Kujutage ette robotkätt, mis võib painduda ja pöörata ning mille iga telg on varustatud ülitäpsete mootorijuhtide, andurite või masinnägemisega, justkui esitaks liikumise sümfooniat. Kuid ilma "juhita", mis ütleb süsteemi igale komponendile, millal ja kuidas oma vastavaid toiminguid teha, võib robotkäsi tekitada kõlisevat kõlisevat ja metallist lihvimist.
Eelmistes artiklites{0}}reaalajas juhtimise kohta uurisime{1}}reaalajas juhtimise (RTC) seadmeid, mida kasutatakse tuvastamiseks, juhtimiseks ja töötlemiseks. Nende integreerimiseks vajame "juhti": reaalajas-kommunikatsiooni. Selles artiklis kasutame arutelude lähtepunktina tööstuslikku versiooni 4.0, mis põhineb reaalajas-kommunikatsioonil ja juhtimisel.
Automatiseerimisvaldkonna suurandmete arengut juhtivad tegurid
Pandeemia mõju tõttu on tehasetoimingud ilma inimese sekkumiseta muutunud laialdaselt populaarseks. Suurandmete kogumine ja asjakohane levitamine (Oxfordi sõnaraamatus määratletud kui äärmiselt suured andmekogumid, mis võivad arvutusanalüüsi abil paljastada mustreid, suundumusi ja korrelatsioone, eriti neid, mis on seotud inimeste käitumise ja suhtlemisega) võivad toetada digitaalseid kaksikuid, mõõtmist, teenuste arveldamist ja ennustavat hooldust. Näiteks võimaldab juurdepääs suurtele andmetele jälgida robotkäe jõudlust ja süsteemi tervist, aga ka andmeedastuskiirust, temperatuuri, niiskust, vibratsiooni ja muud, võimaldades seeläbi arendada tehisintellekti mudeleid, mis suudavad suurandmete (digitaalsed kaksikud) põhjal ennustada tulevast jõudlust ja tervist. Nende eeliste täielikuks ärakasutamiseks on vaja integreerida infotehnoloogia (IT) ja operatsioonitehnoloogia (OT), et toetada Interneti-protokolli (IP) ja RTC-süsteeme äärel. Loogiliselt nimetatakse seda IT ja OT lähenemiseks.
Ethernetis toetavad avatud süsteemide vastastikuse ühenduse (OSI) mudeli võrgukiht ja transpordikiht edastusjuhtimisprotokolli/internetiprotokolli (TCP/IP), seega toetab Ethernet oma olemuselt IPv4 (ja IPv6). Lisaks suudab see usaldusväärselt edastada vajalikul hulgal teavet, mistõttu tööstuslikust Ethernetist on saamas tööstusautomaatika lähenemise valdkonnas sisuline sidestandard. Kuna olemasolev infrastruktuur kasutab tavaliselt kahte-traadiprotokolli, mis ei toeta kohalikku TCP/IP-d, kasutatakse ääreseadmetega suhtlemiseks endiselt traditsioonilisi väljasiine. Joonis 1 illustreerib praeguseid sidemeetodeid tööstusautomaatika valdkonnas.
Joonis 1: Praegused kommunikatsioonimeetodid tööstusautomaatika valdkonnas
Tööstuskommunikatsiooni elluviimise viis on muutumas. Single{1}}pair Ethernet (SPE) suudab säilitada olemasoleva kahe-juhtmega süsteemiarhitektuuri, toetades samal ajal ka tööstusliku Etherneti suuremat kiirust ja arvukaid eeliseid. Täiustatud välidiagnostika toetab hajutatud ja tsentraliseeritud jälgimist ja toimimist. Loomulikult saab SPE uuesti kasutada olemasolevat kahe{5}}juhtmega infrastruktuuri, mis on loodud mitme olemasoleva väljasiiniga, lihtsustades seeläbi konvergentsipõhiseid{6}}uuendusi ja vähendades oluliselt kulusid.
