Imaginați-vă un braț robotic care se poate îndoi și se poate roti, fiecare axă fiind echipată cu drivere de motoare de înaltă precizie, senzori sau viziune artificială, ca și cum ar realiza o simfonie de mișcare. Cu toate acestea, fără un „conductor” care să spună fiecărei componente a sistemului când și cum să-și execute operațiunile respective, brațul robotizat ar putea produce sunete de zgomot și zgomot metalic.
În articolele anterioare despre controlul în timp real, am explorat instrumentele de control în timp real (RTC) utilizate pentru detectarea, conducerea și procesarea. Pentru a le integra, avem nevoie de „dirijorul”: comunicarea în timp real. În acest articol, vom folosi industrial 4.0 bazat pe comunicare și control în timp real ca punct de plecare pentru discuții.
Factorii care determină dezvoltarea datelor mari în domeniul automatizării
Datorită impactului pandemiei, operațiunile din fabrică fără intervenție umană au devenit foarte populare. Colectarea și distribuirea adecvată a datelor mari (definite de Dicționarul Oxford ca seturi de date extrem de mari care pot dezvălui modele, tendințe și corelații prin analiză computațională, în special cele legate de comportamentul uman și interacțiunile) poate sprijini gemeni digitali, contorizare, facturare a serviciilor și întreținere predictivă. De exemplu, accesul la date mari permite monitorizarea performanței brațului robotic și a sănătății sistemului, precum și a ratelor de date, a temperaturii, umidității, vibrațiilor și multe altele, permițând astfel dezvoltarea de modele AI care pot prezice performanța și sănătatea viitoare pe baza datelor mari (gemeni digitale). Pentru a valorifica pe deplin aceste avantaje, este necesar să se integreze tehnologia informației (IT) și tehnologia operațională (OT) pentru a susține protocolul Internet (IP) și sistemele RTC la margine. În mod logic, aceasta este denumită convergență IT și OT.
În Ethernet, stratul de rețea și stratul de transport al modelului Open Systems Interconnection (OSI) acceptă Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), astfel încât Ethernet acceptă în mod inerent IPv4 (și IPv6). În plus, poate transmite în mod fiabil cantitatea necesară de informații, motiv pentru care Ethernet industrial devine un standard de comunicare substanțial în domeniul convergenței automatizării industriale. Deoarece infrastructura existentă utilizează de obicei protocoale cu două fire care nu acceptă TCP/IP local, magistralele de câmp tradiționale sunt încă folosite pentru comunicarea cu dispozitivele de vârf. Figura 1 ilustrează metodele actuale de comunicare în domeniul automatizării industriale.
Figura 1: Metode actuale de comunicare în domeniul automatizării industriale
Modul în care este implementată comunicarea industrială este în curs de transformare. Ethernet-ul cu o singură pereche (SPE) poate menține arhitectura existentă a sistemului cu două fire, susținând în același timp viteze mai mari și numeroase avantaje ale Ethernetului industrial. Diagnosticarea avansată de teren susține monitorizarea și funcționarea distribuite și centralizate. Desigur, SPE poate reutiliza infrastructura existentă cu două fire stabilită de mai multe magistrale de teren existente, simplificând astfel upgrade-urile bazate pe convergență și reducând semnificativ costurile.
Înțelegerea Ethernet-ului
În timp ce Ethernetul este deschis și omniprezent în aplicațiile de întreprindere, în prezent nu este potrivit pentru aplicațiile în timp real, deoarece transmisia de cadre IT Ethernet este „cel mai bun efort” și negestionată; erorile sunt întotdeauna nedorite. Pentru OT în timp real, erorile pot avea consecințe grave sau chiar pot prezenta pericole. Sistemele RTC necesită o comunicare fiabilă ca „centrul de comandă” al sistemului pentru a se asigura că sistemul funcționează conform intenției, evitând astfel defecțiunile produsului sau provocând daune sistemului sau vătămări corporale. Întrucât IT Ethernet este utilizat în mod obișnuit în mediile de întreprindere sau consumatori, rareori se confruntă cu provocări de mediu. În schimb, sistemele RTC funcționează adesea în medii dure.
Cererea pentru un comportament robust, determinist (cum ar fi fiabilitatea în intervale largi de temperatură, medii zgomotoase și murdare) și rate de date mai mari au determinat apariția Ethernetului industrial. Ethernet industrial este determinist și robust, oferind lățime de bandă suplimentară și conectivitate IP inerentă pentru a utiliza pe deplin sistemele RTC.
Să aruncăm o privire asupra caracteristicilor de sincronizare și a modului în care acestea se aplică stratului fizic Ethernet (PHY).
Importanța caracteristicilor de sincronizare
Există trei caracteristici cheie de sincronizare în sistemele RTC:
Întârziere.În acest context, trebuie luată în considerare întârzierea, cum ar fi întârzierea de propagare: perioada de timp de la momentul în care datele intră în sistem, subsistem sau componenta subsistemului până la ieșire. De exemplu, DP83826E TI 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY are o întârziere dus-întors de 208ns. O întârziere mai mică poate reduce timpul ciclului sau poate crește numărul de noduri de pe magistrală.
Determinism.Dacă timpul de sosire a datelor variază semnificativ de fiecare dată când acestea trec prin sistem, atunci cât de mică este întârzierea devine irelevant. Această variație a timpului de sosire este cunoscută sub numele de determinism. Un jitter mai mic indică un determinism mai bun. Determinismul scăzut înseamnă că trebuie să construiți o marjă mai mică în sistem pentru a face față diferitelor întârzieri. Figura 2 prezintă întârzierea (208ns) și determinismul (±2ns) ale DP83826E. Protocoalele Ethernet în timp real (cum ar fi EtherCAT) pot valorifica caracteristicile de latență scăzută și deterministă ale Ethernet PHY.
Figura 2: Întârzierea și determinismul acesteia
Sincronizare.Legarea timpului unui întreg sistem sau mai multor sisteme complete împreună are, de asemenea, anumite avantaje. Pentru a maximiza eficiența și debitul, asigurând în același timp o funcționare sigură, diferitele subsisteme ar putea avea nevoie să știe exact când un alt subsistem efectuează o anumită operațiune. Toate protocoalele Ethernet industriale acceptă o anumită formă de sincronizare. Time-Sensitive Networking (TSN) este un exemplu de sincronizare a timpului pentru sistemele RTC. Institutul de Ingineri Electrici și Electronici (IEEE) 1588v2, cunoscut și sub numele de Precision Time Protocol (PTP), ajută mai multe dispozitive să mențină sincronizarea între ele. IEEE 802.1as, cunoscut și ca PTP generalizat (gPTP), permite în continuare sincronizarea pentru aplicații sensibile la timp, cum ar fi RTC.
Concluzie
Implementările de succes RTC și comunicare sunt piatra de temelie a Industriei 4.0. Cu toate acestea, nu este vorba doar despre atingerea Industriei 4.0; cu PHY-uri de comunicare deterministe, sincronizate și cu latență scăzută și protocoale Ethernet industriale, toate instrumentele pot fi combinate pentru a cânta o simfonie frumoasă.