Мир промышленной автоматизации переживает глубокую трансформацию, вызванную необходимостью повышения гибкости, эффективности и надёжности. Традиционные среды операционных технологий (OT), часто характеризующиеся жёстким, проприетарным оборудованием, эволюционируют в сторону более гибких, программно-определяемых архитектур. Broadcom находится в авангарде этой трансформации. В продолжение предыдущего анонса о поддержке Broadcom компании Audi в создании автоматизации заводов нового поколения с использованием VMware Cloud Foundation (VCF), VMware подчеркивает ключевую роль, которую играет VCF Networking в процессе модернизации Audi.
В рамках инициативы Audi Edge Cloud for Production, одним из ключевых кейсов является виртуализация физических PLC (программируемых логических контроллеров), управляющих критически важными операциями на производстве, такими как сборка автомобилей роботами. Цель — виртуализировать PLC и запускать их как виртуальные машины или контейнеры, управляемые как современные ИТ-нагрузки из частного облака Audi. Эту трансформацию поддерживает Industrial vSwitch (IvS), представленный в VCF 9.0. Разработанный в сотрудничестве с экспертами в области промышленной автоматизации, IvS приносит виртуализацию на завод, обеспечивая связь почти в реальном времени между виртуальными PLC и устройствами ввода/вывода.
Что такое Industrial vSwitch?
Industrial vSwitch (IvS) — это специализированная функция в составе NSX, работающая как распределённый сетевой коммутатор для промышленных сетей. Его основная задача — обеспечить передачу PROFINET-трафика в реальном времени на уровне 2 (L2) между устройствами с требуемой задержкой менее миллисекунды. Это обеспечивает бесшовную маршрутизацию критически важного PROFINET-трафика между виртуальными PLC (vPLC), развернутыми в VCF, и физическими устройствами ввода/вывода на производстве.
IvS основан на технологии NSX Enhanced Datapath (EDP) и разработан с учётом строгих требований промышленных систем управления: низкая задержка, минимальный джиттер и детерминированные сетевые характеристики. Производственная среда требует задержки на уровне сотен микросекунд для соответствия требованиям систем реального времени.
Основные функции
Поддержка PROFINET:
- Поддерживает протокол PROFINET DCP (обнаружение и конфигурация устройств), необходимый для настройки и управления vPLC и I/O-устройствами.
- Обрабатывает VLAN-тегирование и удаление тегов в Ethernet-кадрах PROFINET, поддерживает классы обслуживания для RT и NRT-трафика.
- Использует режим Dedicated в EDP для обработки пакетов с высоким уровнем производительности и минимальной задержкой.
Поддержка PRP (Parallel Redundancy Protocol):
- Поддерживает режим PRP RedBox, позволяющий подключать vPLC к двум независимым сетям для обеспечения отказоустойчивости.
- Отправляет управляющие кадры PRP от имени vPLC и следит за состоянием обеих сетей.
- Поддерживает взаимодействие с другими PRP-устройствами и управляет таблицами PRP Node и VDAN.
Измерение задержек:
-
IvS отслеживает задержки на уровне пакетов внутри хоста ESX, включая одностороннюю задержку между vNIC каждой ВМ и uplink-интерфейсом, с возможностью оповещений при превышении порогов.
Почему сейчас? Переход к программно-определяемому производству
Мотивация внедрения IvS очевидна: производители стремятся виртуализировать OT-среду и модернизировать цеха ради гибкости и конкурентоспособности. Ядром этой среды являются PLC. С помощью IvS возможно:
- Повысить гибкость и адаптивность производственных процессов
- Оперативно внедрять новые функции через обновления ПО
- Существенно сократить время восстановления при сбоях, повысив надёжность
- Централизованно управлять инфраструктурой
- Стандартизировать стеки приложений и обеспечить безопасность и управляемость как локально, так и удалённо
- Объединить несколько PLC на одном хосте — до 12 vPLC на систему
- Обеспечить полную отказоустойчивость с нулевым временем переключения
Архитектура и требования
ПО:
- VMware Cloud Foundation 9.0 с обновлённым NSX
- Хосты в домене нагрузки с Industrial vSwitch
Сетевые интерфейсы (NIC):
- Должны поддерживать NSX Enhanced Datapath — Dedicated
- Поддержка устройств: NVIDIA Mellanox ConnectX-6
Совместимость с ПО:
-
Протестировано с Siemens TIA Portal v20, SIMATIC S7-1500V, CodeSys IDE, Control VM
Совместимость с PRP:
-
Проверено с Cisco IE3400 и Siemens Scalance
Архитектура развертывания
vPLC и IvS развертываются в рамках VCF workload domain, образуя кластер управления для производственной среды. Решение интегрируется с существующими промышленными шинами (fieldbus) и заменяет традиционные аппаратные PLC. Взаимодействие с устройствами в цехе происходит через Industrial Ethernet (PROFINET). Для отказоустойчивости используется PRP, подключённый к двум сетям: LAN-A и LAN-B.