Etherneti mõistmine
Kuigi Ethernet on avatud ja ettevõtete rakendustes üldlevinud, ei sobi see praegu reaalajas{0}}rakenduste jaoks, kuna IT Etherneti kaadriedastus on "parim jõupingutus" ja haldamata; vead on alati ebasoovitavad. Reaalajas OT puhul võivad vigadel olla tõsised tagajärjed või isegi ohud. RTC-süsteemid nõuavad usaldusväärset sidet, kuna süsteemi "käsukeskus", et tagada süsteemi kavandatud toimimine, vältides seeläbi toote rikkeid või süsteemi kahjustusi või kehavigastusi. Kuna IT Etherneti kasutatakse tavaliselt ettevõtete või tarbijate keskkondades, puutub see harva kokku keskkonnaprobleemidega. Seevastu RTC-süsteemid töötavad sageli karmides keskkondades.
Nõudlus jõulise, deterministliku käitumise (nagu töökindlus laias temperatuurivahemikus, mürarikas ja määrdunud keskkonnas) ja suurema andmeedastuskiiruse järele on ajendanud tööstusliku Etherneti esilekerkimist. Tööstuslik Ethernet on deterministlik ja vastupidav, pakkudes täiendavat ribalaiust ja loomupärast IP-ühenduvust, et RTC-süsteeme täielikult ära kasutada.
Vaatame ajastusomadusi ja nende rakendamist Etherneti füüsilise kihi (PHY) puhul.
Ajastusomaduste tähtsus
RTC-süsteemides on kolm peamist ajastusomadust:
Viivitus.Selles kontekstis tuleb arvesse võtta viivitust, näiteks levimisviivitust: aega, mis kulub andmete süsteemi, alamsüsteemi või alamsüsteemi komponenti sisenemisest kuni nende väljumiseni. Näiteks TI DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY edasi-tagasi-viivitus on 208ns. Väiksem viivitus võib lühendada tsükliaega või suurendada siini sõlmede arvu.
Determinism.Kui andmete saabumisaeg varieerub oluliselt iga kord, kui need süsteemi läbivad, siis muutub viivituse aeg ebaoluliseks. Seda saabumisaja erinevust nimetatakse determinismiks. Madalam värin näitab paremat determinismi. Madal determinism tähendab, et erinevate viivitustega toimetulemiseks peate süsteemi sisse ehitama väiksema varu. Joonis 2 näitab DP83826E viivitust (208ns) ja determinismi (±2ns). Reaalajas kasutatavad Etherneti protokollid (nagu EtherCAT) võivad kasutada Etherneti PHY madalat ja deterministlikku latentsusaega.
Joonis 2: Viivitus ja selle determinism
Sünkroonimine.Terve süsteemi või mitme tervikliku süsteemi ajastuse sidumisel on samuti teatud eelised. Tõhususe ja läbilaskevõime maksimeerimiseks, tagades samas ohutu töö, võivad erinevad alamsüsteemid vajada täpselt teada, millal mõni muu alamsüsteem teatud toimingut sooritab. Kõik tööstuslikud Etherneti protokollid toetavad mingit sünkroonimisvormi. Time Sensitive Networking (TSN) on RTC-süsteemide aja sünkroonimise näide. Elektri- ja elektroonikainseneride instituut (IEEE) 1588v2, tuntud ka kui täppisaja protokoll (PTP), aitab mitmel seadmel üksteisega sünkroonida. IEEE 802.1as, tuntud ka kui Generalized PTP (gPTP), võimaldab lisaks ajatundlike rakenduste (nt RTC) sünkroonimist.
Järeldus
Edukad RTC ja side kasutuselevõtt on Tööstus 4.0 nurgakivi. Kuid see ei seisne ainult tööstus 4.0 saavutamises; deterministlike, sünkroniseeritud ja madala-latentsusega side PHY-de ja tööstuslike Etherneti protokollidega saab kõiki instrumente kombineerida, et esitada kaunist sümfooniat.