Wyobraź sobie ramię robota, które może się zginać i obracać, a każda oś wyposażona jest w bardzo precyzyjne sterowniki silników, czujniki lub system wizyjny, jakby wykonujący symfonię ruchu. Jednakże bez „przewodnika”, który mówiłby każdemu elementowi systemu, kiedy i jak wykonać odpowiednie operacje, ramię robota mogłoby wydawać drażniące brzęczenie i metaliczne odgłosy zgrzytania.
W poprzednich artykułach na temat kontroli-w czasie rzeczywistym omawialiśmy instrumenty-kontroli w czasie rzeczywistym (RTC) używane do wykrywania, sterowania i przetwarzania. Aby je zintegrować, potrzebujemy „dyrygenta”: komunikacji-w czasie rzeczywistym. W tym artykule jako punkt wyjścia do dyskusji wykorzystamy Przemysł 4.0 oparty na komunikacji i kontroli w czasie rzeczywistym-.
Czynniki napędzające rozwój Big Data w dziedzinie automatyzacji
Ze względu na skutki pandemii, działalność fabryk bez interwencji człowieka zyskała dużą popularność. Gromadzenie i odpowiednia dystrybucja dużych zbiorów danych (definiowanych przez Oxford Dictionary jako niezwykle duże zbiory danych, które mogą ujawnić wzorce, trendy i korelacje poprzez analizę obliczeniową, szczególnie te związane z ludzkimi zachowaniami i interakcjami) mogą wspierać cyfrowe bliźniaki, pomiary, fakturowanie usług i konserwację predykcyjną. Na przykład dostęp do dużych zbiorów danych umożliwia monitorowanie wydajności ramienia robota i stanu systemu, a także szybkości transmisji danych, temperatury, wilgotności, wibracji i innych parametrów, umożliwiając w ten sposób rozwój modeli sztucznej inteligencji, które mogą przewidywać przyszłą wydajność i stan zdrowia w oparciu o duże zbiory danych (cyfrowe bliźniaki). Aby w pełni wykorzystać te zalety, konieczna jest integracja technologii informatycznych (IT) i technologii operacyjnych (OT) w celu obsługi protokołów internetowych (IP) i systemów RTC na brzegu. Logicznie rzecz biorąc, nazywa się to konwergencją IT i OT.
W sieci Ethernet warstwa sieciowa i warstwa transportowa modelu Open Systems Interconnection (OSI) obsługują protokół kontroli transmisji/protokół internetowy (TCP/IP), więc Ethernet z natury obsługuje protokół IPv4 (i IPv6). Dodatkowo potrafi niezawodnie przesyłać wymaganą ilość informacji, dlatego Ethernet przemysłowy staje się merytorycznym standardem komunikacji w obszarze konwergencji automatyki przemysłowej. Ponieważ istniejąca infrastruktura zazwyczaj wykorzystuje protokoły-dwuprzewodowe, które nie obsługują lokalnego protokołu TCP/IP, do komunikacji z urządzeniami brzegowymi nadal używane są tradycyjne magistrale polowe. Rysunek 1 ilustruje obecne metody komunikacji w dziedzinie automatyki przemysłowej.
Rysunek 1: Aktualne metody komunikacji w obszarze automatyki przemysłowej
Transformacji ulega sposób realizacji komunikacji przemysłowej. Jedno-parowy Ethernet (SPE) może zachować istniejącą-architekturę systemu dwuprzewodowego, obsługując jednocześnie większe prędkości i liczne zalety Ethernetu przemysłowego. Zaawansowana diagnostyka terenowa obsługuje rozproszone i scentralizowane monitorowanie i obsługę. Oczywiście SPE może ponownie wykorzystać istniejącą-infrastrukturę dwuprzewodową utworzoną przez wiele istniejących magistral polowych, upraszczając w ten sposób aktualizacje oparte na konwergencji-i znacznie redukując koszty.
