דמיינו לעצמכם זרוע רובוטית שמתכופפת ומסתובבת, כאשר כל ציר מצויד בהנעות מנוע מדויקות מאוד, חיישנים או ראיית מכונה, כאילו מנגנת סימפוניה של תנועה. אך ללא "מוליך" שיגיד לכל רכיב במערכת מתי וכיצד לבצע את פעולותיו המתאימות, הזרוע עלולה לבצע התנגשויות קשות ושריטות מתכתיות.
במאמרים קודמים בסדרת -בקרת זמן אמת, בדקנו את מכשירי בקרת הזמן-אמיתיים (RTC) המשמשים לחישה, נהיגה ועיבוד. כדי להפגיש את כולם נדרשת "פקודה": תקשורת בזמן אמת-. במאמר זה, נשתמש ב-Industry 4.0 המבוסס על תקשורת ובקרה בזמן-אמת כנקודת התחלה לדיון שלנו.
גורמים המניעים את הפיתוח של Big Data באוטומציה
פעולות מפעל ללא התערבות אנושית הפכו פופולריות עקב המגיפה. איסוף והפצה נכונה של נתונים גדולים (מוגדרים על ידי מילון אוקספורד כמערכי נתונים גדולים מאוד הניתנים לניתוח חישובי כדי לחשוף דפוסים, מגמות ומתאמים, במיוחד ביחס להתנהגות אנושית ואינטראקציות) יכולים לתמוך בתאומים דיגיטליים, מדידה, טעינת שירות ותחזוקה חזויה. לדוגמה, קיום נתונים גדולים זמינים מאפשרת ניטור ביצועים של זרועות רובוטיות ותנאי הפעלה של המערכת, כמו גם קצבי נתונים, טמפרטורה, לחות, רטט וכו', מה שמוביל לפיתוח מודלים (תאומים דיגיטליים) המסוגלים לחזות ביצועים עתידיים ותנאי הפעלה בהתבסס על AI שלומד באמצעות ביג דאטה. כדי לנצל את מלוא היתרונות של היתרונות הללו, יש צורך לשלב טכנולוגיית מידע (IT) וטכנולוגיית תפעול (OT) כדי להיות מסוגל לתמוך בפרוטוקול אינטרנט (IP) וכן בקצה מערכת RTC. באופן הגיוני, זה נקרא התכנסות IT ו-OT.
ב-Ethernet, שכבות הרשת וההובלה של המודל Open Systems Interconnection (OSI) תומכות בפרוטוקול בקרת שידור/אינטרנט (TCP/IP), כך ש-Ethernet מסוגל מטבעו לתמוך ב-IPv4 (ו-IPv6). בנוסף לכך, היכולת להעביר את כמות המידע הנדרשת באופן דטרמיניסטי היא הסיבה לכך ש-Ethernet Industrial הופך לסטנדרט תקשורת מהותי בתחומים המתכנסים של אוטומציה תעשייתית. אוטובוסים שדה מסורתיים עדיין משמשים לתקשורת עם התקני קצה מכיוון שתשתיות קיימות משתמשות בדרך כלל בשני פרוטוקולים-חוטיים ואינן תומכות ב-TCP/IP מקורי. איור 1 ממחיש את שיטות התקשורת הנוכחיות באוטומציה תעשייתית.
איור 1: שיטות תקשורת נוכחיות באוטומציה תעשייתית
הדרך בה מיושמת תקשורת תעשייתית החלה להשתנות. Ethernet זוג-יחיד (SPE) שומר על ארכיטקטורות מערכות קיימות של שתי-תיל תוך תמיכה במהירויות המהירות יותר וביתרונות רבים של Ethernet תעשייתי. אבחון שדה מתקדם תומך במעקב ובתפעול מבוזר וריכוזי כאחד. וכמובן, SPE יכול לעשות שימוש חוזר בשתי-תשתיות תיל הקיימות הבנויות ממספר אוטובוסים שדה קיימים, מה שמפשט שדרוגים מונעי התכנסות- וממזער עלויות.
