Cómo evolucionar hacia las redes industriales de nueva generación (TSN) paso a paso

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La tecnología Time Sensitive Networking (TSN) ha irrumpido en las comunicaciones de la industria, te explicamos como van a evolucionar las redes industriales

Cómo evolucionar hacia las redes industriales de nueva generación (TSN) paso a paso

Hacia dónde se quiere ir, ¿cuál es objetivo final?

Tras la automatización y la digitalización de industria, etapa que se ha etiquetado como Industria 3.0, se conformó una topología piramidal de interconexión entre los medios de producción y de gestión. La Figura 1 muestra la pirámide acorde a este esquema, en la base de la misma se sitúan los medios productivos, controlados generalmente mediante PLCs definiendo la lógica de entrada y salida. En un nivel superior, bebiendo información de estos medios, se sitúa el SCADA y el software industrial de gestión de la producción tipo MES. En el punto más alto de la pirámide se encuentra el software de gestión global de recursos tipo ERP.

Figura 1. La Pirámide de la Automatización (Industria 3.0).

La evolución del proceso de digitalización, basado en la utilización masiva del “dato”, tiene como fin obtener una mayor productividad gracias a un conocimiento exhaustivo del producto y de la producción. La globalización de esta digitalización en la industria está forzando a la interconexión de las redes de operación (Operational Technologies – OT) y las de datos (Information Technologies - IT) mediante tecnologías de pasarela. Las tecnologías desplegadas en ambos mundos, OT e IT, han sido diferentes y generalmente no interoperables. Esto ha generado la aparición de una plétora de equipamiento heterogéneo confirmando una zona denominada brownfield.

El roadmap de integración OT/IT no se queda en esta situación intermedia. En cambio, plantea la adopción de una tecnología de comunicación a nivel de enlace que sea válida para ambos mundos. De esta forma, se puede dibujar una topología de intercambio de datos en la planta más homogénea, similar a un pilar tal y como se representa en la Figura 2. En la base de este pilar, junto a los medios productivos, se sitúa una estructura de control distribuido basada en elementos de entrada y salida con cierto nivel de inteligencia y con capacidad de comunicación. Esta estructura, denominada Field I/O; se intercomunica con los equipos de Edge Computing, basados en plataformas potentes de computación y comunicación, y con los servidores locales. Esta combinación confirma el Cloud local. A diferencia del esquema de comunicación y de ciberseguridad basado en capas, en este pilar, los medios englobados en el Field I/O también deberían poder comunicarse directamente con aplicaciones y servicios habilitados en Cloud remotos tal y como se puede observar en la Figura 2.

Figura 2. El Pilar en la Industria 4.0.

Este pilar requiere de una única red de interconexión para OT e IT. Es la denominada Factory Backbone. Pero, para pasar de la teoría a la práctica, es necesaria una tecnología de comunicación válida para el tráfico de tiempo real de OT y que provea del gran ancho de banda demandado por IT. Adicionalmente, debe ser una alternativa segura y preferentemente interoperable, estandarizada y libre. ¿Existe una propuesta válida?

Introducción a Time-Sensitive Networking

- Ethernet

Desde que la solución para redes locales de ordenadores Ethernet[6] fue estandarizada en  1983, esta tecnología ha evolucionado desde el punto de vista técnico y de aplicación. Su uso original orientado a redes de ordenadores locales, se ha extendido a otros sectores hasta convertirse en el estándar de facto para los buses de campo en numerosos sectores. Destaca su aplicación masiva en la Industria (Profinet, Ethernet IP, Ethercat, Sercos III, etc.), en el Sector eléctrico (Ethernet de alta disponibilidad para IEC 61850 [5]) o en Automoción [7].

La gran diversidad de soluciones propietarias basadas en Ethernet que han surgido en estas décadas han solucionado una de las carencias claves de Ethernet en su versión original: la falta de soporte de comunicaciones en tiempo real. Como resultado de la utilización de estas soluciones cerradas se ha cubierto la necesidad de disponer de redes con comportamiento determinista. Pero debido a la falta de interoperabilidad entre las soluciones de distintos fabricantes, la foto actual limita la capacidad del cliente final para evolucionar hacia una infraestructura de red y de computación única.

