html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Промышленные сети в контексте четвертой промышленной революции


Сначала небольшое историческое отступление о том, что такое четвертая промышленная революция, анонсированная в прошлом году.
  • Появление промышленности. Первая промышленная революция произошла в начале XIX века и была связана с массовым переходом от использования мускульной силы к энергии парового двигателя. Ключевые технологии — паровой двигатель, фабрика. Появилась возможность массового производства, но его продукты стоили дорого.
  • Массовое производство. Вторая революция случилась в начале 20 века, и ознаменовала начало дешевого массового производства. Ключевые технологии — конвейер и Тейлоризм. Продукты массового производства подешевели на порядок.
  • Автоматизация. Третий переворот в промышленности произошел в 80-е годы. Станки с ЧПУ и роботы сделали современные фабрики практически безлюдными. (Аутсорсинг ручного труда в развивающиеся страны сгладил эту тенденцию.) Продукты массового производства подешевели еще на порядок (стало дешевле выкинуть, чем чинить).
  • Децентрализация. Революция четыре точка ноль происходит сейчас. Ключевая технология — конвергенция промышленности и IT, 3д принтеры. Появляется возможность производства мелкой серии или уникального продукта по цене, приближающейся к стоимости того же самого в крупной серии.
Это немецкий взгляд на 4 четыре фазы развития промышленности. Существует еще и американский, который не разделяет третью и четвертую фазы.

Мне кажется, во вступлении я написал слишком много общих фраз и слишком мало технического хардкора. Исправлю это под катом, описав некоторые технические детали о промышленных сетях и продуктах Intel, связанных с ними (+ еще одна картинка с роботом).

Лично для меня главный вопрос четвертой промышленной революции заключается в том, кто кого сборет, кит или слон? произойдет ли в отрасли повторение хорошо известной в IT индустрии истории с mainframes->mini computers->PCs или нет. Поясню. Так как конвергенция IT и промышленности — дело решенное, остается вопрос, на чьих условиях она будет происходить? Гиганты промышленности — Siemens, Rockwell, Mitsubishi, ABB, Schneider и т.д., похоже хорошо понимают тенденцию и на всех парах внедряют технологии из IT, позволяющие выполнить обещания Industrial revolution 4.0 по радикальному удешевлению мелкосерийного производства. Однако появляется конкуренция со стороны IT в виде 3д принтеров и стартапов, обещающих серьезное удешевление промышленных роботов. Где-то собирается новый homebrew computerindustry club, где юные хакеры готовятся сразиться с промышленными аналогами IBM и DEC. На кого поставили бы вы??

Выше я повторял мантру — «технологии из IT приходят в промышленность, и радикально удешевляют производство». Чтобы не быть голословным, надо бы перечислить, какие именно технологии. Я вижу три основных элемента.
1. Использование управляющих устройств на основе процессоров/чипсетов общего назначения, немного доработанных, чтобы удовлетворять промышленным требованиям (надежность, realtime, температуры, fanless и тд). Об этой тенденции я здесь уже писал.
2. Использование сетевой инфраструктуры IT для общения сенсоров, актуаторов, роботов, автоматических станков с управляющими элементами. Об этом сегодняшний пост.
3. Два предыдущих пункта автоматически означают необходимость использования в индустриальных продуктах IT подходов к программированию, системному администрированию и обеспечению информационной безопасности. Поле здесь непаханное! (Кстати, нужен ли на хабре пост об особенностях программирования станков ЧПУ и роботов, и как в эту область уже проникают технологии программирования, к которым мы привыкли в IT?)

Экономический аргумент в пользу использования IT технологий в промышленности очень прост. Миллиарды пользователей ноутбуков и персональных компьютеров уже оплатили R&D и массовое производство соответствующих технологий. Почему бы этим не воспользоваться, например, так же, как этим пользуются в HPC? (Процессоры большинства суперкомпьютеров производятся на фабе стоимостью много миллиардов баксов, загруженном в основном процессорами для ноутбуков. Микроархитектура ядер Xeon EP и Core i3 не отличается.)

Итак, подробнее о промышленных сетях (Filedbus). Во времена третьей промышленной революции было создано множество стандартов Fieldbus: Profibus, Modbus, Sercos, и тд и тд… Все они используют специализированные phy, и, как следствие, вендорам приходилось разрабатывать и поддерживать спец железки (ASIC или FPGA) и спец дрова, а пользователям — протягивать нестандартные кабели и использовать экзотические коннекторы.

В IT когда-то существовал такой же зоопарк сетей (помните Token Ring, Apple Net, ARCNET, Ethernet через коаксиал?). В конце концов Ethernet по витой паре и TCP/IP всех победили. В промышленности с основой конвергенции на phy уровне вопросов тоже уже нет. Очевидно, что будущее промышленных сетей за протоколами, работающими на базе Ethernet, на обычной витой паре: Profinet, Ethercat, Sercos III и EtherNet/IP. На самом деле количество видов промышленных сетей на базе Ethernet несколько больше. Например, есть даже корейский национальный стандарт. Но приведенные выше наиболее распространены, и поэтому в данном обзоре я ограничусь ими.

