Echtzeitdaten für präzise Steuerung moderner Industriesysteme nutzen

Der Scheduler eines herkömmlichen High-Level-Betriebssystems (OS) wie Windows oder macOS hat das Ziel, die CPU-Auslastung zu maximieren. In diesem Szenario möchten mehrere Benutzer viele Anwendungen gleichzeitig ausführen. Alle zugrundeliegenden Prozesse und Threads sollten ihren fairen Anteil an CPU-Zeit erhalten.

 

Abbildung 1. Darstellung eines industriellen Betriebssystems. Bild mit freundlicher Genehmigung von Pixabay

 

Ein Echtzeit-OS hingegen hat andere Ziele. Dieses Betriebssystem muss sicherstellen, dass jeder Thread strikt innerhalb eines zuvor festgelegten Zeitrahmens und in einer gültigen Reihenfolge ausgeführt wird. Die Maximierung der CPU-Auslastung und des Datendurchsatzes ohne Berücksichtigung von Timing und Ausführungsreihenfolge reicht nicht aus, wenn es um Echtzeitbeschränkungen geht, die in industriellen Anwendungen häufig vorkommen.

Dieser Artikel untersucht, was Ingenieure tun können, wenn sie eine Anwendung entwerfen, die hohen Datendurchsatz, genaue Latenz und Jitter-Kontrolle erfordert.

 

Verschiedene Maschinen und ihre Netzwerkanforderungen

Ein reines Echtzeitsystem ist oft die Lösung, wenn man ein einzelnes Gerät isoliert von seiner Umgebung betrachtet.

Moderne Fabrikhallen umfassen jedoch weit mehr als nur die Maschinen in der Produktionshalle. Da das Industrial Internet of Things (IIoT), Industrie 4.0 und Edge Computing in den letzten Jahren stetig zugenommen haben, werden die Kommunikationsanforderungen innerhalb einer einzelnen Produktionshalle komplexer. Dies liegt zum Teil an der Zunahme vernetzter Geräte, aber auch die unterschiedlichen Kommunikationsanforderungen jedes Geräts spielen eine Schlüsselrolle.

In diesem Kontext verwenden Ingenieure oft die Begriffe Operational Technology (OT) und Information Technology (IT), um die zwei Hauptkategorien der Netzwerkkommunikation zu klassifizieren. OT ist zeitkritischer Datenverkehr, z. B. von einer Maschine zu einem Roboterarm, wenn ein Teil zur Abholung bereit ist. Hier muss die Information alle Empfänger innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens erreichen.

 

Abbildung 2. Ein industrielles Maschinen-Netzwerk.

 

IT hingegen erfordert oft höheren Datendurchsatz. Typischerweise sind dies Daten wie Videostreams, z. B. von einer Überwachungskamera, oder Büroanwendungen wie E-Mail. Im IT-Bereich ist der Durchsatz entscheidend. Zuverlässigkeit, Latenz und Jitter sind oft nachrangige Anliegen.

Ingenieure möchten ein einziges Netzwerk entwerfen, das die Anforderungen sowohl von IT- als auch OT-Datenverkehr erfüllt, ohne zu viel Komplexität und Kosten hinzuzufügen – ein früherer Artikel diskutierte die beiden Konzepte detaillierter. Er untersucht weiter, wie Time-Sensitive Networking (TSN) hilft, die Probleme der Zusammenführung von IT- und OT-Datenverkehr im selben Netzwerk zu lösen, und untersucht, wie Netzwerkhardware wie der Layerscape LS1028A Ingenieuren hilft, moderne industrielle Lösungen zu entwerfen.

 

Warum OT und IT Hand in Hand gehen: Ein Anwendungsbeispiel

Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Funktionen sind in modernen industriellen Steuerungssystemumgebungen nicht mehr getrennt. Stattdessen müssen Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Funktionen Hand in Hand arbeiten, um sicherzustellen, dass eine Produktionsanlage effizient und korrekt funktioniert.

Ein Kraftwerk kann als konkretes Beispiel dienen, das Hunderte von Geräten umfasst, die möglicherweise alle mit unterschiedlichen Standards verbunden sind. Verschiedene Sensoren melden beispielsweise periodisch ihre Messwerte in Echtzeit. Solche Sensoren können Temperatur-, Druck- und Geräte zur Erkennung schädlicher Gase umfassen, die ein Prozess erzeugen könnte.

