Wraz ze wzrostem liczby wbudowanych rdzeni procesorów można uzyskać oszczędności, zmniejszając liczbę stosowanych systemów wbudowanych do pojedynczej platformy z przetwarzaniem brzegowym (edge computing), która jest odpowiedzialna za obsługę wszystkich zadań. Taka integracja systemu i konsolidacja obciążeń wymaga optymalnego zbalansowania wykorzystania rdzeni obliczeniowych oraz maszyn wirtualnych. Wykorzystanie rozwiązania Computer-on-Modules w połączeniu z maszynami wirtualnymi pracującymi w czasie rzeczywistym sprawia, że zadania te stają się wyjątkowo łatwe.

— artykuł firmowy —

W miarę tego, jak świat staje się coraz bardziej cyfrowy i połączony, oczekuje się, że systemy wbudowane w urządzenia, maszyny, roboty pociągi, autobusy, pojazdy użytkowe czy maszyny budowlane i rolnicze będą obsługiwały coraz więcej zadań. W rezultacie niegdyś zamknięte komputery zamieniają się w kompleksowe układy obliczeniowe i jednocześnie bramy komunikacyjne. Podczas gdy w przeszłości ich jedyną rolą było sterowanie konkretną aplikacją, obecnie stają się coraz bardziej interaktywne i wielowarstwowe. Mogą automatycznie odbierać i przetwarzać zadania, współpracują z ludźmi, rozpoznają i analizują obiekty wokół nich. Pozwalają na samodzielne znajdywanie drogi, zapewniają komunikację, wysyłanie raportów i stała optymalizację – a do tego są symulowane z wykorzystaniem cyfrowych bliźniaków. Dodatkowo takie układy mogą otrzymywać aktualizacje funkcji i poprawki zabezpieczeń, wywoływać procesy serwisowe, zezwalać na zdalne włączanie i wyłączanie funkcji.

Do powyższego dochodzi możliwość monitorowania aktywów w ramach ekonomii współdzielenia. Rozwiązania wbudowane muszą być dokładnie i odporne na niepożądane manipulacje, co ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego rozliczania płatności za użycie. Analizowana jest również cała komunikacja, w tym konieczne jest identyfikowanie anomalii i bezpiecznie zarządzanie domenami komunikacyjnymi. Dodatkowo dochodzi potrzeba zapobiegania naruszeniom własności intelektualnej, w tym w szczególności jej kradzieży. Wszystkie te zagadnienia są dzisiaj bardzo istotne dla producentów OEM!

Nowoczesne rozwiązania IT dla przemysłu

W nowoczesnych rozwiązaniach obliczeniowych stosuje się najczęściej implementację poszczególnych funkcji enkapsulowanych w kontenerach znajdujących się ponad systemem operacyjnym hosta, tak aby dostęp do tych funkcji był jasno zdefiniowany. Jednak w przypadku różnych zastosowań branżowych, w których system czasu rzeczywistego musi działać równolegle z wykonywaniem innych zadań i komunikacją, które nie są krytyczne (nie odbywają się w czasie rzeczywistym), rozwiązanie to jest niewystarczające.

Systemy są coraz częściej łączone za pośrednictwem sieci Time Sensitive Networking lub TSN over 10BaseT1L – nawet do podłączenia zdecentralizowanego czujnika lub siłownika, co jest rozwiązaniem prowadzącym do standaryzacji i bezproblemowej komunikacji. Sieci pracujące w czasie rzeczywistym i bazujące na protokole IP są szczególnie atrakcyjne dla dużych zakładów przemysłowych – dotyczy to zwłaszcza przemysłu procesowego, ponieważ drugi przewód dla komunikacji ethernetowej może służyć do adresowania urządzeń oddalonych nie tylko o dziesiątki metrów, ale nawet o kilometry. W ten sposób dosłownie wszystko może być połączone z wykorzystaniem protokołu IP i może komunikować się bez przeszkód w czasie rzeczywistym. Dane z tych urządzeń są następnie również dostępne dla serwerów brzegowych IIoT i mogą na przykład zostać udostępnione w odpowiednich kontenerach do analizy Big Data.

