Kommunikasjon i industriell automasjon

Se for deg en robotarm som bøyer og roterer, med hver akse utstyrt med svært presise motordrev, sensorer eller maskinsyn, som om du spiller en bevegelsessymfoni. Men uten en "leder" for å fortelle hver komponent i systemet når og hvordan den skal utføre sine respektive handlinger, kan armen gjøre harde kollisjoner og metalliske skraper.

I tidligere artikler i Real-Time Control-serien har vi sett på sanntidskontrollinstrumentene (RTC) som brukes til registrering, kjøring og prosessering. For å bringe dem alle sammen krever "kommando": sanntid-kommunikasjon. I denne artikkelen vil vi bruke Industry 4.0 basert på sanntids-kommunikasjon og kontroll som utgangspunkt for diskusjonen vår.

Faktorer som driver utviklingen av Big Data innen automatisering

Fabrikkdrift uten menneskelig innblanding har blitt populært på grunn av epidemien. Innsamling og riktig distribusjon av store data (definert av Oxford Dictionary som svært store datasett som kan analyseres beregningsmessig for å avdekke mønstre, trender og korrelasjoner, spesielt i forhold til menneskelig atferd og interaksjoner) kan støtte digitale tvillinger, måling, tjenestelading og prediktivt vedlikehold. For eksempel, å ha tilgjengelig big data gjør det mulig å overvåke ytelsen til robotarmer og systemdriftsforhold, så vel som datahastigheter, temperatur, fuktighet, vibrasjoner, etc., noe som fører til utvikling av modeller (digitale tvillinger) som er i stand til å forutsi fremtidig ytelse og driftsforhold basert på AI som lærer ved hjelp av big data. For å dra full nytte av disse fordelene, er det nødvendig å kombinere informasjonsteknologi (IT) og driftsteknologi (OT) for å kunne støtte Internet Protocol (IP) samt RTC-systemkanten. Logisk sett kalles dette IT- og OT-konvergens.

I Ethernet støtter nettverks- og transportlagene til Open Systems Interconnection (OSI)-modellen Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), så Ethernet er iboende i stand til å støtte IPv4 (og IPv6). I tillegg til dette er muligheten til å overføre den nødvendige informasjonsmengden deterministisk grunnen til at Industrial Ethernet er i ferd med å bli en betydelig kommunikasjonsstandard i de konvergerende feltene innen industriell automasjon. Tradisjonelle feltbusser brukes fortsatt til å kommunisere med edge-enheter fordi eksisterende infrastrukturer vanligvis bruker to-ledningsprotokoller og ikke støtter naturlig TCP/IP. Figur 1 illustrerer dagens kommunikasjonsmetoder innen industriell automasjon.

                                 Figur 1: Aktuelle kommunikasjonsmetoder innen industriell automasjon

Måten industriell kommunikasjon implementeres på har begynt å endre seg. Single-pair Ethernet (SPE) opprettholder eksisterende to-systemarkitekturer samtidig som den støtter de høyere hastighetene og mange fordelene med Industrial Ethernet. Avansert feltdiagnostikk støtter både distribuert og sentralisert overvåking og drift. Og selvfølgelig kan SPE gjenbruke eksisterende to-ledningsinfrastrukturer bygget fra flere eksisterende feltbusser, noe som forenkler konvergensdrevne oppgraderinger og minimerer kostnadene.

En dypere forståelse av Ethernet

Selv om Ethernet er åpent og allestedsnærværende i bedriftsapplikasjoner, er det for øyeblikket ikke tilgjengelig for sanntidsapplikasjoner fordi overføringen av IT Ethernet-rammer er "best-innsats" og ukontrollert; feil er uansett irriterende. For sann-tids-OT kan feil ha alvorlige konsekvenser og til og med være farlige, og RTC-systemer trenger pålitelig kommunikasjon som "leder" av systemet for å sikre at systemet fungerer som tiltenkt, og dermed unngå produktfeil eller skade på systemet eller skade på personell. Fordi IT Ethernet vanligvis brukes i bedrifts- eller forbrukermiljøer, er det få miljøutfordringer. I kontrast er RTC-systemer ofte i tøffe miljøer.

Behovet for robust, deterministisk oppførsel (f.eks. pålitelighet over brede temperaturområder, i støyende og skitne omgivelser) og høyere datahastigheter har drevet fremveksten av Industrial Ethernet. Industrielt Ethernet er deterministisk og robust, og gir ekstra båndbredde og iboende IP-tilkobling for å utnytte RTC-systemer fullt ut.

Her er en titt på tidskarakteristikker og hvordan de gjelder det fysiske Ethernet-laget (PHY).

Viktigheten av tidskarakteristikker

Det er tre viktige tidskarakteristikker i et RTC-system:

Utsette.I denne sammenhengen er det viktig å vurdere forsinkelser som forplantningsforsinkelse: hvor lang tid det tar fra data kommer inn i systemet, delsystemet eller delsystemkomponenten til de forlater. For eksempel har TIs DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY en tur-retur-forsinkelse på 208ns. Lavere ventetid kan redusere syklustiden eller øke antall noder på bussen.
Determinisme.Det spiller ingen rolle hvor lav latensen er hvis ankomsttiden varierer mye hver gang data passerer gjennom systemet. Denne variasjonen i ankomsttid er kjent som determinisme. Lav jitter betyr god determinisme. Lav determinisme betyr at du trenger å bygge mindre margin inn i systemet for å imøtekomme skiftende latens. Figur 2 illustrerer latensen (208ns) og determinismen (±2ns) til DP83826E. Sanntids-Ethernet-protokoller som EtherCAT kan dra nytte av de lavere, deterministiske latensegenskapene til Ethernet PHY-er.

                                Figur 2: Forsinkelse og dens sikkerhet

Synkronisering. Det er også fordeler med å binde sammen timingen for et helt system eller flere komplette systemer. For å maksimere effektiviteten og gjennomstrømmingen samtidig som de sikrer sikker drift, kan det hende ulike delsystemer må "vite" nøyaktig når et annet delsystem skal utføre en operasjon. Industrielle Ethernet-protokoller støtter alle en slags synkronisering. Time Sensitive Networking (TSN) er et eksempel på tidssynkronisering for RTC-systemer. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2, Precision Time Protocol (PTP), hjelper til med å holde flere enheter synkronisert med hverandre, og IEEE 802.1as, også kjent som generalisert PTP (gPTP), forenkler synkronisering for tids-sensitive applikasjoner som RTC.

Konklusjon

Vellykkede RTC- og kommunikasjonsdistribusjoner er hjørnesteinen i Industry 4.0. Men mer enn bare å aktivere Industry 4.0, med deterministisk, synkronisert og lav-kommunikasjons-PHY-er og industrielle Ethernet-protokoller, kan alle instrumenter samles for å lage vakker musikk.