Φανταστείτε έναν ρομποτικό βραχίονα που μπορεί να λυγίζει και να περιστρέφεται, με κάθε άξονα εξοπλισμένο με οδηγούς κινητήρα, αισθητήρες ή μηχανική όραση υψηλής ακρίβειας, σαν να εκτελεί μια συμφωνία κίνησης. Ωστόσο, χωρίς έναν «αγωγό» που να λέει σε κάθε στοιχείο του συστήματος πότε και πώς να εκτελέσει τις αντίστοιχες λειτουργίες του, ο ρομποτικός βραχίονας μπορεί να παράγει ταραχώδεις ήχους κρότουλας και μεταλλικής λείανσης.
Σε προηγούμενα άρθρα σχετικά με τον-έλεγχο πραγματικού χρόνου, εξερευνήσαμε όργανα ελέγχου πραγματικού χρόνου (RTC) που χρησιμοποιούνται για ανίχνευση, οδήγηση και επεξεργασία. Για να τα ενσωματώσουμε, χρειαζόμαστε τον "αγωγό": επικοινωνία σε πραγματικό-χρόνο. Σε αυτό το άρθρο, θα χρησιμοποιήσουμε το industrial 4.0 που βασίζεται σε-επικοινωνία και έλεγχο σε πραγματικό χρόνο ως σημείο εκκίνησης για συζήτηση.
Παράγοντες που οδηγούν την ανάπτυξη μεγάλων δεδομένων στον τομέα της αυτοματοποίησης
Λόγω των επιπτώσεων της πανδημίας, οι εργασίες εργοστασίων χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση έχουν γίνει ευρέως δημοφιλείς. Η συλλογή και η κατάλληλη διανομή μεγάλων δεδομένων (που ορίζονται από το Λεξικό της Οξφόρδης ως εξαιρετικά μεγάλα σύνολα δεδομένων που μπορούν να αποκαλύψουν μοτίβα, τάσεις και συσχετισμούς μέσω υπολογιστικής ανάλυσης, ιδιαίτερα εκείνων που σχετίζονται με την ανθρώπινη συμπεριφορά και αλληλεπιδράσεις) μπορεί να υποστηρίξει ψηφιακά δίδυμα, μέτρηση, χρέωση υπηρεσιών και προγνωστική συντήρηση. Για παράδειγμα, η πρόσβαση σε μεγάλα δεδομένα επιτρέπει την παρακολούθηση της απόδοσης του ρομποτικού βραχίονα και της υγείας του συστήματος, καθώς και των ρυθμών δεδομένων, της θερμοκρασίας, της υγρασίας, των κραδασμών και πολλά άλλα, επιτρέποντας έτσι την ανάπτυξη μοντέλων AI που μπορούν να προβλέψουν τη μελλοντική απόδοση και την υγεία με βάση μεγάλα δεδομένα (ψηφιακά δίδυμα). Για την πλήρη αξιοποίηση αυτών των πλεονεκτημάτων, είναι απαραίτητο να ενσωματωθεί η τεχνολογία πληροφοριών (IT) και η επιχειρησιακή τεχνολογία (OT) για την υποστήριξη πρωτοκόλλων Διαδικτύου (IP) και συστημάτων RTC στην αιχμή. Λογικά, αυτό αναφέρεται ως σύγκλιση IT και OT.
Στο Ethernet, το επίπεδο δικτύου και το επίπεδο μεταφοράς του μοντέλου Open Systems Interconnection (OSI) υποστηρίζουν το Πρωτόκολλο Ελέγχου Μετάδοσης/Πρωτόκολλο Διαδικτύου (TCP/IP), επομένως το Ethernet υποστηρίζει εγγενώς το IPv4 (και το IPv6). Επιπλέον, μπορεί να μεταδώσει αξιόπιστα τον απαιτούμενο όγκο πληροφοριών, γι' αυτό το βιομηχανικό Ethernet γίνεται ένα ουσιαστικό πρότυπο επικοινωνίας στον τομέα της σύγκλισης βιομηχανικού αυτοματισμού. Δεδομένου ότι η υπάρχουσα υποδομή χρησιμοποιεί συνήθως δύο-πρωτόκολλα καλωδίων που δεν υποστηρίζουν τοπικό TCP/IP, οι παραδοσιακοί διαύλους πεδίου εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται για επικοινωνία με συσκευές άκρων. Το Σχήμα 1 απεικονίζει τις τρέχουσες μεθόδους επικοινωνίας στον τομέα του βιομηχανικού αυτοματισμού.
Εικόνα 1: Τρέχουσες μέθοδοι επικοινωνίας στον τομέα του βιομηχανικού αυτοματισμού
Ο τρόπος με τον οποίο υλοποιείται η βιομηχανική επικοινωνία υφίσταται μεταμόρφωση. Ένα-ζεύγος Ethernet (SPE) μπορεί να διατηρήσει την υπάρχουσα αρχιτεκτονική συστήματος δύο-καλωδίων ενώ υποστηρίζει επίσης τις μεγαλύτερες ταχύτητες και τα πολυάριθμα πλεονεκτήματα του βιομηχανικού Ethernet. Προηγμένη υποστήριξη διαγνωστικών πεδίου κατανεμημένη και κεντρική παρακολούθηση και λειτουργία. Φυσικά, η SPE μπορεί να επαναχρησιμοποιήσει την υπάρχουσα υποδομή δύο-καλωδίων που έχουν δημιουργηθεί από πολλαπλούς υπάρχοντες διαύλους πεδίου, απλοποιώντας έτσι τις αναβαθμίσεις που προκαλούνται από τη σύγκλιση-και μειώνοντας σημαντικά το κόστος.