Пример развертывания
- vPLC VM размещаются в домене нагрузки VCF 9 и получают выделенные NSX VLAN-сегменты для подключения к своим ячейкам на производстве.
- IvS подключается к LAN-A и LAN-B через встроенный PRP-интерфейс и формирует PRP-каналы с коммутаторами в каждой ячейке.
- Трафик между vPLC и I/O реплицируется по обеим сетям для высокой надёжности и соответствия таймаутам.
- Коммутаторы на производстве конфигурируются как PRP RedBox, обеспечивая безотказную связь между устройствами fieldbus и vPLC.
- Основные инфраструктурные сервисы (NSX Manager, vCenter и пр.) размещаются в VCF Management domain.
Как это работает?
Industrial vSwitch (IvS) специально разработан для удовлетворения уникальных требований сценария использования vPLC, который требует:
- Платформы виртуализации с поддержкой работы в реальном времени и детерминированным поведением управления.
- Виртуального коммутатора с минимальной задержкой и предсказуемым джиттером.
- Устойчивости к сбоям в сети.
- Интеграции с PROFISAFE для обеспечения безопасности персонала.
В этой архитектуре задачи виртуализации и вычислений в реальном времени решаются за счёт продвинутых возможностей платформы ESX, а сетевые требования обеспечиваются Industrial vSwitch с встроенной поддержкой PRP (Parallel Redundancy Protocol). Интеграция с PROFISAFE была реализована в тесном сотрудничестве с производителями PLC в рамках общего проектирования решения.
Как настроить Industrial vSwitch в VCF 9
Шаг 1: Создание IvS в vCenter
Первым шагом активации Industrial vSwitch является его создание в vCenter.
Шаг 2: Добавление vSwitch в NSX
Добавьте vSwitch в NSX в составе профиля транспортного узла (Transport Node Profile) и настройте параметры PROFINET, PRP и другие конфигурации, необходимые для работы в режиме реального времени.
Шаг 3: Создание профиля сегмента IvS и VLAN-сегментов
Создайте профиль сегмента IvS, который будет использоваться для всех сегментов, предназначенных для развертывания vPLC. Настройте параметры PRP и активируйте измерение задержки (Latency Measurement) в соответствии с требованиями.
Далее настройте VLAN-сегменты в NSX в соответствии с VLAN’ами, используемыми vPLC и устройствами ввода/вывода. Затем назначьте профиль сегмента IvS на соответствующий сегмент, чтобы применить конфигурации для каждого VLAN отдельно.
Шаг 4: Развертывание виртуальной машины vPLC
Разверните виртуальную машину vPLC с сетевым интерфейсом, подключённым к IvS. Параметры vNIC — Strict Latency и Latency Measurement — автоматически настроят соответствующие параметры интерфейса. В частности, конфигурация Latency Measurement должна соответствовать выбранному профилю сегмента. Это позволит включить измерение задержки при передаче (TX) и приёме (RX) пакетов между vNIC и uplink-интерфейсами хоста.
После завершения настройки IvS непрерывно отслеживает задержку пакетов для каждого vNIC виртуального vPLC, чтобы обеспечить детерминированную производительность и контролируемый джиттер. Система фиксирует максимальную задержку по каждому vNIC и генерирует оповещение, если значение превышает заданный порог. Ниже приведён пример вывода для одного интерфейса, где максимальная задержка при передаче (TX) составила 108 микросекунд, а при приёме (RX) — 67 микросекунд.
С завершением основной настройки Industrial vSwitch вы можете приступить к вводу в эксплуатацию и программированию дополнительных vPLC, подключённых к IvS, через инженерную среду разработки (IDE). Для достижения оптимальной производительности рекомендуется обратиться к официальной документации, где приведены рекомендации по тонкой настройке — включая оптимизацию параметров BIOS хоста и обеспечение корректного выравнивания по NUMA.
Взгляд в будущее
Выход Industrial vSwitch в составе VCF 9 — это важный шаг вперёд в направлении расширения программно-определяемой инфраструктуры на среду промышленной автоматизации, где критически важна работа в реальном времени. Обеспечивая высокопроизводительную и отказоустойчивую сетевую связь для виртуализированных контроллеров, IvS создаёт прочную основу для построения более гибких, эффективных и надёжных производств будущего.
В дальнейшем VMware планирует добавить поддержку дополнительных протоколов шины fieldbus, расширить сотрудничество с технологическими партнёрами и продолжить развитие платформы под задачи операционных технологий (OT).
