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La revolución industrial

Redes industriales en el contexto de la cuarta revolución industrial

agosto 12, 2020

Primero, una pequeña digresión histórica sobre lo que se anunció el año pasado la cuarta revolución industrial .

  • El surgimiento de la industria. La primera revolución industrial ocurrió a principios del siglo XIX y se asoció con un cambio masivo del uso de la fuerza muscular a la potencia de una máquina de vapor. Tecnologías clave: motor de vapor, fábrica. Surgió la posibilidad de la producción en masa, pero sus productos eran caros.
  • Producción en masa. La segunda revolución ocurrió a principios del siglo XX y anunció el comienzo de la producción en masa barata. Las tecnologías clave son el transportador y el taylorismo . Los productos producidos en masa han bajado de precio en un orden de magnitud.
  • Automatización. La tercera revolución industrial tuvo lugar en la década de 1980. Las máquinas CNC y los robots han dejado prácticamente desiertas las fábricas modernas. (La subcontratación de mano de obra a países en desarrollo ha suavizado esta tendencia.) Los productos producidos en masa han bajado de precio en un orden de magnitud (se ha vuelto más barato desechar que reparar).
  • Descentralización. La revolución de cuatro puntos cero está sucediendo ahora. La tecnología clave es la convergencia de la industria y la TI, las impresoras 3D. Es posible producir un lote pequeño o un producto único a un precio cercano al costo del mismo en un lote grande.

Esta es una visión alemana de las cuatro fases del desarrollo industrial. También está el americano , que no comparte la tercera y cuarta fase.

Creo que escribí demasiadas frases generales y muy poco hardcore técnico en la introducción. Arreglaré esto debajo del corte, describiendo algunos detalles técnicos sobre las redes industriales y los productos Intel relacionados con ellas (+ una imagen más con un robot).

Para mí, personalmente, la cuestión principal de la cuarta revolución industrial es ¿ quién colecciona a quién, una ballena o un elefante? si la industria repetirá la conocida historia en la industria de TI con mainframes-> mini computadoras-> PC o no. Dejame explicar. Dado que la convergencia de las tecnologías de la información y la industria es un asunto resuelto, la pregunta sigue siendo, ¿en qué términos se llevará a cabo? Los gigantes de la industria: Siemens, Rockwell, Mitsubishi, ABB, Schneider, etc., parecen comprender bien la tendencia y están implementando completamente tecnologías de TI, lo que les permite cumplir las promesas de la revolución industrial 4.0 para reducir radicalmente el costo de producción a pequeña escala. Sin embargo, existe competencia de TI en forma de impresoras 3D y nuevas empresas , que prometen una importante reducción en el costo de los robots industriales. Una nueva cerveza casera va a alguna parteclub de la industria informática , donde los jóvenes piratas informáticos se preparan para luchar contra sus homólogos industriales IBM y DEC. ¿En quién apostarías?

Anteriormente, repetí el mantra: “las tecnologías de TI llegan a la industria y reducen radicalmente el costo de producción”. Para no ser infundado, sería necesario enumerar qué tecnologías. Veo tres elementos principales.
1. Usar dispositivos de control basados ​​en procesadores / chipsets de uso general, ligeramente modificados para cumplir con los requisitos industriales (confiabilidad, tiempo real, temperatura, sin ventilador, etc.). Ya he escrito sobre esta tendencia aquí .
2. Utilizar la infraestructura de la red informática para la comunicación de sensores, actuadores, robots, máquinas automáticas con elementos de control. De esto se trata la publicación de hoy.
3. Los dos puntos anteriores significan automáticamente la necesidad de utilizar en los productos de TI industriales enfoques de programación, administración de sistemas y seguridad de la información. ¡El campo no está arado aquí! (Por cierto, ¿es necesario un post en Habré sobre las características de la programación de máquinas y robots CNC, y cómo las tecnologías de programación a las que estamos acostumbrados en TI ya están entrando en esta área?)

