5G v reálném čase pro digitalizované továrny

5G komunikace v reálném čase a robustní technologie edge serverů přispívají k urychlení digitalizace průmyslu. Serveron- Modules vytvořený pro nový standard COM-HPC napomáhá tomuto trendu díky výjimečně odolnému provedení, které umožňuje jeho nasazení mimo klimatizovaná datová centra a dovoluje provoz v náročném prostředí výroby i pod širým nebem.

Cílem průmyslového internetu věcí (Industrial Internet of Things − IIoT) je vytvoření digitálního nervového systému, který propojí fyzické předměty, jako jsou výrobní zařízení, stroje a dopravní prostředky, s digitálním ovládáním, plánováním zdrojů a logistických procesů. Takový návrh umožňuje rychlý tok materiálu a produktů, který se přizpůsobuje aktuálním požadavkům, a zavedení just-in-time logistiky řízené v reálném čase. To vyžaduje, aby výrobní buňky, kolaborativní roboti a autonomní dopravní prostředky komunikovaly mezi sebou navzájem a nepřetržitě, zatímco senzory a vizualizační systémy musí zachytit všechna možná data, která jsou následně analyzována s pomocí real-time infrastruktury a edge serverů s umělou inteligencí. Výsledkem jsou rychlá automatizovaná rozhodnutí, která dále řídí výrobu, dopravu materiálu a prediktivní procesy údržby. Jakmile je jednou vytvořeno digitální dvojče skutečné továrny, je možné ovládat a optimalizovat její výkon a účinnost v reálném čase. Datové brýle zajistí kvalifikovaným pracovníkům podporu pomocí rozšířené reality, což dodá Průmyslu 4.0 vyšší pružnost, efektivitu a kvalitu výroby.

Obr. 1  Operátoři, kteří vybaví své 5G buňky Server-on-Modules, mohou škálovat výkon své 5G sítě a infrastruktury pro edge computing v souladu s požadavky specifickými pro danou aplikaci

5G ohlašuje novou dobu průmyslu

Aplikace Průmyslu 4.0 však potřebují ohromný tok dat, který na druhé straně vyžaduje extrémně výkonnou komunikační infrastrukturu. Tu není možné zcela zajistit s pomocí drátové infrastruktury. Proto může použití 5G sítí k propojení všech zařízení k IIoT v reálném čase výrazně zrychlit digitální transformaci průmyslu. 5G překlene delší vzdálenosti než WLAN a může být použit neomezeným počtem mobilních i stacionárních koncových zařízení současně, což zajistí plně zasíťovanou výrobu. Kromě extrémně krátké doby odezvy v řádu milisekund podporuje 5G technologie velmi výkonnou virtualizaci díky tzv. „network slicing“, které umožňuje souběžné operace nezávislých sítí použitím jediné fyzické infrastruktury sítě. V neposlední řadě 5G také zajišťuje nezbytnou infrastrukturu pro architektury založené na cloudu a provozované v reálném čase na edge serverech (známých také jako „fog servers“), a umožňuje tak komunikaci mezi univerzálními zařízeními.

Privátní lokální 5G sítě urychlují digitální transformaci

Jak potvrzuje nedávná studie od MarketsandMarkets, zájem průmyslu o privátní lokální 5G sítě v kmitočtovém spektru mezi 3,7 a 3,8 GHz enormně narůstá. Výhody jsou zřejmé: vzájemná kompatibilita různých mobilních komunikačních standardů nabízí vysokou ochranu investic a umožňuje dlouhodobé plánování. Fakt, že firmy nejsou závislé na poskytovateli telekomunikačních služeb, je velkou výhodou zejména v situacích, kdy potřebují své sítě rozšířit. Mohou to udělat tak, jak potřebují, a navíc mají v síti pouze svůj vlastní provoz. Proto je výhodnější mít vlastní infrastrukturu než se spoléhat na veřejnou mobilní síť.

