Компания
409,52
рейтинг
17 апреля 2013 в 08:47

Разработка → 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?»
Автор: @izard
Intel
рейтинг 409,52

Комментарии (16)

  • +4
    Как-то обо всем и не о чем. Из статьи я так и не понял в чем особенность Индустрии 4.0 (в Германии так называют). То что в ней можно поучаствовать вполне заманчиво и я для университетской практики и дипломной работы выбрал именно этот путь. Совместно с Siemens, Phoenix и другими фирмами отправляем производство в облако.
    • +6
      Главная особенность — в индустрии все поняли, что надо прекращать изобратеть велосипеды, и для всего, чего можно брать готовые решения и стандарты из IT и адаптировать их. Для нас, программистов, это означает расширение рынка труда на новую область, и новую область для стартапов.
      • +4
        Я думаю, что это ошибочный вывод. Суть Индустрии 4.0 не заканчивается на адаптации сетевых стандартов из вычислительных сетей общего назначения. К тому же, одно лишь соединение роботов на конвейере в сеть не изменит принципиально суть фабрики.

        Под понятием «децентрализация», скорее всего, имеется в виду то, что для производства крупных или мелких серий многих категорий продукции теперь не нужно строить свой завод. Вместо этого можно из дома, с одним лишь ноутбуком в руках, заниматься разработкой микросхем или электронных приборов. Производство же прототипов или серий можно заказывать на заводах, которые также не сосредоточены более на выпуске продуктов одного наименования, а предлагают свои технологические ресурсы всем, кто желает разместить заказ.

        Тем самым владельцы завода перестают быть зависимыми от коммерческой успешности небольшого количества наименований продукции. Им больше не нужно содержать штат инженеров-разработчиков и балансировать между чрезмерными расходами на оплату труда этих инженеров и отставанием по разработке новой продукции. Сокращаются простои производственных мощностей. Инженеры теперь могут работать отдельно в чисто инженерных компаниях, не обремененных вопросами создания и поддержания производственных мощностей. Их творчество перестает ограничиваться возможностями конкретной производственной линии. Имеется возможность оперативно перейти с одной технологии на другую, если этого потребует разрабатываемый проект.
        • +1
          >Суть Индустрии 4.0 не заканчивается на адаптации сетевых стандартов из вычислительных сетей
          > общего назначения.
          Конечно. Адептация сетевых стандартов — только один маленький кирпичик, а не главный элемент.

          Роботы всегда были соединены в сеть, даже 30 лет назад, когда они только появлялись на заводах. Но перепрограммировать их было длинной и сложной задачей.

          Я думаю, что то, что вы описали как децентрализацию — одна ее половина. Целесообразность заказа мелкой серии на большом заводе — отчасти следствие прогресса в логистике, но отчасти проявление этой 4.0, которая снижает стоимость и время перестройки производственной линии на выпуск нового продукта.

          Вторая половина — станут экономически более целесообразными маленькие, но локальные цеха, позволяющие делать то, что вы описали выше, но быстрее за счет расположения в одном регионе с заказчиком.
    • +2
      Статья хоть и сумбурная, но выделена главная мысль. Грядет революция в промышленности, которую сделают 3д-принтеры. Основной особенностью этой революции станет децентрализация производства и возможность постиндустриальным производителям (инженерам, дизайнерам, программистам) реализовывать свои решения минуя корпорации. А это в свою очередь означает главенство 3д лабораторий (фаблабов) надо остальной инфраструктурой (дистрибьюторскими сетями, менеджментом, штамповочным производством, топ менеджерами корпораций и т.д.). Закат Китая как мировой фабрики начался.
      • 0
        Понятно, то есть вы склоняетесь к точке зрения, что «динозавры» не потянут, и революция начнется снизу.

        Закат Китая как мировой фабрики изза возвращения пром производства на базе новых технологий на запад — действительно тренд, который уже полгода как описывается в бизнесс прессе.
  • +2
    Получил личный коммент от индустриального гуру muzzy0 (Его пока нет на хабре), поэтому привожу его здесь:

    Смотри, своя физика промышленной сети — это только недостаток, но и преимущество.