El caso económico del uso de TI en la industria es muy simple. Miles de millones de usuarios de computadoras portátiles y personales ya han pagado por I + D y la producción en masa de tecnologías relacionadas. ¿Por qué no usarlo, por ejemplo, de la misma manera que se usa en HPC? (Los procesadores de la mayoría de las supercomputadoras se fabrican en una fábrica de miles de millones de dólares, cargados principalmente con procesadores de portátiles. La microarquitectura de los núcleos Xeon EP y Core i3 es la misma).

Entonces, más sobre redes industriales ( Filedbus ). Durante la tercera revolución industrial, se crearon muchos estándares de Fieldbus: Profibus, Modbus, Sercos, etc., etc. Todos utilizan phy especializadoy, como resultado, los proveedores tuvieron que desarrollar y mantener hardware especial (ASIC o FPGA) y leña especial, y usuarios para estirar cables no estándar y usar conectores exóticos.

TI tuvo una vez un zoológico de redes similar (¿recuerdan Token Ring, Apple Net, ARCNET, Ethernet sobre coaxial?). Al final, Ethernet sobre par trenzado y TCP / IP ganaron. En la industria con la base de la convergencia a nivel phy, tampoco hay más preguntas. Está claro que el futuro de las redes industriales está en los protocolos basados ​​en Ethernet sobre cables convencionales de par trenzado : Profinet , Ethercat , Sercos III y EtherNet / IP… De hecho, el número de tipos de redes industriales basadas en Ethernet es algo mayor. Por ejemplo, incluso existe un estándar nacional coreano. Pero los dados arriba son los más comunes, y por eso en esta revisión me limitaré a ellos.

Todos ellos pueden usar la infraestructura de cableado y redes probada por años de uso en la industria de TI. Se pueden depurar con Wireshark, no con un osciloscopio como los viejos buses de campo. Cada estándar tiene una gran madre (Profinet – Siemens, Ethercat – Beckhoff, Ethernet / IP – Rockwell, Sercos III – Bosch) y un consorcio de empresas que lo promueven. Sin embargo, el equipo de cada uno de los principales fabricantes es compatible no sólo con su estándar de red industrial “favorito”, sino con la mayoría de los demás. Por lo tanto, el mercado tiene una gran variedad de opciones para puentes entre estas cadenas. Esta fragmentación no es muy alentadora, y existe la sospecha de que en unos años se mantendrán 1-2 estándares básicos. Puede hacer adivinación anticientífica y anotar una tableta comparando las características de los protocolos más comunes.

ProtocoloDispositivos en un segmentoCiclo mínimoCompatibilidad con internetTopología
Ethercat6553612,5Realmente noanillos arbitrarios pero lógicos
Profinetdofiga31.25usbuenoarbitrario
Sercos III51131.25usbuenoanillo, línea
Ethernet / IPdofiga~ 1 msel mejorarbitrario

He simplificado algunos puntos, pero en general algo así. Sería interesante adivinar qué estándar ganará al final. (Suponiendo, por supuesto, que solo queda uno al final).

Evalué el nivel de compatibilidad de Internet por el grado de soporte de los protocolos de red TCP / IP. Cada uno de los paquetes Ethercat, Profinet y Sercos III se transmiten en tramas Ethernet y tienen su propio Ethertype (como IP o ARP). Ethernet / IP, por el contrario, usa IP, excepto en el caso de la topología en anillo, entonces también usa su ethertype. Por lo tanto, Ethernet / IP es el más orientado a TI de los muchos estándares de Ethernet industrial. Esta es su característica principal, pero también su principal inconveniente: es difícil proporcionar tiempo real con ciclos rápidos. Luego están Profinet y Sercos III, en los que, por diseño, el tráfico de Internet viaja por los mismos cables, en un momento en que no están ocupados transmitiendo datos críticos. Por ejemplo, en la red profinet, puede usar IP, UDP, TCP, distribuir direcciones a través de DHCP (o usar su hermano menor –DCP ).

El más distante de TI es Ethercat, pero es potencialmente el más rápido. Las redes Ethercat, Profinet y Sercos III se diferencian en que tienen dos clases de dispositivos: maestro y esclavo (controlador y dispositivo). El maestro se puede implementar en una tarjeta de red normal, mientras que la tarjeta esclava funciona un poco más complicada. Debe leer el paquete entrante “sobre la marcha”, insertar sus datos en él y enviarlo más allá (o de regreso, si está al final de la línea Ethercat). Resulta que implementa un MAC parecido a un token ring.