Kmitočtové pásmo 700 MHz pro veřejné stacionární stanice umožňuje s 5G buňkami dosah kolem 15 až 20 km, což je dostatečné pro pokrytí areálu velkých továren, jaký má například jeden z největších německých výrobců automobilů ve Wolfsburgu. Přenos dat v rozsahu 100 až 200 MB/s, kterého lze dosáhnout, je ovšem daleko méně, než je potřeba pro inovativní aplikace Průmyslu 4.0 v digitální výrobě. Oproti tomu privátní lokální 5G sítě zajistí 100 až 200 Mbit/s při nahrávání a 200 až 1000 Mbit/s při stahování dat pro každou buňku, zatímco dosah 5G mikrobuněk je omezen přibližně na 300 metrů, případně až 3 kilometry při přímém dohledu. Plné pokrytí rozsáhlých průmyslových areálů proto vyžaduje velký počet těchto malých buněk (tzv. femtocells). Malé a kompaktní, jsou velikostí podobné 15palcovému laptopu (small cell) nebo malému tabletu (femtocell) bez integrované technologie edge server. Čím více je takových buněk nasazeno, tím je větší celková dostupná šířka pásma. Kromě toho může být rozsah buňky rozšířen pomocí levných opakovačů, což umožní nastavit potřebný výkon a šířku pásma.

Obr. 2  Podpora TSN přes 5G umožňuje provozovat vícenásobné real-time aplikace na jedné platformě serveru, která hostuje centrální logiku PLC

Robustní edge server pro 5G

Když je robustní technika edge serverů s RAN (Radio Access Network) infrastrukturou 5G mikrobuněk připojená přímo, nebo dokonce plně integrována, lze pracovat v reálném čase s nejmenší dobou zpoždění přenosu dat. Funkce edge serveru a Virtual Network Functions (VNF) mohou být potom zajištěny na jedné hardwarové platformě, například v centralizované jednotce (CU) 5G přes Network Function Virtualization (NFV). Nicméně protože se požadavky na edge server pro 5G mohou u jednotlivých aplikací lišit, efektivním prostředkem pro přizpůsobivé škálování možností výkonu je modulové uspořádání serveru čili Server-on-Modules. Server-on- Modules založený na novém standardu PICMG COM-HPC zajišťuje výkonové úrovně, které nebyly dříve dosažitelné pro nasazení v náročném prostředí, ať už se jedná o průmyslové, či venkovní použití. Moduly COM-HPC, například s procesory Intel Xeon D, zajistí až 20 jader, 1 TB RAM v 8 DRAM paměťových slotech, velkou šířku pásma s 32 přenosovými linkami PCIe Gen 4 a rychlostí až 100 GbE. Bylo by potřeba pouze pěti takových modulů k sestavení první základní lokální sítě s páteřními servery (backhaul packet core servers), stejně jako s midhaul CU a DU servery. Dříve by to vyžadovalo systém a klimatizaci stojanu, čímž by v průmyslovém prostředí bylo umístění serveru poblíž stroje nemožné. Na druhé straně jsou dnešní nové moduly COM-HPC navrženy pro práci v teplotním rozsahu od –40 °C do +85 °C, což eliminuje jakoukoli potřebu komplexní techniky pro ohřev a klimatizaci náročné na zdroje. Navíc jejich procesory v provedení BGA zajišťují optimální ochranu proti otřesům a vibracím. Umí se vypořádat s drsnými pracovními podmínkami, nemůže je ohrozit ani prach a kondenzovaná voda, kolísání napětí či elektromagnetická interference.

Jinou důležitou výhodou nových modulů COM-HPC procesoru je nativní integrace TSN (Time-Sensitive Networking). Ta dovoluje typizovanou výměnu dat v reálném čase a end-to-end transparentní komunikaci senzoru do cloudu – například použitím otevřeného real-time komunikačního protokolu OPC UA. Pochopitelně že to také vyžaduje náležitou podporu uvnitř páteřní logiky 5G. Pracovní skupina ZVEI (the 5G Alliance for Connected Industries and Automation − 5GACIA) vyvíjí v současné době odpovídající specifikace pro zabezpečení sítě, kvalitu služeb (Quality of Services − QoS) a integraci TSN. Konečným cílem je izochronní jitter-free přenos dat v reálném čase se zafixovanými komunikačními cykly a vzájemnou synchronizací v rozmezí 100 μs až 2 ms.

