Stellen Sie sich einen Roboterarm vor, der sich beugt und dreht, wobei jede Achse mit sehr präzisen Motorantrieben, Sensoren oder maschinellem Sehen ausgestattet ist, als würde er eine Symphonie der Bewegung spielen. Aber ohne einen „Leiter“, der jeder Komponente des Systems sagt, wann und wie sie ihre jeweiligen Aktionen ausführen soll, könnte der Arm heftige Kollisionen und metallische Kratzer verursachen.
In früheren Artikeln der Reihe „Echtzeitsteuerung“ haben wir uns mit den Echtzeitsteuerungsinstrumenten (RTC) befasst, die für die Erfassung, Steuerung und Verarbeitung verwendet werden. Um sie alle zusammenzubringen, ist „Befehl“ erforderlich: Echtzeitkommunikation. In diesem Artikel verwenden wir Industrie 4.0 basierend auf Echtzeitkommunikation und -steuerung als Ausgangspunkt für unsere Diskussion.
Faktoren, die die Entwicklung von Big Data in der Automatisierung vorantreiben
Aufgrund der Epidemie ist der Fabrikbetrieb ohne menschliches Eingreifen populär geworden. Die Sammlung und ordnungsgemäße Verteilung von Big Data (definiert im Oxford Dictionary als sehr große Datensätze, die rechnerisch analysiert werden können, um Muster, Trends und Korrelationen aufzudecken, insbesondere in Bezug auf menschliches Verhalten und Interaktionen), können digitale Zwillinge, Messung, Serviceabrechnung und vorausschauende Wartung unterstützen. Die Verfügbarkeit von Big Data ermöglicht beispielsweise die Überwachung der Leistung von Roboterarmen und Systembetriebsbedingungen sowie von Datenraten, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibration usw., was zur Entwicklung von Modellen (digitalen Zwillingen) führt, die in der Lage sind, zukünftige Leistungs- und Betriebsbedingungen auf der Grundlage von KI vorherzusagen, die mithilfe von Big Data lernt. Um diese Vorteile voll auszuschöpfen, ist es notwendig, Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (OT) zu kombinieren, um sowohl das Internet Protocol (IP) als auch den RTC-Systemrand unterstützen zu können. Logischerweise nennt man dies IT- und OT-Konvergenz.
Bei Ethernet unterstützen die Netzwerk- und Transportschichten des Open Systems Interconnection (OSI)-Modells das Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), sodass Ethernet von Natur aus IPv4 (und IPv6) unterstützen kann. Darüber hinaus ist die Fähigkeit, die erforderliche Informationsmenge deterministisch zu übertragen, der Grund, warum Industrial Ethernet zu einem wesentlichen Kommunikationsstandard in den konvergierenden Bereichen der industriellen Automatisierung wird. Für die Kommunikation mit Edge-Geräten werden immer noch herkömmliche Feldbusse verwendet, da bestehende Infrastrukturen typischerweise Zweidrahtprotokolle verwenden und kein natives TCP/IP unterstützen. Abbildung 1 veranschaulicht die aktuellen Kommunikationsmethoden in der industriellen Automatisierung.
Abbildung 1: Aktuelle Kommunikationsmethoden in der industriellen Automatisierung
Die Art und Weise, wie industrielle Kommunikation umgesetzt wird, hat begonnen, sich zu verändern. Single-Pair Ethernet (SPE) behält bestehende Zwei--Draht-Systemarchitekturen bei und unterstützt gleichzeitig die höheren Geschwindigkeiten und viele Vorteile von Industrial Ethernet. Erweiterte Felddiagnosen unterstützen sowohl die verteilte als auch die zentrale Überwachung und den Betrieb. Und natürlich kann SPE vorhandene Zweidraht-Infrastrukturen wiederverwenden, die aus mehreren vorhandenen Feldbussen aufgebaut sind, was konvergenzgesteuerte Upgrades vereinfacht und die Kosten minimiert.
