Kujutage ette robotkätt, mis paindub ja pöörleb, kusjuures iga telg on varustatud väga täpsete mootoriajamite, andurite või masinnägemisega, justkui mängiks liikumise sümfooniat. Kuid ilma "juhita", mis ütleb süsteemi igale komponendile, millal ja kuidas oma vastavaid toiminguid teha, võib käsi teha karmi kokkupõrkeid ja metallist kriimustusi.
Reaalajas{0}}juhtimise seeria eelmistes artiklites vaatlesime{1}}reaalajas juhtimise (RTC) instrumente, mida kasutatakse tuvastamiseks, juhtimiseks ja töötlemiseks. Nende kõigi kokkuviimiseks on vaja "käsku": reaalajas-kommunikatsiooni. Selles artiklis kasutame arutelu lähtepunktina tööstus 4.0, mis põhineb reaalajas-kommunikatsioonil ja juhtimisel.
Suurandmete arengut automatiseerimises juhtivad tegurid
Inimese sekkumiseta tehaseoperatsioonid on epideemia tõttu muutunud populaarseks. Suurandmete kogumine ja nõuetekohane levitamine (Oxfordi sõnaraamatus määratletud kui väga suured andmekogumid, mida saab arvutuslikult analüüsida, et paljastada mustrid, suundumused ja korrelatsioonid, eriti seoses inimkäitumise ja suhtlemisega) võib toetada digitaalseid kaksikuid, mõõtmist, teenuste tasumist ja ennustavat hooldust. Näiteks võimaldab suurandmete olemasolu jälgida robotkäte jõudlust ja süsteemi töötingimusi, aga ka andmeedastuskiirust, temperatuuri, niiskust, vibratsiooni jne, mis viib mudelite (digikaksikute) väljatöötamiseni, mis suudavad ennustada tulevast jõudlust ja töötingimusi AI põhjal, mis õpib kasutama suurandmeid. Nende eeliste täielikuks kasutamiseks on vaja ühendada infotehnoloogia (IT) ja operatsioonitehnoloogia (OT), et toetada nii Interneti-protokolli (IP) kui ka RTC-süsteemi eeliseid. Loogiliselt nimetatakse seda IT ja OT lähenemiseks.
Ethernetis toetavad avatud süsteemide vastastikuse ühenduse (OSI) mudeli võrgu- ja transpordikihid edastusjuhtimisprotokolli/internetiprotokolli (TCP/IP), nii et Ethernet on oma olemuselt võimeline toetama IPv4 (ja IPv6). Lisaks sellele on suutlikkus vajalikul hulgal teavet deterministlikult edastada, miks Industrial Ethernet on muutumas oluliseks sidestandardiks tööstusautomaatika lähenevates valdkondades. Endiselt kasutatakse ääreseadmetega suhtlemiseks traditsioonilisi väljasiine, kuna olemasolevad infrastruktuurid kasutavad tavaliselt kahte-traadiprotokolli ega toeta natiivset TCP/IP-d. Joonis 1 illustreerib praegusi kommunikatsioonimeetodeid tööstusautomaatikas.
Joonis 1: Praegused kommunikatsioonimeetodid tööstusautomaatikas
Tööstuskommunikatsiooni rakendamine on hakanud muutuma. Single{1}}pair Ethernet (SPE) säilitab olemasoleva kahe-juhtmesüsteemi arhitektuuri, toetades samal ajal tööstusliku Etherneti kiiremaid kiirusi ja paljusid eeliseid. Täiustatud välidiagnostika toetab nii hajutatud kui ka tsentraliseeritud jälgimist ja toimimist. Ja loomulikult saab SPE taaskasutada olemasolevat kahe{5}}juhtmega infrastruktuuri, mis on ehitatud mitmest olemasolevast väljasiinist, lihtsustades konvergentsipõhist-täiendust ja minimeerides kulusid.