Obr. 3  Uživatelské základní desky mohou být dokonce určeny pro rozmístění 5G buněk na sloupech osvětlení ve výrobních areálech

Obr. 4  S 20 jádry je dostatek výkonu k hostování širokého rozsahu 5G NVFs a real-time průmyslových aplikací

Nativní virtualizace na cloudu pro deterministické aplikace

Když jsou různě umístěné stroje připojeny na centrální edge servery přes 5G, mohou být služby pro balancování serverů a konsolidaci použity k mnohonásobným real-time aplikacím zcela nezávisle a paralelně na jedné platformě edge serveru. Aby se tak stalo, platforma musí podporovat možnost virtualizace v reálném čase. Real-time hypervizor od Real-Time Systems, který přiděluje zdroje daného hardwaru jednotlivým procesům nebo virtuálním strojům s ohledem na zajištění deterministického chování, nabízí pro tuto úlohu vhodné řešení. Moduly Server-on-Modules od congatecu také podporují takovou virtualizaci serveru, když zajišťují vývojářům aplikací a systémovým integrátorům technologické základy pro zřízení centralizovaných kolokačních služeb v reálném čase pro automatizaci podniků, řízení procesů nebo chytré logistiky na jednom serveru. Pokud lokální 5G sítě podporují také „network slicing“ se zaručenou šířkou pásma, mohou být tyto virtuální 5G sub-networks také použity pro připojení rozptýlených zařízení 5G v reálném čase.

V budoucnu bude specifikace modulu COM-HPC rozšířena, aby zahrnovala funkční zabezpečení. Potom mohou být moduly také použity pro centrální řízení kolaborativních robotů ve výrobě nebo autonomních intralogistických dopravních prostředků. Pro operátory výroby tak bude jednodušší splňovat bezpečnostní požadavky a rychleji implementovat bezpečnostní standardy SIL/ASIL.

Obr. 5  Moduly COM-HPC Server Size E (conga-HPC/sILH) jsou dostupné v 5 různých variantách procesoru Intel Xeon D 27xx HCC s volbou od 4 do 20 jader. 8 paměťových slotů DIMM usadí až 1 TB paměti DDR4 2933 MT/s s ECC. Interface zahrnuje 32x PCIe Gen 4 a 16x PCIe Gen 3 plus přenos 100 GbE a 2,5 Gbps real-time ethernet s TSN a podporou TCC. Výkon procesoru se pohybuje od 65 do 118 W

Stvořeny pro sebe navzájem: COM-HPC Server-on-Modules pro mikrobuňky 5G

COM-HPC Server-on-Modules otevírá zcela nové perspektivy pro digitální transformaci ve výrobě a nastavuje nové standardy v návrhu edge serveru. Pochopitelně je vybaven vlastnostmi velmi kvalitních serverů:

Tak například v případě určitého úkolu a provedení s kritickým zabezpečením jsou dodávány s výkonnými zabezpečovacími prvky, jako jsou Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption − Multi-Tenant (Intel TME-MT) a Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Funkce pro vzdálenou správu hardwaru, jako jsou IPMI a Redfish, jsou podporovány komplexními funkcemi RAS (Remote Application Server). Je tam dokonce i specifikace PICMG k zajištění provozuschopnosti takových implementací. Congatec dále nabízí komplexní služby pro individuální vývoj systémů a implementací podle potřeb zákazníka – od školení návrhu COM-HPC až po osobní podporu integrace a testování základních desek navržených podle specifikace zákazníka.

Obr. 6  Nové moduly COM-HPC Server Size D, stejně jako zavedené moduly COM Express Type 7 jsou dodávané s 5 různými procesory Intel Xeon D 17xx LCC s volbou od 4 do 10 jader. Zatímco conga-B7Xl COM Express Server-on-Modules podporuje až 128 GB DDR4 2666 MT/s RAM prostřednictvím až 4 paměťových slotů SODIMM, modul conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D nabízí 4 DIMM sloty pro až 256 GB DDR4 2933 MT/s nebo 128 GB s ECC UDIMM RAM. Obě skupiny modulů nabízejí 16x PCIe Gen 4 a 16x PCIe Gen 3 přenosových linek. Pro rychlou síť nabízejí přenos až 50 GbE a podporu TSN TCC prostřednictvím 2,5Gbps ethernetu s výkonem procesoru 40 až 67 W

www.congatec.com