Zamislite robotsku ruku koja se savija i rotira, sa svakom osi opremljenom vrlo preciznim motornim pogonima, senzorima ili strojnim vidom, kao da svira simfoniju kretanja. Ali bez "dirigenta" koji bi svakoj komponenti sustava rekao kada i kako treba izvršiti odgovarajuće radnje, ruka bi mogla izazvati oštre sudare i metalne ogrebotine.
U prethodnim člancima u seriji Kontrola-u stvarnom vremenu, pogledali smo-instrumente kontrole u stvarnom vremenu (RTC) koji se koriste za očitavanje, vožnju i obradu. Da bi ih sve spojili, potrebna je "naredba":-komunikacija u stvarnom vremenu. U ovom članku koristit ćemo Industriju 4.0 koja se temelji na-komunikaciji i kontroli u stvarnom vremenu kao polazište za našu raspravu.
Čimbenici koji pokreću razvoj Big Data u automatizaciji
Tvornički rad bez ljudske intervencije postao je popularan zbog epidemije. Prikupljanje i pravilna distribucija velikih podataka (definiranih od strane Oxfordskog rječnika kao vrlo velikih skupova podataka koji se mogu računalno analizirati kako bi se otkrili obrasci, trendovi i korelacije, posebno u odnosu na ljudsko ponašanje i interakcije) može podržati digitalne blizance, mjerenje, naplatu usluga i prediktivno održavanje. Na primjer, dostupnost velikih podataka omogućuje praćenje performansi robotskih ruku i uvjeta rada sustava, kao i brzine prijenosa podataka, temperature, vlažnosti, vibracija itd., što dovodi do razvoja modela (digitalnih blizanaca) sposobnih za predviđanje budućih performansi i radnih uvjeta na temelju AI koja uči pomoću velikih podataka. Kako bi se u potpunosti iskoristile te prednosti, potrebno je kombinirati informacijsku tehnologiju (IT) i operacijsku tehnologiju (OT) kako bi se mogla podržati internetski protokol (IP), kao i rub RTC sustava. Logično, to se zove IT i OT konvergencija.
U Ethernetu, mrežni i transportni slojevi modela Open Systems Interconnection (OSI) podržavaju Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), tako da je Ethernet inherentno sposoban podržavati IPv4 (i IPv6). Uz to, sposobnost determinističkog prijenosa potrebne količine informacija je razlog zašto Industrial Ethernet postaje značajan komunikacijski standard u konvergentnim poljima industrijske automatizacije. Tradicionalne sabirnice polja još uvijek se koriste za komunikaciju s rubnim uređajima jer postojeće infrastrukture obično koriste dvo-žične protokole i ne podržavaju izvorni TCP/IP. Slika 1 ilustrira trenutne metode komunikacije u industrijskoj automatizaciji.
Slika 1: Trenutačne metode komunikacije u industrijskoj automatizaciji
Način na koji se implementiraju industrijske komunikacije počeo se mijenjati. Jedno-pair Ethernet (SPE) održava postojeće dvo-žične arhitekture sustava dok podržava veće brzine i mnoge prednosti industrijskog Etherneta. Napredna terenska dijagnostika podržava i distribuirani i centralizirani nadzor i rad. I, naravno, SPE može ponovno koristiti postojeće dvo-žične infrastrukture izgrađene od više postojećih sabirnica polja, pojednostavljujući nadogradnje-potaknute konvergencijom i minimizirajući troškove.
Dublje razumijevanje Etherneta
Dok je Ethernet otvoren i sveprisutan u poslovnim aplikacijama, trenutno nije dostupan za-aplikacije u stvarnom vremenu jer je prijenos IT Ethernet okvira "najbolji-napor" i nekontroliran; u svakom slučaju, greške su dosadne. Za OT u stvarnom-vremenu, pogreške mogu imati ozbiljne posljedice, pa čak i biti opasne, a RTC sustavi trebaju pouzdanu komunikaciju kao "dirigent" sustava kako bi se osiguralo da sustav radi kako je predviđeno, čime se izbjegava kvar proizvoda ili oštećenje sustava ili ozljeda osoblja. Budući da se IT Ethernet obično koristi u poslovnim ili potrošačkim okruženjima, malo je izazova za okoliš. Nasuprot tome, RTC sustavi često su u teškim okruženjima.
Potreba za robusnim, determinističkim ponašanjem (npr. pouzdanost u širokim temperaturnim rasponima, u bučnim i prljavim okruženjima) i većim brzinama prijenosa podataka doveli su do pojave industrijskog Etherneta. Industrijski Ethernet je deterministički i robustan, pruža dodatnu propusnost i inherentnu IP povezivost za potpuno korištenje RTC sustava.
Ovdje je pogled na vremenske karakteristike i kako se one primjenjuju na Ethernet fizički sloj (PHY).
Važnost vremenskih karakteristika
Tri su važne vremenske karakteristike u RTC sustavu:
Odgoditi.U ovom kontekstu, važno je uzeti u obzir kašnjenja kao što je kašnjenje propagacije: duljina vremena od kada podaci uđu u sustav, podsustav ili komponentu podsustava do njihovog odlaska. Na primjer, TI-jev DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY ima povratno-odgodu od 208ns. Niža latencija može smanjiti vrijeme ciklusa ili povećati broj čvorova na sabirnici.
Determinizam.Nije važno koliko je mala latencija ako vrijeme dolaska jako varira svaki put kada podaci prolaze kroz sustav. Ova varijacija u vremenu dolaska poznata je kao determinizam. Nizak jitter znači dobar determinizam. Nizak determinizam znači da trebate ugraditi manju marginu u sustav kako biste se prilagodili promjenjivoj latenciji. Slika 2 ilustrira latenciju (208 ns) i determinizam (±2 ns) DP83826E. Ethernet protokoli-u stvarnom vremenu kao što je EtherCAT mogu iskoristiti niže, determinističke karakteristike latencije Ethernet PHY-ova.
Slika 2: Kašnjenje i njegova izvjesnostSinkronizacija. Također postoje prednosti povezivanja vremenskog rasporeda cijelog sustava ili nekoliko kompletnih sustava zajedno. Kako bi se maksimizirala učinkovitost i propusnost, a istovremeno osigurao siguran rad, različiti podsustavi će možda trebati "znati" točno kada će drugi podsustav izvesti operaciju. Svi industrijski Ethernet protokoli podržavaju neku vrstu sinkronizacije. Time Sensitive Networking (TSN) primjer je vremenske sinkronizacije za RTC sustave. Institut inženjera elektrotehnike i elektronike (IEEE) 1588v2, Precision Time Protocol (PTP), pomaže u održavanju međusobne sinkronizacije više uređaja, a IEEE 802.1as, poznat i kao generalizirani PTP (gPTP), dodatno olakšava sinkronizaciju za-vremenski osjetljive aplikacije kao što je RTC.
Zaključak
Uspješna implementacija RTC-a i komunikacija kamen su temeljac Industrije 4.0. Ali više od pukog omogućavanja Industrije 4.0, s determinističkim, sinkroniziranim i niskim-kašnjenjem komunikacije PHY i industrijskim Ethernet protokolima, svi instrumenti mogu se udružiti kako bi stvorili prekrasnu glazbu.