Memanfaatkan Data Real-Time untuk Kontrol Presisi Sistem Industri Modern
Pengadwal dari sistem operasi (OS) tingkat tinggi konvensional seperti Windows atau macOS memiliki tujuan memaksimalkan penggunaan CPU. Dalam skenario ini, banyak pengguna mungkin ingin mengeksekusi banyak aplikasi sekaligus. Semua proses dan thread yang mendasarinya harus mendapatkan bagian yang adil dari waktu CPU.
Sistem operasi real-time, di sisi lain, memiliki tujuan yang berbeda. Sistem operasi ini harus memastikan bahwa setiap thread dieksekusi secara ketat dalam kerangka waktu yang telah ditentukan sebelumnya dan dalam urutan yang valid. Memaksimalkan penggunaan CPU dan throughput data tanpa memperhatikan waktu dan urutan eksekusi tidak cukup saat berhadapan dengan keterbatasan waktu dunia nyata yang umum ditemukan dalam aplikasi industri.
Artikel ini menyelidiki apa yang dapat dilakukan insinyur saat merancang aplikasi yang memerlukan throughput data tinggi, latensi yang akurat, dan kontrol jitter.
Berbagai Mesin dan Kebutuhan Jaringan Mereka
Sistem real-time murni adalah solusi yang sering digunakan saat melihat satu bagian peralatan yang terisolasi dari lingkungan sekitarnya.
Namun, lantai pabrik modern terdiri dari lebih dari sekadar mesin di ruang produksi. Seiring dengan peningkatan stabil dari internet of things industri (IIoT), Industri 4.0, dan edge computing dalam beberapa tahun terakhir, persyaratan komunikasi di dalam satu ruang produksi menjadi semakin kompleks. Ini sebagian karena peningkatan perangkat yang terhubung, tetapi persyaratan komunikasi yang berbeda dari setiap perangkat juga memainkan peran kunci.
Dalam konteks ini, insinyur sering menggunakan istilah teknologi operasi (OT) dan teknologi informasi (IT) untuk mengklasifikasikan dua kategori utama komunikasi jaringan yang berbeda. OT adalah lalu lintas yang kritis waktu, misalnya, yang dikirim dari satu mesin ke lengan robotika saat bagian siap untuk diangkat. Di sini, informasi harus sampai ke semua penerima dalam waktu yang ditentukan.
IT, di sisi lain, sering memerlukan throughput data yang lebih tinggi. Biasanya, ini adalah data seperti streaming video, misalnya, dari kamera pengaman atau aplikasi kantor seperti e-mail. Dalam IT, throughput adalah yang penting. Keandalan, latensi, dan jitter seringkali merupakan perhatian sekunder.
Insinyur ingin merancang satu jaringan yang mampu memenuhi persyaratan lalu lintas IT dan OT tanpa menambahkan terlalu banyak kompleksitas dan biaya. Artikel sebelumnya membahas dua konsep ini dengan lebih rinci. Ia lebih menyelidiki bagaimana jaringan sensitif waktu (TSN) membantu menyelesaikan masalah penggabungan lalu lintas IT dan OT di jaringan yang sama dan mempelajari bagaimana perangkat keras jaringan, seperti Layerscape LS1028A, membantu insinyur merancang solusi industri modern.
Mengapa OT dan IT Berjalan Bersamaan: Contoh Aplikasi
Fungsi real-time dan non-real-time tidak lagi terpisah dalam lingkungan sistem kontrol industri modern. Sebaliknya, fungsi real-time dan non-real-time harus bekerja sama untuk memastikan bahwa fasilitas produksi berfungsi dengan efisien dan benar.
Sebuah pembangkit listrik dapat dilihat sebagai contoh konkret yang terdiri dari ratusan perangkat yang mungkin semuanya terhubung menggunakan standar yang berbeda. Berbagai sensor, misalnya, secara berkala melaporkan bacaan mereka secara real-time. Sensor tersebut dapat termasuk, tetapi tidak terbatas pada, sensor suhu, sensor tekanan, dan perangkat yang mendeteksi gas berbahaya yang mungkin dihasilkan oleh suatu proses.
Data dari sensor tersebut mungkin hanya valid, akurat, dan berguna untuk waktu singkat—biasanya sampai perangkat memberikan bacaan berikutnya. Oleh karena itu, titik masuk pertama yang mengumpulkan dan mengagregasi data sensor harus mampu melakukannya secara real-time.
Dalam contoh ini, sensor terletak jauh dan di tempat yang sulit dijangkau. Mereka terhubung melalui jaringan nirkabel, dan titik akses pertama yang berkomunikasi dengan sensor harus memiliki kemampuan real-time.
Selain sensor, mesin di dalam pabrik berisi banyak modul input/output (I/O) yang, misalnya, terhubung ke aktuator. Dalam hal ini, insinyur pembangkit listrik memutuskan untuk menggunakan jaringan kabel untuk menghubungkan modul I/O dan pengontrol logika terprogram (PLC).
Modul I/O, aktuator, dan PLC semuanya bekerja secara real-time, dan jembatan komunikasi yang mampu real-time diperlukan untuk menghubungkan perangkat. Modul I/O kemungkinan memerlukan mikrokontroler yang menjalankan kode bare-metal, dan PLC serta jembatan komunikasi akan menggunakan mikroprosesor yang menjalankan sistem operasi real-time, seperti perangkat lunak edge real-time NXP.
Sistem IT lebih aliran mengumpulkan statistik, memantau keseluruhan sistem, dan mentransmisikan data video dari kamera. Sistem ini tidak menjalankan sistem operasi real-time. Demikian pula, transmisi data dari dan ke sistem IT tidak terjadi secara real-time.
Solusi Perangkat Lunak yang Mendukung OT dan IT
Selain aspek jaringan, akan bermanfaat untuk menggabungkan operasi IT dan OT pada satu prosesor. Melakukan ini akan mengurangi kompleksitas dan biaya keseluruhan sistem dibandingkan prosesor khusus untuk tugas kritis waktu dan satu yang hanya melakukan operasi lain yang kurang kritis. Sistem operasi real-time memainkan peran kunci dalam aplikasi kritis waktu.
Beberapa solusi perangkat lunak yang ada memungkinkan insinyur untuk membangun aplikasi kritis waktu yang aman, terukur, dan dapat dirawat menggunakan Linux open source. Dengan perangkat lunak edge real-time mereka, NXP menyediakan lingkungan real-time yang aman dan andal untuk aplikasi yang memerlukan latensi deterministik dan jitter yang dapat diprediksi.
Aplikasi yang umum meliputi perangkat terhubung di berbagai bidang profesional, seperti kontrol industri, otomatisasi gedung, kontrol otomotif, keselamatan, dan sistem infotainment.
Ringkasan
Banyak sistem komersial memerlukan waktu yang tepat dan latensi deterministik saat berkomunikasi dengan peralatan lain. Seiring bertambahnya jumlah perangkat yang terhubung, insinyur mencari cara untuk mengintegrasikan lalu lintas OT dan IT pada satu jaringan. Lalu lintas OT sering memerlukan infrastruktur jaringan real-time yang andal, sementara data IT sering memerlukan tingkat throughput yang tinggi.
Perangkat lunak real-time NXP menciptakan jaringan yang mampu menggabungkan lalu lintas OT dan IT pada satu garis menggunakan Ethernet TSN. Melakukan ini dapat mengurangi kompleksitas dan biaya keseluruhan jaringan. NXP juga menawarkan perangkat lunak edge real-time yang terdiri dari tiga blok utama, masing-masing mendukung aspek kunci yang berbeda dari komunikasi real-time.
