Predstavljajte si robotsko roko, ki se lahko upogne in vrti, pri čemer je vsaka os opremljena z zelo natančnimi pogoni motorjev, senzorji ali strojnim vidom, kot da izvaja simfonijo gibanja. Vendar brez "dirigenta", ki bi vsaki komponenti sistema povedal, kdaj in kako naj izvede svoje operacije, lahko robotska roka oddaja grozljivo žvenketanje in kovinsko škrtanje.
V prejšnjih člankih o-nadzoru v realnem času smo raziskali instrumente-nadzora v realnem času (RTC), ki se uporabljajo za zaznavanje, vožnjo in obdelavo. Za njihovo integracijo potrebujemo "dirigenta":-komunikacijo v realnem času. V tem članku bomo kot izhodišče za razpravo uporabili industrijsko 4.0, ki temelji-na komunikaciji in nadzoru v realnem času.
Dejavniki, ki spodbujajo razvoj velikih podatkov na področju avtomatizacije
Zaradi vpliva pandemije je postalo tovarniško delovanje brez človeškega posredovanja zelo priljubljeno. Zbiranje in ustrezna distribucija velikih podatkov (ki jih Oxfordski slovar opredeljuje kot izjemno velike nabore podatkov, ki lahko z računalniško analizo razkrijejo vzorce, trende in korelacije, zlasti tiste, ki so povezane s človeškim vedenjem in interakcijami) lahko podpira digitalne dvojčke, merjenje, zaračunavanje storitev in predvideno vzdrževanje. Na primer, dostop do velikih podatkov omogoča spremljanje zmogljivosti robotske roke in zdravja sistema, pa tudi hitrosti prenosa podatkov, temperature, vlažnosti, vibracij in več, s čimer se omogoči razvoj modelov umetne inteligence, ki lahko na podlagi velikih podatkov (digitalni dvojčki) predvidijo prihodnjo učinkovitost in zdravje. Da bi v celoti izkoristili te prednosti, je treba integrirati informacijsko tehnologijo (IT) in operativno tehnologijo (OT) za podporo internetnega protokola (IP) in sistemov RTC na robu. Logično se temu reče konvergenca IT in OT.
V Ethernetu omrežna plast in transportna plast modela odprtih sistemov (OSI) podpirata protokol za nadzor prenosa/internetni protokol (TCP/IP), tako da ethernet sam po sebi podpira IPv4 (in IPv6). Poleg tega lahko zanesljivo prenaša zahtevano količino informacij, zato postaja industrijski Ethernet vsebinski komunikacijski standard na področju konvergence industrijske avtomatizacije. Ker obstoječa infrastruktura običajno uporablja dvo-žične protokole, ki ne podpirajo lokalnega TCP/IP, se tradicionalna fieldbus še vedno uporabljajo za komunikacijo z robnimi napravami. Slika 1 prikazuje trenutne komunikacijske metode na področju industrijske avtomatizacije.
Slika 1: Trenutni komunikacijski načini na področju industrijske avtomatizacije
Način izvajanja industrijske komunikacije se spreminja. Ethernet z enim-parom (SPE) lahko ohrani obstoječo arhitekturo dvo{2}}žičnega sistema, hkrati pa podpira višje hitrosti in številne prednosti industrijskega etherneta. Napredna terenska diagnostika podpira porazdeljeno in centralizirano spremljanje in delovanje. Seveda lahko SPE ponovno uporabi obstoječo dvo-žično infrastrukturo, vzpostavljeno z več obstoječimi fieldbusi, s čimer poenostavi konvergenčno-nadgradnje in znatno zmanjša stroške.
Razumevanje Etherneta
Medtem ko je Ethernet odprt in vseprisoten v podjetniških aplikacijah, trenutno ni primeren za-aplikacije v realnem času, ker je prenos okvirjev IT Ethernet "po najboljših močeh" in neupravljan; napake so vedno nezaželene. Pri OT v realnem{2}}času imajo lahko napake hude posledice ali celo predstavljajo nevarnost. Sistemi RTC zahtevajo zanesljivo komunikacijo kot "ukazni center" sistema, ki zagotavlja, da sistem deluje, kot je predvideno, s čimer se izognete okvaram izdelka ali povzročitelju sistemske škode ali telesnih poškodb. Ker se IT Ethernet običajno uporablja v podjetniških ali potrošniških okoljih, redko naleti na okoljske izzive. V nasprotju s tem sistemi RTC pogosto delujejo v težkih okoljih.
Zahteva po robustnem, determinističnem obnašanju (kot je zanesljivost v širokih temperaturnih razponih, 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 izkoriščanje sistemov RTC.
Oglejmo si časovne značilnosti in kako se nanašajo na fizični sloj Ethernet (PHY).
Pomen časovnih karakteristik
V sistemih RTC obstajajo tri ključne časovne značilnosti:
Zamuda.V tem kontekstu je treba upoštevati zakasnitev, kot je zakasnitev širjenja: čas od trenutka, ko podatki vstopijo v sistem, podsistem ali komponento podsistema, do izstopa. 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.Če se čas prihoda podatkov znatno spreminja vsakič, ko gredo skozi sistem, postane nepomembno, kako nizka je zakasnitev. Ta sprememba v času prihoda je znana kot determinizem. Manjše tresenje kaže na boljši determinizem. Nizka determiniranost pomeni, da morate v sistem vgraditi manj rezerve, da se prilagodite različnim zamudam. Slika 2 prikazuje zakasnitev (208 ns) in determinizem (±2 ns) DP83826E. Ethernetni protokoli-v realnem času (kot je EtherCAT) lahko izkoristijo nizke in deterministične zakasnitve Ethernet PHY.
Slika 2: Zakasnitev in njena determiniranost
Sinhronizacija.Tudi časovna vezava celotnega sistema ali več celotnih sistemov ima določene prednosti. Da bi povečali učinkovitost in prepustnost ter obenem zagotovili varno delovanje, bodo morda morali različni podsistemi natančno vedeti, kdaj drug podsistem izvede določeno operacijo. Vsi industrijski protokoli Ethernet podpirajo neko obliko sinhronizacije. Časovno{3}}občutljivo omrežje (TSN) je primer časovne sinhronizacije za sisteme RTC. Inštitut inženirjev elektrotehnike in elektronike (IEEE) 1588v2, znan tudi kot Precision Time Protocol (PTP), pomaga več napravam ohranjati medsebojno sinhronizacijo. IEEE 802.1as, znan tudi kot generalizirani PTP (gPTP), dodatno omogoča sinhronizacijo za-časovno občutljive aplikacije, kot je RTC.
Zaključek
Uspešne RTC in komunikacijske uvedbe so temelj industrije 4.0. Vendar pa ne gre samo za doseganje industrije 4.0; z determinističnimi, sinhroniziranimi komunikacijskimi PHY z nizko-zakasnitvijo in industrijskimi ethernetnimi protokoli je mogoče vse instrumente združiti v čudovito simfonijo.