Представете си роботизирана ръка, която може да се огъва и върти, като всяка ос е оборудвана с високо прецизни моторни драйвери, сензори или машинно зрение, сякаш изпълнява симфония на движение. Въпреки това, без „диригент“, който да казва на всеки компонент на системата кога и как да изпълни съответните си операции, роботизираната ръка може да произведе дрънкащи и метални звуци от смилане.
В предишни статии за-контрол в реално време изследвахме-инструментите за контрол в реално време (RTC), използвани за отчитане, управление и обработка. За да ги интегрираме, се нуждаем от „диригент“: комуникация в-реално време. В тази статия ще използваме индустриална 4.0, базирана на-комуникация и контрол в реално време, като отправна точка за дискусия.
Фактори, движещи развитието на големи данни в областта на автоматизацията
Поради въздействието на пандемията, фабричните операции без човешка намеса станаха широко популярни. Събирането и подходящото разпространение на големи данни (дефинирани от Оксфордския речник като изключително големи набори от данни, които могат да разкрият модели, тенденции и корелации чрез изчислителен анализ, особено тези, свързани с човешкото поведение и взаимодействия) може да поддържа цифрови близнаци, измерване, фактуриране на услуги и предсказуема поддръжка. Например, наличието на достъп до големи данни позволява наблюдение на производителността на роботизираната ръка и здравето на системата, както и скорости на данни, температура, влажност, вибрации и други, като по този начин дава възможност за разработване на AI модели, които могат да предскажат бъдеща производителност и здраве въз основа на големи данни (цифрови близнаци). За да се използват напълно тези предимства, е необходимо да се интегрират информационни технологии (IT) и оперативни технологии (OT), за да се поддържат Интернет протокол (IP) и RTC системи на ръба. Логично, това се нарича IT и OT конвергенция.
В Ethernet мрежовият слой и транспортният слой на модела за свързване на отворени системи (OSI) поддържат протокола за контрол на предаването/интернет протокола (TCP/IP), така че Ethernet по своята същност поддържа IPv4 (и IPv6). Освен това, той може надеждно да предава необходимото количество информация, поради което индустриалният Ethernet се превръща във съществен комуникационен стандарт в областта на конвергенцията на индустриалната автоматизация. Тъй като съществуващата инфраструктура обикновено използва дву-проводни протоколи, които не поддържат локален TCP/IP, традиционните полеви шини все още се използват за комуникация с крайни устройства. Фигура 1 илюстрира настоящите методи за комуникация в областта на индустриалната автоматизация.
Фигура 1: Текущи комуникационни методи в областта на индустриалната автоматизация
Начинът, по който се осъществява индустриалната комуникация, претърпява трансформация. Единичен-чифт Ethernet (SPE) може да поддържа съществуващата дву-проводна системна архитектура, като същевременно поддържа по-високите скорости и многобройните предимства на индустриалния Ethernet. Разширената полева диагностика поддържа разпределено и централизирано наблюдение и работа. Разбира се, SPE може да използва повторно съществуващата дву-кабелна инфраструктура, създадена от множество съществуващи полеви шини, като по този начин опрости конвергентните-надстройки и значително намали разходите.
Разбиране на Ethernet
Докато Ethernet е отворен и повсеместен в корпоративните приложения, понастоящем той не е подходящ за-приложения в реално време, тъй като IT Ethernet предаването на рамки е „най-доброто усилие“ и не се управлява; грешките винаги са нежелателни. За OT в реално-време грешките могат да имат сериозни последствия или дори да представляват опасност. RTC системите изискват надеждна комуникация като "команден център" на системата, за да се гарантира, че системата работи по предназначение, като по този начин се избягват повреди на продукта или причиняване на повреда на системата или лично нараняване. Тъй като IT Ethernet обикновено се използва в корпоративни или потребителски среди, той рядко се сблъсква с екологични предизвикателства. За разлика от тях RTC системите често работят в тежки условия.
Търсенето на стабилно, детерминистично поведение (като надеждност в широки температурни диапазони, шумна и мръсна среда) и по-високи скорости на данни доведоха до появата на индустриалния Ethernet. Индустриалният Ethernet е детерминистичен и стабилен, осигурявайки допълнителна честотна лента и присъща IP свързаност за пълно използване на RTC системите.
Нека да разгледаме времевите характеристики и как те се прилагат към физическия слой на Ethernet (PHY).
Значението на времевите характеристики
Има три ключови времеви характеристики в RTC системите:
Закъснение.В този контекст трябва да се има предвид забавянето, като например забавяне на разпространението: продължителността от времето от влизането на данните в системата, подсистемата или компонента на подсистемата до излизането им. Например, DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY на TI има закъснение при-обръщане от 208ns. По-малкото забавяне може да намали времето на цикъла или да увеличи броя на възлите в шината.
Детерминизъм.Ако времето за пристигане на данните варира значително всеки път, когато те преминават през системата, тогава колко ниско е забавянето става без значение. Тази промяна във времето на пристигане е известна като детерминизъм. По-ниското трептене показва по-добър детерминизъм. Ниският детерминизъм означава, че трябва да вградите по-малко марж в системата, за да поемете различни забавяния. Фигура 2 показва забавянето (208 ns) и детерминизма (±2 ns) на DP83826E. Ethernet протоколите-в реално време (като EtherCAT) могат да използват ниските и детерминирани характеристики на латентност на Ethernet PHY.
Фигура 2: Забавяне и неговия детерминизъм
Синхронизация.Обвързването на времето на цяла система или няколко цели системи заедно също има определени предимства. За да се увеличи максимално ефективността и производителността, като същевременно се гарантира безопасна работа, различните подсистеми може да се нуждаят да знаят точно кога друга подсистема изпълнява определена операция. Всички индустриални Ethernet протоколи поддържат някаква форма на синхронизация. Време{3}}Чувствителна мрежа (TSN) е пример за времева синхронизация за RTC системи. Институтът на инженерите по електротехника и електроника (IEEE) 1588v2, известен също като протокол за прецизно време (PTP), помага на множество устройства да поддържат синхронизация едно с друго. IEEE 802.1as, известен също като генерализиран PTP (gPTP), допълнително позволява синхронизиране за-чувствителни към времето приложения като RTC.
Заключение
Успешните внедрявания на RTC и комуникации са крайъгълният камък на Industry 4.0. Не става въпрос обаче само за постигане на Индустрия 4.0; с детерминистични, синхронизирани и ниско-латентни комуникационни PHY и индустриални Ethernet протоколи, всички инструменти могат да се комбинират, за да изсвирят красива симфония.