基于實時通信和控制的工業(yè) 4.0如何推動工業(yè)自動化

試想有一個可以彎曲和轉(zhuǎn)動的機械臂，它的每個軸都配備了十分精準(zhǔn)的電機驅(qū)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(tǒng)的每個器件在何時該如何執(zhí)行各自的操作，那么機械臂可能會發(fā)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(yīng)、驅(qū)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(yè) 4.0 作為討論的出發(fā)點。

推動自動化領(lǐng)域大數(shù)據(jù)發(fā)展的因素

受疫情影響，無人工干預(yù)的工廠運營模式廣受歡迎。大數(shù)據(jù)（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(guān)聯(lián)的超大數(shù)據(jù)集，特別是與人類行為和互動有關(guān)的數(shù)據(jù)集）的收集和適當(dāng)分布可為數(shù)字孿生、計量、服務(wù)收費和預(yù)測性維護(hù)提供支持。例如，擁有可用的大數(shù)據(jù)能夠監(jiān)測機械臂的性能和系統(tǒng)運行狀況，以及數(shù)據(jù)速率、溫度、濕度、振動等，從而開發(fā)出能夠基于使用大數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)的 AI 預(yù)測未來性能和運行狀況的模型（數(shù)字孿生）。要充分利用這些優(yōu)勢，有必要將信息技術(shù) (IT) 和運營技術(shù) (OT) 相結(jié)合，從而能夠支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 以及RTC 系統(tǒng)邊緣。從邏輯上講，這稱為 IT 和 OT 融合。

在以太網(wǎng)中，開放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層支持傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (TCP/IP)，因此以太網(wǎng)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(yè)以太網(wǎng)正成為工業(yè)自動化融合領(lǐng)域中實質(zhì)性通信標(biāo)準(zhǔn)的原因所在。由于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施通常使用兩線協(xié)議，不支持本地 TCP/IP，因此傳統(tǒng)現(xiàn)場總線目前仍用于與邊緣器件的通信。圖 1 展示了當(dāng)前工業(yè)自動化領(lǐng)域的通信方式。

圖 1：當(dāng)前工業(yè)自動化領(lǐng)域的通信方式

工業(yè)通信的實現(xiàn)方式已經(jīng)開始變革。單對以太網(wǎng) (SPE) 可以維持現(xiàn)有的兩線制系統(tǒng)架構(gòu)，同時也可支持工業(yè)以太網(wǎng)的更快速度和諸多優(yōu)勢。先進(jìn)的現(xiàn)場診斷支持分布式和集中式監(jiān)測和操作。當(dāng)然，SPE 能夠重復(fù)使用由多個現(xiàn)有現(xiàn)場總線建立的現(xiàn)有兩線制基礎(chǔ)設(shè)施，從而簡化融合驅(qū)動的升級并充分降低成本。

深入了解以太網(wǎng)

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

對穩(wěn)健、確定性行為（例如在寬溫度范圍、噪聲和臟污環(huán)境中的可靠性）以及更高數(shù)據(jù)速率的需求推動了工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)運而生。工業(yè)以太網(wǎng)確定且穩(wěn)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(tǒng)。

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

時序特性的重要性

RTC 系統(tǒng)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(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)、子系統(tǒng)或子系統(tǒng)組件直至離開的時間長度。舉例來說，TI 的DP83826E 10Mbps/100Mbps 以太網(wǎng) 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(jié)點。

確定性。如果每次數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)時的到達(dá)時間變化很大，那么延遲有多低都無關(guān)緊要。這種到達(dá)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(tǒng)中構(gòu)建更少的余量來適應(yīng)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(wǎng)協(xié)議（如 EtherCAT）可以利用以太網(wǎng) 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(tǒng)或幾個完整系統(tǒng)的時序綁定在一起也具有一定優(yōu)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(tǒng)可能需要確切地“知道”另一個子系統(tǒng)何時執(zhí)行某個操作。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議全部支持某種同步。時間敏感型網(wǎng)絡(luò) (TSN) 便是適用于 RTC 系統(tǒng)的時間同步示例。電氣和電子工程師學(xué)會 (IEEE) 1588v2，即精確時間協(xié)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(jìn)一步推動 RTC 等時間敏感型應(yīng)用的同步。

結(jié)語

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

責(zé)任編輯：彭菁