magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

lid beckhoffFelhőalapú automatizálás:
a Huawei és a Beckhoff technológiai tanulmányai

Az Ipar 4.0 és az IoT terén megoldandó egyik alapvető feladat a biztonságos, szabványokon alapuló információcsere biztosítása nemcsak az eszközök, gépek és szolgáltatások belső, illetve egymás közötti kommunikációjában, hanem a gyártósorokon belül és a gyártóüzemek között is. Ezek a problémák a PC‑alapú, nyílt architektúrájú vezérléssel kitűnően kezelhetők.

 

A Beckhoff úttörő szerepet játszik a nyílt vezérléstechnika megvalósításában, amely lehetővé teszi a PC-alapú vállalati vezérlőrendszerek együttműködését más gyártók rendszereivel. A világszerte elfogadott EtherCAT kommunikációs szabvány segítségével számos gyártó kompatibilis eszközei egybeintegrálhatók és terepi szinten megvalósítható az együttműködésük. Ezt az együttműködést támogatja az OPC UA szabvány is, amely gyártó- és platformfüggetlen kommunikációt tesz lehetővé a gép‑gép közötti műveletek és a vertikális vállalati folyamatok terén.

 

1 beckhoff

1. ábra  A felhőalapú automatizálás kommunikációs követelményei


Az ipari automatizálás során szükségessé válik a gyártási és gépadatok felhőbe juttatása a be/kimeneti szintről (lásd 1. ábra). A Beckhoff felmérést készít számos újgenerációs LAN, WAN és mobilkommunikációs technológia képességeiről, mivel a korszerű gyártásvezérlési feladatok megvalósításához elengedhetetlen, hogy determinisztikus és kis késleltetési idejű – az előbb említett és a közbenső szinteket lefedő – egységes átviteli rendszer álljon rendelkezésre.
A Beckhoff és a Huawei közötti együttműködés középpontjában kapcsolástechnikai (switching) és útvonalválasztási módszerek (routing), valamint az 5G-alapú mobilkommunikációs technológia áll.

 

2 beckhoff

2. ábra  Kapcsolókat és útvonalválasztókat alkalmazó technológiák


A cél egyszerűen konfigurálható sávszélesség-foglalás biztosítása a garantáltan kis késleltetés és jitter érdekében. A vizsgált technológiák kizárólagos célja valósidejű adat-útvonalválasztás lehetővé tétele heterogén hálózatokon. Mindez nem érinti magát az EtherCAT kommunikációs szabványt, így fennakadásmentesen integrálhatók a meglévő EtherCAT hálózatszegmensek, és továbbra is használhatók a forgalmazott, igen gazdag választékban kapható EtherCAT-eszközök.
Működési elvének köszönhetően az EtherCAT-szabvány kiválóan alkalmas heterogén hálózatokon történő integrálásra: egy EtherCAT-szegmens összes csomópontja általánosságban egyetlen Ethernet-kerettel érhető el. Ezt az egyetlen keretet egy egyszerű útvonalválasztási művelettel kell eljuttatni a távoli EtherCAT-vezérlőtől az EtherCAT-eszközöket tartalmazó hálózatszegmenshez, tehát más technológiákkal ellentétben nem kell a szegmens minden egyes csomópontjának külön keretet küldeni.
A két vállalat együttműködése során eddig három adatátviteli technológiát vizsgáltak meg:

  • X-Ethernet: az IEEE 802.3 Ethernet-szabvány határozza meg, hogyan kell kódolni a szimbólumokat a fizikai réteg és a közeghozzáférés-vezérlő között. Ezen a kódolási szinten – úgymond az ISO/OSI modell „1,5.” szintjén – valósul meg az adatátvitel az X-Ethernet kapcsolók között;

  • determinisztikus IP: IP-alapú hálózatokon (a 3. rétegben) sávszélesség-foglalással 50 μs alatti késleltetések érhetők el;

  • vezeték nélküli 5G: az 5G mobiltechnológia nemcsak nagyobb adatátbocsátást, hanem kisebb (1 ms körüli) késleltetéseket és megbízhatóbb adatátvitelt ígér. Az útvonalválasztás rendszerint IP‑szinten történik, de vannak 2. szintű, végpontok közötti útvonalválasztást alkalmazó megközelítések is.