En los sectores mencionados se demandan soluciones técnicas interoperables entre diferentes fabricantes, estandarizadas y que ofrezcan unos tiempos de vida en el mercado largos. El desarrollo de estas tecnologías debería proporcionar una reducción significativa del coste de los equipos, mantenimiento, integración de servicios de análisis de datos y la dependencia sobre un fabricante específico.

En este sentido, el conjunto de estándares de IEEE definidos por Time-Sensitive Networking Task Group [8] ofrecen servicios de comunicación determinista sobre IEEE 802. Este conjunto de estándares de denomina comercialmente TSN.

- Time-Sensitive Networking (TSN)

Time Sensitive Networking (TSN) es una propuesta integral para una única solución basada en Ethernet. El grupo de trabajo original AVB ha pasado a llamarse IEEE TSN Task Group y se encuentra a cargo del desarrollo de todos los estándares relacionados con TSN.

La base fundamental sobre la que se construye TSN es el denominado Time-Aware Shaper. Este mecanismo ha sido diseñado para separar la comunicación en la red Ethernet en ciclos repetitivos de duración fija. Estos ciclos están divididos en ventanas temporales de acuerdo a la configuración TSN que haya sido acordada por los nodos que conforman dicha red. Es posible configurar y asignar a cada ventana temporal una o varias prioridades Ethernet de las ocho que están disponibles. Los detalles del funcionamiento del Time-Aware Shaper están definidos en el estándar IEEE 802.1Qbv [2].

Teniendo en cuenta esta capacidad de discriminación, se definen tres tipos fundamentales de tráfico: tráfico Scheduled, tráfico Best-effort y tráfico Reserved. El tráfico Scheduled es el apropiado para mensajes con requisitos estrictos de tiempo real, mientras que el tráfico Best-effort lo conforman los mensajes de propósito general que no requieren de funcionalidades de calidad de servicio adicionales a las de Ethernet estándar. Los mensajes alojados en diferentes ventanas temporales con una reserva de ancho de banda establecida para cada tipo de prioridad se consideran tráfico Reserved. Esta capacidad de reserva específica de ancho de banda es de gran utilidad para información con requisitos soft de tiempo real, como por ejemplo streams de video. La Figura 3 muestra un diagrama temporal básico de comunicación TSN. Se pueden observar las ventanas temporales dentro de cada ciclo (2 Slots por Cycle) y los diferentes tipos de tráfico asignados a cada ventana. Son habituales configuraciones de 8 Slots por ciclo, consiguiéndose una gran versatilidad para la definición de los parámetros QoS.

Figura 3. Distribución de la comunicación en ventanas de tiempo (Slots) en función del tipo de tráfico TSN.

El Time-Aware Shaper permite definir el número de ventanas temporales presentes en cada ciclo, su duración y el tipo de tráfico (basado en su prioridad) que es posible transmitir. Gracias a este modo de operación, el tráfico Scheduled tiene ventanas temporales dedicadas a garantizar el comportamiento determinístico de la red. El tráfico Best-effort se acomoda en el resto de ventanas temporales de cada ciclo de operación. Una de las mejoras más importantes de cara a la priorización y la optimización del uso del ancho de banda en TSN es el uso del Credit Based Shaper, tal y como se especifica en IEEE 802.1Qav [2]. Esta funcionalidad posibilita la gestión de tráfico de tipo Reserved, lo que aumenta la prioridad del tráfico designado, haciéndolo de mayor prioridad que el tráfico Best-effort y de menor prioridad en comparación con el tráfico Scheduled.

El reto de proporcionar sincronización temporal en el rango de nanosegundos entre todos los dispositivos que conforman la red TSN es abordado mediante el uso del protocolo de sincronización IEEE 1588 [1].Gracias a la precisión proporcionada por esta tecnología, es posible controlar el retardo introducido por la red, lo que posibilita disponer de una solución Ethernet basada en eventos temporales. El perfil específico de IEEE 1588 utilizado en TSN es el IEEE 1588ASrev [4].

