TSN e 5G, le connessioni dell’industria di domani viste da Siemens

La crescente digitalizzazione dei processi produttivi richiede sempre più apertura, robustezza, determinismo e flessibilità nella comunicazione industriale. Solo una produzione che comunica e risponde con estrema agilità può garantire la produzione rapida e affidabile dei singoli prodotti, rispettando al contempo i tempi di consegna. Abbiamo parlato con Siemens di queste problematiche, e di come l’azienda vede le nuove soluzioni di networking e comunicazione in ambito IT e OT.

In particolare, abbiamo rivolto qualche domanda sul TSN e sul suo rapporto “operativo” con il 5G a Marcello Scalfi, Sales Specialist Industrial Communications Network and Security, e Niccolò Mario Spinola Ferrari Industrial Communication Product Manager, per capire meglio la posizione di Siemens su queste tecnologie solo in apparenza slegate fra loro.

Il Time Sensitive Networking

Se sulla carta siamo tutti d’accordo sulla necessità di digitalizzare la produzione nelle aziende, nella pratica c’è un dualismo di difficile superamento: mentre i sistemi di controllo industriali (OT) sono basati sulla comunicazione in tempo reale, anche se con dati “grezzi”, i sistemi IT si basano principalmente su un accesso e un’elaborazione più strutturata da compiere prevalentemente in differita, su dati “selezionati” e organizzati. Per questo motivo le aziende tipicamente gestiscono le due reti OT e IT separatamente, applicando diverse metodologie e coinvolgendo persone diverse.

Cosa rappresenta il TSN per Siemens?

Di fronte alla crescente digitalizzazione, questo approccio di una doppia infrastruttura separata mostra sempre più frequentemente i suoi limiti. Una soluzione ideale dovrebbe prevedere la sua sostituzione con una rete aperta, end-to-end, che consenta una produzione flessibile e deterministica a tutti i livelli (IT e OT). La risposta a questa esigenza è in dirittura d’arrivo e si chiama TSN (Time-Sensitive Networking). Si tratta di un’estensione formalizzata nell’ambito di Ethernet standard, che permetterà di garantire sulla rete servizi a valore aggiunto. Va specificato che TSN comprende una serie di standard che riguardano esclusivamente il livello 2 di comunicazione OSI. In altre parole, ciò significa che l’interfaccia utente, le applicazioni, rimarranno invariate anche sotto TSN.

A chi serve e perché?

Che si parli di industria automobilistica e meccanica o di industria alimentare e delle bevande, TSN offre vantaggi decisivi per la produzione industriale, tra cui possibilità di riservare larghezza di banda, meccanismi di Quality of Service (QoS), bassa latenza e trasmissione parallela di protocolli multipli – anche in tempo reale e senza ricorrere a estensioni proprietarie dello standard come si era costretti a fare con Ethernet. Siemens è in prima linea nell’implementazione di soluzioni basate su TSN, per contribuire a plasmare la trasformazione digitale delle reti industriali – dal livello di campo e di comunicazione (Profinet) alla comunicazione tra macchine (M2M), e ancora fino al livello di controllo e di operatore tramite OPC UA. OPC Unified Architecture (OPC UA) è lo standard per lo scambio di dati per una comunicazione industriale sicura, affidabile, indipendente dal produttore e dalla piattaforma. Perfettamente adatto per lo scambio di dati tra diversi sistemi operativi e tra applicazioni di diversi produttori di componenti di automazione, OPC UA è particolarmente adatto per la comunicazione verticale.

Perché Ethernet con TSN sarà così importante?

Perché non sarà più necessario avere componenti Ethernet “dedicati” e proprietari per una comunicazione deterministica nell’industria. Per gli utilizzatori industriali, questo sarà un enorme vantaggio: sulla stessa rete, con componenti Ethernet standard, potranno viaggiare protocolli differenti, e per i dispositivi time-critical il dato avrà sempre la priorità e arriverà per tempo, in modo garantito.

Quali sono i pilastri di TSN?

Ci sono alcuni punti fondamentali che reggono lo standard.

  • Scheduling e Shaping del traffico – Tutti i dispositivi di un dominio TSN devono sottostare alle medesime regole di inoltro e trasmissione dei pacchetti;
  • Riferimento temporale unico – Tutti i dispositivi in un dominio TSN richiedono un riferimento temporale unico e preciso.
  • Impostazione e preservazione dei percorsi di comunicazione – Tutti i dispositivi in un dominio TSN rispettano le stesse regole per riservare le risorse e i percorsi di comunicazione.

Vediamoli più in dettaglio dal punto di vista tecnico, partendo dall’ultimo citato.

Impostazione e preservazione dei percorsi di comunicazione – L’autorità di standardizzazione IEEE offre tre possibilità: un sistema centralizzato che coordini i dispositivi connessi alla rete TSN, oppure una concertazione che potrà essere realizzata direttamente sui dispositivi in campo, che negozieranno tra loro risorse e coordinamento; infine una soluzione a metà delle due precedenti. Siemens preferisce la seconda opzione, perché il modello centralizzato richiede un grande sforzo di riconfigurazione per ogni cambiamento nella rete. Con il secondo approccio, il sistema può configurarsi da solo e i nuovi dispositivi possono essere facilmente integrati. Per questo motivo lo chiamiamo una rete “plug- and-work”.

