Her ekseni son derece hassas motor sürücüleri, sensörler veya makine görüşüyle donatılmış, sanki bir hareket senfonisi gerçekleştiriyormuşçasına bükülebilen ve dönebilen bir robotik kol hayal edin. Bununla birlikte, sistemin her bir bileşenine kendi işlemlerini ne zaman ve nasıl gerçekleştireceklerini söyleyen bir "iletken" olmadığında, robotik kol sarsıcı çınlama ve metalik sürtünme sesleri üretebilir.
Gerçek-zamanlı kontrolle ilgili önceki makalelerde, algılama, sürüş ve işleme için kullanılan gerçek-zamanlı kontrol (RTC) araçlarını araştırmıştık. Bunları entegre etmek için "iletkene", yani gerçek-zamanlı iletişime ihtiyacımız var. Bu makalede, tartışmanın başlangıç noktası olarak gerçek-zamanlı iletişime ve kontrole dayalı endüstriyel 4.0'ı kullanacağız.
Otomasyon alanında büyük verinin gelişimini yönlendiren faktörler
Pandeminin etkisi nedeniyle insan müdahalesi olmadan fabrika operasyonları oldukça popüler hale geldi. Büyük verilerin toplanması ve uygun şekilde dağıtılması (Oxford Sözlüğü tarafından, özellikle insan davranışı ve etkileşimleriyle ilgili olanlar olmak üzere hesaplamalı analiz yoluyla kalıpları, eğilimleri ve korelasyonları ortaya çıkarabilen son derece büyük veri kümeleri olarak tanımlanır) dijital ikizleri, ölçümü, hizmet faturalandırmasını ve tahmine dayalı bakımı destekleyebilir. Örneğin, büyük verilere erişim, robotik kol performansının ve sistem sağlığının yanı sıra veri hızları, sıcaklık, nem, titreşim ve daha fazlasının izlenmesine olanak tanır ve böylece büyük verilere (dijital ikizler) dayalı olarak gelecekteki performansı ve sağlığı tahmin edebilen yapay zeka modellerinin geliştirilmesine olanak tanır. Bu avantajlardan tam olarak yararlanmak için, uçta İnternet Protokolü (IP) ve RTC sistemlerini desteklemek amacıyla bilgi teknolojisi (BT) ve operasyonel teknolojiyi (OT) entegre etmek gerekir. Mantıksal olarak buna BT ve OT yakınsaması denir.
Ethernet'te, Açık Sistemler Ara Bağlantısı (OSI) modelinin ağ katmanı ve taşıma katmanı İletim Kontrol Protokolünü/İnternet Protokolünü (TCP/IP) destekler, dolayısıyla Ethernet doğası gereği IPv4'ü (ve IPv6'yı) destekler. Ek olarak, gerekli miktarda bilgiyi güvenilir bir şekilde iletebilir; bu nedenle endüstriyel Ethernet, endüstriyel otomasyon yakınsaması alanında önemli bir iletişim standardı haline geliyor. Mevcut altyapı genellikle yerel TCP/IP'yi desteklemeyen iki-kablolu protokol kullandığından, uç cihazlarla iletişim için hâlâ geleneksel veri yolları kullanılıyor. Şekil 1 endüstriyel otomasyon alanındaki mevcut iletişim yöntemlerini göstermektedir.
Şekil 1: Endüstriyel otomasyon alanındaki mevcut iletişim yöntemleri
Endüstriyel iletişimin uygulanma şekli bir dönüşümden geçiyor. Tek-çift Ethernet (SPE), mevcut iki-kablolu sistem mimarisini korurken aynı zamanda endüstriyel Ethernet'in daha yüksek hızlarını ve çok sayıda avantajını da destekler. Gelişmiş saha teşhisleri, dağıtılmış ve merkezi izleme ve işletimi destekler. Elbette SPE, birden fazla mevcut veri yolu tarafından oluşturulan mevcut iki-kablolu altyapıyı yeniden kullanabilir, böylece yakınsama odaklı yükseltmeleri basitleştirip-maliyetleri önemli ölçüde azaltabilir.
