Predstavte si robotické rameno, ktoré sa ohýba a otáča, pričom každá os je vybavená veľmi presnými motorovými pohonmi, senzormi alebo strojovým videním, akoby hrala symfóniu pohybu. Ale bez „vodiča“, ktorý by každému komponentu systému povedal, kedy a ako má vykonať príslušné činnosti, môže rameno spôsobiť tvrdé kolízie a kovové škrabance.
V predchádzajúcich článkoch zo série{0}Ovládanie v reálnom čase sme sa zaoberali-prístrojmi na riadenie v reálnom čase (RTC), ktoré sa používajú na snímanie, riadenie a spracovanie. Na ich zjednotenie je potrebný „príkaz“: komunikácia v-reálnom čase. V tomto článku použijeme Industry 4.0 založený na-komunikácii a kontrole v reálnom čase ako východiskový bod našej diskusie.
Faktory, ktoré riadia vývoj veľkých dát v automatizácii
Prevádzka v továrni bez zásahu človeka sa vďaka epidémii stala populárnou. Zhromažďovanie a správna distribúcia veľkých údajov (definovaných Oxfordským slovníkom ako veľmi veľké súbory údajov, ktoré možno výpočtovo analyzovať na odhalenie vzorcov, trendov a korelácií, najmä vo vzťahu k ľudskému správaniu a interakciám) môže podporiť digitálne dvojčatá, meranie, spoplatňovanie služieb a prediktívnu údržbu. Napríklad dostupnosť veľkých údajov umožňuje monitorovať výkon robotických ramien a prevádzkové podmienky systému, ako aj rýchlosti prenosu údajov, teplotu, vlhkosť, vibrácie atď., čo vedie k vývoju modelov (digitálnych dvojčiat) schopných predpovedať budúci výkon a prevádzkové podmienky na základe AI, ktorá sa učí pomocou veľkých údajov. Pre plné využitie týchto výhod je potrebné skombinovať informačné technológie (IT) a operačné technológie (OT), aby bolo možné podporovať internetový protokol (IP), ako aj okraj RTC systému. Logicky sa tomu hovorí IT a OT konvergencia.
V Ethernete podporujú sieťové a transportné vrstvy modelu OSI (Open Systems Interconnection) protokol TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), takže Ethernet je vo svojej podstate schopný podporovať IPv4 (a IPv6). Okrem toho, schopnosť prenášať požadované množstvo informácií deterministicky je dôvodom, prečo sa priemyselný Ethernet stáva podstatným komunikačným štandardom v konvergujúcich oblastiach priemyselnej automatizácie. Tradičné priemyselné zbernice sa stále používajú na komunikáciu s okrajovými zariadeniami, pretože existujúce infraštruktúry zvyčajne používajú dva-drôtové protokoly a nepodporujú natívny TCP/IP. Obrázok 1 znázorňuje súčasné komunikačné metódy v priemyselnej automatizácii.
Obrázok 1: Súčasné spôsoby komunikácie v priemyselnej automatizácii
Spôsob implementácie priemyselných komunikácií sa začal meniť. Jedno-párový Ethernet (SPE) zachováva existujúce dvoj{2}}drôtové systémové architektúry a zároveň podporuje vyššie rýchlosti a mnohé výhody priemyselného Ethernetu. Pokročilá diagnostika v teréne podporuje distribuované aj centralizované monitorovanie a prevádzku. A, samozrejme, SPE môže znova použiť existujúce dvoj{5}}drôtové infraštruktúry vybudované z viacerých existujúcich prevádzkových zberníc, čo zjednodušuje inovácie{6}}poháňané konvergenciou a minimalizuje náklady.
Hlbšie pochopenie Ethernetu
Ethernet je síce otvorený a všadeprítomný v podnikových aplikáciách, no v súčasnosti nie je dostupný pre aplikácie v reálnom čase-, pretože prenos IT ethernetových rámcov je „najlepšou-snahou“ a je nekontrolovaný; v každom prípade sú chyby nepríjemné. V prípade OT v reálnom-čase môžu mať chyby vážne následky a môžu byť dokonca nebezpečné. Systémy RTC potrebujú spoľahlivú komunikáciu ako „dirigenta“ systému, aby sa zabezpečilo, že systém bude fungovať podľa plánu, čím sa zabráni zlyhaniu produktu alebo poškodeniu systému alebo zraneniu personálu. Keďže IT Ethernet sa zvyčajne používa v podnikových alebo spotrebiteľských prostrediach, existuje len málo environmentálnych problémov. Naproti tomu systémy RTC sú často v drsnom prostredí.
Potreba robustného, deterministického správania (napr. spoľahlivosť v širokom rozsahu teplôt, v hlučnom a špinavom prostredí) a vyšších dátových rýchlostí podnietila vznik priemyselného Ethernetu. Priemyselný Ethernet je deterministický a robustný, poskytuje dodatočnú šírku pásma a vlastnú IP konektivitu na plné využitie RTC systémov.
Tu je pohľad na charakteristiky časovania a ako sa vzťahujú na fyzickú vrstvu Ethernet (PHY).
Význam časových charakteristík
V systéme RTC sú tri dôležité charakteristiky časovania:
Oneskorenie.V tejto súvislosti je dôležité vziať do úvahy oneskorenia, ako je oneskorenie šírenia: dĺžka času od vstupu údajov do systému, subsystému alebo komponentu subsystému až po ich odchod. Napríklad 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY od TI DP83826E má spiatočné- oneskorenie 208 ns. Nižšia latencia môže skrátiť čas cyklu alebo zvýšiť počet uzlov na zbernici.
Determinizmus.Nezáleží na tom, aká nízka je latencia, ak sa čas príchodu výrazne líši pri každom prechode údajov systémom. Táto zmena v čase príchodu je známa ako determinizmus. Nízky jitter znamená dobrý determinizmus. Nízky determinizmus znamená, že musíte do systému zabudovať menšiu rezervu, aby ste sa prispôsobili zmene latencie. Obrázok 2 znázorňuje latenciu (208ns) a determinizmus (±2ns) DP83826E. Ethernetové protokoly-v reálnom čase, ako napríklad EtherCAT, môžu využívať nižšie, deterministické charakteristiky latencie ethernetových PHY.
Obrázok 2: Oneskorenie a jeho istotaSynchronizácia. Sú tu tiež výhody zviazania načasovania celého systému alebo niekoľkých kompletných systémov dohromady. Aby sa maximalizovala efektívnosť a priepustnosť a zároveň sa zabezpečila bezpečná prevádzka, rôzne podsystémy môžu potrebovať „presne vedieť“, kedy iný podsystém vykoná operáciu. Všetky protokoly priemyselného Ethernetu podporujú určitý druh synchronizácie. Time Sensitive Networking (TSN) je príkladom časovej synchronizácie pre RTC systémy. Inštitút elektrických a elektronických inžinierov (IEEE) 1588v2, Precision Time Protocol (PTP), pomáha udržiavať synchronizáciu viacerých zariadení medzi sebou a IEEE 802.1as, tiež známy ako generalizované PTP (gPTP), ďalej uľahčuje synchronizáciu pre aplikácie citlivé na čas-, ako je RTC.
Záver
Úspešné nasadenia RTC a komunikácie sú základným kameňom Industry 4.0. Ale viac než len umožnenie Industry 4.0, s deterministickými, synchronizovanými a-komunikačnými protokolmi PHY s nízkou latenciou a protokolmi priemyselného Ethernetu, všetky nástroje sa môžu spojiť a vytvoriť nádhernú hudbu.