Predstavljajte si robotsko roko, ki se upogne in vrti, pri čemer je vsaka os opremljena z zelo natančnimi motornimi pogoni, senzorji ali strojnim vidom, kot da igra simfonijo gibanja. Toda brez "dirigenta", ki bi vsaki komponenti sistema povedal, kdaj in kako naj izvede svoja dejanja, lahko roka povzroči hude trke in kovinske praske.
V prejšnjih člankih iz serije Real{0}}Control smo si ogledali-instrumente RealTime Control (RTC), ki se uporabljajo za zaznavanje, vožnjo in obdelavo. Da jih združimo, je potreben "ukaz":-komunikacije v realnem času. V tem članku bomo kot izhodišče naše razprave uporabili industrijo 4.0, ki temelji-na komunikaciji in nadzoru v realnem času.
Dejavniki, ki spodbujajo razvoj velikih podatkov v avtomatizaciji
Delovanje tovarn brez človekovega posredovanja je zaradi epidemije postalo priljubljeno. Zbiranje in pravilna distribucija velikih podatkov (ki jih Oxfordski slovar opredeljuje kot zelo velike nize podatkov, ki jih je mogoče računalniško analizirati, da se razkrijejo vzorci, trendi in korelacije, zlasti v zvezi s človeškim vedenjem in interakcijami) lahko podpira digitalne dvojčke, merjenje, zaračunavanje storitev in predvideno vzdrževanje. Na primer, razpoložljivi veliki podatki omogočajo spremljanje delovanja robotskih rok in delovnih pogojev sistema, pa tudi hitrosti prenosa podatkov, temperature, vlažnosti, vibracij itd., kar vodi v razvoj modelov (digitalnih dvojčkov), ki so sposobni napovedati prihodnje delovanje in pogoje delovanja na podlagi AI, ki se uči z uporabo velikih podatkov. Da bi lahko v celoti izkoristili te prednosti, je treba združiti informacijsko tehnologijo (IT) in operacijsko tehnologijo (OT), da bi lahko podpirali internetni protokol (IP) in rob sistema RTC. Logično se temu reče konvergenca IT in OT.
V Ethernetu omrežna in transportna plast modela Open Systems Interconnection (OSI) podpirata protokol za nadzor prenosa/internetni protokol (TCP/IP), tako da je Ethernet sam po sebi sposoben podpirati IPv4 (in IPv6). Poleg tega je zmožnost determinističnega prenosa zahtevane količine informacij razlog, zakaj Industrial Ethernet postaja pomemben komunikacijski standard na konvergenčnih področjih industrijske avtomatizacije. Tradicionalna fieldbuse se še vedno uporabljajo za komunikacijo z robnimi napravami, ker obstoječe infrastrukture običajno uporabljajo dvo{4}}žične protokole in ne podpirajo izvornega TCP/IP. Slika 1 prikazuje trenutne komunikacijske metode v industrijski avtomatizaciji.
Slika 1: Trenutne komunikacijske metode v industrijski avtomatizaciji
Način izvajanja industrijskih komunikacij se je začel spreminjati. Eno-pair Ethernet (SPE) ohranja obstoječe dvo-žične sistemske arhitekture, hkrati pa podpira višje hitrosti in številne prednosti industrijskega etherneta. Napredna terenska diagnostika podpira tako porazdeljeno kot centralizirano spremljanje in delovanje. In seveda lahko SPE ponovno uporabi obstoječo dvo-žično infrastrukturo, zgrajeno iz več obstoječih fieldbusov, kar poenostavlja konvergenčno-nadgradnje in zmanjšuje stroške.
Poglobljeno razumevanje Etherneta
Medtem ko je Ethernet odprt in vseprisoten v podjetniških aplikacijah, trenutno ni na voljo za-aplikacije v realnem času, ker je prenos okvirjev IT Ethernet »najboljši-napor« in nenadzorovan; v vsakem primeru so napake moteče. Pri OT v realnem{3}}času imajo lahko napake resne posledice in so celo nevarne, sistemi RTC pa potrebujejo zanesljivo komunikacijo kot "prevodnik" sistema, da zagotovijo, da sistem deluje, kot je predvideno, in se tako izognejo okvari izdelka ali poškodbi sistema ali poškodbam osebja. Ker se IT Ethernet običajno uporablja v podjetniških ali potrošniških okoljih, je malo okoljskih izzivov. V nasprotju s tem so sistemi RTC pogosto v težkih okoljih.
Potreba po robustnem, determinističnem obnašanju (npr. zanesljivost v širokem temperaturnem območju, v hrupnih in umazanih okoljih) in višjih hitrostih prenosa podatkov so spodbudili nastanek industrijskega etherneta. Industrijski Ethernet je determinističen in robusten ter zagotavlja dodatno pasovno širino in inherentno povezljivost IP za popolno uporabo sistemov RTC.
Tukaj je pogled na časovne značilnosti in kako se nanašajo na fizični sloj Ethernet (PHY).
Pomen časovnih značilnosti
V sistemu RTC so tri pomembne časovne značilnosti:
Zamuda.V tem kontekstu je pomembno upoštevati zamude, kot je zamuda pri širjenju: čas od trenutka, ko podatki vstopijo v sistem, podsistem ali komponento podsistema, do trenutka, ko jih zapustijo. Na primer, DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY podjetja TI ima povratno-zakasnitev 208ns. Manjša zakasnitev lahko skrajša čas cikla ali poveča število vozlišč na vodilu.
Determinizem.Ni pomembno, kako nizka je zakasnitev, če se čas prihoda zelo razlikuje vsakič, ko podatki prehajajo skozi sistem. Ta sprememba v času prihoda je znana kot determinizem. Nizko tresenje pomeni dober determinizem. Nizka determiniranost pomeni, da morate v sistem vgraditi manj rezerve, da se prilagodi spreminjajoči se zakasnitvi. Slika 2 prikazuje zakasnitev (208 ns) in determinizem (±2 ns) DP83826E. Ethernetni protokoli-v realnem času, kot je EtherCAT, lahko izkoristijo nižje, deterministične zakasnitve Ethernet PHY.
Slika 2: Zamuda in njena gotovostSinhronizacija. Obstajajo tudi prednosti časovnega povezovanja celotnega sistema ali več celotnih sistemov skupaj. Da bi povečali učinkovitost in prepustnost ter obenem zagotovili varno delovanje, bodo morali različni podsistemi natančno "vedeti", kdaj bo drug podsistem izvedel operacijo. Vsi industrijski protokoli Ethernet podpirajo neke vrste sinhronizacijo. Časovno občutljivo omrežje (TSN) je primer časovne sinhronizacije za sisteme RTC. Inštitut inženirjev elektrotehnike in elektronike (IEEE) 1588v2, Precision Time Protocol (PTP), pomaga ohranjati medsebojno sinhronizacijo več naprav, IEEE 802.1as, znan tudi kot generalizirani PTP (gPTP), dodatno olajša sinhronizacijo za časovno-občutljive aplikacije, kot je RTC.
Zaključek
Uspešne RTC in uvedbe komunikacij so temelj industrije 4.0. Toda več kot le omogočanje Industrije 4.0, z determinističnimi, sinhroniziranimi in nizko-zakasnitvenimi komunikacijami PHY in protokoli Industrial Ethernet, se lahko vsi instrumenti združijo v čudovito glasbo.