試想有一個(gè)可以彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械臂，它的每個(gè)軸都配備了十分精準(zhǔn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器或機(jī)器視覺(jué)，仿佛在演奏一曲運(yùn)動(dòng)交響樂(lè)。但如果沒(méi)有“指揮”告訴系統(tǒng)的每個(gè)器件在何時(shí)該如何執(zhí)行各自的操作，那么機(jī)械臂可能會(huì)發(fā)出刺耳的碰撞聲和金屬摩擦聲。

在之前的實(shí)時(shí)控制系列文章中，我們探討了用于感應(yīng)、驅(qū)動(dòng)和處理的實(shí)時(shí)控制 (RTC) 儀器。而要將它們貫穿起來(lái)需要借助“指揮”：實(shí)時(shí)通信。在本文中，我們將以基于實(shí)時(shí)通信和控制的工業(yè) 4.0 作為討論的出發(fā)點(diǎn)。

推動(dòng)自動(dòng)化領(lǐng)域大數(shù)據(jù)發(fā)展的因素

受疫情影響，無(wú)人工干預(yù)的工廠運(yùn)營(yíng)模式廣受歡迎。大數(shù)據(jù)（牛津詞典將其定義為可以通過(guò)計(jì)算分析揭示模式、趨勢(shì)和關(guān)聯(lián)的超大數(shù)據(jù)集，特別是與人類行為和互動(dòng)有關(guān)的數(shù)據(jù)集）的收集和適當(dāng)分布可為數(shù)字孿生、計(jì)量、服務(wù)收費(fèi)和預(yù)測(cè)性維護(hù)提供支持。例如，擁有可用的大數(shù)據(jù)能夠監(jiān)測(cè)機(jī)械臂的性能和系統(tǒng)運(yùn)行狀況，以及數(shù)據(jù)速率、溫度、濕度、振動(dòng)等，從而開發(fā)出能夠基于使用大數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)的 AI 預(yù)測(cè)未來(lái)性能和運(yùn)行狀況的模型（數(shù)字孿生）。要充分利用這些優(yōu)勢(shì)，有必要將信息技術(shù) (IT) 和運(yùn)營(yíng)技術(shù) (OT) 相結(jié)合，從而能夠支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 以及 RTC 系統(tǒng)邊緣。從邏輯上講，這稱為 IT 和 OT 融合。

在以太網(wǎng)中，開放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層支持傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (TCP/IP)，因此以太網(wǎng)與生俱來(lái)地能夠支持 IPv4（和 IPv6）。除此之外，還能確定地傳輸所需的信息量，這便是工業(yè)以太網(wǎng)正成為工業(yè)自動(dòng)化融合領(lǐng)域中實(shí)質(zhì)性通信標(biāo)準(zhǔn)的原因所在。由于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施通常使用兩線協(xié)議，不支持本地 TCP/IP，因此傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線目前仍用于與邊緣器件的通信。圖 1 展示了當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的通信方式。

圖 1：當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的通信方式

工業(yè)通信的實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)開始變革。單對(duì)以太網(wǎng) (SPE) 可以維持現(xiàn)有的兩線制系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)也可支持工業(yè)以太網(wǎng)的更快速度和諸多優(yōu)勢(shì)。先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)診斷支持分布式和集中式監(jiān)測(cè)和操作。當(dāng)然，SPE 能夠重復(fù)使用由多個(gè)現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線建立的現(xiàn)有兩線制基礎(chǔ)設(shè)施，從而簡(jiǎn)化融合驅(qū)動(dòng)的升級(jí)并充分降低成本。

深入了解以太網(wǎng)