Etherneti sügavam mõistmine
Kuigi Ethernet on avatud ja ettevõtterakendustes üldlevinud, pole see praegu reaalajas{0}}rakenduste jaoks saadaval, kuna IT Etherneti kaadrite edastamine on "parim-jõud" ja kontrollimatu; igal juhul on vead tüütud. Reaalajas OT puhul võivad vigadel olla tõsised tagajärjed ja isegi ohtlikud olla ning RTC-süsteemid vajavad usaldusväärset sidet kui süsteemi "juhti", et tagada süsteemi kavandatud toimimine, vältides nii toote riket või süsteemi kahjustamist või personali vigastusi. Kuna IT Etherneti kasutatakse tavaliselt ettevõtete või tarbijate keskkondades, on keskkonnaprobleeme vähe. Seevastu RTC-süsteemid on sageli karmis keskkonnas.
Tööstusliku Etherneti tekkimise põhjuseks on vajadus jõulise, deterministliku käitumise (nt töökindlus laias temperatuurivahemikus, mürarikkas ja määrdunud keskkonnas) ja suurema andmeedastuskiiruse järele. Tööstuslik Ethernet on deterministlik ja vastupidav, pakkudes RTC-süsteemide täielikuks kasutamiseks täiendavat ribalaiust ja loomupärast IP-ühenduvust.
Siin on ülevaade ajastusomadustest ja nende rakendamisest Etherneti füüsilise kihi (PHY) puhul.
Ajastusomaduste tähtsus
RTC-süsteemis on kolm olulist ajastusomadust:
Viivitus.Selles kontekstis on oluline arvesse võtta viivitusi, nagu leviviivitus: aeg, mis kulub andmete süsteemi, alamsüsteemi või alamsüsteemi komponenti sisenemisest kuni nende lahkumiseni. Näiteks TI DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY edasi-tagasi-viivitus on 208ns. Väiksem latentsusaeg võib lühendada tsükliaega või suurendada siini sõlmede arvu.
Determinism.Pole tähtis, kui madal on latentsusaeg, kui saabumisaeg varieerub suuresti iga kord, kui andmed süsteemi läbivad. Seda saabumisaja erinevust nimetatakse determinismiks. Madal värin tähendab head determinismi. Madal determinism tähendab, et muutuva latentsusaega kohanemiseks tuleb süsteemi lisada vähem varu. Joonis 2 illustreerib DP83826E latentsust (208ns) ja determinismi (±2ns). Reaalajas kasutatavad Etherneti protokollid, nagu EtherCAT, saavad ära kasutada Etherneti PHY madalamaid deterministlikke latentsusomadusi.
Joonis 2: Viivitus ja selle kindlusSünkroonimine. Samuti on eeliseid kogu süsteemi või mitme tervikliku süsteemi ajastuse sidumisel. Tõhususe ja läbilaskevõime maksimeerimiseks, tagades samas ohutu töö, võivad erinevad alamsüsteemid vajada täpselt "teadmist", millal mõni teine alamsüsteem toimingut tegema hakkab. Kõik tööstuslikud Etherneti protokollid toetavad mingit sünkroonimist. Time Sensitive Networking (TSN) on RTC-süsteemide aja sünkroonimise näide. Elektri- ja elektroonikainseneride instituut (IEEE) 1588v2, Precision Time Protocol (PTP) aitab hoida mitut seadet üksteisega sünkroonituna, ja IEEE 802.1as, tuntud ka kui üldistatud PTP (gPTP), hõlbustab veelgi ajatundlike rakenduste (nt RTC) sünkroonimist.
Järeldus
Edukad RTC ja side kasutuselevõtt on Tööstus 4.0 nurgakivi. Kuid enamat kui lihtsalt Industry 4.0 lubamine koos deterministliku, sünkroonitud ja madala-latentsusega side PHY-de ja Industrial Etherneti protokollidega – kõik instrumendid saavad kauni muusika tegemiseks kokku tulla.