Stel je een robotarm voor die buigt en roteert, waarbij elke as is uitgerust met zeer nauwkeurige motoraandrijvingen, sensoren of machinaal zicht, alsof je een symfonie van beweging speelt. Maar zonder een ‘geleider’ die elk onderdeel van het systeem vertelt wanneer en hoe het zijn respectievelijke acties moet uitvoeren, kan de arm harde botsingen en metalen krassen veroorzaken.
In eerdere artikelen in de serie Real-Time Control hebben we gekeken naar de real-time control (RTC)-instrumenten die worden gebruikt voor detectie, aansturing en verwerking. Om ze allemaal samen te brengen is 'commando' nodig: real-communicatie. In dit artikel gebruiken we Industrie 4.0, gebaseerd op realtime communicatie en controle, als uitgangspunt voor onze discussie.
Factoren die de ontwikkeling van Big Data in de automatisering aandrijven
Fabrieksoperaties zonder menselijke tussenkomst zijn populair geworden als gevolg van de epidemie. Het verzamelen en correct distribueren van big data (door de Oxford Dictionary gedefinieerd als zeer grote datasets die computationeel kunnen worden geanalyseerd om patronen, trends en correlaties bloot te leggen, vooral met betrekking tot menselijk gedrag en interacties) kan digitale tweelingen, meting, servicekosten en voorspellend onderhoud ondersteunen. Het beschikbaar hebben van big data maakt het bijvoorbeeld mogelijk om de prestaties van robotarmen en de bedrijfsomstandigheden van het systeem te monitoren, evenals datasnelheden, temperatuur, vochtigheid, trillingen, enz., wat leidt tot de ontwikkeling van modellen (digitale tweelingen) die toekomstige prestaties en bedrijfsomstandigheden kunnen voorspellen op basis van AI die leert met behulp van big data. Om optimaal van deze voordelen te profiteren, is het noodzakelijk om informatietechnologie (IT) en operationele technologie (OT) te combineren om zowel het Internet Protocol (IP) als de RTC-systeemrand te kunnen ondersteunen. Logischerwijs wordt dit IT- en OT-convergentie genoemd.
In Ethernet ondersteunen de netwerk- en transportlagen van het Open Systems Interconnection (OSI)-model het Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), dus Ethernet is inherent in staat IPv4 (en IPv6) te ondersteunen. Daarnaast is het vermogen om de vereiste hoeveelheid informatie deterministisch over te dragen de reden dat Industrial Ethernet een substantiële communicatiestandaard aan het worden is in de convergerende velden van industriële automatisering. Traditionele veldbussen worden nog steeds gebruikt om met edge-apparaten te communiceren, omdat bestaande infrastructuren doorgaans twee-wire-protocollen gebruiken en geen native TCP/IP ondersteunen. Figuur 1 illustreert de huidige communicatiemethoden in de industriële automatisering.
Figuur 1: Huidige communicatiemethoden in de industriële automatisering
De manier waarop industriële communicatie wordt geïmplementeerd, begint te veranderen. Single-pair Ethernet (SPE) onderhoudt de bestaande twee-draadsysteemarchitecturen en ondersteunt tegelijkertijd de hogere snelheden en vele voordelen van Industrieel Ethernet. Geavanceerde velddiagnostiek ondersteunt zowel gedistribueerde als gecentraliseerde monitoring en bediening. En natuurlijk kan SPE de bestaande twee-draadsinfrastructuren die zijn opgebouwd uit meerdere bestaande veldbussen hergebruiken, waardoor convergentie-gestuurde upgrades worden vereenvoudigd en de kosten worden geminimaliseerd.
Een dieper begrip van Ethernet
Hoewel Ethernet open en alomtegenwoordig is in bedrijfstoepassingen, is het momenteel niet beschikbaar voor realtime-toepassingen omdat de overdracht van IT-Ethernet-frames "de beste- inspanning" en ongecontroleerd is; fouten zijn in ieder geval vervelend. Voor realtime OT kunnen fouten ernstige gevolgen hebben en zelfs gevaarlijk zijn, en RTC-systemen hebben betrouwbare communicatie nodig als 'geleider' van het systeem om ervoor te zorgen dat het systeem werkt zoals bedoeld, waardoor productstoringen, schade aan het systeem of letsel aan personeel worden voorkomen. Omdat IT Ethernet doorgaans wordt gebruikt in bedrijfs- of consumentenomgevingen, zijn er weinig milieuproblemen. RTC-systemen bevinden zich daarentegen vaak in ruwe omgevingen.
De behoefte aan robuust, deterministisch gedrag (bijvoorbeeld betrouwbaarheid over een breed temperatuurbereik, in luidruchtige en vuile omgevingen) en hogere datasnelheden hebben de opkomst van Industrieel Ethernet aangedreven. Industrieel Ethernet is deterministisch en robuust en biedt extra bandbreedte en inherente IP-connectiviteit om RTC-systemen volledig te benutten.
Hier volgt een blik op de timingkarakteristieken en hoe deze van toepassing zijn op de fysieke Ethernet-laag (PHY).
Belang van timingkenmerken
Er zijn drie belangrijke timingkarakteristieken in een RTC-systeem:
Vertraging.In deze context is het belangrijk om rekening te houden met vertragingen zoals voortplantingsvertraging: de tijdsduur vanaf het moment dat gegevens het systeem, subsysteem of subsysteemcomponent binnenkomen totdat ze het verlaten. De DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY van TI heeft bijvoorbeeld een round-trip-vertraging van 208ns. Een lagere latentie kan de cyclustijd verkorten of het aantal knooppunten op de bus vergroten.
Determinisme.Het maakt niet uit hoe laag de latentie is als de aankomsttijd sterk varieert telkens wanneer gegevens door het systeem gaan. Deze variatie in aankomsttijd staat bekend als determinisme. Lage jitter betekent goed determinisme. Een laag determinisme betekent dat u minder marge in het systeem hoeft in te bouwen om de veranderende latentie op te vangen. Figuur 2 illustreert de latentie (208ns) en het determinisme (±2ns) van de DP83826E. Real-Ethernet-protocollen zoals EtherCAT kunnen profiteren van de lagere, deterministische latentie-eigenschappen van Ethernet PHY's.
Figuur 2: Vertraging en de zekerheid ervanSynchronisatie. Er zijn ook voordelen verbonden aan het aan elkaar koppelen van de timing van een heel systeem of meerdere complete systemen. Om de efficiëntie en doorvoer te maximaliseren en tegelijkertijd een veilige werking te garanderen, moeten verschillende subsystemen mogelijk precies "weten" wanneer een ander subsysteem een bewerking gaat uitvoeren. Industriële Ethernet-protocollen ondersteunen allemaal een vorm van synchronisatie. Time Sensitive Networking (TSN) is een voorbeeld van tijdsynchronisatie voor RTC-systemen. Het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2, Precision Time Protocol (PTP), helpt meerdere apparaten met elkaar gesynchroniseerd te houden, en IEEE 802.1as, ook bekend als gegeneraliseerde PTP (gPTP), vergemakkelijkt de synchronisatie voor tijd-gevoelige toepassingen zoals RTC.
Conclusie
Succesvolle RTC- en communicatie-implementaties vormen de hoeksteen van Industrie 4.0. Maar meer dan alleen het mogelijk maken van Industrie 4.0, met deterministische, gesynchroniseerde communicatie-PHY's en industriële Ethernet-protocollen met lage latentie, kunnen alle instrumenten samenkomen om prachtige muziek te maken.