La comunicazione nell'automazione industriale

Immagina un braccio robotico che si piega e ruota, con ciascun asse dotato di azionamenti motori, sensori o visione artificiale molto precisi, come se suonasse una sinfonia di movimento. Ma senza un “conduttore” che dica a ciascun componente del sistema quando e come eseguire le rispettive azioni, il braccio potrebbe provocare violente collisioni e graffi metallici.

Negli articoli precedenti della serie Real-Time Control, abbiamo esaminato gli strumenti di-controllo in tempo reale (RTC) utilizzati per il rilevamento, la guida e l'elaborazione. Per riunirli tutti è necessario il "comando": comunicazioni in tempo reale-. In questo articolo utilizzeremo l'Industria 4.0 basata sulla comunicazione e sul controllo in tempo reale-come punto di partenza per la nostra discussione.

Fattori che guidano lo sviluppo dei Big Data nell'automazione

Le operazioni di fabbrica senza intervento umano sono diventate popolari a causa dell’epidemia. La raccolta e la corretta distribuzione dei big data (definiti dal Dizionario di Oxford come set di dati molto grandi che possono essere analizzati computazionalmente per rivelare modelli, tendenze e correlazioni, soprattutto in relazione al comportamento e alle interazioni umane) possono supportare i gemelli digitali, la misurazione, la tariffazione dei servizi e la manutenzione predittiva. Ad esempio, avere a disposizione i big data consente di monitorare le prestazioni dei bracci robotici e le condizioni operative del sistema, nonché la velocità dei dati, la temperatura, l’umidità, le vibrazioni, ecc., portando allo sviluppo di modelli (gemelli digitali) in grado di prevedere le prestazioni e le condizioni operative future basate sull’intelligenza artificiale che apprende utilizzando i big data. Per sfruttare appieno questi vantaggi, è necessario combinare la tecnologia dell'informazione (IT) e la tecnologia operativa (OT) per essere in grado di supportare il protocollo Internet (IP) e l'edge del sistema RTC. Logicamente, questa si chiama convergenza IT e OT.

In Ethernet, i livelli di rete e di trasporto del modello Open Systems Interconnection (OSI) supportano il protocollo TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), quindi Ethernet è intrinsecamente in grado di supportare IPv4 (e IPv6). Oltre a ciò, la capacità di trasferire la quantità necessaria di informazioni in modo deterministico è il motivo per cui Industrial Ethernet sta diventando uno standard di comunicazione sostanziale nei campi convergenti dell'automazione industriale. I bus di campo tradizionali vengono ancora utilizzati per comunicare con i dispositivi edge perché le infrastrutture esistenti in genere utilizzano protocolli a due-fili e non supportano TCP/IP nativo. La Figura 1 illustra gli attuali metodi di comunicazione nell'automazione industriale.

                                 Figura 1: attuali metodi di comunicazione nell'automazione industriale

Il modo in cui vengono implementate le comunicazioni industriali ha iniziato a cambiare. Single-pair Ethernet (SPE) mantiene le architetture di sistema a due{2}}fili esistenti supportando al tempo stesso le velocità più elevate e molti vantaggi di Industrial Ethernet. La diagnostica avanzata sul campo supporta il monitoraggio e il funzionamento sia distribuiti che centralizzati. E, naturalmente, SPE può riutilizzare le infrastrutture bifilari esistenti realizzate a partire da più bus di campo esistenti, semplificando gli aggiornamenti guidati dalla convergenza-e riducendo al minimo i costi.

Una comprensione più approfondita di Ethernet

Sebbene Ethernet sia aperta e onnipresente nelle applicazioni aziendali, non è attualmente disponibile per le applicazioni in tempo reale-perché la trasmissione dei frame Ethernet IT avviene al "miglior-sforzo" e non è controllata; in ogni caso gli errori sono fastidiosi. Per l'OT in tempo reale-, gli errori possono avere conseguenze gravi e persino essere pericolosi, e i sistemi RTC necessitano di comunicazioni affidabili come "conduttore" del sistema per garantire che il sistema funzioni come previsto, evitando così guasti al prodotto o danni al sistema o lesioni al personale. Poiché IT Ethernet viene generalmente utilizzata in ambienti aziendali o consumer, le sfide ambientali sono poche. Al contrario, i sistemi RTC si trovano spesso in ambienti difficili.

La necessità di un comportamento robusto e deterministico (ad esempio, affidabilità su ampi intervalli di temperatura, in ambienti rumorosi e sporchi) e velocità di trasmissione dati più elevate ha guidato l'emergere di Industrial Ethernet. Industrial Ethernet è deterministico e robusto e fornisce larghezza di banda aggiuntiva e connettività IP intrinseca per utilizzare appieno i sistemi RTC.

Ecco uno sguardo alle caratteristiche di temporizzazione e al modo in cui si applicano al livello fisico Ethernet (PHY).

Importanza delle caratteristiche temporali

Ci sono tre importanti caratteristiche di temporizzazione in un sistema RTC:

Ritardo.In questo contesto, è importante considerare ritardi come il ritardo di propagazione: il periodo di tempo da quando i dati entrano nel sistema, sottosistema o componente del sottosistema fino a quando ne escono. Ad esempio, il PHY Ethernet DP83826E 10Mbps/100Mbps di TI ha un ritardo di andata e ritorno di 208 ns. Una latenza inferiore può ridurre il tempo di ciclo o aumentare il numero di nodi sul bus.
Determinismo.Non importa quanto bassa sia la latenza se l'orario di arrivo varia notevolmente ogni volta che i dati passano attraverso il sistema. Questa variazione dell'orario di arrivo è nota come determinismo. Un jitter basso significa un buon determinismo. Un basso determinismo significa che è necessario creare meno margine nel sistema per adattarsi ai cambiamenti di latenza. La Figura 2 illustra la latenza (208 ns) e il determinismo (±2 ns) del DP83826E. I protocolli Ethernet in tempo reale-come EtherCAT possono sfruttare le caratteristiche di latenza più bassa e deterministica dei PHY Ethernet.

                                Figura 2: Ritardo e sua certezza

Sincronizzazione. Ci sono anche vantaggi nel collegare insieme i tempi di un intero sistema o di più sistemi completi. Per massimizzare l'efficienza e la produttività garantendo al tempo stesso un funzionamento sicuro, diversi sottosistemi potrebbero dover "sapere" esattamente quando un altro sottosistema eseguirà un'operazione. I protocolli Industrial Ethernet supportano tutti un qualche tipo di sincronizzazione. Time Sensitive Networking (TSN) è un esempio di sincronizzazione dell'ora per i sistemi RTC. L'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2, Precision Time Protocol (PTP), aiuta a mantenere più dispositivi sincronizzati tra loro, mentre IEEE 802.1as, noto anche come PTP generalizzato (gPTP), facilita ulteriormente la sincronizzazione per applicazioni-sensibili al fattore tempo come RTC.

Conclusione

Il successo delle implementazioni RTC e delle comunicazioni sono la pietra angolare dell'Industria 4.0. Ma oltre a consentire l'Industria 4.0, con comunicazioni PHY deterministiche, sincronizzate e a bassa{2}}latenza e protocolli Industrial Ethernet, tutti gli strumenti possono unirsi per creare musica meravigliosa.