¿Cómo puedo empezar a evolucionar?

La Industrial 4.0 está siendo un ejemplo de evolución y no de revolución. Las factorías están aumentando de forma progresiva el nivel de digitalización de las mismas, siendo las realidades de cada sector y de cada empresa muy diferentes. En este sentido, se prevé que el acercamiento a las redes TSN también sea progresivo y convergente con otras propuestas de digitalización y modelización como es OPC UA.

SoC-e ha desarrollado su propia tecnología TSN que licencia e integra en dispositivos reconfigurables de nueva generación. Esta solución TSN ya se está usando en equipos finales para el sector industrial [10], en equipos de testing TSN y en sistemas ferroviarios. Con el fin de facilitar el acceso a esta tecnología y para facilitar la simple integración de la misma, se ha desarrollado una tarjeta PCIe TSN integrable en cualquier PC Windows o Linux. Esta placa embebe toda la complejidad técnica de esta comunicación, ofreciendo una interfaz de red estándar para la comunicación en el PC.

Figura 4. Tarjeta RELY-TSN-PCIe

Esta tarjeta, denominada RELY-TSN-PCIe [11] y representada en la Figura 4, integra un Bridge TSN de 5 puertos: 3 externos y 2 internos. Los puertos internos habilitan la comunicación con la CPU del PC y con la CPU interna de la tarjeta. Esta CPU interna gestiona la comunicación y la sincronización TSN y es accesible desde cualquier navegador WEB del PC, pudiendo configurar y monitorizar remotamente el estado de la Red.

Dependiendo de los requisitos impuestos por cada aplicación, es necesario mantener diferente nivel de precisión en la sincronización y de capacidad para controlar el determinismo en el flujo de información entre la red y el software. Por ejemplo, un servicio virtual de PLC encargado de un control robótico requerirá el acceso a los datos comunicados como Scheduled Traffic dentro de las estrictas fronteras de tiempo fijadas por el lazo de control. Sin embargo, un software SCADA puede ser más laxo en requisitos y demandar una base de tiempos sincronizada en el entrono de microsegundos para gestionar los procesos bajo supervisión. Por tanto, es necesario analizar para cada caso qué tecnologías deben integrarse para satisfacer los requisitos planteados y a su vez no forzar a cambios radicales en el sistema si no son necesarios.

En este sentido, SoC-e ofrece dos líneas de integración de sus tarjetas TSN.

Por un lado, la utilización de las mismas en ordenadores con sistema operativo Linux. En estos casos, la sincronización global de las aplicaciones, la gestión de tráfico y el uso de módulos de tiempo real es viable a nivel de sistema operativo, abriéndose por tanto un gran campo de experimentación y de integración global de servicios.

Y por otro lado, SoC-e ofrece soporte a la integración directa de estas tarjetas en las distintas versiones del Sistema Operativo Windows que gestionan las mismas como una tarjeta de red al uso. En este último caso, la identificación del tráfico que deberá gestionar la tarjeta como Scheduled, Reserved o Best-Effort se realiza mediante el marcado VLAN nativo. La sincronización se transfiere al sistema operativo mediante NTP, ampliamente soportado por Windows y que puede por tanto, ser usada por las aplicaciones instaladas en el mismo de forma transparente. Otras alternativas, como la utilización de pilas PTP en entornos Windows y la integración de middleware de tiempo real en los mismos, también pueden ser abordadas en estos proyectos si así se requiere.

Para poder trabajar de forma inmediata con esta tecnología, junto con las tarjetas RELY-TSN-PCIe se ofrece un set-up de experimentación MTConnect [12]. El estándar MTConnect ofrece un vocabulario semántico para que los equipos de fabricación proporcionen datos estructurados y contextualizados sin formato propietario. MTConnect es utilizado por gran cantidad de fabricantes de equipamiento industrial para facilitar la interconexión de sus equipos con la estructura IT. Para ello ofrecen los módulos software adaptadores denominados Adapters que funcionan en sus equipos [13]. La tecnología MTConnect agrupa la información recibida de los adaptadores mediante un agente (Agent) [14]. La información publicada por un agente puede ser procesada por las aplicaciones IT e incluso ser visualizada directamente mediante un navegador Web (Browser).

