Представьте себе роботизированную руку, которая может сгибаться и вращаться, каждая ось которой оснащена высокоточными приводами двигателей, датчиками или машинным зрением, как будто исполняя симфонию движения. Однако без «дирижера», который сообщал бы каждому компоненту системы, когда и как выполнять соответствующие операции, роботизированная рука может издавать резкий лязг и металлический скрежет.
В предыдущих статьях об управлении-в реальном времени мы рассмотрели инструменты управления в реальном-времени (RTC), используемые для измерения, управления и обработки данных. Чтобы их объединить, нам нужен «проводник»: общение в-режиме реального времени. В этой статье мы будем использовать Industrial 4.0, основанную на-связи и управлении в реальном времени, в качестве отправной точки для обсуждения.
Факторы, способствующие развитию больших данных в области автоматизации
Из-за воздействия пандемии широкое распространение приобрели производственные операции без вмешательства человека. Сбор и правильное распространение больших данных (определяемых Оксфордским словарем как чрезвычайно большие наборы данных, которые могут выявить закономерности, тенденции и корреляции посредством компьютерного анализа, особенно тех, которые связаны с человеческим поведением и взаимодействиями) может способствовать созданию цифровых двойников, измерениям, выставлению счетов за услуги и прогнозному обслуживанию. Например, доступ к большим данным позволяет отслеживать производительность роботизированной руки и состояние системы, а также скорость передачи данных, температуру, влажность, вибрацию и многое другое, тем самым позволяя разрабатывать модели искусственного интеллекта, которые могут прогнозировать будущую производительность и работоспособность на основе больших данных (цифровые двойники). Чтобы в полной мере использовать эти преимущества, необходимо интегрировать информационные технологии (ИТ) и операционные технологии (OT) для поддержки Интернет-протокола (IP) и систем RTC на периферии. Логически это называется конвергенцией ИТ и ОТ.
В Ethernet сетевой уровень и транспортный уровень модели взаимодействия открытых систем (OSI) поддерживают протокол управления передачей/Интернет-протокол (TCP/IP), поэтому Ethernet по своей сути поддерживает IPv4 (и IPv6). Кроме того, он может надежно передавать необходимый объем информации, поэтому промышленный Ethernet становится важным стандартом связи в области конвергенции промышленной автоматизации. Поскольку в существующей инфраструктуре обычно используются двух-проводные протоколы, которые не поддерживают локальный TCP/IP, для связи с периферийными устройствами по-прежнему используются традиционные полевые шины. На рисунке 1 показаны современные методы связи в области промышленной автоматизации.
Рисунок 1. Современные методы коммуникации в области промышленной автоматизации.
Способ реализации промышленной связи претерпевает трансформацию. Одно-парный Ethernet (SPE) может поддерживать существующую двухпроводную архитектуру системы, а также поддерживать более высокие скорости и многочисленные преимущества промышленного Ethernet. Расширенная полевая диагностика поддерживает распределенный и централизованный мониторинг и эксплуатацию. Конечно, SPE может повторно использовать существующую двухпроводную инфраструктуру, созданную несколькими существующими полевыми шинами, тем самым упрощая конвергентные обновления-и значительно снижая затраты.
Понимание Ethernet
Хотя Ethernet открыт и повсеместно используется в корпоративных приложениях, в настоящее время он не подходит для приложений-реального времени, поскольку передача кадров IT-Ethernet является «максимальной» и неуправляемой; ошибки всегда нежелательны. При ОТ в реальном-времени ошибки могут иметь серьезные последствия или даже представлять опасность. Системы RTC требуют надежной связи в качестве «командного центра» системы, чтобы гарантировать, что система работает должным образом, что позволяет избежать сбоев продукта или повреждения системы или травм. Поскольку IT Ethernet обычно используется в корпоративных или потребительских средах, он редко сталкивается с экологическими проблемами. 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 пропускную способность и встроенную IP-связь для полного использования систем RTC.
Давайте посмотрим на временные характеристики и то, как они применяются к физическому уровню Ethernet (PHY).
Важность временных характеристик
В системах RTC есть три ключевые временные характеристики:
Задерживать.В этом контексте необходимо учитывать задержку, например задержку распространения: промежуток времени с момента поступления данных в систему, подсистему или компонент подсистемы до момента 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.Если время прибытия данных значительно меняется каждый раз, когда они проходят через систему, то насколько мала задержка, становится неважным. Это изменение времени прибытия известно как детерминизм. Меньший джиттер указывает на лучший детерминизм. Низкий детерминизм означает, что вам нужно встроить в систему меньший запас для компенсации различных задержек. На рисунке 2 показаны задержка (208 нс) и детерминированность (±2 нс) DP83826E. Протоколы Ethernet реального-времени (например, EtherCAT) могут использовать низкие и детерминированные характеристики задержки Ethernet PHY.
Рисунок 2: Задержка и ее детерминизм
Синхронизация.Связывание времени всей системы или нескольких полных систем также имеет определенные преимущества. Чтобы максимизировать эффективность и пропускную способность, обеспечивая при этом безопасную работу, различным подсистемам может потребоваться точно знать, когда другая подсистема выполняет определенную операцию. Все протоколы промышленного Ethernet поддерживают ту или иную форму синхронизации. Временная-сеть, чувствительная к времени (TSN), — это пример синхронизации времени для систем реального времени. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) 1588v2, также известный как протокол точного времени (PTP), помогает нескольким устройствам поддерживать синхронизацию друг с другом. IEEE 802.1as, также известный как Generalized PTP (gPTP), дополнительно обеспечивает синхронизацию для приложений,-чувствительных ко времени, таких как RTC.
Заключение
Успешное внедрение RTC и коммуникаций является краеугольным камнем Индустрии 4.0. Однако речь идет не только о достижении Индустрии 4.0; благодаря детерминированным, синхронизированным физическим уровням связи с низкой-задержкой и протоколам промышленного Ethernet все инструменты можно объединить для воспроизведения прекрасной симфонии.