Stel je een robotarm voor die kan buigen en roteren, waarbij elke as is uitgerust met zeer nauwkeurige motordrivers, sensoren of machine vision, alsof hij een symfonie van beweging uitvoert. Zonder een ‘dirigent’ die elk onderdeel van het systeem vertelt wanneer en hoe ze hun respectievelijke handelingen moeten uitvoeren, kan de robotarm echter schokkende rinkelende en metaalachtige knarsende geluiden produceren.
In eerdere artikelen over realtime controle hebben we instrumenten voor realtime controle (RTC) onderzocht die worden gebruikt voor detectie, aansturing en verwerking. Om ze te integreren hebben we de 'dirigent' nodig: real-communicatie. In dit artikel gebruiken we industrial 4.0, gebaseerd op real-time communicatie en controle, als uitgangspunt voor de discussie.
Factoren die de ontwikkeling van big data op automatiseringsgebied aandrijven
Als gevolg van de impact van de pandemie zijn fabrieksoperaties zonder menselijke tussenkomst enorm populair geworden. Het verzamelen en op de juiste manier distribueren van big data (door de Oxford Dictionary gedefinieerd als extreem grote datasets die patronen, trends en correlaties kunnen onthullen door middel van computationele analyses, met name die gerelateerd aan menselijk gedrag en interacties) kan digitale tweelingen, meting, facturering van diensten en voorspellend onderhoud ondersteunen. Het hebben van toegang tot big data maakt het bijvoorbeeld mogelijk om de prestaties van robotarmen en de gezondheid van het systeem te monitoren, evenals datasnelheden, temperatuur, vochtigheid, trillingen en meer, waardoor de ontwikkeling van AI-modellen mogelijk wordt gemaakt die toekomstige prestaties en gezondheid kunnen voorspellen op basis van big data (digitale tweelingen). Om deze voordelen volledig te kunnen benutten, is het noodzakelijk om informatietechnologie (IT) en operationele technologie (OT) te integreren om Internet Protocol (IP) en RTC-systemen aan de edge te ondersteunen. Logischerwijs wordt dit IT- en OT-convergentie genoemd.
In Ethernet ondersteunen de netwerklaag en transportlaag van het Open Systems Interconnection (OSI)-model het Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), dus Ethernet ondersteunt inherent IPv4 (en IPv6). Bovendien kan het op betrouwbare wijze de benodigde hoeveelheid informatie overbrengen. Daarom wordt industrieel Ethernet een inhoudelijke communicatiestandaard op het gebied van convergentie van industriële automatisering. Omdat de bestaande infrastructuur doorgaans twee-draadprotocollen gebruikt die geen lokale TCP/IP ondersteunen, worden nog steeds traditionele veldbussen gebruikt voor communicatie met edge-apparaten. Figuur 1 illustreert de huidige communicatiemethoden op het gebied van industriële automatisering.
Figuur 1: Huidige communicatiemethoden op het gebied van industriële automatisering
De manier waarop industriële communicatie wordt geïmplementeerd ondergaat een transformatie. Single-pair Ethernet (SPE) kan de bestaande twee--systeemarchitectuur behouden en tegelijkertijd de hogere snelheden en talrijke voordelen van industrieel Ethernet ondersteunen. Geavanceerde velddiagnostiek ondersteunt gedistribueerde en gecentraliseerde monitoring en bediening. Uiteraard kan SPE de bestaande twee-draadsinfrastructuur die is opgebouwd door meerdere bestaande veldbussen hergebruiken, waardoor convergentie-gestuurde upgrades worden vereenvoudigd en de kosten aanzienlijk worden verlaagd.
Ethernet begrijpen
Hoewel Ethernet open en alomtegenwoordig is in bedrijfstoepassingen, is het momenteel niet geschikt voor real-toepassingen omdat IT Ethernet-frametransmissie "best effort" en onbeheerd is; Fouten zijn altijd ongewenst. Voor realtime OT kunnen fouten ernstige gevolgen hebben of zelfs gevaren opleveren. RTC-systemen vereisen betrouwbare communicatie als het "commandocentrum" van het systeem om ervoor te zorgen dat het systeem werkt zoals bedoeld, waardoor productstoringen of systeemschade of persoonlijk letsel worden voorkomen. Omdat IT Ethernet doorgaans wordt gebruikt in bedrijfs- of consumentenomgevingen, wordt het zelden geconfronteerd met uitdagingen op milieugebied. RTC-systemen werken daarentegen vaak in ruwe omgevingen.
De vraag naar robuust, deterministisch gedrag (zoals betrouwbaarheid over een breed temperatuurbereik, luidruchtige en vuile omgevingen) en hogere datasnelheden heeft 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.
Laten we eens kijken naar de timingkarakteristieken en hoe deze van toepassing zijn op de fysieke Ethernet-laag (PHY).
Het belang van timingkenmerken
Er zijn drie belangrijke timingkarakteristieken in RTC-systemen:
Vertraging.In deze context moet rekening worden gehouden met vertraging, zoals voortplantingsvertraging: de tijdsduur vanaf het moment dat gegevens het systeem, subsysteem of subsysteemcomponent binnenkomen totdat deze het verlaten. De DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY van TI heeft bijvoorbeeld een round-trip-vertraging van 208ns. Een lagere vertraging kan de cyclustijd verkorten of het aantal knooppunten op de bus vergroten.
Determinisme.Als de aankomsttijd van gegevens aanzienlijk varieert elke keer dat deze door het systeem gaan, dan wordt hoe klein de vertraging is irrelevant. Deze variatie in aankomsttijd staat bekend als determinisme. Een lagere jitter duidt op een beter determinisme. Een laag determinisme betekent dat u minder marge in het systeem hoeft in te bouwen om wisselende vertragingen op te vangen. Figuur 2 toont de vertraging (208ns) en het determinisme (±2ns) van de DP83826E. Real-Ethernet-protocollen (zoals EtherCAT) kunnen gebruikmaken van de lage en deterministische latentiekenmerken van Ethernet PHY.
Figuur 2: Vertraging en zijn determinisme
Synchronisatie.Het aan elkaar binden van de timing van een heel systeem of meerdere complete systemen heeft ook bepaalde voordelen. 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 bepaalde bewerking uitvoert. Alle industriële Ethernet-protocollen ondersteunen een vorm van synchronisatie. Tijd-Sensitive Networking (TSN) is een voorbeeld van tijdsynchronisatie voor RTC-systemen. Het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2, ook bekend als het Precision Time Protocol (PTP), helpt meerdere apparaten synchronisatie met elkaar te behouden. IEEE 802.1as, ook bekend als Generalized PTP (gPTP), maakt synchronisatie verder mogelijk voor tijd-gevoelige toepassingen zoals RTC.
Conclusie
Succesvolle RTC- en communicatie-implementaties vormen de hoeksteen van Industrie 4.0. Het gaat echter niet alleen om het verwezenlijken van Industrie 4.0; met deterministische, gesynchroniseerde communicatie-PHY's met lage{2}} latentie en industriële Ethernet-protocollen kunnen alle instrumenten worden gecombineerd om een prachtige symfonie te spelen.