Képzeljen el egy robotkart, amely hajlítható és foroghat, és minden tengelye rendkívül pontos motormeghajtókkal, érzékelőkkel vagy gépi látással van felszerelve, mintha a mozgás szimfóniáját adná elő. Ha azonban nincs "vezető", amely megmondja a rendszer egyes összetevőinek, hogy mikor és hogyan hajtsák végre a megfelelő műveleteket, a robotkar zörejű, csikorgó és fémes csikorgó hangokat adhat ki.
A valós idejű vezérlésről{0}} szóló korábbi cikkeinkben az érzékelésre, vezetésre és feldolgozásra használt valós idejű vezérlési (RTC){1}műszereket vizsgáltuk. Integrálásukhoz szükségünk van a „karmesterre”: a valós idejű-kommunikációra. Ebben a cikkben a valós idejű kommunikáción és vezérlésen alapuló ipari 4.0-t használjuk-a megbeszélések kiindulópontjaként.
A big data fejlődését ösztönző tényezők az automatizálás területén
A járvány hatása miatt az emberi beavatkozás nélküli gyári műveletek széles körben népszerűvé váltak. A big data gyűjtése és megfelelő elosztása (amelyet az Oxford Dictionary rendkívül nagy adathalmazokként határoz meg, amelyek számítási elemzéssel képesek feltárni mintákat, trendeket és összefüggéseket, különösen az emberi viselkedéssel és interakciókkal kapcsolatosakat) támogathatja a digitális ikreket, a mérést, a szolgáltatásszámlázást és a prediktív karbantartást. Például a nagy adatokhoz való hozzáférés lehetővé teszi a robotkar teljesítményének és a rendszer állapotának, valamint az adatátviteli sebességnek, a hőmérsékletnek, a páratartalomnak, a rezgésnek és egyebeknek a nyomon követését, ezáltal lehetővé válik olyan mesterséges intelligencia modellek kifejlesztése, amelyek a big data (digitális ikrek) alapján előre jelezhetik a jövőbeli teljesítményt és egészséget. Ezen előnyök teljes kiaknázásához szükség van az információs technológia (IT) és az operációs technológia (OT) integrálására, hogy támogassa az Internet Protocol (IP) és az RTC rendszereket a széleken. Logikusan ezt IT és OT konvergenciának nevezik.
Az Ethernetben az Open Systems Interconnection (OSI) modell hálózati rétege és szállítási rétege támogatja a Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) protokollt, így az Ethernet eleve támogatja az IPv4-et (és az IPv6-ot). Ezen túlmenően megbízhatóan képes továbbítani a szükséges mennyiségű információt, ezért az ipari Ethernet az ipari automatizálás konvergencia területén érdemi kommunikációs szabvánnyá válik. Mivel a meglévő infrastruktúra jellemzően két-vezetékes protokollt használ, amelyek nem támogatják a helyi TCP/IP-t, a hagyományos terepi buszokat továbbra is használják a szélső eszközökkel való kommunikációhoz. Az 1. ábra az ipari automatizálás területén jelenleg alkalmazott kommunikációs módszereket szemlélteti.
1. ábra: Jelenlegi kommunikációs módszerek az ipari automatizálás területén
Az ipari kommunikáció megvalósításának módja átalakulóban van. Az egy-páros Ethernet (SPE) képes fenntartani a meglévő két-vezetékes rendszerarchitektúrát, miközben támogatja az ipari Ethernet nagyobb sebességét és számos előnyét. A fejlett terepi diagnosztika támogatja az elosztott és központosított felügyeletet és működést. Természetesen az SPE újra felhasználhatja a meglévő két{5}}vezetékes infrastruktúrát, amelyet több meglévő terepi busz hoz létre, ezzel leegyszerűsítve a konvergencia{6}}alapú frissítéseket, és jelentősen csökkentve a költségeket.