A 2. ábra a felmért technológiákat és az ISO/OSI modellben elfoglalt helyüket szemlélteti. Ebbe a szemléletbe tökéletesen illeszkedik a TSN-technológia is (Time-Sensitive Network – időkritikus hálózat). Az EtherCAT-szabvány TSN-hálózaton történő használatát az EtherCAT Technológiai Csoport (ETG – EtherCAT Technology Group) egyik műszaki anyaga írja le, és a vonatkozó előírásokat is az ETG fektette le.

 

3 beckhoff

3. ábra  Az X-Ethernet technológiát bemutató elrendezés

 

X-Ethernet – 1,5. rétegbeli kapcsolástechnika

Az X-Ethernet rögzített hosszúságú bitblokkokat használ, amelyeket a fizikai kódolási alrétegben (PCS – Physical Coding Sublayer) juttat el egy portról egy másikra. A blokkokat szakaszolt blokkokként kódolja PCS-kódolással (például 8B/10B vagy 64B/66B) az IEEE 802.3 szabvány szerint. Mivel a bitblokkok hossza rögzített, a jitter kivételesen alacsony (100 ns alatti). Ezenfelül itt a jitterre nem hat a változó kerethossz, míg a 2. rétegbeli kapcsolásnál általában igen. Az X-Ethernet kapcsoló úgynevezett adatcsatornái az adatfolyam által igényelt adatsebességre vannak konfigurálva. Nincs szükség „tárolás és továbbítás” jellegű kapcsolási mechanizmusra vagy MAC/IP-tábla alapján történő döntéshozatalra, továbbá nincs torlódás a kimeneti pufferekben.
Legjobban egy példa alapján szemléltethető az elv. A fenti 3. ábrán egy 100 Mbit/s sebességű adatcsatorna látható, amely az EtherCAT master-től vezet két X-Ethernet kapcsolón át az EtherCAT szegmensig.
A két X-Ethernet kapcsoló egy 1 Gbit/s sebességű kapcsolaton kommunikál egymással. Ebben az elrendezésben a két kapcsoló révén létrehozható például az EtherCAT adatforgalommal párhuzamosan egy képfeldolgozásra szolgáló videofolyam. Fennmarad 900 Mbit/s, illetve ha más, másodlagos, valósidejű vagy aszinkron adatforgalom számára fenntartunk 300 Mbit/s-ot, akkor is 600 Mbit/s marad még. Az 1 Gbit/s sebességű kapcsolat nem-fenntartott kapacitása felhasználható aszinkron kommunikációra, még hosszú aszinkron keretek sem zavarják meg a valósidejű átvitelt.
A példában szereplő X-Ethernet kapcsolók egy virtuális 100 Mbit/s-os EtherCAT-csatorna biztosítására konfiguráltak. Ez az egyszerű elrendezés a vizsgálatok alapján alkalmas arra, hogy szokványos EtherCAT telegramokat a master további módosítása nélkül lehessen útvonalválasztással átvinni a hálózaton, majd a szokványos EtherCAT-szegmensen feldolgozni. A PLC-alkalmazás ciklusideje 50 μs-ot ért el. Az X-Ethernet kapcsolók kivételesen alacsony jitterének (<20 ns) és késleltetésének (<3 μs) köszönhetően az EtherCAT-szegmens elosztott óráival történő időszinkronizálás további módosítás nélkül biztosítható. A két kimeneten az X-Ethernet hálózat beiktatása előtti és utáni jitter, valamint egyidejűség értéke 100 ns alatti volt, vagyis az X-Ethernet hálózat gyakorlatilag egyetlen hosszú kábelként viselkedett.
Az X-Ethernet technológiát a Huawei fejleszti, és a szabványosítása folyamatban van. Ez a technológia stabilan alkalmazható olyan helyzetekben, amikor heterogén hálózatokon hagyományos, valamint több valósidejű adatátvitelt párhuzamosan kell megvalósítani. Az adatfolyamok (azaz adatcsatornák) könnyen konfigurálhatók, valósidejű viselkedésük pedig kiváló.
A hálózaton keresztül egy távoli vezérlő valós időben képes adatokat cserélni egy vagy több EtherCAT-szegmenssel (például gépegységgel). Dinamikus hajtásokhoz zárt hurkú vezérlések is kialakíthatók.