Ein tieferes Verständnis von Ethernet
Während Ethernet in Unternehmensanwendungen offen und allgegenwärtig ist, steht es derzeit nicht für Echtzeitanwendungen zur Verfügung, da die Übertragung von IT-Ethernet-Frames „best-effort“ und unkontrolliert erfolgt; Auf jeden Fall sind Fehler ärgerlich. Für Echtzeit-OT können Fehler schwerwiegende Folgen haben und sogar gefährlich sein. RTC-Systeme benötigen zuverlässige Kommunikation als „Leiter“ des Systems, um sicherzustellen, dass das System wie vorgesehen funktioniert und so Produktausfälle oder Schäden am System oder Verletzungen von Personal vermieden werden. Da IT-Ethernet typischerweise in Unternehmens- oder Verbraucherumgebungen eingesetzt wird, gibt es nur wenige Umweltprobleme. Im Gegensatz dazu werden RTC-Systeme häufig in rauen Umgebungen eingesetzt.
Der Bedarf an robustem, deterministischem Verhalten (z. B. Zuverlässigkeit über weite Temperaturbereiche, in lauten und schmutzigen Umgebungen) und höheren Datenraten hat die Entstehung von Industrial Ethernet vorangetrieben. Industrial Ethernet ist deterministisch und robust und bietet zusätzliche Bandbreite und inhärente IP-Konnektivität, um RTC-Systeme vollständig zu nutzen.
Hier ist ein Blick auf die Timing-Eigenschaften und wie sie auf die Ethernet Physical Layer (PHY) angewendet werden.
Bedeutung von Timing-Eigenschaften
In einem RTC-System gibt es drei wichtige Timing-Merkmale:
Verzögerung.In diesem Zusammenhang ist es wichtig, Verzögerungen wie die Ausbreitungsverzögerung zu berücksichtigen: die Zeitspanne vom Eingang der Daten in das System, Subsystem oder die Subsystemkomponente bis zum Verlassen des Systems. Beispielsweise hat der DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY von TI eine Roundtrip-Verzögerung von 208ns. Eine geringere Latenz kann die Zykluszeit verkürzen oder die Anzahl der Knoten am Bus erhöhen.
Determinismus.Es spielt keine Rolle, wie niedrig die Latenz ist, wenn die Ankunftszeit bei jedem Datendurchlauf durch das System stark schwankt. Diese Variation der Ankunftszeit wird als Determinismus bezeichnet. Geringer Jitter bedeutet guten Determinismus. Niedriger Determinismus bedeutet, dass Sie weniger Spielraum in das System einbauen müssen, um sich ändernde Latenzzeiten zu berücksichtigen. Abbildung 2 zeigt die Latenz (208 ns) und den Determinismus (±2 ns) des DP83826E. Echtzeit-Ethernet-Protokolle wie EtherCAT können die geringeren, deterministischen Latenzeigenschaften von Ethernet-PHYs nutzen.
Abbildung 2: Verzögerung und ihre GewissheitSynchronisation. Es bietet auch Vorteile, das Timing eines Gesamtsystems oder mehrerer Gesamtsysteme miteinander zu verknüpfen. Um die Effizienz und den Durchsatz zu maximieren und gleichzeitig einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen verschiedene Subsysteme möglicherweise genau „wissen“, wann ein anderes Subsystem einen Vorgang ausführen wird. Alle industriellen Ethernet-Protokolle unterstützen eine Art Synchronisierung. Time Sensitive Networking (TSN) ist ein Beispiel für die Zeitsynchronisation für RTC-Systeme. Das Precision Time Protocol (PTP) des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2 hilft dabei, mehrere Geräte miteinander zu synchronisieren, und IEEE 802.1as, auch bekannt als Generalized PTP (gPTP), erleichtert die Synchronisierung für zeitkritische Anwendungen wie RTC weiter.
Abschluss
Erfolgreiche RTC- und Kommunikationseinsätze sind der Grundstein von Industrie 4.0. Aber mehr als nur Industrie 4.0 zu ermöglichen, mit deterministischen, synchronisierten und -Latenz-Kommunikations-PHYs und Industrial-Ethernet-Protokollen, alle Instrumente können zusammenkommen, um wunderschöne Musik zu machen.