物聯網

                      實時控制和通信領域的 IT/OT 融合如何推動工業自動化

                      2025China.cn   2023年01月10日

                      試想有一個可以彎曲和轉動的機械臂,它的每個軸都配備了十分精準的電機驅動器、傳感器或機器視覺,仿佛在演奏一曲運動交響樂。但如果沒有“指揮”告訴系統的每個器件在何時該如何執行各自的操作,那么機械臂可能會發出刺耳的碰撞聲和金屬摩擦聲。

                      在之前的實時控制系列文章中,我們探討了用于感應、驅動和處理的實時控制 (RTC) 儀器。而要將它們貫穿起來需要借助“指揮”:實時通信。在本文中,我們將以基于實時通信和控制的工業 4.0 作為討論的出發點。

                      推動自動化領域大數據發展的因素

                      受疫情影響,無人工干預的工廠運營模式廣受歡迎。大數據(牛津詞典將其定義為可以通過計算分析揭示模式、趨勢和關聯的超大數據集,特別是與人類行為和互動有關的數據集)的收集和適當分布可為數字孿生、計量、服務收費和預測性維護提供支持。例如,擁有可用的大數據能夠監測機械臂的性能和系統運行狀況,以及數據速率、溫度、濕度、振動等,從而開發出能夠基于使用大數據進行學習的 AI 預測未來性能和運行狀況的模型(數字孿生)。要充分利用這些優勢,有必要將信息技術 (IT) 和運營技術 (OT) 相結合,從而能夠支持互聯網協議 (IP) 以及 RTC 系統邊緣。從邏輯上講,這稱為 IT 和 OT 融合。

                      在以太網中,開放系統互連 (OSI) 模型的網絡層和傳輸層支持傳輸控制協議/互聯網協議 (TCP/IP),因此以太網與生俱來地能夠支持 IPv4(和 IPv6)。除此之外,還能確定地傳輸所需的信息量,這便是工業以太網正成為工業自動化融合領域中實質性通信標準的原因所在。由于現有基礎設施通常使用兩線協議,不支持本地 TCP/IP,因此傳統現場總線目前仍用于與邊緣器件的通信。圖 1 展示了當前工業自動化領域的通信方式。

                      圖 1:當前工業自動化領域的通信方式

                      工業通信的實現方式已經開始變革。單對以太網 (SPE) 可以維持現有的兩線制系統架構,同時也可支持工業以太網的更快速度和諸多優勢。先進的現場診斷支持分布式和集中式監測和操作。當然,SPE 能夠重復使用由多個現有現場總線建立的現有兩線制基礎設施,從而簡化融合驅動的升級并充分降低成本。

                      深入了解以太網

                      雖然以太網在企業應用中是開放且無處不在的,但目前還不能應用于實時應用,原因在于 IT 以太網幀的傳輸是“盡力而為”并且不受管控;任何情況下,出現錯誤都是令人厭煩的。對于實時 OT 來說,錯誤會造成嚴重后果甚至帶來危險。RTC 系統需要以可靠的通信作為系統的“指揮”,確保系統按預期運行,從而避免產品故障或者造成系統損壞或人員傷害。由于 IT 以太網通常用于企業或消費類環境,因此很少遇到環境方面的挑戰。與之相反,RTC 系統往往處于惡劣的環境中。

                      對穩健、確定性行為(例如在寬溫度范圍、噪聲和臟污環境中的可靠性)以及更高數據速率的需求推動了工業以太網的應運而生。工業以太網確定且穩健,能夠提供額外的帶寬和固有的 IP 連接來充分利用 RTC 系統。

                      下面我們來了解一下時序特性及其如何應用于以太網物理層 (PHY)。

                      時序特性的重要性

                      RTC 系統中有三大重要時序特性:

                      ● 延遲。在這種背景下,需要考慮延遲,比如傳播延遲:即從數據進入系統、子系統或子系統組件直至離開的時間長度。舉例來說,TI 的 DP83826E 10Mbps/100Mbps 以太網 PHY 具有 208ns 的往返延遲。更低的延遲能夠縮短周期時間或增加總線上的節點。

                      ● 確定性。如果每次數據通過系統時的到達時間變化很大,那么延遲有多低都無關緊要。這種到達時間的變化即為確定性。抖動較低代表確定性良好。低確定性意味著您需要在系統中構建更少的余量來適應不斷變化的延遲。圖 2 展示了 DP83826E 的延遲 (208ns) 和確定性 (±2ns)。實時以太網協議(如 EtherCAT)可以利用以太網 PHY 較低且確定性的延遲特性。

                      圖 2:延遲及其確定性

                      ● 同步。將整個系統或幾個完整系統的時序綁定在一起也具有一定優勢。為了能夠更大限度地提高效率和吞吐量,同時確保安全操作,不同的子系統可能需要確切地“知道”另一個子系統何時執行某個操作。工業以太網協議全部支持某種同步。時間敏感型網絡 (TSN) 便是適用于 RTC 系統的時間同步示例。電氣和電子工程師學會 (IEEE) 1588v2,即精確時間協議 (PTP) 可幫助多個器件保持彼此間同步。IEEE 802.1as,也稱為廣義 PTP (gPTP),能夠進一步推動 RTC 等時間敏感型應用的同步。

                      結語

                      成功的 RTC 和通信部署是工業 4.0 的基石。但是又不止是實現工業 4.0,借助確定性、同步和低延遲的通信 PHY 及工業以太網協議,所有儀器均能組合在一起,演奏一曲美妙的音樂。

                      (德州儀器)

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