Stellen Sie sich einen Roboterarm vor, der sich biegen und drehen kann, wobei jede Achse mit hochpräzisen Motortreibern, Sensoren oder maschinellem Sehen ausgestattet ist, als würde er eine Symphonie der Bewegung ausführen. Ohne einen „Leiter“, der jeder Komponente des Systems sagt, wann und wie sie ihre jeweiligen Vorgänge ausführen soll, könnte der Roboterarm jedoch erschütternde Klapper- und metallische Schleifgeräusche erzeugen.
In früheren Artikeln zur Echtzeitsteuerung haben wir Echtzeitsteuerungsinstrumente (RTC) untersucht, die zur Erfassung, Steuerung und Verarbeitung verwendet werden. Um sie zu integrieren, brauchen wir den „Dirigent“: Echtzeitkommunikation. In diesem Artikel verwenden wir Industrie 4.0 basierend auf Echtzeitkommunikation und -steuerung als Ausgangspunkt für die Diskussion.
Faktoren, die die Entwicklung von Big Data im Automatisierungsbereich vorantreiben
Aufgrund der Auswirkungen der Pandemie erfreut sich der Fabrikbetrieb ohne menschliches Eingreifen großer Beliebtheit. Die Sammlung und geeignete Verteilung von Big Data (definiert im Oxford Dictionary als extrem große Datensätze, die durch rechnerische Analysen Muster, Trends und Korrelationen aufdecken können, insbesondere solche im Zusammenhang mit menschlichem Verhalten und Interaktionen) können digitale Zwillinge, Messung, Serviceabrechnung und vorausschauende Wartung unterstützen. Der Zugriff auf Big Data ermöglicht beispielsweise die Überwachung der Leistung und des Systemzustands von Roboterarmen sowie von Datenraten, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibration und mehr und ermöglicht so die Entwicklung von KI-Modellen, die zukünftige Leistung und Gesundheit auf der Grundlage von Big Data vorhersagen können (digitale Zwillinge). Um diese Vorteile voll auszuschöpfen, ist es notwendig, Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (OT) zu integrieren, um Internet Protocol (IP) und RTC-Systeme am Rande zu unterstützen. Logischerweise wird dies als IT- und OT-Konvergenz bezeichnet.
In Ethernet unterstützen die Netzwerkschicht und die Transportschicht des Open Systems Interconnection (OSI)-Modells das Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), sodass Ethernet von Natur aus IPv4 (und IPv6) unterstützt. Darüber hinaus kann es die erforderliche Informationsmenge zuverlässig übertragen, weshalb Industrial Ethernet zu einem wesentlichen Kommunikationsstandard im Bereich der Konvergenz der industriellen Automatisierung wird. Da die bestehende Infrastruktur typischerweise zwei-Drahtprotokolle verwendet, die kein lokales TCP/IP unterstützen, werden für die Kommunikation mit Edge-Geräten weiterhin herkömmliche Feldbusse verwendet. Abbildung 1 veranschaulicht die aktuellen Kommunikationsmethoden im Bereich der industriellen Automatisierung.
Abbildung 1: Aktuelle Kommunikationsmethoden im Bereich der industriellen Automatisierung
Die Art und Weise, wie industrielle Kommunikation umgesetzt wird, befindet sich im Wandel. Single-Pair-Ethernet (SPE) kann die bestehende Zwei-Draht-Systemarchitektur beibehalten und gleichzeitig die schnelleren Geschwindigkeiten und zahlreichen Vorteile von Industrial Ethernet unterstützen. Erweiterte Felddiagnosen unterstützen die verteilte und zentrale Überwachung und den Betrieb. Selbstverständlich kann SPE die vorhandene Zweidraht-Infrastruktur, die durch mehrere vorhandene Feldbusse aufgebaut wurde, wiederverwenden, wodurch konvergenzgesteuerte Upgrades vereinfacht und die Kosten erheblich gesenkt werden.