Figura 5. Set-up de experimentación RELY-TSN-PCIe MTConnect.

La Figura 5 representa el set-up de experimentación desarrollado. El ordenador PC1, alberga el Agent MTConnect. Este agente a través de la tarjeta RELY-TSN-PCIe recibe la información enviada desde los Adapters instalados en el ordenador PC2. La tarjeta RELY-TSN-PCIe instalada en este último equipo se encarga de gestionar la distribución del tráfico en los Slots correspondientes atendiendo a la configuración seleccionada. Con el fin de facilitar un set-up completo para el usuario, los Adapters facilitados son simuladores de adaptadores MTConnect de tal forma que no sea necesario disponer de las máquinas reales.

En resumen…

La evolución Industria 4.0 sigue demandando interoperabilidad y simplicidad en las comunicaciones. TSN es la red Ethernet de nueva generación diseñada expresamente para cumplir con esos axiomas.

Su integración en cada sector y aplicación será progresiva. Sin embargo, la aceleración de su aplicación en diversos sectores, tales como el Ferroviario o el Aeroespacial, demuestra la existencia de un interés real del cliente final.

SoC-e sigue apostando por ser una empresa pionera en ofrecer a sus clientes la tecnología necesaria para evolucionar hacia las redes de comunicación de nueva generación en la forma que mejor se adecúe a sus necesidades.

En este sentido, la tarjeta RELY-TSN-PCIe y el set-up de experimentación MTConnect presentado son una excelente forma de iniciarse a la tecnología que, a medio plazo, simplificará la infraestructura de red y habilitará realmente la coexistencia de OT e IT.

Autor: Armando Astarloa, CEO de SoC-e.

Bibliografía

  1. 2008 IEEE 1588-2008 - IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems. 
  2. 2009 IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks—Virtual Bridged Local Area Networks - Amendment: Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams. http://www.ieee802.org/1/pag3es/802.1av.html.
  3. 2016 Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Media Access Control (MAC) Bridges and Virtual Bridged Local Area Networks Amendment: Enhancements for Scheduled Traffic. http://www.ieee802.org/1/pages/802.1bv.html.
  4. 2018 P802.1AS-Rev: Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications. https://1.ieee802.org/tsn/802-1as-rev/.
  5. IEC, 2016 IEC 62439-3:2016, Industrial communication networks: High availability automation networks Part 3: Parallel Redundancy Protocol (PRP) and High-availability Seamless Redundancy (HSR). http://www.iec.ch/.
  6. IEEE 802.3 ETHERNET WORKING GROUP, 2018 IEEE 802.3 ETHERNET. http://www.ieee802.org/3/.
  7. IEEE 802.3 Multi-Gig Automotive Ethernet PHY Task Force, 2018 IEEE 802.3 Multi-Gig Automotive Ethernet PHY. IEEE 802.3 Multi-Gig Automotive Ethernet PHY Task Force.
  8. IEEE Time Sensitive Networking Task Group, 2018 IEEE 802.1 Standards. http://www.ieee802.org/1/pages/tsn.html.
  9. System-on-Chip engineering S.L., 2018. Multiport TSN Switch IP. http://soc-e.com/mtsn-multiport-tsnswitch-ip-core/.
  10. SoC-e S.L., 2018. Wago PLC TSN Use-case. https://soc-e.com/wago-unveils-its-new-time-sensitive-networking-controller-for-automationtsn-powered-by-soc-e/
  11. Relyum, RELY-TSN-PCIe Version. https://www.relyum.com, 2019.
  12. MTConnect Institute, 2019. MTConnect, A free, open standard for the factory. https://www.mtconnect.org/.
  13. Relyum, MTConnect Adapters List – 2019 (Manufacturers and Protocols). https://www.relyum.com/web/2018/09/01/mtconnect-adapters-list-2019-manufacturers-and-protocols/, 2019.
  14. MTConnect Institute, 2019. MTConnect C++ Agent Version 1.4.0.0, A free, open standard for the factory. https://github.com/mtconnect/cppagent/.

 

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