 

Abbildung 3. Druckmessgeräte in einer Milchfabrik.

 

Die Daten dieser Sensoren sind möglicherweise nur für einen kurzen Zeitraum gültig, genau und nützlich – typischerweise bis das Gerät die nächste Messung liefert. Daher muss der erste Einstiegspunkt, der die Sensordaten sammelt und aggregiert, in Echtzeit fähig sein.

In diesem Beispiel sitzen die Sensoren weit auseinander und an schwer zugänglichen Stellen. Sie sind über ein drahtloses Netzwerk verbunden, und der erste Zugangspunkt, der mit den Sensoren kommuniziert, muss Echtzeitfähigkeiten besitzen.

Zusätzlich zu Sensoren enthalten Maschinen im Werk zahlreiche Ein-/Ausgangsmodule (I/O), die beispielsweise mit Aktuatoren verbunden sind. In diesem Fall entschieden sich die Kraftwerksingenieure für ein kabelgebundenes Netzwerk, um die I/O-Module und die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) zu verbinden.

Die I/O-Module, Aktuatoren und die SPS arbeiten alle in Echtzeit, und eine echtzeitfähige Kommunikationsbrücke ist erforderlich, um die Geräte anzubinden. Die I/O-Module benötigen wahrscheinlich einen Mikrocontroller mit Bare-Metal-Code, und die SPS und Kommunikationsbrücke werden einen Mikroprozessor mit einem Echtzeit-Betriebssystem verwenden, wie NXPs Real-Time Edge Software.

IT-Systeme weiter oben im Strom sammeln Statistiken, überwachen das Gesamtsystem und übertragen Videodaten von Kameras. Diese Systeme laufen nicht auf einem Echtzeit-OS. Ebenso findet die Datenübertragung zu und vom IT-System nicht in Echtzeit statt.

 

Eine Softwarelösung, die OT und IT unterstützt

Zusätzlich zum Netzwerkaspekt wäre es vorteilhaft, IT- und OT-Operationen auf einem einzigen Prozessor zusammenzuführen. Dies würde die Gesamtsystemkomplexität und -kosten im Vergleich zu einem dedizierten Prozessor für zeitkritische Aufgaben und einem, der ausschließlich weniger kritische Operationen ausführt, reduzieren. Ein Echtzeit-OS spielt eine Schlüsselrolle in zeitkritischen Anwendungen.

 

Abbildung 4.  Ein Blockdiagramm von NXPs Real-Time Edge Software. Bild mit freundlicher Genehmigung von NXP

 

Einige bestehende Softwarelösungen ermöglichen Ingenieuren, sichere, skalierbare und wartbare zeitkritische Anwendungen mit Open-Source-Linux zu erstellen. Mit ihrer Real-Time Edge Software bietet NXP eine sichere und zuverlässige Echtzeitumgebung für Anwendungen, die deterministische Latenz und vorhersehbaren Jitter erfordern.

Typische Anwendungen umfassen vernetzte Geräte in verschiedenen professionellen Bereichen wie industrielle Steuerung, Gebäudeautomation, Automobilsteuerung, Sicherheit und Infotainment-Systeme.

 

Zusammenfassung

Viele kommerzielle Systeme erfordern präzises Timing und deterministische Latenz bei der Kommunikation mit anderen Geräten. Mit der Zunahme vernetzter Geräte suchen Ingenieure nach Wegen, OT- und IT-Datenverkehr auf einem einzigen Netzwerk zu integrieren. OT-Datenverkehr erfordert oft zuverlässige Echtzeit-Netzwerkinfrastruktur, während IT-Daten oft hohe Durchsatzraten benötigen.

NXPs Echtzeit-Software erstellt Netzwerke, die OT- und IT-Datenverkehr auf einer einzigen Leitung mittels TSN Ethernet zusammenführen können. Dies kann die Komplexität und die Gesamtkosten des Netzwerks reduzieren. NXP bietet auch Real-Time Edge Software, die aus drei Hauptbausteinen besteht, die jeweils verschiedene Schlüsselaspekte der Echtzeitkommunikation unterstützen.