تجزیه و تحلیل چرایی استفاده از اترنت در کنترل حرکت

اترنت در حال تبدیل شدن به یک فناوری شبکه مهم فزاینده در کاربردهای صنعتی است.

در حوزه کنترل حرکت، اترنت، فیلدباس و سایر فناوری‌ها-مانند اتصال اجزای جانبی (PCI)-از لحاظ تاریخی برای رسیدگی به برخی از سخت‌ترین حجم‌های کاری در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی و کنترل رقابت کرده‌اند. برنامه‌های کنترل حرکت نیاز به جبر دارند-تضمین اینکه شبکه بارهای کاری را به موقع به گره‌های تعیین‌شده تحویل می‌دهد{4}}که برای اطمینان از حفظ موقعیت ضروری است، که به نوبه خود توقف دقیق راننده، شتاب/کاهش سرعت مناسب و سایر وظایف را تضمین می‌کند.

استاندارد IEEE 802.3 اترنت هرگز این الزامات را برآورده نکرده است. حتی اگر سوئیچینگ کامل-و حوزه های برخورد ایزوله جایگزین لایه پیوند داده قدیمی CSMA/CD شده است، پروتکل همچنان فاقد قابلیت پیش بینی است. علاوه بر این، پیچیدگی بالای TCP/IP در یک پشته معمولی برای انتقال مطمئن ترافیک{4}زمان واقعی بهینه نشده است. در نتیجه، فیلدباسها و معماری‌های کنترل مبتنی بر رایانه{6}}با کارت‌های PCI مبتنی بر ASIC برای مدت طولانی راه‌حل‌های رایج برای کنترل حرکت بوده‌اند.

راه حل های اترنت، از EtherNet/IP® تا EtherCAT®، بر این کاستی ها به روش های منحصر به فرد خود غلبه می کنند. اگرچه اترنت صنعتی چندین مزیت دیگر را نسبت به فناوری های جایگزین ارائه می دهد، اما هنوز تا تسلط بر بازار کنترل حرکت فاصله دارد. بیایید سه دلیل را بررسی کنیم که چرا می‌تواند-و{3}}در سال‌های آینده مورد پذیرش فزاینده‌ای قرار گیرد.

1

همگرایی به جای افزایش پیچیدگی

با گذشت زمان، افزایش اتصال بین فناوری اطلاعات سازمانی و کف کارخانه منجر به سیستم‌های پیچیده‌تر شده است که اغلب شامل ترکیبی از اترنت استاندارد، اترنت صنعتی و فناوری‌های فیلدباس است. به عنوان مثال، یک ماشین ممکن است از موارد زیر استفاده کند:

چنین شبکه هایی پیچیده هستند و راه اندازی و نگهداری آنها گران است. هر پروتکل به روش های پیاده سازی، پرسنل نصب و آموزش خاص خود نیاز دارد. در مقابل، اترنت امکان همگرایی شبکه‌های مختلف-مانند شبکه‌های کنترل حرکت و ایمنی-به یک زیرساخت مقرون به صرفه{4} را ارائه می‌دهد که سیم‌کشی آسان‌تر، به طور گسترده توسط فروشندگان پشتیبانی می‌شود و با نیازهای آینده سازگار است.

اترنت امکان همگرایی شبکه های مختلف را ارائه می دهد.

پروتکل EtherNet/IP نشان می دهد که چگونه می توان در عمل از همگرایی به طور کامل استفاده کرد. با استفاده از فن‌آوری‌های استاندارد اترنت مانند TCP/IP و UDP/IP، تکمیل‌شده با ویژگی‌هایی مانند CIP Sync (برای دستیابی به همگام‌سازی پروتکل زمانی دقیق از طریق ساعت توزیع‌شده IEEE 1588)، سیستم‌های سوئیچ یکپارچه می‌توانند هر دو کاربرد تجاری و صنعتی را به طور همزمان در خود جای دهند.

2

جبر برای کاربردهای کنترل حرکت

کنترل حرکت بر ارتباط دقیق متکی است. این دقت توسط برنامه‌ریزی مبتنی بر زمان-شکاف- پشتیبانی می‌شود، که در آن هر دستگاه یک برنامه زمانی در خط‌مشی زمان‌بندی برای برقراری ارتباط با دستگاه‌های دیگر دارد. این سروو درایوها و کنترل کننده ها زمان بندی مربوطه خود را محاسبه می کنند که از آن می توان مقدار ΔT تابع کنترل را بدست آورد. با این حال، اگر انتقال داده غیرقابل پیش بینی شود، ممکن است نتایج از بین بروند. بنابراین، جبرگرایی برای اطمینان از ثبات حلقه مورد نیاز است.

اترنت قادر به پشتیبانی از برنامه های کاربردی کنترل حرکت در کارخانه است.

در برخی موارد، پیاده‌سازی IEEE 1588 در EtherNet/IP از طریق مدارهای شتاب دهنده که مستقیماً در تراشه‌های Intel® ادغام شده‌اند، تنها یک مکانیسم رایج است که راه‌حل‌های اترنت از طریق آن جبرگرایی را اعمال می‌کنند. پردازش زمان واقعی-سرعت بالا EtherCAT نمونه دیگری از چگونگی دستیابی به عملکرد ثابت و قابل پیش بینی در برنامه های کنترل حرکت است. EtherCAT بر محدودیت‌های فیزیکی سخت‌گیرانه ارتباطات متمرکز مبتنی بر PCI غلبه می‌کند، که نیازمند ارتباط سریع بین واحد پردازش ماشین و پردازشگر سروو در عین حفظ فاصله کوتاه است.

جیسون گورگس در مقاله ای که در سال 2010 در *طراحی ماشین* منتشر شد، توضیح داد:

معماری پردازنده توزیع‌شده مبتنی بر EtherCAT، پهنای باند، همگام‌سازی و انعطاف‌پذیری فیزیکی بالا را ارائه می‌کند و با قابلیت‌های کنترل متمرکز رقابت می‌کند و در عین حال مزایای شبکه توزیع‌شده را ارائه می‌دهد.

در واقع، برخی از پردازنده‌هایی که از این رویکرد استفاده می‌کنند می‌توانند تا 64 محور بسیار هماهنگ-شامل موقعیت، سرعت، حلقه‌های جاری و همچنین جابجایی{2}} را با نرخ نمونه‌برداری و به‌روزرسانی 20 کیلوهرتز کنترل کنند.

3

قابلیت ماندگاری طولانی مدت- برای IIoT

از زمان آغاز به کار خود به عنوان یک فناوری شبکه محلی (LAN)، اترنت دستخوش یک سری پیشرفت ها شده است. با توجه به اینکه اجزای فیلدباس سنتی در حال حاضر در مقیاس کوچک تولید می‌شوند و PCI در معرض خطر تبدیل شدن به یک معماری استاندارد صنعتی منسوخ است، اترنت به حدی تکامل یافته است که اکنون کاملاً قادر است اینترنت صنعتی اشیا (IIoT) مبتنی بر IP را ارائه دهد.

پیشرفت‌های آتی-مانند شبکه‌های حساس به زمان، که IEEE 1588 را اصلاح می‌کند و از امکان همگرایی شبکه پشتیبانی می‌کند-همچنین اترنت را به انتخابی ایده‌آل برای برنامه‌های کنترل حرکت فعلی و آینده تبدیل می‌کند. این بدان معنا نیست که فیلدباس ها و PCI ناپدید می شوند. در عوض، همانطور که صنعت اتوماسیون به سمت IIoT حرکت می کند، مزایای اترنت به رشد خود ادامه خواهد داد.