Betrouwbare netwerken voor industrie 4.0

Opsporen sporadische, niet-reproduceerbare evenementen

De weg van planning tot levering van een machine is veelal heel lang. Ondanks alle kwaliteitsborging en uitgebreide interne testen, start na de productie van de machine voor de ontwikkelaar een spannende tijd met de inbedrijfstelling. Steeds vaker gebeurt het namelijk dat een machine die perfect in-house werkte, op de standplaats honderden kilometers verderop, last heeft van niet reproduceerbare gebeurtenissen. De ontwerper mag deze vervolgens op afstand proberen op te lossen. Zonder een duidelijke beschrijving van het probleem is het echter onmogelijk om de oorzaken te achterhalen. Op dat moment is er een servicemonteur ter plekke nodig die alle soorten problemen kan elimineren. Normale experts zijn tegenwoordig moeilijk te vinden, laat staan een gespecialiseerde alleskunner die vervolgens ook nog enkele honderden kilometers ver weg zijn werk moet doen.

Met Industrie 4.0 stijgt de op Ethernet gebaseerde communicatie ook in de industriële sector en daarmee het ontstaan van van sporadische, niet-reproduceerbare gebeurtenissen die ontwerpers zoveel hoofdpijn bezorgen. Anders dan in het verleden bij veldbussen, waar al het verkeer cyclisch en via een PLC loopt, komt in Ethernet gebaseerde netwerken, naast cyclisch dataverkeer nog tal van acyclische dataverkeer voor. We hebben het dan over data van bijvoorbeeld bewakingscamera’s, printers, energiebeheer, etc. De netwerkstructuur is hier vaak veel complexer omdat de grote charme van Ethernet het feit is dat apparaten relatief eenvoudig aangesloten kunnen worden op een bestaand netwerk. Het netwerk is kortweg gescheiden van de applicatie. Dat wil zeggen dat de situatie anders is dan voorheen waarbij er een PROFINET-netwerk gepland werd voor een PLC met PROFINET.
Tegenwoordig worden er steeds meer netwerken gemaakt, waarin verschillende tijdgevoelige applicaties samen met TCP/UDP-IP draaien en strijden om de krappe bandbreedte. Het zoeken naar oorzaken van storingen wordt door deze huidige netwerkopbouw steeds complexer. Voor de ontwerper is dit verre van eenvoudig: hij moet een machine bouwen zonder te weten met welke andere toepassingen hij later in het communicatienetwerk zal concurreren. Naast de toepassingen zelf zijn het de interactie, de programmatuur en elektromagnetische storingen die ook de oorzaak kunnen zijn van storingen van de machine. Kwaliteitsmaatregelen door de ontwerper voor het goed laten functioneren in eigen huis zijn daarom niet tevergeefs, maar slechts een klein deel van het complexe probleem.

Verkeersopstopping op de informatiesnelweg
Het communicatienetwerk is te vergelijken met een snelweg. Deze heeft te maken met een basisbelasting van voertuigen (cyclisch verkeer) en extra belasting op bepaalde tijden (acyclisch verkeer). Als het totale verkeer het beschikbare volume overschrijdt, is er al snel spraken van een verkeersopstopping bij knooppunten, in-/uitgangen of verkeerslichten (afbeelding 2). Een switch (stoplicht), die verantwoordelijk is voor de distributie van de data, kan vanwege een gebrek aan werkgeheugen besluiten om individuele telegrammen niet door te sturen (of, om in vergelijking met de snelweg te blijven: willekeurig auto’s van de weg halen). Pakketjes data die niet doorgestuurd worden, zullen door de verzender immers net zo lang opnieuw verzonden worden totdat de data aangekomen is. Als het om tijdkritische telegrammen gaat, wordt dit echter problematisch. Daardoor kan een machine die perfect werkte bij de fabrikant afwijkend gedrag vertonen.
Omdat bij een overbelast netwerk het niet duidelijk is welke telegrammen worden weggegooid en wanneer, is het resultaat een diffuse verstoring. De ontwerper moet nu wel een oplossing verzinnen voor een probleem waarvan de oorzaak waarschijnlijk niet in zijn machine te vinden is. En dit alles bij alle andere zorgen die komen bij het in bedrijf stellen van een machine.