?如果有一個(gè)可以彎曲和轉(zhuǎn)動的機(jī)械臂，它的每個(gè)軸都配備了十分精準(zhǔn)的電機(jī)驅(qū)動器、傳感器或機(jī)器視覺，仿佛在演奏一曲運(yùn)動交響樂。但如果沒有“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)動和處理的實(shí)時(shí)控制?(RTC)?儀器。而要將它們貫穿起來需要借助“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)。推動自動化領(lǐng)域大數(shù)據(jù)發(fā)展的因素受疫情影響，無人工干預(yù)的工廠運(yùn)營模式廣受歡迎。大數(shù)據(jù)（牛津詞典將其定義為可以通過計(jì)算分析揭示模式、趨勢和關(guān)聯(lián)的超大數(shù)據(jù)集，特別是與人類行為和互動有關(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)測未來性能和運(yùn)行狀況的模型（數(shù)字孿生）。要充分利用這些優(yōu)勢，有必要將信息技術(shù)?(IT)?和運(yùn)營技術(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)自動化領(lǐng)域的通信方式。?
圖?1：當(dāng)前工業(yè)自動化領(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。先進(jìn)的現(xiàn)場診斷支持分布式和集中式監(jiān)測和操作。當(dāng)然，SPE?能夠重復(fù)使用由多個(gè)現(xiàn)有現(xiàn)場總線建立的現(xiàn)有兩線制基礎(chǔ)設(shè)施，從而簡化融合驅(qū)動的升級并充分降低成本。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。對于實(shí)時(shí)?OT?來說，錯(cuò)誤會造成嚴(yán)重后果甚至帶來危險(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?連接來充分利用?RTC?系統(tǒng)。
下面我們來了解一下時(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：
1、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)間長度。舉例來說，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)。
2、確定性。如果每次數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)時(shí)的到達(dá)時(shí)間變化很大，那么延遲有多低都無關(guān)緊要。這種到達(dá)時(shí)間的變化即為確定性。抖動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?
3、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。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?(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?RTC?等時(shí)間敏感型應(yīng)用的同步。?
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德州儀器