雖然以太網(wǎng)在企業(yè)應(yīng)用中是開放且無(wú)處不在的，但目前還不能應(yīng)用于實(shí)時(shí)應(yīng)用，原因在于 IT 以太網(wǎng)幀的傳輸是“盡力而為”并且不受管控；任何情況下，出現(xiàn)錯(cuò)誤都是令人厭煩的。對(duì)于實(shí)時(shí) OT 來(lái)說(shuō)，錯(cuò)誤會(huì)造成嚴(yán)重后果甚至帶來(lái)危險(xiǎn)。RTC 系統(tǒng)需要以可靠的通信作為系統(tǒng)的“指揮”，確保系統(tǒng)按預(yù)期運(yùn)行，從而避免產(chǎn)品故障或者造成系統(tǒng)損壞或人員傷害。由于 IT 以太網(wǎng)通常用于企業(yè)或消費(fèi)類環(huán)境，因此很少遇到環(huán)境方面的挑戰(zhàn)。與之相反，RTC 系統(tǒng)往往處于惡劣的環(huán)境中。

對(duì)穩(wěn)健、確定性行為（例如在寬溫度范圍、噪聲和臟污環(huán)境中的可靠性）以及更高數(shù)據(jù)速率的需求推動(dòng)了工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)運(yùn)而生。工業(yè)以太網(wǎng)確定且穩(wěn)健，能夠提供額外的帶寬和固有的 IP 連接來(lái)充分利用 RTC 系統(tǒng)。

下面我們來(lái)了解一下時(shí)序特性及其如何應(yīng)用于以太網(wǎng)物理層 (PHY)。

時(shí)序特性的重要性

RTC 系統(tǒng)中有三大重要時(shí)序特性：

· 延遲。在這種背景下，需要考慮延遲，比如傳播延遲：即從數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)、子系統(tǒng)或子系統(tǒng)組件直至離開的時(shí)間長(zhǎng)度。舉例來(lái)說(shuō)，TI 的 DP83826E 10Mbps/100Mbps 以太網(wǎng) PHY 具有 208ns 的往返延遲。更低的延遲能夠縮短周期時(shí)間或增加總線上的節(jié)點(diǎn)。

· 確定性。如果每次數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)時(shí)的到達(dá)時(shí)間變化很大，那么延遲有多低都無(wú)關(guān)緊要。這種到達(dá)時(shí)間的變化即為確定性。抖動(dòng)較低代表確定性良好。低確定性意味著您需要在系統(tǒng)中構(gòu)建更少的余量來(lái)適應(yīng)不斷變化的延遲。圖 2 展示了 DP83826E 的延遲 (208ns) 和確定性 ((2ns)。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議（如 EtherCAT）可以利用以太網(wǎng) PHY 較低且確定性的延遲特性。

圖 2：延遲及其確定性

 · 同步。將整個(gè)系統(tǒng)或幾個(gè)完整系統(tǒng)的時(shí)序綁定在一起也具有一定優(yōu)勢(shì)。為了能夠更大限度地提高效率和吞吐量，同時(shí)確保安全操作，不同的子系統(tǒng)可能需要確切地“知道”另一個(gè)子系統(tǒng)何時(shí)執(zhí)行某個(gè)操作。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議全部支持某種同步。時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò) (TSN) 便是適用于 RTC 系統(tǒng)的時(shí)間同步示例。電氣和電子工程師學(xué)會(huì) (IEEE) 1588v2，即精確時(shí)間協(xié)議 (PTP) 可幫助多個(gè)器件保持彼此間同步。IEEE 802.1as，也稱為廣義 PTP (gPTP)，能夠進(jìn)一步推動(dòng) RTC 等時(shí)間敏感型應(yīng)用的同步。

結(jié)語(yǔ)

成功的 RTC 和通信部署是工業(yè) 4.0 的基石。但是又不止是實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0，借助確定性、同步和低延遲的通信 PHY 及工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，所有儀器均能組合在一起，演奏一曲美妙的音樂(lè)。

其他資源

了解有關(guān) TI SPE PHY 的更多信息。

觀看視頻“ IEPE 振動(dòng)監(jiān)測(cè)前端和采用邊緣 AI 處理的高速數(shù)據(jù)采集”。

閱讀應(yīng)用手冊(cè)“單對(duì)雙絞線以太網(wǎng) (SPE) 在機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要性”。