 

4 beckhoff

4. ábra  A végpontok közötti késleltetésre garantált felső korlátot szabó DIP hálózat

 

Determinisztikus IP (DIP) – 3. rétegbeli útvonalválasztás

Útvonalválasztókon keresztül összekötött gépegységek vagy cellák forgalmát 2. (vagy alacsonyabb) rétegbeli kapcsolással nem lehet a szükséges mértékben logikailag szétválasztani alhálózatokra. A vezérelt géptől távol lévő eszköz, például egy gépadatokat közvetlenül elemző peremrendszeri vezérlő vagy egy szerverszobában elhelyezett gépvezérlőre csatlakozó alkalmazás esetén azonban előfeltétel a megfelelő mértékű valósidejű viselkedés. Például egy digitális ikermodell szerint működő peremrendszeri szerver számításai a folyamat gépfigyeléssel gyűjtött pillanatnyi értékei tekintetében determinisztikus válaszidőt igényelnek: a gép vagy rendszer pillanatnyi értékeit ciklussebességgel kell elküldeni a peremrendszeri szerverre, majd ott össze kell vetni a gépmodellben várt értékekkel. A kimeneti vektort ezután kis késleltetéssel el kell küldeni a gépre a beállítások finomhangolásához. Minderre megoldást kínál az Európai Hírközlési Szabványügyi Intézethez (ETSI – European Telecommunications Standards Institute) normatervezetként már benyújtott determinisztikus IP (DIP), amellyel IP‑alapú hálózatokon 3. rétegbeli valósidejű szolgáltatások nyújthatók.
A csatlakoztatott végpontok egy meghatározott „IP-lehetőségek” fejlécben kérhetik a DIP útvonalválasztóktól az igényelt adatsebesség biztosítását. Erre válaszként az útvonalválasztók garantált sebességet és késleltetést biztosítanak a két végpont között; az adatokat 50 μs alatti garantált késleltetéssel képesek közvetíteni, és mindegyik útvonalválasztó a legkisebb időkésleltetés mellett továbbítja a forgalmat.
A rendszereket és eszközöket igény szerint lehet le- vagy visszacsatlakoztatni, ami rugalmas gyártást tesz lehetővé.
A visszakapcsolt egységek ismét kérhetik és megkapják a szükséges adatsebességet.
Az EtherCAT protokoll IP-szinten is használható, mivel az EtherCAT szabvány szerint minden EtherCAT eszköz UDP/IP-adatüzenetbe ágyazott EtherCAT telegramokat is fel tud dolgozni. Ezt az EtherCAT norma „Nyílt üzemmódnak” nevezi. Egy EtherCAT-szegmensen az IP protokollt csak a DIP-útvonalválasztóra csatlakozó első eszköznek szükséges kiértékelni.
Erre a célra használható például a Beckhoff EK1000 típusú EtherCAT TSN csatolója (lásd 5. ábra), amely mind az IP-alapú, mind a MAC-alapú címzést támogatja. A csatolónak két Ethernet-portja van, amelyek közül az egyikkel az Ethernet-hálózatra csatlakozik. Az EK1000 az Ethernet-portra érkező kereteket minimális késleltetéssel az EtherCAT-portra továbbítja.
Az EtherCAT szegmens minden más eszköze szokványos EtherCAT eszköz.
Tesztelés során egy 2 ms ciklusidejű, elosztott órákkal szinkronizált mozgásvezérlési alkalmazás futtatásához a kiszolgáló PLC egy EK1000 típusú buszcsatolón keresztül DIP-hálózaton csatlakozott egy Ethernet szegmensre. Az EtherCAT master UDP/IP-csomagba beágyazott EtherCAT telegramjait az EK1000 a DIP-hálózaton keresztül megkapta, és közvetlenül az EtherCAT szegmensre továbbította. Mindehhez csak az EK1000 és az EtherCAT master IP-protokollcsomagját kellett kibővíteni a „DIP-lehetőségek” fejléc beépítéséhez. Ezt követően az útvonalválasztóktól igényelni lehetett a szükséges adatsebesség biztosítását.
A folyamatok gyakori átkonfigurálását igénylő rugalmas gyártási műveletekhez ugyanilyen rugalmasan konfigurálható átviteli hálózatok szükségesek. Determinisztikus IP-hálózaton akár a 3. rétegben is garantálható az eszközök által igényelt kis késleltetés és determinisztikus adatforgalom. Ugyanez igaz akkor is, amikor útvonalválasztón keresztül elért alhálózatokat kell létesíteni – például az informatikai követelmények kielégítése vagy egy gyártóüzem celláinak, üzemcsarnokainak WAN-kapcsolattal való lefedése esetén.