Ethernet'i Anlamak
Ethernet, kurumsal uygulamalarda açık ve her yerde mevcut olmasına rağmen, BT Ethernet çerçeve iletiminin "en iyi çaba" olması ve yönetilmemesi nedeniyle şu anda gerçek-zamanlı uygulamalar için uygun değildir; hatalar her zaman istenmeyen bir durumdur. Gerçek-zamanlı fazla mesai için, hataların ciddi sonuçları olabilir ve hatta tehlike oluşturabilir. RTC sistemleri, sistemin amaçlandığı gibi çalışmasını sağlamak, böylece ürün arızalarını veya sistem hasarına veya kişisel yaralanmalara neden olmaktan kaçınmak için sistemin "komuta merkezi" olarak güvenilir iletişime ihtiyaç duyar. IT Ethernet genellikle kurumsal veya tüketici ortamlarında kullanıldığından çevresel zorluklarla nadiren karşılaşır. Bunun tersine, RTC sistemleri genellikle zorlu ortamlarda çalışır.
Sağlam, deterministik davranışa (geniş sıcaklık aralıklarında güvenilirlik, gürültülü ve kirli ortamlar gibi) ve daha yüksek veri hızlarına olan talep, endüstriyel Ethernet'in ortaya çıkmasına neden olmuştur. Endüstriyel Ethernet belirleyici ve sağlamdır; RTC sistemlerinden tam olarak yararlanmak için ek bant genişliği ve doğal IP bağlantısı sağlar.
Zamanlama özelliklerine ve bunların Ethernet fiziksel katmanına (PHY) nasıl uygulandığına bir göz atalım.
Zamanlama Karakteristiklerinin Önemi
RTC sistemlerinde üç temel zamanlama özelliği vardır:
Gecikme.Bu bağlamda, yayılma gecikmesi gibi gecikmenin dikkate alınması gerekir: verinin sisteme, alt sisteme veya alt sistem bileşenine girmesinden çıkışına kadar geçen süre. Örneğin, TI'nin DP83826E 10Mbps/100Mbps Ethernet PHY'sinin 208ns'lik bir gidiş-dönüş-gecikmesi vardır. Daha düşük gecikme, döngü süresini azaltabilir veya veriyolundaki düğüm sayısını artırabilir.
Determinizm.Verinin varış süresi sistemden her geçtiğinde önemli ölçüde değişiyorsa, gecikmenin ne kadar düşük olduğu önemsiz hale gelir. Varış süresindeki bu değişiklik determinizm olarak bilinir. Daha düşük titreşim daha iyi determinizmi gösterir. Düşük determinizm, değişen gecikmelere uyum sağlamak için sistemde daha az marj oluşturmanız gerektiği anlamına gelir. Şekil 2, DP83826E'nin gecikmesini (208ns) ve determinizmini (±2ns) göstermektedir. Gerçek-zamanlı Ethernet protokolleri (EtherCAT gibi), Ethernet PHY'nin düşük ve belirleyici gecikme özelliklerinden yararlanabilir.
Şekil 2: Gecikme ve determinizmi
Senkronizasyon.Bir sistemin tamamının veya birkaç komple sistemin zamanlamasını birbirine bağlamak da bazı avantajlara sahiptir. Güvenli çalışmayı sağlarken verimliliği ve verimi en üst düzeye çıkarmak için, farklı alt sistemlerin, başka bir alt sistemin belirli bir işlemi ne zaman gerçekleştirdiğini tam olarak bilmesi gerekebilir. Tüm endüstriyel Ethernet protokolleri bir çeşit senkronizasyonu destekler. Zamana-Duyarlı Ağ İletişimi (TSN), RTC sistemleri için zaman senkronizasyonunun bir örneğidir. Hassas Zaman Protokolü (PTP) olarak da bilinen Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (IEEE) 1588v2, birden fazla cihazın birbiriyle senkronizasyonunu sürdürmesine yardımcı olur. Genelleştirilmiş PTP (gPTP) olarak da bilinen IEEE 802.1as, RTC gibi zamana duyarlı uygulamalar için senkronizasyona daha da olanak tanır-.
Çözüm
Başarılı RTC ve iletişim dağıtımları Endüstri 4.0'ın temel taşıdır. Ancak mesele sadece Endüstri 4.0'a ulaşmak değil; deterministik, senkronize ve düşük-gecikmeli iletişim PHY'leri ve endüstriyel Ethernet protokolleri ile tüm enstrümanlar güzel bir senfoni çalmak için birleştirilebilir.