    Например, профибас очень сложно собрать неправильно, чтоб он совсем не работал. Однако, таланты находятся и пару раз мне попадались сети, топология которых позволяла задействовать более 2-х терминаторов, а это сразу валит сеть :)
    Но не так это страшно: полдня с бубном и матюками и всё работает.
    Далее, его физика предусматривает реально детерминированное время доставки, в отличие от эзернета — там время доставки гарантируется софтварными надстройками.
    С другой стороны, за счёт других рабочих частот эзернет более стоек к наводкам с силовых кабелей, особенно — в моменты коммутации. Но на моём опыте профибас от такого не падал :) В общем, практика показала: профибас был хорошо задуман и хорошо реализован, за счёт чего проживёт ещё довольно долго — думаю, не меньше, чем живёт RS-232 :) Единственное геморройное место, которое вспомню с ходу — это подключение периферии к дублированному профибасу от дублированного контроллера, если эта периферия имеет всего один интерфейс. Тут идут в ход костыли типа Y-Link и всплывает гадкое ограничение на количество данных, которое может отдавать ведомое устройство.

    В общем, с осциллографом в профибас лазить нужды нет — по крайней мере, я не встречался с такими запущенными случаями.
    Зато, его закрытость служит некоторой защитой — первый попавшийся мудак со своей собранной на коленке и толком не отлаженной железкой в него не залезет, равно как и второй попавшийся мудак не сможет, при всём желании, объединить в один сегмент обычную локалку с удалённой периферией.

    Модбас — в том виде, в котором я с ним сталкивался — чудовищен. Как раз потому, что каждый мудак может сделать свою железку с 485 интерфейсом, и запросто эта железка будет не вполне соответствовать спецификациям на физику: на столе работает, на объекте — нет. Соответственно, если линия не метр на столе, а чуть побольше и на объекте — её надо терминировать. Но если передатчик имеет слишком малую мощность — она вся уходит на терминатор. В результате, без терминатора работает хоть как-то, с ним не работает совсем :) Кроме того, накосячить на монтаже этого модбаса можно просто тысячей и одним способом. То, с чем сталкивался я — талантливые монтажники посчитали, что на некотором участке экран кабелю не нужен и дальше пара пойдёт голой :) Я уж не говорю о маленькой сеточке, топологию которой даже звездой не назвать — больше на метастазы какие-то похоже :) Руководитель работ от подрядчика, чьи монтажники наплели это макраме, чуть не насмерть стоит и переделывать не хочет. Оно и понятно, желающих провозиться на улице в -30 мало, особенно, с неочевидным результатом (а то и им, гагарам, очевидным: у программистов чего-то не работает и они валят на здоровую голову монтажников, чтоб время потянуть).
    В двух словах, каждый накосячит, как может, а ты потом налаживай связь. В результате, на наладку профибасной сети из 10-20 узлов времени и геморроя тратится меньше, чем на модбасную в 4 узла максимум, и работает эта профибасная сеть куда стабильнее.

    Ладно, что-то меня в дебри понесло.
    С эзернетовой физикой тоже не всё однозначно хорошо. С одной стороны, к ней проще прицепиться даже удалённо, с другой — любой дурак может в эту сеть засунуть свой дурацкий и неуместный в этой сети узел — вплоть до того, чтоб эту сеть уронить. Да и дальность связи на медном эзернете очень проигрывает медному профибасу (в частности, и 485, в целом) — если мы не заморачиваемся оптикой.

    Поэтому решения типа распределённая периферия — на закрытом филдбасе, обмен между контроллерами и сереверами/операторскими станциями — по эзернету будут существовать ещё довольно долго. Ну, я так считаю :)
  • 0
    Коммент от еще одного настоящего индустриального гуру ailuropoda-m:

    Fieldbus-ы жили, живут и будут жить долго и счастливо. По той простой причине, что, к примеру, в тот же PROFIBUS есть FMS, есть DP и есть PA. И все три предназначены для очень разных вещей. И если FMS вытесняется Indusrial Ethernet, для устройств с DP уже сейчас есть много альтернатив c PROFINET, то для PA (а тем более, Ex-PA) альтернатив нет.
  • 0
    Общая идея статьи улавливается с трудом. Разве что как некий обзор? Тогда к чему столько сленга, в том числе англоязычного?

    Зато не могу не согласиться со словами вышеупомянутого «гуру». Что уж там без экрана 485-й, бывали прецеденты, что кабель пережигали сваркой, дальше в ход идут паяльник и изолента. Синяя, само собой. И отчего 25% пакетов потерь, удивительно просто.
    И как деятели из одной отечественной компании делали из 232-го 485-й с помощью двух резисторов (и какой-то матери), причем сия конструкция, что вполне характерно, ни с чем, кроме их же железа, не работала, тоже довелось поглядеть.
    • 0
      Мой русский язык, наверное, уже поздно исправлять — последние 14 лет пишу только по-английски, и только здесь на Хабре иногда отрываюсь. Если у вас есть идеи, как лучше перевести некоторые сленговые слова из статьи, я с удовольствием исправлю.