Ethernet verstehen
Während Ethernet in Unternehmensanwendungen offen und allgegenwärtig ist, eignet es sich derzeit nicht für Echtzeitanwendungen, da die IT-Ethernet-Frame-Übertragung „Best Effort“ erfolgt und nicht verwaltet wird. Fehler sind immer unerwünscht. Für Echtzeit-OT können Fehler schwerwiegende Folgen haben oder sogar Gefahren darstellen. RTC-Systeme erfordern eine zuverlässige Kommunikation als „Kommandozentrale“ des Systems, um sicherzustellen, dass das System wie vorgesehen funktioniert, und so Produktausfälle oder Systemschäden oder Personenschäden zu vermeiden. Da IT-Ethernet typischerweise in Unternehmens- oder Verbraucherumgebungen eingesetzt wird, stößt es selten auf Umweltprobleme. Im Gegensatz dazu arbeiten RTC-Systeme häufig in rauen Umgebungen.
Die Nachfrage nach robustem, deterministischem Verhalten (z. B. Zuverlässigkeit über weite Temperaturbereiche, laute und schmutzige 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 voll auszunutzen.
Werfen wir einen Blick auf die Timing-Eigenschaften und deren Anwendung auf die Ethernet Physical Layer (PHY).
Die Bedeutung von Timing-Eigenschaften
In RTC-Systemen gibt es drei wichtige Timing-Merkmale:
Verzögerung.In diesem Zusammenhang müssen Verzögerungen berücksichtigt werden, beispielsweise die Ausbreitungsverzögerung: die Zeitspanne vom Eingang der Daten in das System, Subsystem oder die Subsystemkomponente bis zum Ausgang. Beispielsweise hat der DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY von TI eine Roundtrip-Verzögerung von 208ns. Eine geringere Verzögerung kann die Zykluszeit verkürzen oder die Anzahl der Knoten am Bus erhöhen.
Determinismus.Wenn die Ankunftszeit der Daten bei jedem Durchgang durch das System erheblich variiert, spielt es keine Rolle, wie gering die Verzögerung ist. Diese Variation der Ankunftszeit wird als Determinismus bezeichnet. Ein geringerer Jitter weist auf einen besseren Determinismus hin. Ein geringer Determinismus bedeutet, dass Sie weniger Spielraum in das System einbauen müssen, um unterschiedliche Verzögerungen zu bewältigen. Abbildung 2 zeigt die Verzögerung (208 ns) und den Determinismus (±2 ns) des DP83826E. Echtzeit-Ethernet-Protokolle (wie EtherCAT) können die niedrigen und deterministischen Latenzeigenschaften von Ethernet PHY nutzen.
Abbildung 2: Verzögerung und ihr Determinismus
Synchronisation.Auch die zeitliche Bindung eines Gesamtsystems oder mehrerer Komplettsysteme aneinander bringt gewisse Vorteile mit sich. Um Effizienz und Durchsatz zu maximieren und gleichzeitig einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen verschiedene Subsysteme möglicherweise genau wissen, wann ein anderes Subsystem einen bestimmten Vorgang ausführt. Alle industriellen Ethernet-Protokolle unterstützen irgendeine Form der Synchronisierung. Time-Sensitive Networking (TSN) ist ein Beispiel für die Zeitsynchronisation für RTC-Systeme. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2, auch bekannt als Precision Time Protocol (PTP), hilft mehreren Geräten dabei, die Synchronisation untereinander aufrechtzuerhalten. IEEE 802.1as, auch bekannt als Generalized PTP (gPTP), ermöglicht außerdem die Synchronisierung für zeitkritische Anwendungen wie RTC.
Abschluss
Erfolgreiche RTC- und Kommunikationseinsätze sind der Grundstein von Industrie 4.0. Es geht jedoch nicht nur um die Verwirklichung von Industrie 4.0; Mit deterministischen, synchronisierten Kommunikations-PHYs mit geringer -Latenz und industriellen Ethernet-Protokollen können alle Instrumente kombiniert werden, um eine wunderschöne Symphonie zu spielen.