Az Ethernet megértése
Míg az Ethernet nyitott és mindenütt jelen van a vállalati alkalmazásokban, jelenleg nem alkalmas valós idejű{0}}alkalmazásokhoz, mivel az IT Ethernet keretátvitel "legjobb erőfeszítés" és nem kezelhető; a hibák mindig nem kívánatosak. Valós idejű -OT esetén a hibák súlyos következményekkel járhatnak, vagy akár veszélyeket is hordozhatnak. Az RTC-rendszerek megbízható kommunikációt igényelnek, mivel a rendszer „irányítóközpontja” biztosítja a rendszer rendeltetésszerű működését, elkerülve ezzel a termékhibákat, illetve a rendszer károsodását vagy személyi sérülését. Mivel az IT Ethernetet jellemzően vállalati vagy fogyasztói környezetben használják, ritkán ütközik környezeti kihívásokkal. Ezzel szemben az RTC rendszerek gyakran zord környezetben működnek.
A robusztus, determinisztikus viselkedés (mint például a megbízhatóság széles hőmérsékleti tartományokban, zajos és koszos környezetben) és a nagyobb adatsebesség iránti igény ösztönözte az ipari Ethernet megjelenését. Az ipari Ethernet determinisztikus és robusztus, további sávszélességet és inherens IP-kapcsolatot biztosít az RTC-rendszerek teljes kihasználásához.
Vessünk egy pillantást az időzítési jellemzőkre, és hogyan vonatkoznak ezek az Ethernet fizikai rétegére (PHY).
Az időzítési jellemzők jelentősége
Az RTC rendszerekben három fő időzítési jellemző van:
Késleltetés.Ebben az összefüggésben figyelembe kell venni a késleltetést, például a terjedési késleltetést: az az idő, amely eltelt az adatok rendszerbe, alrendszerbe vagy alrendszer-összetevőbe való belépésétől a kilépésig. Például a TI DP83826E 10 Mbps/100 Mbps Ethernet PHY 208 ns-os kör-késleltetéssel rendelkezik. Az alacsonyabb késleltetés csökkentheti a ciklusidőt vagy növelheti a csomópontok számát a buszon.
Determinizmus.Ha az adatok érkezési ideje jelentősen változik minden alkalommal, amikor áthaladnak a rendszeren, akkor a késleltetés mértéke irrelevánssá válik. Az érkezési időnek ezt a változását determinizmusnak nevezik. Az alacsonyabb jitter jobb determinizmust jelez. Az alacsony determinizmus azt jelenti, hogy kevesebb tartalékot kell beépíteni a rendszerbe, hogy alkalmazkodjon a változó késésekhez. A 2. ábra a DP83826E késleltetését (208ns) és determinizmusát (±2ns) mutatja. A valós idejű Ethernet-protokollok (például az EtherCAT) kihasználhatják az Ethernet PHY alacsony és determinisztikus késleltetési jellemzőit.
2. ábra: Késleltetés és determinizmusa
Szinkronizálás.Egy egész rendszer vagy több komplett rendszer időzítésének összerendelése szintén bizonyos előnyökkel jár. A hatékonyság és az átviteli teljesítmény maximalizálása érdekében a biztonságos működés mellett a különböző alrendszereknek pontosan tudniuk kell, hogy egy másik alrendszer mikor hajt végre egy bizonyos műveletet. Minden ipari Ethernet protokoll támogatja a szinkronizálás valamilyen formáját. Az időérzékeny hálózat (TSN) egy példa az RTC-rendszerek időszinkronizálására. Az Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2, más néven Precision Time Protocol (PTP), segít több eszköznek fenntartani a szinkronizálást egymással. Az IEEE 802.1as, más néven Generalizált PTP (gPTP), továbbá lehetővé teszi az időérzékeny alkalmazások, például az RTC szinkronizálását.
Következtetés
A sikeres RTC és kommunikációs telepítések jelentik az Ipar 4.0 sarokkövét. Ez azonban nem csak az Ipar 4.0 eléréséről szól; determinisztikus, szinkronizált és alacsony{2}}késleltetésű kommunikációs PHY-kkel és ipari Ethernet-protokollokkal az összes hangszer kombinálható egy gyönyörű szimfónia megszólaltatásához.