      Спасибо за истории о Российских умельцах. И еще я почему-то пропустил год назад ваш обзор Beckhoff, с удовольствием прочитал сейчас. Я их тоже очень люблю, как пионеров в использовании x86 для автоматизации и за некоторые технические инновации. (Типа поддержки многоядерности в Twincat 3, за Ethercat с циклом 12 микросекунд, интеграцию с Visual Studio)
  • 0
    Извините, а «дофига» это сколько? :)

    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?


    Да!
    • +1
      Согласно Вики, «practically unlimited number». Я с ограничениями не сталкивался (впрочем, и к ограничению в 65536 езеркат устройств тоже не подходил)

      ОК. Напишу, что новенького у CoDeSys, KW и Сименса в PLC программировании.
      • 0
        Новинки это хорошо, только внедрять некому. Приходит к нам на лекции Сименс и говорит «смотрите какую мы удобную для вас программу сделали. Мы сделали максимум работы с мышью и перетаскиванием, минимум програмирования.» Приходишь на какой-нибудь Мерседес, а там «новая версия? Не, не слышали. У нас Simatic S5 80-ых годов отлично работает.»
        • 0
          Я согласен, что отрасль очень консервативна, особенно конечные потребители (да и вендоры не на самом переднем крае IT програсса обычно).

          Поэтому и хочется, чтобы с 4.0 все получилось, и «мерседесу» (абстрактному большому заводу) стало бы выгодно чаще апгрейдиться, чтобы иметь возможность быстрее перестраивать производственные процессы. Например завод БМВ в Мюнхене, например, гордится, что они выпускают 100% машин по предварительным заказам от покупателей, и каждый покупатель может выбрать конфигурацию из десятков тысяч вариантов.
          • 0
            продолжу шизофренический диалог сам с собой. Снова ответ мне от muzzy0 (Он на хабре read-only):

            Есть полно производств, которые до сих пор работают если не на реле и говне мамонтов, то на S5 — запросто. И ещё столько же проработают. Технологию каждый год никто не апгрейдит — она остаётся прежней, соответственно, производство не меняется. Разные мелкие, не ключевые изменения — не в счёт. Соответственно, зачем там автоматику менять? Работает — не трогай, вот главный принцип :) Кроме того, ты не учитываешь — какой это геморрой — заменить автоматику производства. Это катастрофа хуже пожара. Один объём работ по (электро)монтажу влетит в копеечку и растянется на несколько месяцев. А если производству лет 10 и более — то вообще труба. Время идёт, кто-то ушёл, кто-то уехал на край света, кто-то умер, кто-то впал в деменцию и на производстве не осталось ни одного человека, который понимает от и до, как оно работает. А программу для новой автоматики педерастоит писать с нуля. Ты представляешь, насколько затянется наладка? ;)

            И всё это время производство будет стоять. Не выпускать продукцию и приносить прибыль, а простаивать, сосать деньги (отопление, уборка, охрана, зарплата оставшимся сотрудникам и т.д.) + затраты на перевооружение. Чего ради, спрашивается?
            Под эти критерии попадает, я думаю, процентов 90 химии, пищёвки, энергетики и многого другого.

            PS Конечно, если производство работает совсем на говне и палках, то перевооружение оправданно. Для того, чтобы повысить качество регулирования, удобство управления, сократить количество ручных операций по местному управлению, вести архивы — но многое можно сделать без остановки, участок за участком — и такие проекты регулярно делаются. Ставишь свежую автоматику и она будет жить до тех пор, пока сама в говно мамонта не превратится :)
            И, кстати, это причина, почему производители поддерживают свою автоматику десятилетиями: не будешь же ты из-за одного сгоревшего модуля менять ВСЁ. Тебя заказчики на вилы за такое поднимут и очень скоро ты лишишься заказов.
            • 0
              Отвечу muzzy0:

              Целесообразность переоборудования завода — одна из самых хорошо изученных задач в микроэкономике. Конечно, начинать ее слишком рано не выгодно.

              К сожалению для владельцев предприятия, встречается ситуация, когда технология производства развивается так быстро, что вложенный в завод капитал еще не окупился, но новая технология производства позволяет конкуренту построить завод с на порядок меньшими издержками на единицу продукции. Мне кажется, что с индустрией 4.0 может быть этот самый случай. Будет много банкротств в странах с устаревшим производством и экономия на ФОТ. Но эффект в целом не экономику будет положительным.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

Самое читаемое Разработка