Zrozumienie Ethernetu
Choć sieć Ethernet jest otwarta i wszechobecna w zastosowaniach korporacyjnych, obecnie nie nadaje się do zastosowań-czasu rzeczywistego, ponieważ transmisja ramek w sieci Ethernet IT wymaga „najlepszego wysiłku” i jest niezarządzana. błędy są zawsze niepożądane. W przypadku OT-czasu rzeczywistego błędy mogą mieć poważne konsekwencje, a nawet stanowić zagrożenie. Systemy RTC wymagają niezawodnej komunikacji jako „centrum dowodzenia” systemu, aby zapewnić działanie systemu zgodnie z przeznaczeniem, unikając w ten sposób awarii produktu lub spowodowania uszkodzenia systemu lub obrażeń ciała. Ponieważ IT Ethernet jest zwykle używany w środowiskach korporacyjnych lub konsumenckich, rzadko spotyka się z wyzwaniami środowiskowymi. Natomiast systemy RTC często działają w trudnych warunkach.
Zapotrzebowanie na solidne, deterministyczne zachowanie (takie jak niezawodność w szerokim zakresie temperatur, w hałaśliwym i brudnym środowisku) oraz wyższe szybkości transmisji danych doprowadziło do pojawienia się przemysłowego Ethernetu. Ethernet przemysłowy jest deterministyczny i solidny, zapewnia dodatkową przepustowość i nieodłączną łączność IP, aby w pełni wykorzystać systemy RTC.
Przyjrzyjmy się charakterystykom czasowym i ich zastosowaniu do warstwy fizycznej Ethernetu (PHY).
Znaczenie charakterystyki czasowej
Istnieją trzy kluczowe cechy taktowania w systemach RTC:
Opóźnienie.W tym kontekście należy wziąć pod uwagę opóźnienie, takie jak opóźnienie propagacji: czas od wejścia danych do systemu, podsystemu lub komponentu podsystemu do ich wyjścia. Na przykład układ PHY Ethernet DP83826E 10Mbps/100Mbps firmy TI ma-opóźnienie w obie strony wynoszące 208 ns. Mniejsze opóźnienie może skrócić czas cyklu lub zwiększyć liczbę węzłów w magistrali.
Determinizm.Jeśli czas nadejścia danych różni się znacząco przy każdym przejściu danych przez system, to wielkość opóźnienia staje się nieistotna. Ta zmienność czasu przybycia nazywana jest determinizmem. Niższy jitter oznacza lepszy determinizm. Niski determinizm oznacza, że musisz wbudować w system mniejszy margines, aby uwzględnić różne opóźnienia. Rysunek 2 pokazuje opóźnienie (208 ns) i determinizm (± 2 ns) DP83826E. Protokoły Ethernet-czasu rzeczywistego (takie jak EtherCAT) mogą wykorzystywać charakterystykę niskich i deterministycznych opóźnień sieci Ethernet PHY.
Rysunek 2: Opóźnienie i jego determinizm
Synchronizacja.Powiązanie taktowania całego systemu lub kilku kompletnych systemów razem ma również pewne zalety. Aby zmaksymalizować wydajność i przepustowość, zapewniając jednocześnie bezpieczną pracę, różne podsystemy mogą potrzebować dokładnej wiedzy, kiedy inny podsystem wykonuje określoną operację. Wszystkie protokoły Ethernetu przemysłowego obsługują jakąś formę synchronizacji. Time-Sieć czuła na czas (TSN) to przykład synchronizacji czasu w systemach RTC. Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) 1588v2, znany również jako protokół Precision Time Protocol (PTP), pomaga wielu urządzeniom zachować wzajemną synchronizację. IEEE 802.1as, znany również jako Generalized PTP (gPTP), umożliwia ponadto synchronizację w przypadku aplikacji wrażliwych na czas, takich jak RTC.
Wniosek
Udane wdrożenia RTC i komunikacji są podstawą Przemysłu 4.0. Jednak nie chodzi tylko o osiągnięcie Przemysłu 4.0; dzięki deterministycznym, zsynchronizowanym protokołom komunikacyjnym PHY i przemysłowej sieci Ethernet o małych-opóźnieniach wszystkie instrumenty można łączyć, aby zagrać piękną symfonię.