بازوی روباتیکی را تصور کنید که خم میشود و میچرخد، با هر محور مجهز به محرکهای موتور، حسگرها یا بینایی ماشین بسیار دقیق، گویی در حال پخش یک سمفونی از حرکت است. اما بدون یک "رسانا" که به هر یک از اجزای سیستم بگوید چه زمانی و چگونه اقدامات مربوطه را انجام دهد، بازو ممکن است برخوردهای شدید و خراش های فلزی ایجاد کند.
در مقالههای قبلی در مجموعه-کنترل زمان واقعی، به ابزارهای{1}}کنترل زمان واقعی (RTC) مورد استفاده برای سنجش، رانندگی و پردازش نگاه کردیم. برای جمع کردن همه آنها به "فرمان" نیاز است: ارتباطات در زمان واقعی. در این مقاله، ما از Industry 4.0 مبتنی بر ارتباطات و کنترل{6} زمان واقعی به عنوان نقطه شروع بحث خود استفاده خواهیم کرد.
عوامل محرک توسعه داده های بزرگ در اتوماسیون
عملیات کارخانه بدون دخالت انسان به دلیل همه گیری رایج شده است. جمعآوری و توزیع مناسب دادههای بزرگ (که توسط فرهنگ لغت آکسفورد بهعنوان مجموعههای داده بسیار بزرگی که میتوان آنها را بهصورت محاسباتی برای آشکار کردن الگوها، روندها و همبستگیها تجزیه و تحلیل کرد، بهویژه در رابطه با رفتار و تعاملات انسانی تعریف میکند) میتواند از دوقلوهای دیجیتال، اندازهگیری، شارژ خدمات و نگهداری پیشبینیکننده پشتیبانی کند. به عنوان مثال، داشتن کلان داده در دسترس، نظارت بر عملکرد بازوهای رباتیک و شرایط عملیاتی سیستم، و همچنین نرخ داده، دما، رطوبت، ارتعاش و غیره را قادر میسازد، که منجر به توسعه مدلهایی (دوقلوهای دیجیتال) میشود که قادر به پیشبینی عملکرد و شرایط عملیاتی آینده بر اساس هوش مصنوعی هستند که با استفاده از دادههای بزرگ میآموزند. برای استفاده کامل از این مزایا، لازم است فناوری اطلاعات (IT) و فناوری عملیات (OT) را با هم ترکیب کنیم تا بتوانیم از پروتکل اینترنت (IP) و همچنین لبه سیستم RTC پشتیبانی کنیم. منطقاً به این همگرایی IT و OT می گویند.
در اترنت، شبکه و لایههای انتقال مدل Open Systems Interconnection (OSI) از پروتکل کنترل انتقال/پروتکل اینترنت (TCP/IP) پشتیبانی میکنند، بنابراین اترنت ذاتاً قادر به پشتیبانی از IPv4 (و IPv6) است. علاوه بر این، توانایی انتقال مقدار اطلاعات مورد نیاز به صورت قطعی به همین دلیل است که اترنت صنعتی در حال تبدیل شدن به یک استاندارد ارتباطی اساسی در زمینههای همگرای اتوماسیون صنعتی است. فیلدباس های سنتی هنوز برای برقراری ارتباط با دستگاه های لبه استفاده می شوند زیرا زیرساخت های موجود معمولاً از دو پروتکل- سیمی استفاده می کنند و TCP/IP بومی را پشتیبانی نمی کنند. شکل 1 روش های ارتباطی فعلی در اتوماسیون صنعتی را نشان می دهد.
شکل 1: روش های ارتباطی فعلی در اتوماسیون صنعتی
نحوه اجرای ارتباطات صنعتی شروع به تغییر کرده است. اترنت یک-جفتی (SPE) معماریهای سیستم دو سیمی موجود را حفظ میکند و در عین حال از سرعتهای سریعتر و بسیاری از مزایای اترنت صنعتی پشتیبانی میکند. تشخیص میدانی پیشرفته از نظارت و عملیات توزیع شده و متمرکز پشتیبانی می کند. و البته، SPE میتواند از دو زیرساختهای سیمی موجود که از چندین فیلدباس ساخته شدهاند، استفاده مجدد کند، ارتقای همگرایی را سادهتر کرده و هزینهها را به حداقل میرساند.