Κατανόηση του Ethernet
Ενώ το Ethernet είναι ανοιχτό και πανταχού παρόν σε εταιρικές εφαρμογές, επί του παρόντος δεν είναι κατάλληλο για εφαρμογές πραγματικού-χρόνου, επειδή η μετάδοση πλαισίου IT Ethernet είναι "καλύτερη προσπάθεια" και δεν διαχειρίζεται. τα λάθη είναι πάντα ανεπιθύμητα. Για το OT σε πραγματικό-χρόνο, τα σφάλματα μπορεί να έχουν σοβαρές συνέπειες ή ακόμη και να θέτουν κινδύνους. Τα συστήματα RTC απαιτούν αξιόπιστη επικοινωνία ως το "κέντρο εντολών" του συστήματος για να διασφαλιστεί ότι το σύστημα λειτουργεί όπως προβλέπεται, αποφεύγοντας έτσι βλάβες του προϊόντος ή πρόκληση ζημιάς στο σύστημα ή προσωπικούς τραυματισμούς. Δεδομένου ότι το IT Ethernet χρησιμοποιείται συνήθως σε περιβάλλοντα επιχειρήσεων ή καταναλωτών, σπάνια αντιμετωπίζει περιβαλλοντικές προκλήσεις. Αντίθετα, τα συστήματα RTC λειτουργούν συχνά σε σκληρά περιβάλλοντα.
Η ζήτηση για ισχυρή, ντετερμινιστική συμπεριφορά (όπως αξιοπιστία σε μεγάλα εύρη θερμοκρασιών, θορυβώδη και βρώμικα περιβάλλοντα) και υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων έχει οδηγήσει στην εμφάνιση του βιομηχανικού Ethernet. Το Industrial Ethernet είναι ντετερμινιστικό και ισχυρό, παρέχοντας πρόσθετο εύρος ζώνης και εγγενή συνδεσιμότητα IP για την πλήρη αξιοποίηση των συστημάτων RTC.
Ας ρίξουμε μια ματιά στα χαρακτηριστικά χρονισμού και πώς εφαρμόζονται στο φυσικό επίπεδο Ethernet (PHY).
Η σημασία των χαρακτηριστικών χρονισμού
Υπάρχουν τρία βασικά χαρακτηριστικά χρονισμού στα συστήματα RTC:
Καθυστέρηση.Σε αυτό το πλαίσιο, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η καθυστέρηση, όπως η καθυστέρηση διάδοσης: το χρονικό διάστημα από τη στιγμή που τα δεδομένα εισέρχονται στο σύστημα, το υποσύστημα ή το στοιχείο του υποσυστήματος μέχρι την έξοδό τους. Για παράδειγμα, το DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY της TI έχει καθυστέρηση μετ' επιστροφής 208ns. Η μικρότερη καθυστέρηση μπορεί να μειώσει τον χρόνο κύκλου ή να αυξήσει τον αριθμό των κόμβων στο δίαυλο.
Αιτιοκρατία.Εάν ο χρόνος άφιξης των δεδομένων ποικίλλει σημαντικά κάθε φορά που διέρχονται από το σύστημα, τότε το πόσο χαμηλή είναι η καθυστέρηση καθίσταται άσχετη. Αυτή η διακύμανση του χρόνου άφιξης είναι γνωστή ως ντετερμινισμός. Το χαμηλότερο jitter δείχνει καλύτερο ντετερμινισμό. Ο χαμηλός ντετερμινισμός σημαίνει ότι πρέπει να δημιουργήσετε λιγότερα περιθώρια στο σύστημα για να αντιμετωπίσετε τις ποικίλες καθυστερήσεις. Το σχήμα 2 δείχνει την καθυστέρηση (208ns) και τον ντετερμινισμό (±2ns) του DP83826E. Τα πρωτόκολλα Ethernet σε πραγματικό-χρόνο (όπως το EtherCAT) μπορούν να αξιοποιήσουν τα χαρακτηριστικά χαμηλού και ντετερμινιστικού λανθάνοντος χρόνου του Ethernet PHY.
Εικόνα 2: Η καθυστέρηση και ο ντετερμινισμός της
Συγχρονισμός.Η σύνδεση του χρονισμού ενός ολόκληρου συστήματος ή πολλών πλήρων συστημάτων μαζί έχει επίσης ορισμένα πλεονεκτήματα. Προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η απόδοση και η απόδοση και να διασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία, διαφορετικά υποσυστήματα μπορεί να χρειαστεί να γνωρίζουν ακριβώς πότε ένα άλλο υποσύστημα εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία. Όλα τα βιομηχανικά πρωτόκολλα Ethernet υποστηρίζουν κάποια μορφή συγχρονισμού. Το Time-Το Sensitive Networking (TSN) είναι ένα παράδειγμα συγχρονισμού χρόνου για συστήματα RTC. Το Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2, γνωστό και ως Precision Time Protocol (PTP), βοηθά πολλές συσκευές να διατηρήσουν το συγχρονισμό μεταξύ τους. Το IEEE 802.1as, γνωστό και ως Generalized PTP (gPTP), επιτρέπει περαιτέρω το συγχρονισμό για εφαρμογές ευαίσθητες στο χρόνο, όπως το RTC.
Σύναψη
Οι επιτυχημένες αναπτύξεις RTC και επικοινωνίας αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο του Industry 4.0. Ωστόσο, δεν πρόκειται μόνο για την επίτευξη του Industry 4.0. με ντετερμινιστικά, συγχρονισμένα και χαμηλής-αποστολής PHY επικοινωνίας και βιομηχανικά πρωτόκολλα Ethernet, όλα τα όργανα μπορούν να συνδυαστούν για να παίξουν μια όμορφη συμφωνία.