Föreställ dig en robotarm som kan böjas och rotera, med varje axel utrustad med mycket exakta motordrivkrafter, sensorer eller maskinseende, som om du utför en rörelsesymfoni. Men utan en "ledare" som berättar för varje komponent i systemet när och hur de ska utföra sina respektive operationer, kan robotarmen producera skakande klingande och metalliska malande ljud.
I tidigare artiklar om-realtidskontroll har vi utforskat realtidskontrollinstrument (RTC) som används för avkänning, körning och bearbetning. För att integrera dem behöver vi "ledaren": real-kommunikation. I den här artikeln kommer vi att använda industriell 4.0 baserat på-realtidskommunikation och kontroll som vår utgångspunkt för diskussion.
Faktorer som driver utvecklingen av big data inom automationsområdet
På grund av effekterna av pandemin har fabriksverksamhet utan mänsklig inblandning blivit allmänt populär. Insamling och lämplig distribution av big data (definierad av Oxford Dictionary som extremt stora datamängder som kan avslöja mönster, trender och korrelationer genom beräkningsanalys, särskilt de som är relaterade till mänskligt beteende och interaktioner) kan stödja digitala tvillingar, mätning, servicefakturering och förutsägande underhåll. Att till exempel ha tillgång till big data möjliggör övervakning av robotarms prestanda och systemhälsa, såväl som datahastigheter, temperatur, luftfuktighet, vibrationer och mer, vilket möjliggör utvecklingen av AI-modeller som kan förutsäga framtida prestanda och hälsa baserat på big data (digitala tvillingar). För att fullt ut kunna utnyttja dessa fördelar är det nödvändigt att integrera informationsteknik (IT) och operativ teknik (OT) för att stödja Internet Protocol (IP) och RTC-system vid kanten. Logiskt sett kallas detta för IT- och OT-konvergens.
I Ethernet stöder nätverkslagret och transportlagret i Open Systems Interconnection (OSI)-modellen Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), så Ethernet stöder i sig IPv4 (och IPv6). Dessutom kan det på ett tillförlitligt sätt överföra den nödvändiga mängden information, vilket är anledningen till att industriellt Ethernet håller på att bli en betydande kommunikationsstandard inom området industriell automationskonvergens. Eftersom befintlig infrastruktur vanligtvis använder två-trådsprotokoll som inte stöder lokal TCP/IP, används traditionella fältbussar fortfarande för kommunikation med edge-enheter. Figur 1 illustrerar de nuvarande kommunikationsmetoderna inom området industriell automation.
Figur 1: Aktuella kommunikationsmetoder inom området industriell automation
Det sätt på vilket industriell kommunikation implementeras genomgår en förändring. Enkelt-par Ethernet (SPE) kan bibehålla den befintliga två-systemarkitekturen samtidigt som det stöder de högre hastigheterna och de många fördelarna med industriellt Ethernet. Avancerad fältdiagnostik stöder distribuerad och centraliserad övervakning och drift. Naturligtvis kan SPE återanvända den befintliga infrastrukturen med två-trådar som etablerats av flera befintliga fältbussar, och därigenom förenkla konvergensdrivna uppgraderingar- och avsevärt minska kostnaderna.
Förstå Ethernet
Även om Ethernet är öppet och överallt i företagsapplikationer, är det för närvarande inte lämpligt för realtidsapplikationer eftersom IT Ethernet-ramöverföring är "bästa ansträngning" och ohanterad; fel är alltid oönskade. För OT i realtid kan fel få allvarliga konsekvenser eller till och med utgöra faror. RTC-system kräver tillförlitlig kommunikation som systemets "kommandocenter" för att säkerställa att systemet fungerar som avsett, och därigenom undviker produktfel eller orsakar systemskador eller personskador. Eftersom IT Ethernet vanligtvis används i företags- eller konsumentmiljöer möter det sällan miljöutmaningar. Däremot fungerar RTC-system ofta i tuffa miljöer.
Kravet på robust, deterministiskt beteende (som tillförlitlighet över breda temperaturintervall, bullriga och smutsiga miljöer) och högre datahastigheter har drivit framkomsten av industriellt Ethernet. Industriellt Ethernet är deterministiskt och robust och ger extra bandbredd och inneboende IP-anslutning för att fullt ut utnyttja RTC-system.
Låt oss ta en titt på tidsegenskaper och hur de gäller för Ethernet fysiska lagret (PHY).
Vikten av timingegenskaper
Det finns tre viktiga timingegenskaper i RTC-system:
Dröjsmål.I detta sammanhang måste fördröjning beaktas, såsom fördröjning av utbredning: hur lång tid det tar från det att data kommer in i systemet, delsystemet eller delsystemskomponenten tills det avslutas. Till exempel har TI:s DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY en tur-returfördröjning på 208ns. Lägre fördröjning kan minska cykeltiden eller öka antalet noder på bussen.
Determinism.Om ankomsttiden för data varierar avsevärt varje gång den passerar genom systemet, blir hur låg fördröjningen är irrelevant. Denna variation i ankomsttid är känd som determinism. Lägre jitter indikerar bättre determinism. Låg determinism innebär att du behöver bygga in mindre marginal i systemet för att klara varierande förseningar. Figur 2 visar fördröjningen (208ns) och determinismen (±2ns) för DP83826E. Realtids-Ethernet-protokoll (som EtherCAT) kan utnyttja de låga och deterministiska latensegenskaperna hos Ethernet PHY.
Figur 2: Fördröjning och dess determinism
Synkronisering.Att binda ihop tidpunkten för ett helt system eller flera kompletta system har också vissa fördelar. För att maximera effektiviteten och genomströmningen och samtidigt säkerställa säker drift kan olika delsystem behöva veta exakt när ett annat delsystem utför en viss operation. Alla industriella Ethernet-protokoll stöder någon form av synkronisering. Tid-Sensitive Networking (TSN) är ett exempel på tidssynkronisering för RTC-system. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2, även känd som Precision Time Protocol (PTP), hjälper flera enheter att upprätthålla synkronisering med varandra. IEEE 802.1as, även känd som generaliserad PTP (gPTP), möjliggör ytterligare synkronisering för tidskänsliga-applikationer som RTC.
Slutsats
Framgångsrika RTC- och kommunikationsinstallationer är hörnstenen i Industry 4.0. Det handlar dock inte bara om att uppnå Industri 4.0; med deterministisk, synkroniserad och låg-latenskommunikations-PHY och industriella Ethernet-protokoll kan alla instrument kombineras för att spela en vacker symfoni.