Imagine un brazo robótico que se dobla y gira, con cada eje equipado con unidades de motor, sensores o visión artificial muy precisa, como si jugara una sinfonía de movimiento. Pero sin un "conductor" para decir a cada componente del sistema cuándo y cómo realizar sus acciones respectivas, el brazo podría hacer colisiones duras y rasguños metálicos.
En artículos anteriores de la serie de control en tiempo real, observamos los instrumentos de control en tiempo real (RTC) utilizados para detectar, conducir y procesar. Para unirlos a todos requiere "comando": comunicaciones en tiempo real. En este artículo, utilizaremos la industria 4. 0 basado en la comunicación y el control en tiempo real como punto de partida para nuestra discusión.
Factores que impulsan el desarrollo de grandes datos en la automatización
Las operaciones de fábrica sin intervención humana se han vuelto populares debido a la epidemia. La recopilación y la distribución adecuada de Big Data (definido por el Diccionario de Oxford como conjuntos de datos muy grandes que se pueden analizar computacionalmente para revelar patrones, tendencias y correlaciones, especialmente en relación con el comportamiento e interacciones humanas) pueden soportar gemelos digitales, medición, servicio. carga y mantenimiento predictivo. Por ejemplo, tener big data disponibles permite el monitoreo del rendimiento de las armas robóticas y las condiciones de funcionamiento del sistema, así como las velocidades de datos, la temperatura, la humedad, la vibración, etc., lo que lleva al desarrollo de modelos que pueden predecir el rendimiento futuro y las condiciones operativas basadas en AI que aprende a usar Big Data (gemelos digitales). Para aprovechar al máximo estos beneficios, es necesario combinar la tecnología de la información (TI) y la tecnología de operaciones (OT) para poder admitir el Protocolo de Internet (IP), así como el RTC System Edge. Lógicamente, esto se llama Convergencia OT.
En Ethernet, las capas de red y transporte del modelo Open Systems Interconnection (OSI) admiten protocolo de control de transmisión/protocolo de Internet (TCP/IP), por lo que Ethernet es inherentemente capaz de admitir IPv4 (e IPv6). Además de esto, la capacidad de transferir la cantidad requerida de información determinista es por qué Ethernet industrial se está convirtiendo en un estándar de comunicación sustancial en los campos de convergencia de la automatización industrial. Las bases de campo tradicionales todavía se usan para comunicarse con dispositivos de borde porque las infraestructuras existentes generalmente usan protocolos de dos hilos y no admiten TCP/IP nativo. La Figura 1 ilustra los métodos de comunicación actuales en la automatización industrial.
Métodos de comunicación actuales en automatización industrial
La forma en que se implementan las comunicaciones industriales han comenzado a cambiar. Ethernet (SPE) de un solo par mantiene las arquitecturas existentes del sistema de dos hilos al tiempo que admite las velocidades más rápidas y muchos beneficios de Ethernet industrial. El diagnóstico de campo avanzado admite monitoreo y operación distribuidos y centralizados. Y, por supuesto, SPE puede reutilizar las infraestructuras existentes de dos hilos construidas a partir de múltiples negocios de campo existentes, simplificando las actualizaciones basadas en la convergencia y minimizando los costos.
Una comprensión más profunda de Ethernet
Si bien Ethernet está abierto y omnipresente en aplicaciones empresariales, actualmente no está disponible para aplicaciones en tiempo real porque la transmisión de los marcos de Ethernet es "mejor esfuerzo" y no controlado; En cualquier caso, los errores son molestos. Para OT en tiempo real, los errores pueden tener graves consecuencias e incluso ser peligrosos, y los sistemas RTC necesitan comunicaciones confiables como el "conductor" del sistema para garantizar que el sistema funcione según lo previsto, evitando así la falla del producto o el daño al sistema o lesión al personal. Debido a que Ethernet se usa típicamente en entornos empresariales o de consumo, existen pocos desafíos ambientales. En contraste, los sistemas RTC a menudo se encuentran en entornos hostiles.
La necesidad de robustez, comportamiento determinista (por ejemplo, confiabilidad en amplios rangos de temperatura, en entornos ruidosos y sucios), y las tasas de datos más altas han impulsado la aparición de Ethernet industrial. Ethernet industrial es determinista y robusto, proporcionando ancho de banda adicional y conectividad IP inherente para utilizar completamente los sistemas RTC.
Aquí hay un vistazo a las características de tiempo y cómo se aplican a la capa física de Ethernet (PHY).
Importancia de las características de tiempo
Hay tres características de tiempo importantes en un sistema RTC:
Estado latente.En este contexto, es importante considerar retrasos como el retraso de propagación: el tiempo desde cuando los datos ingresan al sistema, subsistema o componente del subsistema hasta que salga. Por ejemplo, el DP83826E de TI 10Mbps/100Mbps Ethernet Phy tiene un retraso de ida y vuelta de 208ns. La latencia más baja puede reducir el tiempo de ciclo o aumentar el número de nodos en el bus.
Determinismo.No importa cuán baja sea la latencia si el tiempo de llegada varía mucho cada vez que los datos pasan a través del sistema. Esta variación en el tiempo de llegada se conoce como determinismo. La baja fluctuación significa un buen determinismo. El bajo determinismo significa que debe construir menos margen en el sistema para acomodar la latencia cambiante. La Figura 2 ilustra la latencia (208ns) y el determinismo (± 2ns) del DP83826E. Los protocolos Ethernet en tiempo real, como EtherCat, pueden aprovechar las características de latencia deterministas más bajas de Ethernet Phys.
Retraso y su certeza
Sincronización. También hay ventajas para vincular el momento de un sistema completo o varios sistemas completos. Para maximizar la eficiencia y el rendimiento, al tiempo que garantiza una operación segura, los diferentes subsistemas pueden necesitar "saber" exactamente cuándo otro subsistema realizará una operación. Los protocolos industriales de Ethernet admiten algún tipo de sincronización. La red sensible al tiempo (TSN) es un ejemplo de sincronización del tiempo para los sistemas RTC. El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) 1588V2, Protocolo de tiempo de precisión (PTP), ayuda a mantener múltiples dispositivos sincronizados entre sí, e IEEE 802.1AS, también conocido como PTP generalizado (GPTP), facilita aún más la sincronización para aplicaciones sensibles al tiempo. como RTC.
Conclusión
Las implementaciones exitosas de RTC y comunicaciones son la piedra angular de la industria 4. 0. Pero más que solo habilitar la industria 4. 0, con protocolos de comunicaciones e industriales deterministas, sincronizadas y de baja latencia, todos los instrumentos pueden unirse para hacer música hermosa.