德州儀器作者: Gen Vansteeg
試想機器人手臂彎曲和轉動的動作，其中的每個軸都配備精確的馬達驅動器、感測器，或許也有機器視覺，最終呈現動作流暢的交響樂。不過，如果指揮不告訴系統的各個部份如何以及何時執行任務，機器人手臂可能會發出金屬碰撞和摩擦的刺耳聲音。
在我們即時控制系列的前幾期中，我們討論即時控制 (RTC) 的程序：感測、驅動和處理。組合這些程序所需的最後一塊是指揮：即時通訊。本文將使用工業 4.0 做為討論的基礎，因為其中採用即時通訊和控制。
是什麼因素促進大數據在自動化中的發展
COVID-19 證明了不需要人為介入的工廠營運令人稱羨。大數據 (牛津辭典定義為可透過運算分析以揭示模式、趨勢和關聯，特別是與人類行為和互動相關的超大數據集) 的收集和適當發佈可實現數位分身、計量、服務收費和預測維護。例如，擁有可用的大數據可以監控機器人手臂的性能和系統運作狀況以及數據速率、溫度、濕度、振動等，藉以開發能夠採用人工智慧預測未來性能和運作狀況的模型 (數位分身)，人工智慧會使用大數據進行學習。若要發揮這些效益，有必要匯合資訊技術 (IT) 和營運技術 (OT)，因此支援網際網路通訊協定 (IP) 一直到 RTC 系統的邊緣。在邏輯上，這稱為 IT 和 OT 的匯合。
在乙太網路中，開放系統互聯 (OSI) 模型的網路和傳輸層支援傳輸控制通訊協定/網際網路通訊協定 (TCP/IP)，因此乙太網路本質上支援 IPv4 (和 IPv6)。以決定效能的方式傳送所需資訊量的能力，同時本質上支援 IPv4，是工業乙太網路成為工業自動化匯合之中實質通訊標準的原因。舊式現場匯流排目前仍然存在，才能與邊緣裝置通訊，因為現有基礎設施通常使用沒有原生 TCP/IP 功能的雙線通訊協定。圖 1 顯示現今工業自動化中的通訊。
圖 1：現今工業自動化中的通訊
工業通訊實作已經開始發生變化。單對乙太網路 (SPE) 可以維持現有的雙線系統架構，同時也支援工業乙太網路的更快速度和效益。進階原位診斷支援分佈式和集中式監控和動作。當然，SPE 能夠重複使用由多個現有現場匯流排建立的現有雙線基礎設施，藉此簡化並且盡可能降低匯合驅動的升級所需的成本。
進入乙太網路
雖然乙太網路在企業應用中開放且無處不在，但直到最近仍然不可能在即時應用中使用乙太網路，因為 IT 乙太網路幀的交付是「盡力而為」且不受管理；即使是最好的情況，錯誤也很討厭。在即時 OT 中，錯誤可能造成災難，或甚至有危險性。RTC 系統需要可靠的通訊做為系統的指揮，藉以確保系統如預期運作，避免產品製造不當或造成系統損壞或人身傷害。IT 乙太網路面臨的環境挑戰很罕見，因為 IT 乙太網路通常在企業或消費者環境中使用。另一方面，RTC 系統通常位於嚴苛的環境中。
對於穩健、決定效能的行為所產生的需求，例如在溫度變化大、受干擾和凌亂的環境中達到的可靠性，以及更高的數據速率，促使工業乙太網路問世。工業乙太網路有決定效能和穩健的成效，能夠提供額外的頻寬和固有的 IP 連接性，藉以充分運用 RTC 系統。
讓我們討論時序特性以及這些特性如何適用於乙太網路物理層 (PHY)。
時序特性的重要性
RTC 系統有三個重要的主要時序特性：
- 延遲。在這種情況下，將延遲視為傳播延遲：這是從數據進入系統、子系統或子系統元件到離開的時間長度。例如，TI 的 DP83826E 10-/100-Mbps 乙太網路 PHY 達到的往返延遲為 208 奈秒。減少延遲可以加快循環時間，也可以在匯流排上啟用更多節點。
- 決定效能。每次數據通過系統時，如果到達時間變化很大，延遲有多低都不構成問題。決定效能是指到達時間的這種變化。決定效能之中相當低的抖動是良好的決定效能。低決定效能表示您需要在系統中縮小預留空間來適應持續變化的延遲。圖 2 說明 DP83826E 的延遲 (208 奈秒) 和決定效能 (±2 奈秒)。EtherCAT 等即時乙太網路通訊協定可以運用乙太網路 PHY 之中決定效能的低延遲。
圖 2：延遲及其決定效能
- 同步。匯合一個或多個完整系統的時序也有極大的效益。不同的子系統可能需要準確「知道」另一個子系統何時執行操作，才能盡可能提高效率和處理量並安全運作。工業乙太網路通訊協定都支援某種同步。時間敏感網路 (TSN) 是 RTC 系統中可用的其中一種時間同步。電機電子工程師學會 (IEEE) 1588v2 或精確時間協定 (PTP) 有助於多個裝置保持彼此同步。IEEE 802.1as (也稱為通用 PTP (gPTP)) 為 RTC 等對時間敏感的應用提供進一步的同步。
結論
工業 4.0 取決於 RTC 和通訊的成功部署。不僅工業 4.0 – 透過使用決定效能、同步和低延遲的通訊 PHY 和工業乙太網路通訊協定，世界上所有的儀器都可以開始一起合奏美妙的音樂。
其它資源
- 深入瞭解 TI 的 SPE PHY。
- 觀看影片「IEPE 振動監測前端以及使用邊緣 AI 處理的高速數據擷取」。
- 參閱應用注意事項「單對雙絞線乙太網路 (SPE) 對機器人系統設計的重要性」。