درک عمیق تر از اترنت
در حالی که اترنت در برنامه های سازمانی باز و همه جا حاضر است، در حال حاضر برای برنامه های{0}زمان واقعی در دسترس نیست زیرا انتقال فریم های اترنت فناوری اطلاعات "بهترین-تلاش" و کنترل نشده است. در هر صورت، خطاها آزاردهنده هستند. برای OT در زمان واقعی، خطاها میتوانند عواقب جدی داشته باشند و حتی خطرناک باشند، و سیستمهای RTC به ارتباطات قابل اعتماد بهعنوان "رسانا" سیستم برای اطمینان از عملکرد سیستم بهطور مورد نظر، نیاز دارند، بنابراین از خرابی محصول یا آسیب به سیستم یا آسیب به پرسنل جلوگیری میشود. از آنجایی که اترنت فناوری اطلاعات معمولاً در محیط های سازمانی یا مصرف کننده استفاده می شود، چالش های محیطی کمی وجود دارد. در مقابل، سیستم های RTC اغلب در محیط های خشن قرار دارند.
نیاز به رفتار قوی و قطعی (به عنوان مثال، قابلیت اطمینان در محدوده دمایی وسیع، در محیطهای پر سر و صدا و کثیف) و نرخ دادههای بالاتر باعث ظهور اترنت صنعتی شده است. اترنت صنعتی قطعی و قوی است و پهنای باند اضافی و اتصال IP ذاتی را برای استفاده کامل از سیستم های RTC فراهم می کند.
در اینجا نگاهی به ویژگی های زمان بندی و نحوه اعمال آنها در لایه فیزیکی اترنت (PHY) می اندازیم.
اهمیت ویژگی های زمان بندی
سه ویژگی مهم زمانبندی در یک سیستم RTC وجود دارد:
تاخیر.در این زمینه، مهم است که تاخیرهایی مانند تاخیر انتشار را در نظر بگیریم: مدت زمانی که داده ها وارد سیستم، زیرسیستم یا جزء زیرسیستم می شوند تا زمانی که خارج شوند. برای مثال، اترنت 10Mbps/100Mbps اترنت TI DP83826E PHY دارای تاخیر رفت و برگشت 208 ثانیه است. تأخیر کمتر می تواند زمان چرخه را کاهش دهد یا تعداد گره ها را در اتوبوس افزایش دهد.
جبرگراییمهم نیست که تأخیر چقدر کم باشد، اگر زمان رسیدن هر بار که داده ها از سیستم عبور می کنند بسیار متفاوت باشد. این تغییر در زمان رسیدن به عنوان جبر شناخته می شود. لرزش کم به معنای جبرگرایی خوب است. جبر کم به این معنی است که باید حاشیه کمتری را در سیستم ایجاد کنید تا تاخیر در حال تغییر را تطبیق دهید. شکل 2 تأخیر (208ns) و قطعیت (±2ns) DP83826E را نشان می دهد. پروتکلهای اترنت بلادرنگ-مانند EtherCAT میتوانند از ویژگیهای تأخیر کمتر و قطعی PHYهای اترنت بهره ببرند.
شکل 2: تاخیر و قطعیت آنهمگام سازی گره زدن زمان بندی کل سیستم یا چندین سیستم کامل با هم مزایایی نیز دارد. به منظور به حداکثر رساندن کارایی و توان عملیاتی در عین حصول اطمینان از عملکرد ایمن، زیرسیستم های مختلف ممکن است نیاز داشته باشند دقیقاً بدانند چه زمانی زیرسیستم دیگری قرار است عملیاتی را انجام دهد. پروتکل های اترنت صنعتی همگی از نوعی همگام سازی پشتیبانی می کنند. شبکه حساس به زمان (TSN) نمونه ای از همگام سازی زمان برای سیستم های RTC است. مؤسسه مهندسین برق و الکترونیک (IEEE) 1588v2، پروتکل زمان دقیق (PTP)، به همگام نگه داشتن چندین دستگاه با یکدیگر کمک می کند و IEEE 802.1as که به عنوان PTP تعمیم یافته (gPTP) نیز شناخته می شود، همگام سازی را برای برنامه های کاربردی حساس به زمان- مانند RTC تسهیل می کند.
نتیجه گیری
استقرار موفقیت آمیز RTC و ارتباطات سنگ بنای Industry 4.0 است. اما فراتر از فعال کردن Industry 4.0، با ارتباطات قطعی، همگامشده و کم{2}}PHY و پروتکلهای اترنت صنعتی، همه ابزارها میتوانند با هم ترکیب شوند تا موسیقی زیبا بسازند.