Представьте себе роботизированную руку, которая сгибается и вращается, каждая ось которой оснащена очень точными моторными приводами, датчиками или машинным зрением, как будто играя симфонию движения. Но без «проводника», который сообщал бы каждому компоненту системы, когда и как выполнять соответствующие действия, рука может совершать резкие столкновения и металлические царапины.
В предыдущих статьях серии-Управление в реальном времени мы рассмотрели инструменты управления-в реальном времени (RTC), используемые для измерения, управления и обработки данных. Чтобы собрать их все вместе, требуется «команда»: связь в-режиме реального времени. В этой статье мы будем использовать Индустрию 4.0, основанную на-связи и управлении в реальном времени, в качестве отправной точки для нашего обсуждения.
Факторы, способствующие развитию больших данных в автоматизации
Работа заводов без вмешательства человека стала популярной из-за эпидемии. Сбор и правильное распространение больших данных (определяемых в Оксфордском словаре как очень большие наборы данных, которые можно проанализировать с помощью вычислений для выявления закономерностей, тенденций и корреляций, особенно в отношении человеческого поведения и взаимодействий) могут способствовать созданию цифровых двойников, измерениям, взиманию платы за услуги и профилактическому обслуживанию. Например, наличие больших данных позволяет отслеживать производительность роботизированных манипуляторов и условия эксплуатации системы, а также скорость передачи данных, температуру, влажность, вибрацию и т. д., что приводит к разработке моделей (цифровых двойников), способных прогнозировать будущую производительность и условия эксплуатации на основе ИИ, который обучается с использованием больших данных. Чтобы в полной мере воспользоваться этими преимуществами, необходимо объединить информационные технологии (ИТ) и технологии операций (OT), чтобы иметь возможность поддерживать Интернет-протокол (IP), а также периферию системы RTC. Логически это называется конвергенцией ИТ и ОТ.
В Ethernet сетевой и транспортный уровни модели взаимодействия открытых систем (OSI) поддерживают протокол управления передачей/Интернет-протокол (TCP/IP), поэтому Ethernet по своей сути способен поддерживать IPv4 (и IPv6). В дополнение к этому, способность детерминированной передачи необходимого объема информации является причиной того, что Industrial Ethernet становится важным стандартом связи в конвергентных областях промышленной автоматизации. Традиционные полевые шины по-прежнему используются для связи с периферийными устройствами, поскольку существующие инфраструктуры обычно используют двух-проводные протоколы и не поддерживают собственный TCP/IP. На рисунке 1 показаны современные методы связи в промышленной автоматизации.
Рисунок 1. Современные методы связи в промышленной автоматизации.
Способы реализации промышленных коммуникаций начали меняться. Одно-парный Ethernet (SPE) поддерживает существующие архитектуры двух-системных систем, одновременно поддерживая более высокие скорости и многие преимущества промышленного Ethernet. Расширенная полевая диагностика поддерживает как распределенный, так и централизованный мониторинг и эксплуатацию. И, конечно же, SPE может повторно использовать существующие двух-проводные инфраструктуры, построенные на основе нескольких существующих полевых шин, что упрощает-модернизацию на основе конвергенции и минимизирует затраты.
Более глубокое понимание Ethernet
Несмотря на то, что Ethernet открыт и повсеместно используется в корпоративных приложениях, в настоящее время он недоступен для приложений-реального времени, поскольку передача кадров IT-Ethernet является "максимальной-возможностью" и неконтролируемой; в любом случае ошибки раздражают. При ОТ в режиме-времени ошибки могут иметь серьезные последствия и даже быть опасными, а системам RTC необходима надежная связь в качестве «проводника» системы, чтобы гарантировать, что система работает должным образом, что позволяет избежать сбоя продукта, повреждения системы или травмирования персонала. Поскольку IT Ethernet обычно используется в корпоративных или потребительских средах, экологических проблем здесь немного. Напротив, системы RTC часто работают в суровых условиях.
Потребность в надежном, детерминированном поведении (например, надежности в широком диапазоне температур, в шумной и грязной среде) и более высоких скоростях передачи данных привела к появлению промышленного Ethernet. Промышленный Ethernet является детерминированным и надежным, обеспечивая дополнительную полосу пропускания и встроенную IP-связь для полного использования систем RTC.
Ниже рассмотрим временные характеристики и то, как они применяются к физическому уровню Ethernet (PHY).
Важность временных характеристик
В системе RTC есть три важные временные характеристики:
Задерживать.В этом контексте важно учитывать такие задержки, как задержка распространения: промежуток времени с момента поступления данных в систему, подсистему или компонент подсистемы до их выхода. Например, у физического уровня Ethernet 10 Мбит/с/100 Мбит/с TI DP83826E задержка туда и обратно- составляет 208 нс. Меньшая задержка может сократить время цикла или увеличить количество узлов на шине.
Детерминизм.Не имеет значения, насколько мала задержка, если время прибытия сильно меняется каждый раз, когда данные проходят через систему. Это изменение времени прибытия известно как детерминизм. Низкий уровень джиттера означает хороший детерминизм. Низкий детерминизм означает, что вам нужно встроить в систему меньший запас, чтобы приспособиться к изменяющейся задержке. На рисунке 2 показаны задержка (208 нс) и детерминированность (±2 нс) DP83826E. Протоколы-Ethernet реального времени, такие как EtherCAT, могут использовать преимущества более низких детерминированных характеристик задержки PHY Ethernet.
Рисунок 2. Задержка и ее определенностьСинхронизация. Есть также преимущества в объединении времени всей системы или нескольких полных систем. Чтобы максимизировать эффективность и пропускную способность, обеспечивая при этом безопасную работу, различным подсистемам может потребоваться точно «знать», когда другая подсистема собирается выполнить операцию. Все протоколы Industrial Ethernet поддерживают некоторую синхронизацию. Сеть, чувствительная к времени (TSN), является примером синхронизации времени для систем RTC. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) 1588v2, протокол точного времени (PTP), помогает синхронизировать несколько устройств друг с другом, а стандарт IEEE 802.1as, также известный как обобщенный PTP (gPTP), дополнительно упрощает синхронизацию приложений,-чувствительных ко времени, таких как RTC.
Заключение
Успешное развертывание RTC и коммуникаций является краеугольным камнем Индустрии 4.0. Но это не просто реализация Индустрии 4.0 с детерминированными, синхронизированными и малозадержными PHY-интерфейсами и протоколами Industrial Ethernet. Все инструменты могут объединиться для создания прекрасной музыки.