Riferimento temporale unico – Affinché tutto funzioni, tutti i dispositivi della rete devono avere lo stesso tempo di riferimento e questo riferimento deve essere estremamente preciso. Sono disponibili due protocolli di rete che pongono l’accento su una maggiore precisione temporale: IEEE1588v2 (Precision Time Protocol) e IEEE802.1AS-rev (Timing and Synchronization for Time-Sensitive Application)

Scheduling e Shaping del traffico – Il meccanismo prevede la trasmissione ciclica di dati su base stream predefiniti in base alla priorità e tipologia del servizio, che permetterà una latenza certa e garantita inferiore ad 1ms per il traffico ad altissima priorità. Il trasferimento dei dati sulla rete è diviso in un ciclo con differenti classi di traffico detti Stream Reservation Classes, dove un ciclo è lungo 1 ms. Queste classi di priorità sono 8: sono definite le Stream Reservation Classes CD-High (per i dispositivi sincronizzati), CD-Low (per i dispositivi non sincronizzati) e Best Effort (per i dispositivi che non appartengono al dominio TSN). Le code in uscita 4 e 5 sono utilizzate per l’High e Low. In ogni ciclo sono presenti la CD-High class (100 μs), la CD-Low class (100 μs) e la Best Effort class (800 μs con una Guard Band inclusa). Il Gating Cycle è perciò 1 ms. La latenza garantita è circa 900 μs. Questo metodo è  noto come Time Aware Scheduling (TAS).

Come verrà introdotto TSN da Siemens?

La strada è ancora lunga ma il paradigma previsto da Siemens prevede l’introduzione di TSN per comunicazione M2M tra macchine diverse e tra macchine e livelli superiori, prima con l’introduzione di OPC UA@TSN e successivamente, a livello di campo, con la specifica di Profinet@TSN, resa ora possibile dalla pubblicazione delle specifiche di TSN direttamente all’interno della release 2.4 di Profinet (pubblicazione avvenuta l’8 giugno 2019). Questa è espressa esplicitamente dalla nuova categoria di Conformance Class D per dispositivi Profinet.

Per quanto riguarda OPC UA@TSN i lavori sono in fase più avanzata: Siemens, pur ritenendo Profinet la soluzione ideale per la comunicazione a livello di campo, è socio fondatore dell’OPC-UA Foundation e partecipa attivamente allo sviluppo di casi d’uso come la comunicazione da controllore a controllore multi- vendor “realtime”, o la comunicazione “realtime” verticale verso livelli superiori.

In questo contesto i gruppi di lavoro congiunti tra i membri del PI e OPC F si stanno occupando della standardizzazione di temi quali la Safety over OPC UA, basata su meccanismi Profisafe per comunicazione da controllore a controllore, e la mappatura di Profinet nel modello informativo di OPC UA per la gestione, ad esempio, degli asset e della diagnostica.

Utilizzando il modello di comunicazione OPC UA abitualmente utilizzato nell’automazione, ovvero il modello Publisher-Subscriber, ogni publisher, in una rete TSN, manderà continuamente dati, in maniera deterministica. Questi dati saranno distribuiti ai subscriber nella rete TSN e la comunicazione sarà Molti-a-Molti. In questo contesto la comunicazione M2M diventerà real-time con OPC UA PubSub basato su TSN.

Inoltre Siemens partecipa attivamente anche allo sviluppo della cosiddetta “Field Level Communication Initiative” che prevede la possibilità di comunicazione in OPC UA fino al livello di campo basandosi su TSN. Tuttavia il protocollo, ad oggi, non è nativamente pronto per questo tipo di comunicazione e dovrà essere integrato a livello di standard. Prima di essere operativo occorreranno infatti diversi anni e pertanto Siemens punta nell’immediato all’uso di Profinet@TSN che oltre ad essere già pronto permette anche di migrare con facilità le applicazioni già esistenti verso la nuova tecnologia.

Verso l’adozione del 5G

Oltre al TSN, c’è un altro paradigma di networking che promette di rivoluzionare la comunicazione, e non solo in ambito industriale, visto che nasce per sostituire le attuali reti cellulari con un’infrastruttura caratterizzata da elevatissime larghezze di banda e basse latenze. Si tratta del 5G, che in Italia le telco hanno iniziato a installare nella sua declinazione “pubblica” già da qualche mese.

Che impatto avrà il 5G nell’industria secondo Siemens?