He simplificado un poco al describir cómo las redes industriales pueden aprovechar la infraestructura de red. Por supuesto, los cables y conectores funcionarán, como algunos interruptores (sin embargo, son posibles matices con ellos). Pero las tarjetas de red comunes y, lo que es más importante, sus controladores con ciclos deterministas de decenas de microsegundos no están adaptados para funcionar. ¿Cuáles son los requisitos habituales en números? Es necesario poder conectar muchos dispositivos en un segmento de red, intercambiando pequeños paquetes de datos (desde unidades hasta cientos de bytes) con una frecuencia de hasta decenas de kilohercios, y con entrega de datos garantizada a tiempo en cada ciclo. Una frecuencia máxima de 30 kilohercios significa un ciclo mínimo de 33 microsegundos. Por tanto, los estándares Profinet IRT y SERCOS III definen el ciclo mínimo en 31,25 microsegundos. La transferencia de cientos de bytes en cada ciclo es de hasta 25 megabits por segundo por dispositivo. Las redes industriales todavía funcionan bien en 100BASE-TX. La transición a 1 gigabit apenas está comenzando, y principalmente por razones de reducción de latencia (el ancho de la “tubería”, como he mostrado, es suficiente para cien megabits).

Todos los proveedores tienen tarjetas especiales con un transceptor phy Ethernet ordinario y una cubierta especial para la implementación de las capas superiores de la pila de red correspondiente. También existen diversos grados de pago por el firmware con la implementación de estas redes para FPGA Xilinx y Altera. Todo el mundo sabe que, además de procesadores y conjuntos de chips, Intel produce tarjetas de red. Recientemente se lanzó la tarjeta I210 (Springville), que implementa algunas de las características que permiten implementar en su base un adaptador de bus de campo con un ciclo rápido.

¿Qué hace que Intel I210 sea especialmente adecuado para implementar redes industriales basadas en Ethernet phy? Tiene su propio temporizador RT, disponible para lectura y escritura, y le permite generar interrupciones. Esto hizo posible implementar en hardware
Sincronización IEEE 1588 / 802.1AS, que se incluye en los protocolos Profinet y Sercos III. También permite la transmisión de tramas con temporizador, lo que es útil para cualquier implementación de protocolo de bus de campo. Se pueden usar 4 colas independientes para transmisión y 4 para recepción para separar el tráfico en tiempo real y no en tiempo real o para operar varias máquinas virtuales (con VMDq).

Este compañero de hierro, que colecciona los cubos de Rubik, lo fotografié en la exposición Intel en Embedded World 2013 hace dos meses. Se controla desde la placa base en segundo plano, a través de la red Profinet, el adaptador de red Intel I210 y la pila Profinet IRT de KW-Software.

Ojalá les di el impuesto con detalles técnicos a los piratas informáticos, y ahora se me permitirá concluir el post con un par de frases generales. Nosotros, en la industria de TI, estamos acostumbrados a las exageraciones: la aparición anual de una nueva tecnología que debería cambiar el mundo (nube, web 2.0, etc.) La industria también tiene su propia exageración: Internet de las cosas, M2M, etc. Pero creo que la cuarta revolución industrial tiene bases técnicas y económicas específicas. Y puedes participar en él. En los años 70 y 2010 hubo una maldición parental tan generalizada: si estudias mal, vas a una escuela vocacional y luego a una fábrica. ¡Pero ahora parece que el trabajo en una fábrica podría volver a ser sexy! (Cierto, las fábricas no serán las mismas)

Además de la experiencia laboral directa (desafortunadamente, Ethernet / IP no es muy común en Europa, así que nunca lo encontré y tomé datos de Wikipedia), la publicación usó datos de dos artículos académicos:
1. “Análisis de tiempo de ciclo mínimo de Ethernet- Protocolos en tiempo real basados ​​en “
2.” Guerra de buses de campo: ¿Historia o breve descanso entre batallas? “

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