Все они могут использовать кабельную и сетевую инфраструктуру, проверенную годами использования в IT индустрии. Дебажить их можно Wireshark'ом, а не осциллографом, как старые fieldbus'ы. У каждого стандарта есть большая «мама» (Profinet — Siemens, Ethercat — Beckhoff, Ethernet/IP — Rockwell, Sercos III — Bosch) и консорциум компаний, который его продвигают. Однако оборудование каждого крупного производителя поддерживает не только свой «любимый» стандарт промышленной сети, но и большинство остальных. Поэтому на рынке имеется несметное количество вариантов бриджей между этими сетями. Такая фрагментация не очень радует, и есть подозрение, что через несколько лет останется 1-2 основных стандарта. Можно заняться антинаучным гаданием и набросать табличку со сравнением характеристик самых распространенных протоколов.
Протокол Устойств в одном сегменте Минимальный цикл Интернет совместимость Топология
Ethercat 65536 12.5us не очень произвольная, но логически кольца
Profinet дофига 31.25us хорошая произвольная
Sercos III 511 31.25us хорошая кольцо, линия
Ethernet/IP дофига ~1ms лучшая произвольная
Некоторые моменты я упростил, но в целом как-то так. Интересно было бы угадать, какой стандарт в конце концов победит. (Конечно, если считать, что в конце останется только один).

Уровень интернет совместимости я оценивал по степени поддержки сетевых протоколов TCP/IP. Пакеты каждой из сетей Ethercat, Profinet и Sercos III передаются в Ethernet фреймах и имеют собственный Ethertype (как IP или ARP). Ethernet/IP, в отличие от них, пользуется IP, за исключения случая ring топологии, тогда он также использует свой ethertype. Таким образом, Ethernet/IP самый IT ориентированный из множетсва стандартов промышленного Ethernet'a. В этом его главная фишка, но это же и главный недостаток — сложно обеспечить real time с быстрыми циклами. Потом идут Profinet и Sercos III, в которых by design интернет трафик ходит по тем же проводам, в то время, когда они не заняты передачей критичных данных. Например, в сети profinet можно пользоваться IP, UDP, TCP, раздавать адреса по DHCP (или пользоваться его младшим братом — DCP).

Самый далекий от IT — Ethercat, но он же потенциально самый быстрый. Сети Ethercat, Profinet и Sercos III отличаются тем, что в них есть два класса устройств — master и slave (controller и device). Master может быть реализован на обычной сетевой карточке, а slave карточка работает немного хитрее. Она должна «на лету» считывать приходящий пакет, вставлять в него свои данные и отправлять его дальше (или обратно, если она стоит в конце линии Ethercat). Получается, что она реализует MAC напоминающий token ring.

Я немного упрощал, описывая, как промышленные сети могут использовать сетевую инфраструктуру. Конечно, кабели и коннекторы будут работать, как и некоторые свитчи (впрочем, с ними возможны нюансы). Но обычные сетевые карточки и главное их драйвера с детерминистическими циклами в десятки микросекунд работать не приспособлены. Какие обычно требования в цифрах? Надо уметь соединять в одном сегменте сети множество устройств, обменивающихся небольшими пакетами данных (от единиц до сотен байт) с частотой до десятков килогерц, и с гарантированной доставкой данных вовремя каждый цикл. Максимальная частота в 30 килогерц означает, что минимальный цикл равен 33 микросекундам. Отсюда в Profinet IRT и SERCOS III стандартах минимальный цикл определен как 31.25 микросекунд. Передача сотни байт каждый цикл — это до 25 мегабит в секунду на устройство. Промышленные сети до сих пор отлично живут на 100BASE-TX. Переход на 1 гигабит только начинается, и в-основном по соображениям уменьшения latency (ширины «трубы», как я показал достаточно и на ста мегабитах).

У всех вендоров есть спец карточки с обычным Ethernet phy трансивером, и спец обвеской для реализации вышестоящих слоев соответствующего сетевого стека. Есть так же различной степени платности прошивки с реализацией этих сетей для FPGA Xilinx и Altera. Всем известно, что помимо процессоров и чипсетов Intel производит сетевые карточки. Недавно вышла карточка I210 (Springville), в которой реализованы некоторые возможности, позволяющие реализовать на ее основе fieldbus адаптер с быстрым циклом.

Что делает Intel I210 особенно пригодной для реализации промышленных сетей, базирующихся на Ethernet phy? В ней есть свой RT таймер, доступный для чтения и записи, и позволяющий генерировать прерывания. Это позволило реализовать в железе
IEEE 1588/802.1AS синхронизацию, которая включена в протоколы Profinet и Sercos III. Также это делает возможным передачу фреймов по таймеру, что полезно для реализации любого fieldbus протокола. 4 независимые очереди на передачу и 4 на прием могут быть использованы для разделения realtime и не realtime трафика или для работы нескольких виртуальных машин(с VMDq).

Этого железного товарища, собирающего кубики Рубика, я сфотографировал на экспозиции Intel на Embedded World 2013 два месяца назад. Он контролируется с материнской платы на заднем плане, через сеть Profinet, сетевой адаптер Intel I210 и Profinet IRT стэк от KW-Software.

Надеюсь, я отдал налог техническими деталями хабрачитателям, и теперь мне будет позволено завершить пост парой общих фраз. Мы в IT индустрии привычны к hype — ежегодному появлению новой технологии, которая должна перевернуть мир (cloud, web 2.0, etc.) Свой hype есть и в промышленности — Internet of things, M2M, etc. Но я думаю, что четвертая индустриальная революция имеет под собой конкретные технические и экономические основы. И в ней можно поучаствовать. В 70х-2010х было такое распространенное родительское проклятие — будешь плохо учиться, пойдешь в ПТУ, а потом на завод. Но теперь, похоже, работа на фабрике снова может стать sexy! (Правда, фабрики будут совсем не те)

Помимо непосредственного рабочего опыта (к сожалению, Ethernet/IP не очень распространен в Европе, поэтому я с ним никогда не сталкивался и брал данные из Википедии), в посте использованы данные из двух академических статей:
1. «Minimum Cycle Time Analysis of Ethernet-Based Real-Time Protocols»
2. «The fieldbus war: History or short break between battles?»
Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с habrahabr.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • habrahabr.ru
          • домен habrahabr.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции