D2000 (mieri na) IoT

Podľa Moorovho zákona sa zložitosť integrovaných obvodov zdvojnásobuje každých 18 mesiacov, pričom ich cena zostáva konštantná. Čo prináša tento zákon pre SCADA a MES systémy?

V každom prípade dostatočný výkon aj pre veľké aplikácie. Na porovnanie –projekt z roku 2003, t.j. spred pätnástich rokov obsahuje takúto špecifikáciu aplikačného servera: „Server Compaq ProLiant ML530, M 2x PIII 800-Xeon, 256 kB Cache, 512 MB RAM, RAID Model 3x18.1 GB – výkonný 2 procesorový server s vysokým stupňom zabezpečenia prevádzky a dát použitím diskového poľa s HotPlug (vymeniteľnými za chodu) diskmi“. Iný server z toho istého projektu, s plánovanou menšou záťažou, mal iba 256 MB RAM a procesor 2x Intel PentiumIII 600 MHz.

Čo sa týka výkonnostných parametrov, dnešné priemerné mobilné telefóny túto špecifikáciu s prehľadom prekonávajú.

V súčasnosti pre aplikácie väčšieho rozsahu (rádove desiatky až stovky tisíc tagov) používame servery s niekoľkými GB, prípadne desiatkami GB operačnej pamäte, štyrmi a viac jadrami a stovkami GB diskového priestoru pre archiváciu.

Lenže – okrem veľkých aplikácií existujú aj malé – s rozsahom stoviek až tisícok tagov, ktoré pamäť, procesorový výkon a prípadne kapacitu diskov dnešných počítačov nepotrebujú. Existuje nejaká (a najlepšie finančne zaujímavá) alternatíva?

V úvodníku tohtoročného marcového čísla ATP žurnálu píše jeho šéfredaktor Ing. Anton Gérer o piatich technologických trendoch, ktoré budú mať v tomto roku najväčší vplyv na výrobné procesy. Ako jeden z nich uvádza „Distribuované analýzy – vďaka ich rozšíreniu pomocou IIoT bude možné spracúvať údaje a využívať výpočtový výkon blízko zdroja údajov, a to prostredníctvom inteligentných, obojsmerne komunikujúcich zariadení, ako sú snímače, regulátory či brány.“

Okrem sveta 32 a 64–bitových Intel procesorov už niekoľko rokov existuje a rýchlo sa rozvíja aj svet architektúry ARM. Sú to zariadenia ako mobilné telefóny alebo tablety, ktoré sú optimalizované na nízku spotrebu a cenu. Ďalšou skupinou sú jednodoskové ARM počítače – najrozšírenejšie z nich je Raspberry PI, ale existujú aj ďalšie. Táto skupina je zaujímavá aj pre výrobcov z oblasti automatizácie – až natoľko, že existuje niekoľko priemyselných počítačov, ktoré sú postavené práve na Raspberry PI (obsahujú ako základ Raspberry PI Compute Module a pridávajú k nemu RTC obvody, sieťové rozhrania a priemyselné vstupy a výstupy). Ako príklad uvedieme Techbase NPE X500, Sfera Labs Strato Pi a IonoPi, Kunbus Revolution PI alebo Compulab Industrial Raspberry Pi IoT Computer.

Súčasné Raspberry PI verzie 3 majú štandardne operačnú pamäť 1 GB, štvorjadrový procesor Cortex-A53 taktovaný na 1.2 GHz (verzia 3+ až 1.4 GHz).

Prečo túto architektúru spomíname? Kvôli D2000 verzie 12, ktorej vydanie sa túto jeseň pripravuje, a ktorej serverovské procesy okrem štandardnej architektúry x86/Windows a x64/Windows boli portované aj na architektúry x64/Linux (pre enterprise riešenia) a ARM/Linux. Takže verzia 12 je schopná použiť Raspberry PI a priemyselné počítače na ňom postavené, ako aplikačný server, prípadne komunikačný počítač.

Navyše, D2000 zaručuje kompatibilitu medzi všetkými podporenými architektúrami, takže možno vytvárať aj heterogénnne riešenia – napríklad aplikačný server na x64/Windows, komunikačný počítač ARM/Linux a dispečerská stanica x86/Windows.

Aké sú výhody použitia architektúry ARM/Linux?

Cena - za Raspberry PI 3 osadené SD kartou spolu so zdrojom zaplatíte do 100 Eur. Priemyselné verzie osadené vstupno-výstupnými modulmi sú 2-3 krát drahšie, ale stále je to oveľa zaujímavejšia cenová hladina ako štandardné priemyselné servery.
Spotreba energie - bežné hodnoty spotreby Raspberry PI 3 s pripojeným externým 2.5” USB diskom boli do 4 Wattov. Priemyselné Techbase NPE X500 udáva príkon do 12 Wattov. Pri výpadku výpadku energie vydrží podobné zariadenie na bežnom záložnom zdroji rádove dlhšie ako štandardný server!

Rpi1_9 — Obr: USB merač napätia a prúdu vložený medzi napájací zdroj a Raspberry PI 3 udával bežne spotrebu 0.6 A, v špičkách okolo 0.8 A.

Bezpečnosť:

vo svetle zraniteľností Spectre a Meltdown postihujúcich súčasné x64 procesory je zaujímavý fakt, že ARM procesory ARM1176, Cortex-A7 a Cortex-A53 použité v jednotlivých generáciách procesorov Raspberry PI nepoužívajú špekulatívne vykonávanie inštrukcií na zvýšenie výkonu, takže sú voči podobným zraniteľnostiam imúnne.
zraniteľnosti rôznych management technológií x64 procesorov (napr. nedávne INTEL-SA-00075 alebo INTEL-SA-00086) sa Raspberry PI netýkajú, keďže management procesory neobsahujú.
čo sa týka zraniteľností na úrovni operačného systému - na rozdiel od Windows a x64/Linux architektúry existuje pre Raspberry PI minimum škodlivého kódu – podarilo sa nám nájsť iba malware MulDrop.14 ťažiaci kryptomenu, ktorý sa snaží využiť prednastavené meno a heslo administrátorského účtu pi/raspberry.
Nízke diskové nároky – na inštaláciu operačného systému Raspbian, databázy PostgreSQL a systému reálneho času D2000 stačila malá 4GB SD karta, pričom k dispozícii zostalo 1.3 GB.

Aké sú možnosti použitia architektúry ARM/Linux pre aplikácie D2000?

Aplikačný server obsahujúci všetky potrebné serverovské procesy D2000 (kernel, archív, kalkulačka atď). K aplikačnému serveru sa môžu pripojiť hrubí klienti (D2000 HI) z prostredia Windows alebo weboví klienti z ľubovolnej platformy.
Vzdialený komunikačný server, s funkcionalitou KOM Archív, ktorá umožňuje prácu offline po strate spojenia so serverom (napr. v dôsledku sieťových problémov) a ukladanie hodnôt získaných z komunikácie do súboru na disk a ich odoslanie po obnovení spojenia. K dispozícii sú všetky komunikačné protokoly, ktoré nevyžadujú platformu Windows (napr. OPC a DDE). Navyše novoimplementovaný protokol GPIO umožňuje pracovať s GPIO pinmi Raspberry PI a s analógovými a digitálnymi vstupmi a výstupmi priemyselného NPE X500 ako aj s jeho užívateľskými LED diódami a bzučiakom.
Testovaný model NPE X500-M3-MAX-3G obsahoval aj 3G modem, takže by bol schopný prevádzky na vzdialenej lokalite s použitím 3G siete.

RPI2_2 — Obr: NPE X500 na DIN lište s napájacím zdrojom a pripojenými prípravkami na testovanie digitálnych a analógových vstupov a výstupov.

Dispečerská stanica s tenkým klientom. Nasledujúci obrázok ukazuje schému zobrazenú na prehliadači Chromium pod grafickým prostredím “Raspberry Pi Desktop” na staršom modele Raspberry PI 2. Prehliadač bol pripojený k webovému serveru spustenému na inom Raspberry PI 3, ktorý slúžil zároveň ako aplikačný server.

RPI2_3 — Obr: dispečerská schéma LFC terminálu zobrazená v tenkom kliente Chromium na Raspberry PI 2.

‍

Embedded SCADA systém umiestnený vnútri technologického zariadenia, s prípadným webovým rozhraním a širokým spektrom možností prenosu údajov do iných systémov (napr. komunikačné protokoly Modbus TCP server alebo Modbus RTU server, IEC101 server, IEC104 server, pripravuje sa takisto OPC UA server). Je možná aj komunikácia na nadradený systém cez OPC s pomocou vzdialeného D2000 OPC servera inštalovaného na Windows platforme.
Výskum možností portovania D2000 na architektúru ARM odštartovala práve požiadavka jedného z OEM partnerov, ktorý potreboval embedded riešenie umožňujúce monitorovanie viacerých zariadení v rozvádzači – pomocou TCP a sériovej komunikácie, analógových a digitálnych vstupov a prípadné vypínanie zariadení pomocou digitálnych a reléových výstupov.

RPI2_4 — Obr: schéma zobrazujúca sériové porty NPE X500 a jeho vstupy a výstupy používaná pri testovaní protokolu GPIO.

Čo sa týka diskového miesta, napr. NPE X500 sa dá rozšíriť o flash modul, ktorý môže slúžiť ako úložisko pre archívnu databázu. V prípade Raspberry PI sa dá použiť väčšia SD karta (32-256 GB).

Ako je to so spoľahlivosťou?

Treba povedať, že dnešné x64 servery a priemyselné počítače obsahujú redundantné hot-plug komponenty (napájacie zdroje, ventilátory, disky a podobne) ako aj systémy vnútornej diagnostiky hardvéru, čo im umožňuje prežiť výpadok jedného z redundantných komponentov. Raspberry PI podobné vlastnosti nemá, takže systémy na ňom postavené musia byť nutne menej spoľahlivé. Alebo nie?

Raspberry PI je chladené pasívne, takže ventilátory nepotrebuje. Jeho hardvér je oveľa jednoduchší ako hardvér servera - teda obsahuje menej komponentov, ktoré sa môžu pokaziť. Ale stále sa pokaziť môže. Čo s tým?

Pokiaľ je vyžadovaná vysoká spoľahlivosť, je možné ju dosiahnuť použitím redundancie – ak nie na úrovni komponentov, tak na úrovni celých počítačov. Softvérová technológia reálneho času D2000 už viac ako 15 rokov podporuje aplikačnú redundanciu, pri ktorej jeden zo serverov je aktívny a ďalší alebo ďalšie pasívne – tieto si udržujú aktuálny obraz systému a čakajú na aktiváciu v dôsledku zastavenia aktívneho servera alebo na príkaz obsluhy. Štandardne sa používa redundancia s dvoma servermi, viaceré riešenia používajú až tri servery (tretí na vzdialenej lokalite ako „disaster recovery“). A táto technológia je dostupná aj pre architektúry x64/Linux a ARM/Linux, takže nič nebráni postaviť redundantnú aplikáciu na dvoch či troch Raspberry PI.

Na záver ..

Rast výpočtového výkonu zariadení dnes umožňuje použitie malých, lacných a energeticky efektívnych ARM zariadení na prevádzku malých a stredných SCADA systémov s rádove stovkami a tisíckami tagov a preto D2000 túto platformu vo verzii 12 začala podporovať. Pre používateľov D2000 a našich OEM partnerov môže byť zaujímavý fakt, že majú k dispozícii tú istú technológiu ako doteraz na platforme Windows – robustnú a stabilnú, rozvíjanú už 25 rokov, so širokou škálou možností a implementovaných komunikačných protokolov. Navyše, v prípade ďalšieho rozširovania a rastu aplikácie a po niekoľkých rokoch po dosiahnutí hraníc výkonu, ktorý platforma ARM poskytuje, existuje možnosť jednoduchej a bezproblémovej migrácie na výkonnejšiu x64/Linux architektúru – bez potreby aplikačných úprav – čo zároveň chráni čas a úsilie investované do vývoja aplikácie. Takže – D2000 mieri na IoT!

6.9.2018, Ing. Peter Humaj, www.ipesoft.com

Tento článok bol uverejnený v ATP Journal-e 11/2018.