 

5 beckhoff

5. ábra  A Beckhoff EK1000 típusú csatolója TSN-csatolóként működik

 

Vezeték nélküli 5G: újgenerációs mobilhálózati átvitel

Gyakran elhangzik, hogy az ötödik generációs (5G) vezeték nélküli rendszerek a mobilhálózati kommunikáció kulcsfontosságú technológiáját jelentik az Ipar 4.0 és az eszközök internete (IoT) terén. Az 5G valóban igen vonzó képességekkel rendelkezik: nemcsak rendkívül nagy adatsebességet, hanem várhatóan igen kis késleltetéseket fog biztosítani az állomások közötti üzenetváltásban, valamint nagy megbízhatóságot az adatátvitelben, még nagy felhasználó-sűrűségű, kis területeken is. Ezek a mai vezetékes hálózatokon már természetesnek számító képességek miatt igen érdekesnek bizonyul ez az új vezeték nélküli technológia az automatizálás területén.
A jelenlegi technológiák és az újgenerációs 5G mobilhálózatok közötti egyik fő különbség az, hogy az 5G a gépi kommunikáció és az IoT területét helyezi a középpontba. Képességei jelentősen meghaladják a szélessávú mobilhálózatok és a csupán egyre nagyobb adatsebességet biztosító rendszerek lehetőségeit. A mobilhálózati kommunikáció soron következő generációja által nyújtandó képességek meghatározása a Nemzetközi Távközlési Egyesülés (ITU – International Telecommunication Union) feladata.
A legfontosabb funkciókat a 6. ábra foglalja össze:

  • Kiterjesztett mobil szélessáv (eMBB):

    - csúcsadatsebesség: 20 Gb/s (10 Gb/s a felmenő ágon);

    - normál adatsebesség: 100 Mb/s (50 Mb/s).

  • Rendkívül megbízható, kis késleltetésű átvitel (URLLC):

    - legfeljebb 1 ms a csomópontok közötti késleltetés;

    - 1 × 10-5 megkövetelt minimális megbízhatóság.

  • Nagy sűrűségű gépi kommunikáció (mMTC):

    - minimálisan egymillió eszköz/km2 csatlakozási sűrűség.

Mindezeket a képességeket nehéz egyidejűleg biztosítani, mert műszakilag kölcsönösen kizárhatják egymást. Például az állapotfigyelő érzékelőket a maximális akkumulátor-élettartam érdekében a lehető legkisebb energiafogyasztásra tervezik (mMTC), míg egy mobil robot esetében a cél az, hogy megbízhatóan és rendkívül gyors ciklusokban történjen az új alapértékek és tényleges értékek cseréje (URLLC). Az 5G azonban egy hálózaton egyidejűleg képes biztosítani ezeket a képességeket egy új elv, az úgynevezett hálózatszeletelés révén. Hálózatszeleteléssel különböző jellegű alkalmazások támogatása érdekében több logikai vagy virtuális hálózat üzemeltethető egy közös fizikai infrastruktúrán. Úgy tűnik tehát, hogy az 5G technológia alkalmazható olyan rugalmasságot igénylő gyártási környezetekben, ahol együtt kell kezelni a szállítójárművek, a kapcsolódó logisztika, valamint a gyártósorok vezérlését.
A 2018-as hannoveri szakkiállításon a Beckhoff és a Huawei X-Lab közösen mutatta be 5G irányú fejlesztéseit egy mintarendszeren. Két vezérlő 5G kapcsolaton keresztül volt összekötve. Az egyik egy passzív hajtásrendszerként működő Beckhoff XTS lineáris szállítórendszert vezérelt, amelyet a felhasználók kézileg tudtak manipulálni – ez az XTS mozgató egységeinek tényleges helyzeteit adta át referenciaként a második vezérlőnek.
A második, az elsővel szinkronizáltan működő vezérlő lekövette a felhasználók kézi mozgatásait. A vezérlők NC ciklusideje 2 ms, az 5G kapcsolók közötti késleltetés pedig 1,1 ms volt a 130 bájtos adatcsomagok továbbítása során (URLLC).