הבנה מעמיקה יותר של Ethernet
בעוד ש-Ethernet פתוח ונמצא בכל מקום ביישומים ארגוניים, הוא אינו זמין כעת עבור יישומי-זמן אמת מכיוון שהשידור של מסגרות Ethernet של IT הוא "המאמץ הטוב ביותר" ובלתי מבוקרת; בכל מקרה, שגיאות מעצבנות. עבור OT בזמן אמת, לשגיאות יכולות להיות השלכות חמורות ואף להיות מסוכנות, ומערכות RTC זקוקות לתקשורת אמינה כ"מוליך" של המערכת כדי להבטיח שהמערכת פועלת כמתוכנן, ובכך למנוע כשל במוצר או נזק למערכת או פגיעה בכוח אדם. מכיוון ש-IT Ethernet משמש בדרך כלל בסביבות ארגוניות או צרכניות, יש מעט אתגרים סביבתיים. לעומת זאת, מערכות RTC נמצאות לעתים קרובות בסביבות קשות.
הצורך בהתנהגות חזקה ודטרמיניסטית (למשל, אמינות בטווחי טמפרטורות רחבים, בסביבות רועשות ומלוכלכות) וקצבי נתונים גבוהים יותר הניעו את הופעתה של Ethernet תעשייתי. Ethernet תעשייתי הוא דטרמיניסטי וחזק, ומספק רוחב פס נוסף וקישוריות IP אינהרנטית לניצול מלא של מערכות RTC.
להלן מבט על מאפייני התזמון וכיצד הם חלים על השכבה הפיזית של Ethernet (PHY).
חשיבות מאפייני התזמון
ישנם שלושה מאפייני תזמון חשובים במערכת RTC:
לְעַכֵּב.בהקשר זה, חשוב לקחת בחשבון עיכובים כגון עיכוב התפשטות: משך הזמן מרגע כניסת הנתונים לרכיב המערכת, תת-המערכת או תת-המערכת ועד יציאתם. לדוגמה, ל-DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY של TI יש עיכוב של 208ns- הלוך ושוב. זמן אחזור נמוך יותר יכול להפחית את זמן המחזור או להגדיל את מספר הצמתים באוטובוס.
דטרמיניזם.זה לא משנה עד כמה השהיה נמוך אם זמן ההגעה משתנה מאוד בכל פעם שהנתונים עוברים במערכת. וריאציה זו בזמן ההגעה ידועה בשם דטרמיניזם. ריצוד נמוך פירושו דטרמיניזם טוב. דטרמיניזם נמוך פירושו שעליך לבנות פחות מרווחים לתוך המערכת כדי להתאים את השהייה המשתנה. איור 2 ממחיש את ההשהיה (208ns) והדטרמיניזם (±2ns) של ה-DP83826E. פרוטוקולי Ethernet בזמן אמת, כגון EtherCAT, יכולים לנצל את מאפייני האחזור הנמוכים והדטרמיניסטים של Ethernet PHYs.
איור 2: עיכוב והוודאות שלוסִנכְּרוּן. יש גם יתרונות לקשירת התזמון של מערכת שלמה או של כמה מערכות שלמות ביחד. על מנת למקסם את היעילות והתפוקה תוך הבטחת פעולה בטוחה, ייתכן שתת-מערכות שונות יצטרכו "לדעת" בדיוק מתי תת-מערכת אחרת הולכת לבצע פעולה. פרוטוקולי Ethernet תעשייתיים תומכים כולם בסנכרון כלשהו. Time Sensitive Networking (TSN) הוא דוגמה לסנכרון זמן עבור מערכות RTC. המכון למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה (IEEE) 1588v2, Precision Time Protocol (PTP), עוזר לשמור על מספר מכשירים מסונכרנים זה עם זה, ו-IEEE 802.1as, הידוע גם כ-PTP כללי (gPTP), מקל עוד יותר על סנכרון עבור יישומים רגישים לזמן- כגון RTC.
מַסְקָנָה
פריסות RTC ותקשורת מוצלחות הן אבן הפינה של Industry 4.0. אבל יותר מסתם הפעלת Industry 4.0, עם תקשורת דטרמיניסטית, מסונכרנת ו-PHYs עם-שהיות נמוכה ופרוטוקולי Ethernet תעשייתי, כל הכלים יכולים להתאחד כדי ליצור מוזיקה יפה.