Imagine un brazo robótico que pueda doblarse y girar, con cada eje equipado con controladores de motor, sensores o visión artificial de alta precisión, como si realizara una sinfonía de movimiento. Sin embargo, sin un "conductor" que indique a cada componente del sistema cuándo y cómo ejecutar sus respectivas operaciones, el brazo robótico podría producir chirridos metálicos y ruidos metálicos.
En artículos anteriores sobre control en tiempo real, exploramos los instrumentos de control en tiempo real (RTC) utilizados para detectar, conducir y procesar. Para integrarlos necesitamos el "conductor": la comunicación en tiempo real. En este artículo, utilizaremos industrial 4.0 basado en comunicación y control en tiempo real como punto de partida para la discusión.
Factores que impulsan el desarrollo del big data en el campo de la automatización
Debido al impacto de la pandemia, las operaciones fabriles sin intervención humana se han vuelto muy populares. La recopilación y distribución adecuada de big data (definidos por el Diccionario Oxford como conjuntos de datos extremadamente grandes que pueden revelar patrones, tendencias y correlaciones a través de análisis computacional, particularmente aquellos relacionados con el comportamiento y las interacciones humanas) pueden respaldar los gemelos digitales, la medición, la facturación de servicios y el mantenimiento predictivo. Por ejemplo, tener acceso a big data permite monitorear el rendimiento del brazo robótico y la salud del sistema, así como las velocidades de datos, la temperatura, la humedad, la vibración y más, lo que permite el desarrollo de modelos de inteligencia artificial que pueden predecir el rendimiento y la salud futuros basados en big data (gemelos digitales). Para aprovechar al máximo estas ventajas, es necesario integrar la tecnología de la información (TI) y la tecnología operativa (OT) para soportar el protocolo de Internet (IP) y los sistemas RTC en el borde. Lógicamente, esto se conoce como convergencia de TI y OT.
En Ethernet, la capa de red y la capa de transporte del modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI) admiten el protocolo de control de transmisión/protocolo de Internet (TCP/IP), por lo que Ethernet admite inherentemente IPv4 (e IPv6). Además, puede transmitir de forma fiable la cantidad de información necesaria, razón por la cual Ethernet industrial se está convirtiendo en un estándar de comunicación fundamental en el campo de la convergencia de la automatización industrial. Dado que la infraestructura existente normalmente utiliza protocolos de dos cables que no admiten TCP/IP local, los buses de campo tradicionales todavía se utilizan para la comunicación con dispositivos periféricos. La Figura 1 ilustra los métodos de comunicación actuales en el campo de la automatización industrial.
Figura 1: Métodos de comunicación actuales en el campo de la automatización industrial
La forma en que se implementa la comunicación industrial está experimentando una transformación. Ethernet de par único (SPE) puede mantener la arquitectura del sistema de dos cables existente y al mismo tiempo admitir velocidades más rápidas y numerosas ventajas de Ethernet industrial. Los diagnósticos de campo avanzados respaldan el monitoreo y la operación distribuidos y centralizados. Por supuesto, SPE puede reutilizar la infraestructura de dos cables existente establecida por múltiples buses de campo existentes, simplificando así las actualizaciones impulsadas por la convergencia y reduciendo significativamente los costos.
Entendiendo Ethernet
Si bien Ethernet es abierto y omnipresente en las aplicaciones empresariales, actualmente no es adecuado para aplicaciones en tiempo real porque la transmisión de tramas Ethernet de TI es el "mejor esfuerzo" y no está administrada; Los errores siempre son indeseables. Para la OT en tiempo real, los errores pueden tener consecuencias graves o incluso representar peligros. Los sistemas RTC requieren una comunicación confiable como "centro de comando" del sistema para garantizar que el sistema funcione según lo previsto, evitando así fallas en el producto o daños al sistema o lesiones personales. Dado que IT Ethernet se utiliza normalmente en entornos empresariales o de consumo, rara vez enfrenta desafíos ambientales. Por el contrario, los sistemas RTC suelen funcionar en entornos hostiles.
La demanda de un comportamiento robusto y determinista (como confiabilidad en amplios rangos de temperatura, entornos ruidosos y sucios) y velocidades de datos más altas ha impulsado el surgimiento de Ethernet industrial. Ethernet industrial es determinista y robusto, y proporciona ancho de banda adicional y conectividad IP inherente para aprovechar al máximo los sistemas RTC.
Echemos un vistazo a las características de temporización y cómo se aplican a la capa física de Ethernet (PHY).
La importancia de las características de sincronización
Hay tres características clave de sincronización en los sistemas RTC:
Demora.En este contexto, se debe considerar el retraso, como el retraso de propagación: el período de tiempo desde que los datos ingresan al sistema, subsistema o componente del subsistema hasta que salen. Por ejemplo, la PHY Ethernet DP83826E de 10 Mbps/100 Mbps de TI tiene un retardo de ida y vuelta de 208 ns. Un retraso más bajo puede reducir el tiempo del ciclo o aumentar la cantidad de nodos en el bus.
Determinismo.Si el tiempo de llegada de los datos varía significativamente cada vez que pasan por el sistema, entonces qué tan bajo sea el retraso se vuelve irrelevante. Esta variación en la hora de llegada se conoce como determinismo. Una menor fluctuación indica un mejor determinismo. Un determinismo bajo significa que es necesario crear menos margen en el sistema para adaptarse a los distintos retrasos. La Figura 2 muestra el retraso (208 ns) y el determinismo (± 2 ns) del DP83826E. Los protocolos Ethernet en tiempo real (como EtherCAT) pueden aprovechar las características de latencia baja y determinista de Ethernet PHY.
Figura 2: Retraso y su determinismo
Sincronización.Unir la sincronización de un sistema completo o de varios sistemas completos también tiene ciertas ventajas. Para maximizar la eficiencia y el rendimiento y al mismo tiempo garantizar una operación segura, es posible que diferentes subsistemas necesiten saber exactamente cuándo otro subsistema realiza una determinada operación. Todos los protocolos Ethernet industriales admiten alguna forma de sincronización. Time-Sensitive Networking (TSN) es un ejemplo de sincronización horaria para sistemas RTC. El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) 1588v2, también conocido como Protocolo de tiempo de precisión (PTP), ayuda a que varios dispositivos mantengan la sincronización entre sí. IEEE 802.1as, también conocido como PTP generalizado (gPTP), permite además la sincronización para aplicaciones urgentes como RTC.
Conclusión
Las implementaciones exitosas de RTC y comunicaciones son la piedra angular de la Industria 4.0. Sin embargo, no se trata sólo de lograr la Industria 4.0; Con PHY de comunicación determinista, sincronizada y de baja latencia y protocolos Ethernet industriales, todos los instrumentos se pueden combinar para tocar una hermosa sinfonía.