Użytkownicy nie chcą już przechowywać wszystkiego w chmurach centralnych – obecnie wiele analiz przeprowadzanych jest lokalnie. To samo dotyczy większości wspomnianych wcześniej funkcji pojawiających się wraz z digitalizacją i sieciami. Jest tutaj tylko jeden wyjątek: za pomocą tych kontenerów nie można zarządzać aplikacjami wymagającymi twardego, deterministycznego czasu rzeczywistego, a więc takimi, które nie mogą być wstrzymywane przez inne procesy obliczeniowe. Wymaga to stosowania technologii hiperwizora (hiperzarządcy) działającej w czasie rzeczywistym, takiej jak np. RTS firmy Real-Time Systems. congatec oferuje to rozwiązanie jako standardową, sprawdzoną funkcjonalność w swoich modułach CoM (Computer-on-Modules).

Wraz z udostępnieniem większej liczby rdzeni można obniżyć koszty, zmniejszając liczbę rozproszonych systemów wbudowanych do jednej platformy przetwarzania brzegowego

W przypadku omawianych systemów szczególnie atrakcyjnym rozwiązaniem są procesory wielordzeniowe, bowiem wiele rdzeni pozwala na tworzenie wielu konfiguracji. Teoretycznie każdy rdzeń może obsługiwać własną maszynę wirtualną, której system operacyjny może uruchamiać się niezależnie od innych. Procesory AMD Ryzen Embedded V2000 znajdujące się w modułach COM Express Type 6 firmy congatec mają do ośmiu rdzeni do niezależnej pracy równoległej 16 wątków. W zasadzie omawiane podejście działa również w przypadku systemów dwurdzeniowych. Opierając projekt na modułach COM, możliwe jest skalowanie liczby rdzeni w miarę potrzeb konsolidacji oraz optymalne zbalansowanie systemu poprzez prostą wymianę modułu.

Zestaw pozwalający na konsolidację obciążenia w czasie rzeczywistym

Aby maksymalnie uprościć programistom rozpoczęcie pracy z modułowymi urządzeniami brzegowymi, congatec połączył siły z firmami Intel i Real-Time Systems, tworząc zestaw programistyczny do konsolidacji obciążenia. Ten certyfikowany przez Intela zestaw jest dostosowany m.in. do nowej generacji współpracujących robotów z systemami wizyjnymi, systemów sterowania, a także autonomicznych pojazdów, które wykonują wiele zadań jednocześnie. Platforma bazuje na module congatec COM Express Type 6 z procesorem Intel Xeon E2, który integruje trzy maszyny wirtualne. Umożliwia to uruchamianie systemu (reboot) bez wpływu na aplikacje czasu rzeczywistego działające na innej maszynie wirtualnej. Nie ma sposobu, aby zrobić coś podobnego z hiperwizorem lub kontenerem w systemie Windows!

Firma congatec oferuje zestaw startowy do konsolidacji obciążenia w czasie rzeczywistym, który obejmuje moduł COM Express Type 6 oparty na procesorze Intel Xeon E2 oraz hiperwizor RTS od Real-Time Systems

Sieci z TSN

 Omawiane rozwiązanie wspiera również technologię Time Sensitive Networking (TSN), która pozwala na pracę w systemach komunikacyjnych z sieciami 5G oraz 10+ GbE, a więc wymagającymi przetwarzania danych w czasie rzeczywistym. Technologia TSN jest zgodna z wieloma standardami, takimi jak Time Aware Shaping (TAS), wirtualnymi sieciami LAN over Ethernet (IEEE 802.1q) oraz synchronizacją w czasie rzeczywistym za pośrednictwem protokołu Precision Time Protocol (PTP). Zapewnia on synchronizację pomiędzy węzłami z wykorzystaniem czasu zdefiniowanego przez urządzenie nadrzędne master. Zegar każdego urządzenia podrzędnego obsługuje bardzo precyzyjną synchronizację w dwucyfrowym zakresie dokładności nanosekund, a pakiety ze znacznikiem czasu są wysyłane na podstawie tych zegarów. Umożliwia to sieciom PTP synchronizację z taką samą dokładnością.

Rozwiązanie z konsolidacją obciążenia jest interesujące w przypadku komórek produkcyjnych z kilkoma zdecentralizowanymi sterownikami robotów

W przypadku korzystania z interfejsu 1219 Intel Ethernet nie jest potrzebny żaden dodatkowy dedykowany sprzęt ani aplikacja własnościowa, ponieważ synchronizacja zegara może być zaimplementowana całkowicie w oparciu o ten standardowy składnik systemu. Zestaw do konsolidacji obciążenia w czasie rzeczywistym jest dostępny bezpośrednio w firmie congatec lub na rynku Intel.

Zeljko Loncaric

www.congatec.com