ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМБИНАЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОТОКОЛОВ OPC-UA TSN

АННОТАЦИЯ

Наличие на рынке большого количества промышленных протоколов имеет не только достоинства, но и недостатки. Одним из существенных из них является невозможность взаимодействия промышленного оборудования на производстве, ввиду использования различных проприетарных технических решений. Тенденция промышленного интернета вещей (IIoT) трансформирует мир производства. Открытые, стандартные и совместимые технологии, такие как TSN и OPC UA, являются ключевыми компонентами IIoT. Они обеспечивают стандартное подключение к промышленным устройствам вместе с возможностью обмена данными и, таким образом, способствуют значительному повышению производительности и экономичности в производстве.

ABSTRACT

The presence of a large number of industrial protocols on the market has not only advantages, but also disadvantages. One of the most significant of them is the impossibility of interaction of industrial equipment in production, due to the use of various proprietary technical solutions. The trend of the Industrial Internet of Things (Iot) is transforming the world of manufacturing. Open, standard and compatible technologies such as TSN and OPC UA are key components of IIoT. They provide a standard connection to industrial devices together with the possibility of data exchange and, thus, contribute to a significant increase in productivity and efficiency in production.

Ключевые слова: промышленный интернет вещей, промышленные протоколы, промышленность, производство, цифровое производство, Индустрия 4.0, автоматизация.

Keywords: Industrial Internet of Things (IIoT), industrial protocols, manufacturing, digital production, Industry 4.0, automation.

Текущее состояние технического обеспечения промышленных предприятий в большинстве случаев строится на основе проприетарного программного и аппаратного обеспечения. В такой ситуации логичным является использование определенных групп протоколов для взаимодействия и обмена данными между промышленным оборудованием и устройствами связи. К тому же, одним из важных вопросов корректного и эффективного функционирования производственного процесса предприятия зависит от успешного использования протоколов и программ в условиях систем реального времени (в которой все события обрабатываются с учётом и в пределах установленных временных ограничений, от которых, в том числе, зависит отработка в случае ошибки в зависимости от видов системы [1]). Последнее условие настоящим состоянием сетевой техники не всегда удается достичь, и не в последнюю очередь за счёт используемых в промышленности протоколов.

Хотя ко всем промышленным протоколам предъявляются одинаковые требования, разработка технологий, использующих эти протоколы, развивается неодинаково и не стандартизировано, что приводит к конфликту между устройствами различных производителей, использующих различный набор промышленных протоколов. Из-за этого возникает определенная проблема связи этих протоколов, в большинстве случаев решаемая при помощи общей линии связи или иных программно-аппаратных решений.

Наиболее популярными промышленными протоколами являются Modbus, PROFINET, EtherNet, POWERLINK, EtherCat, CAN, BACNet и др. [2, 3].

Концепция производства будущего, «Индустрия 4.0», рассматривает модернизацию и цифровизацию промышленных предприятий, а также унификацию используемого оборудования и программного обеспечения для улучшения качества продукции и процесса изготовления в целом. Одним из основных компонентов этой концепции является понятие промышленного интернета вещей, который описывает решение многообразия протоколов и вопроса их кроссплатформенности: чтобы обеспечить высокое качество услуг для конечных пользователей, в рамках «Интернета вещей» должны быть разработаны технические стандарты, спецификации, определяющие обмен информацией и ее обработку, а также связи между вещами [4].

На данный момент уже предприняты шаги в практической реализации представленной концепции, в рамках которого разработано практическое решение на основе комбинации промышленных протоколов OPC-UA и TSN.

Рассмотрим каждую технологию в отдельности, чтобы определить, по какой причине именно эта связка призвана решить проблему многообразия в использовании технических протоколов.

Time-Sensitive Networking (TSN, рус. чувствительный ко времени сетевой обмен данными) — стандарт передачи данных в реальном масштабе времени в детерминированных сетях Ethernet [5]. Если быть точнее, TSN это не отдельная технология, а скорее группа механизмов, которые были введены в более широкий стандарт Ethernet организацией IEEE.

Основными механизмами данного стандарта являются [6]:

• синхронизация времени — гарантирует, что все устройства в сети синхронизированы по времени;
• планирование в режиме реального времени — обеспечивает своевременную доставку критически важных данных;
• резервирование и конфигурация канала передачи данных — осуществляют контроль пути передачи данных и уровня надёжности соединения.

