Hãy tưởng tượng một cánh tay robot có thể uốn cong và xoay, với mỗi trục được trang bị bộ điều khiển động cơ, cảm biến hoặc thị giác máy có độ chính xác cao, như thể đang biểu diễn một bản giao hưởng chuyển động. Tuy nhiên, nếu không có "chất dẫn" để thông báo cho từng bộ phận của hệ thống khi nào và cách thực hiện các hoạt động tương ứng, cánh tay robot có thể tạo ra âm thanh chói tai và tiếng mài kim loại.
Trong các bài viết trước về-điều khiển thời gian thực, chúng tôi đã khám phá các công cụ-điều khiển thời gian thực (RTC) dùng để cảm biến, điều khiển và xử lý. Để tích hợp chúng, chúng ta cần có "người dẫn": giao tiếp theo thời gian thực. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ sử dụng công nghiệp 4.0 dựa trên-giao tiếp và điều khiển theo thời gian thực làm điểm khởi đầu cho cuộc thảo luận.
Các yếu tố thúc đẩy sự phát triển của dữ liệu lớn trong lĩnh vực tự động hóa
Do ảnh hưởng của đại dịch, việc vận hành nhà máy không có sự can thiệp của con người đã trở nên phổ biến rộng rãi. Việc thu thập và phân phối dữ liệu lớn một cách thích hợp (được Từ điển Oxford định nghĩa là các bộ dữ liệu cực lớn có thể tiết lộ các mô hình, xu hướng và mối tương quan thông qua phân tích tính toán, đặc biệt là những dữ liệu liên quan đến hành vi và tương tác của con người) có thể hỗ trợ bản sao kỹ thuật số, đo lường, thanh toán dịch vụ và bảo trì dự đoán. Ví dụ: việc truy cập vào dữ liệu lớn cho phép theo dõi hiệu suất của cánh tay robot và tình trạng hệ thống, cũng như tốc độ dữ liệu, nhiệt độ, độ ẩm, độ rung, v.v., từ đó cho phép phát triển các mô hình AI có thể dự đoán hiệu suất và tình trạng trong tương lai dựa trên dữ liệu lớn (bản sao kỹ thuật số). Để tận dụng tối đa những lợi thế này, cần tích hợp công nghệ thông tin (IT) và công nghệ vận hành (OT) để hỗ trợ các hệ thống Giao thức Internet (IP) và RTC ở biên. Về mặt logic, điều này được gọi là sự hội tụ CNTT và OT.
Trong Ethernet, lớp mạng và lớp vận chuyển của mô hình Kết nối hệ thống mở (OSI) hỗ trợ Giao thức điều khiển truyền dẫn/Giao thức Internet (TCP/IP), do đó Ethernet vốn đã hỗ trợ IPv4 (và IPv6). Ngoài ra, nó có thể truyền lượng thông tin cần thiết một cách đáng tin cậy, đó là lý do tại sao Ethernet công nghiệp đang trở thành một tiêu chuẩn truyền thông quan trọng trong lĩnh vực hội tụ tự động hóa công nghiệp. Do cơ sở hạ tầng hiện tại thường sử dụng hai-giao thức dây không hỗ trợ TCP/IP cục bộ nên các bus trường truyền thống vẫn được sử dụng để liên lạc với các thiết bị biên. Hình 1 minh họa các phương pháp truyền thông hiện tại trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp.
Hình 1: Các phương pháp truyền thông hiện nay trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp
Cách thức thực hiện truyền thông công nghiệp đang trải qua một sự chuyển đổi. Ethernet đơn{1}}cặp (SPE) có thể duy trì kiến trúc hệ thống hai dây hiện có-đồng thời hỗ trợ tốc độ nhanh hơn và nhiều lợi thế của Ethernet công nghiệp. Chẩn đoán hiện trường nâng cao hỗ trợ giám sát và vận hành phân tán và tập trung. Tất nhiên, SPE có thể tái sử dụng cơ sở hạ tầng hai dây hiện có được thiết lập bởi nhiều bus trường hiện có, từ đó đơn giản hóa việc nâng cấp theo hướng hội tụ và giảm đáng kể chi phí.