Il 5G, ovvero La quinta generazione della connettività mobile, si appresta a diventare un’autentica rivoluzione all’interno di diversi ambienti, fra cui anche quello industriale. Questo nuovo paradigma tecnologico si propone infatti di migliorare esponenzialmente le possibilità di comunicazione fra i dispositivi all’interno di una rete mobile, andando a lavorare principalmente su 3 aspetti chiave particolarmente importanti: Il primo è l’enhanced Mobile Broad Band (eMBB) che permetterà di incrementare ulteriormente la quantità di dati, ovvero la banda a disposizione degli utenti; il secondo aspetto riguarda la massive Machine Type Communicaton (mMTC) che dovrebbe permettere di interconnettere, in maniera efficiente, fino a un milione di dispositivi in un solo chilometro quadrato; infine il terzo aspetto, forse quello più importante, riguarda l’Ultra Reliable Low latency Communication (URLLC) che permetterà di assicurare una latenza garantita, ovvero il massimo intervallo di tempo in cui l’informazione giunge da un oggetto comunicante all’altro, nell’ordine dei millisecondi. Questi aspetti permettono di poter implementare Use Case di particolare interesse per il mondo industriale diventando la prima generazione di rete mobile che indirizza espressivamente le applicazioni industriali come mercato di interesse.

A che punto siamo nello sviluppo della tecnologia?

Sebbene la terminologia 5G sia legata a tantissime caratteristiche importanti, non tutte sono rilasciate allo stesso tempo. Alcune funzionalità preliminari sono già state rilasciate nel corso del 2018 e presentano la cosiddetta “fase 1” del 5G (release 15-3GPP). La maggior parte delle caratteristiche e applicazioni descritte sono, invece, ancora in fase di standardizzazione e verranno rilasciate nei prossimi mesi e ingegnerizzate successivamente nella cosiddetta “fase 2” (release 16-3GPP e release 17-3GPP) del 5G per vedere la luce gradualmente nei prossimi anni; presumibilmente proprio quelle che riguardano da vicino il panorama tecnologico industriale.

Quali saranno i vantaggi del 5G in ambito industriale?

Grazie alle caratteristiche del 5G sarà possibile implementare tutta una serie di nuove applicazioni anche in ambito industriale. Per esempio sarà possibile connettere il lavoratore alla fabbrica in maniera flessibile e veloce, anche con scenari di lavoro assistito e realtà aumentata. Grazie all’altissima densità di dispositivi sarà ancora più facile implementare scenari di Industrial Internet of Things (IIoT), per esempio collegando moltitudini di sensori all’interno di un processo industriale in un’area fisica molto limitata. In particolare, la bassissima latenza garantita permette di effettuare comunicazioni industriali in aria ad alta velocità e reattività, svincolando le macchine dall’idea di una posizione fissa e rendendole libere di essere mobili e autonome o essere spostate per lavorare secondo le necessità dell’impianto, formando quindi un concetto di “produzione flessibile”. Ne consegue che, grazie alla portata di queste innovazioni, tutti i settori dell’industria ne potranno sicuramente beneficiare in maniera importante.

Quali sono invece le criticità?

Il 5G permetterà di realizzare tutta una serie di nuove applicazioni, tuttavia dal punto di vista della gestione e anche della security ci sono delle criticità riguardanti la gestione in senso classico della rete da parte di un operatore telefonico. Infatti dal punto di vista della disponibilità e della manutenzione si rischia di rimanere vincolati alle esigenze del provider di riferimento; i dati trasportati inoltre permangono su rete pubblica anche quando non sarebbe strettamente necessario comportando problemi di privacy e security. Infine, non sempre questo tipo di reti – essendo general purpose – sarà in grado di fornire le massime prestazioni previste dallo standard. Da questo punto di vista, lo standard permetterà comunque la possibilità di implementare reti interamente private, gestite quindi per esempio dalla stessa proprietà dell’impianto industriale, sfruttando, dietro il pagamento di un canone, delle frequenze definite dagli stati per specifiche applicazioni. In Germania per esempio è già stata rilasciata una specifica frequenza che potrà essere usata per infrastrutture 5G private esclusivamente in ambito industriale. La conseguenza è la possibilità di implementare una rete wireless ad altissime prestazioni senza il pericolo di interferenze né delle criticità legate all’uso di una rete pubblica. Sebbene questa soluzione possa rappresentare la soluzione ideale dal punto di vista tecnico, vede chiaramente un aumento dei costi dovuto all’acquisto e gestione dell’intera infrastruttura. Inoltre dipenderà dai diversi Stati rilasciare e verificare le frequenze per uso industriale, che potrebbero adottare politiche diverse a seconda della zona geografica.

Come verrà introdotto il 5G da Siemens?

Siemens, nel breve periodo, introdurrà, a livello di reti industriali, sicuramente con le sue linee Scalance e Simatic la connettività basata su release 15 (fase 1 del 5G), non appena sarà consolidata a livello tecnologico. Tuttavia si guarda con molto più interesse alla fase 2, che conterrà le principali caratteristiche che interessano il mondo industriale. In questo senso, Siemens è intenzionata a proporre ai suoi clienti una soluzione completa su tutta una possibile infrastruttura privata, in modo da fornire una soluzione che si integri perfettamente con le esigenze del mondo Operational Technology – su cui conserviamo un know-how particolarmente importante. Il rilascio di tali prodotti avverrà comunque in maniera graduale nei prossimi anni in base alla divulgazione  delle specifiche standard e alle tempistiche per lo sviluppo dell’elettronica necessaria a sostenerli.

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