До сих пор это достигалось с помощью проприетарных полевых шин, которые создавали закрытые экосистемы с определенными границами, часто поставляемые всего несколькими поставщиками.

Также стандарт связи TSN предлагает коммуникационную технологию стандарта IEEE, которая обеспечивает совместимость между промышленными устройствами любого производителя, соответствующими стандарту. TSN, в то же время, устраняет необходимость в физическом разделении критических и некритических сетей связи, что позволяет осуществлять открытый обмен данными между операциями и предприятием — концепция, лежащая в основе промышленного Интернета вещей (IIoT).

Поскольку TSN является дополнительными механизмами стандартов Ethernet, у данного решения имеется ещё одно преимущество — TSN позволяет продолжать использовать устаревшие приложения, предоставляя необходимые им функции реального времени и резервирования без внесения каких-либо изменений.

OPC UA (Unified Architecture) – это современный стандарт, описывающий передачу данных в промышленных сетях. Он обеспечивает защищенную и надежную коммуникацию между устройствами, являясь при этом аппаратно- и платформо-независимым, что позволяет обеспечить обмен данными между устройствами с разными операционными системами [7].

Цель разработки данного протокола состояла в том, чтобы гарантировать, что открытая и независимая архитектура Интернета вещей может быть построена с использованием открытых аппаратных и программных решений. Способ обмена данными в виде публикации-подписки был дополнительно интегрирован, чтобы обеспечить средства более быстрой связи по сравнению с обычными сетями клиент-сервер.

В чём же основные преимущества использования комбинации именно этих протоколов?

OPC UA через TSN гарантирует, что сети IIoT могут должным образом обрабатывать как общие данные, так и чувствительные ко времени пакеты данных, передаваемые по общей сети, что позволяет устройствам IIoT получать пакеты данных при необходимости и управлять промышленной автоматизацией.

Используя открытые и стандартные технологии, такие как OPC UA и TSN в сочетании, рынок промышленной автоматизации может избежать проблему многообразия промышленных протоколов, используемых различным поставщиками техники. Подобная комбинация позволит обеспечить взаимодействие между оборудованием разных производителей без потери в мощностях и общей производительности.

Подводя итоги, можно утверждать, что данное решение удовлетворяет следующим критериям эффективного производства (согласно концепции промышленного интернета вещей):

1. Полностью открытая, стандартная и совместимая связь.
2. Точное время и гарантированная доставка важных сообщений.
3. Автоматизированная и динамическая конфигурация сети на основе требований приложения.
4. Повсеместное подключение датчиков к облаку без шлюзов.
5. Обратная совместимость и интеграция существующих устройств Ethernet.

Список литературы:

1. Система реального времени // Wikipedia — 2023. [электронный ресурс] — Режим доступа — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Система_реального_времени (Дата обращения: 15.01.2023).
2. Обзор современных протоколов в системах промавтоматики // Хабр — 2019. [электронный ресурс] — Режим доступа — URL: https://habr.com/ru/post/473992/ (Дата обращения: 15.01.2023).
3. Guide to Industrial Protocols // Clarify — 2022. [электронный ресурс] — Режим доступа — URL: https://www.clarify.io/learn/industrial-protocols (Дата обращения: 15.01.2023).
4. Ли Дай Сюй, Сянчан Ли, «Интернет вещей» в промышленности: обзор ключевых технологий и трендов // Control Engineering Россия IIoT — 2017. [электронный ресурс] — Режим доступа — URL: https://controlengrussia.com/internet-veshhej/klyuchevy-h-tehnologij/ (Дата обращения: 15.01.2023).
5. TSN // Wikipedia — 2023. [электронный ресурс] — Режим доступа — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/TSN (Дата обращения: 15.01.2023).
6. Воробьев С. TSN – синхронизируемые по времени сети. Часть 1 // СТА — 2020 — №1. [электронный ресурс] — Режим доступа — URL: https://www.cta.ru/articles/obzory/promyshlennye-seti/124310/ (Дата обращения: 15.01.2023).
7. Просто о стандартах OPC DA и OPC UA // IPC2U — 2021. [электронный ресурс] — Режим доступа — URL: https://ipc2u.ru/articles/prostye-resheniya/prosto-o-standartakh-opc-da-i-opc-ua/ (Дата обращения: 15.01.2023).