Hiểu Ethernet
Mặc dù Ethernet mở và phổ biến trong các ứng dụng doanh nghiệp nhưng hiện tại nó không phù hợp với các ứng dụng thời gian thực vì việc truyền khung Ethernet CNTT là "nỗ lực tốt nhất" và không được quản lý; những sai sót luôn là điều không mong muốn. Đối với-OT thời gian thực, lỗi có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng hoặc thậm chí gây nguy hiểm. Hệ thống RTC yêu cầu khả năng liên lạc đáng tin cậy với tư cách là "trung tâm chỉ huy" của hệ thống để đảm bảo hệ thống hoạt động như dự định, từ đó tránh được lỗi sản phẩm hoặc gây hư hỏng hệ thống hoặc thương tích cá nhân. Vì Ethernet CNTT thường được sử dụng trong môi trường doanh nghiệp hoặc người tiêu dùng nên nó hiếm khi gặp phải những thách thức về môi trường. Ngược lại, hệ thống RTC thường hoạt động trong môi trường khắc nghiệt.
Nhu cầu về hành vi mạnh mẽ, xác định (như độ tin cậy trong phạm vi nhiệt độ rộng, môi trường ồn ào và bẩn) và tốc độ dữ liệu cao hơn đã thúc đẩy sự xuất hiện của Ethernet công nghiệp. Ethernet công nghiệp mang tính quyết định và mạnh mẽ, cung cấp thêm băng thông và kết nối IP vốn có để tận dụng tối đa các hệ thống RTC.
Chúng ta hãy xem các đặc điểm về thời gian và cách chúng áp dụng cho lớp vật lý Ethernet (PHY).
Tầm quan trọng của đặc điểm thời gian
Có ba đặc điểm định thời chính trong hệ thống RTC:
Trì hoãn.Trong bối cảnh này, độ trễ phải được xem xét, chẳng hạn như độ trễ lan truyền: khoảng thời gian từ khi dữ liệu đi vào hệ thống, hệ thống con hoặc thành phần hệ thống con cho đến khi thoát ra. Ví dụ: PHY Ethernet DP83826E 10Mbps/100Mbps của TI có độ trễ khứ hồi là 208ns. Độ trễ thấp hơn có thể làm giảm thời gian chu kỳ hoặc tăng số lượng nút trên bus.
Chủ nghĩa quyết định.Nếu thời gian đến của dữ liệu thay đổi đáng kể mỗi lần nó đi qua hệ thống thì độ trễ thấp đến mức nào sẽ không còn phù hợp nữa. Sự thay đổi về thời gian đến này được gọi là tính tất định. Độ biến động thấp hơn cho thấy tính quyết định tốt hơn. Tính xác định thấp có nghĩa là bạn cần tạo ít lợi nhuận hơn cho hệ thống để đáp ứng các độ trễ khác nhau. Hình 2 cho thấy độ trễ (208ns) và tính xác định (±2ns) của DP83826E. Các giao thức Ethernet thời gian thực (chẳng hạn như EtherCAT) có thể tận dụng các đặc tính độ trễ thấp và xác định của Ethernet PHY.
Hình 2: Độ trễ và tính quyết định của nó
Đồng bộ hóa.Việc ràng buộc thời gian của toàn bộ hệ thống hoặc một số hệ thống hoàn chỉnh với nhau cũng có những ưu điểm nhất định. Để tối đa hóa hiệu quả và thông lượng đồng thời đảm bảo vận hành an toàn, các hệ thống con khác nhau có thể cần biết chính xác khi nào một hệ thống con khác thực hiện một hoạt động nhất định. Tất cả các giao thức Ethernet công nghiệp đều hỗ trợ một số hình thức đồng bộ hóa. Thời gian-Mạng nhạy cảm (TSN) là một ví dụ về đồng bộ hóa thời gian cho hệ thống RTC. Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) 1588v2, còn được gọi là Giao thức thời gian chính xác (PTP), giúp nhiều thiết bị duy trì đồng bộ hóa với nhau. IEEE 802.1as, còn được gọi là PTP tổng quát (gPTP), còn cho phép đồng bộ hóa các ứng dụng nhạy cảm về thời gian-như RTC.
Phần kết luận
Triển khai RTC và truyền thông thành công là nền tảng của Công nghiệp 4.0. Tuy nhiên, vấn đề không chỉ là đạt được Công nghiệp 4.0; với PHY giao tiếp xác định, đồng bộ hóa và có độ trễ-thấp cũng như các giao thức Ethernet công nghiệp, tất cả các nhạc cụ có thể được kết hợp để chơi một bản giao hưởng tuyệt đẹp.