 

6 beckhoff

6. ábra  Intelligens gyáron belüli és kívüli adatátviteli követelmény

 

A vezérlőkön EtherCAT automatizálási protokoll (EAP – EtherCAT Automation Protocol) futott, amely „nyers” Ethernet kereteket kezelt a 2. rétegben (vezeték nélküli kapcsolás). A valósidejű forgalommal párhuzamosan a második vezérlő IP-alapú videófolyamot küldött az elsőnek a lekövetett mozgatások figyeléséhez (eMBB).
A 3GPP testület munkacsoportjai az 5G technológia előírásain dolgoznak. A jellemzőket a 2019. végére ütemezett 16. verzió fogja szabványosítani, integrált áramkörök és eszközillesztők szintjén ezután lehet majd megvalósítani ezeket.
Minden érintett félnek szorosan együtt kell működnie ahhoz, hogy a távközlési szektor megfelelően megértse és kezelje a gyárautomatizálás sajátos igényeit és követelményeit, valamint annak érdekében, hogy a vertikális iparágak felismerjék és kihasználják az 5G technológia képességeit. Ennek érdekében több, üzemeltetési technológiával (OT – Operation Technology) és infokommunikációval (ICT) foglalkozó szervezet a közelmúltban megalakította az 5G Adatkapcsolatú Ipari és Automatizálási Szövetséget (5G‑ACIA – 5G Alliance for Connected Industries and Automation), amely a szereplők közötti jobb megértést, valamint az iparban alkalmazott 5G technológia műszaki, törvényi és gazdasági vetületeinek felmérését szeretné elősegíteni. A Beckhoff a szövetség egyik alapító tagja.

 

Technológiai vizsgálatok: az innovációkban rejlő lehetőségek korai felismerése és kiértékelése

 

  • Technológiák felmérése: a Beckhoff fontosnak tartja már korai fázisban megvizsgálni, hogy az infokommunikációs terület fejlesztései milyen mértékben kínálnak olyan lehetőségeket, amelyek ügyfelei javára válhatnak a teljes kommunikációs lánc terén, a felhőtől a be/kimeneti szintig;

  • A Huawei azért hívta meg a Beckhoff vállalatot a technológiai vizsgálatokban való részvételre, mert együtt akart működni az automatizálás területén élvonalbelinek számító vállalattal;

  • Az EtherCAT kiemelkedően hatékony, Ethernet-alapú ipari kommunikációs rendszer, amellyel heterogén hálózati technológiák – például a Huawei új X-Ethernet és DIP megoldása, valamint a TSN – kiválóan összeépíthetők;

  • Az X-Ethernet adatátvitel keretek helyett rögzített hosszúságú bitblokkokat visz át, ami a TSN-hez képest könnyebb hálózatkonfigurálást tesz lehetővé;

  • A TSN-nel összehasonlítva a Determinisztikus IP olyan valósidejű, útvonalválasztókon alapuló hálózat megvalósítását teszi lehetővé, amely hatékony adatátvitelt biztosít a gyártócsarnokok, gyártócellák és alhálózatok között;

  • Az 5G vezeték nélküli technológia felmérésnek a célja az volt, hogy egyrészt a Huawei, az infokommunikációs integrált áramkörök és céleszközök világszerte meghatározó gyártója jobban átlássa az ipari szintű vezeték nélküli adatátvitel követelményeit, másrészt, hogy a Beckhoff értékes tapasztalatokat szerezzen a lehetséges előnyökről a jövő 5G technológiáit illetően.

 

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 9940
E-mail: info@beckhoff.hu
www.beckhoff.hu

 

Még több Beckhoff

 

 

   
Advertisement