaringan. Infrastruktur juga dapat melindungi sumber daya jaringan untuk membantu memastikan bahwa volume lalu lintas ini dapat mengalir melalui jaringan.”

TSN memungkinkan berbagai protokol IE untuk menggunakan jaringan tunggal yang saling terhubung untuk semua aplikasi kontrol industri, seperti I/O, keselamatan dan pergerakan, dan untuk hidup berdampingan dengan perangkat lain, misalnya kamera video, dan aplikasi sambil mempertahankan persyaratan jaringan deterministik yang diandalkan oleh aplikasi kontrol, kata Paul Didier dari Cisco. “Dengan cara ini, aplikasi IoT Industri dapat mengakses perangkat akhir secara langsung dan aman untuk mengekstrak data dan informasi yang sangat relevan yang seringkali tidak dapat ditangani oleh gateway,” katanya.

Tentang penulis:Dave Perkon
Jempol Dave PerkonDave Perkon adalah editor teknis untuk Desain Kontrol. Dia telah merekayasa dan mengelola proyek otomatisasi untuk perusahaan Fortune 500 di industri medis, otomotif, semikonduktor, pertahanan, dan tenaga surya.