試想有一個可以彎曲和轉(zhuǎn)動的機械臂，它的每個軸都配備了十分精準(zhǔn)的電機驅(qū)動器、傳感器或機器視覺，仿佛在演奏一曲運動交響樂。但如果沒有“指揮”告訴系統(tǒng)的每個器件在何時該如何執(zhí)行各自的操作，那么機械臂可能會發(fā)出刺耳的碰撞聲和金屬摩擦聲。

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

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、計量、服務(wù)收費和預(yù)測性維護提供支持。例如，擁有可用的大數(shù)據(jù)能夠監(jiān)測機械臂的性能和系統(tǒng)運行狀況，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)進行學(xué)習(xí)的 AI 預(yù)測未來性能和運行狀況的模型（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)，同時也可支持工業(yè)以太網(wǎng)的更快速度和諸多優(yōu)勢。先進的現(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)用于實時應(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)錯誤都是令人厭煩的。對于實時 OT 來說，錯誤會造成嚴(yán)重后果甚至帶來危險。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序特性及其如何應(yīng)用于以太網(wǎng)物理層 (PHY)。

時序特性的重要性

RTC 系統(tǒng)中有三大重要時序特性：

· 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)進入系統(tǒng)、子系統(tǒng)或子系統(tǒng)組件直至離開的時間長度。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間或增加總線上的節(jié)點。

· 確定性。如果每次數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)時的到達時間變化很大，那么延遲有多低都無關(guān)緊要。這種到達時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)。實時以太網(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。將整個系統(tǒng)或幾個完整系統(tǒng)的時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”另一個子系統(tǒng)何時執(zhí)行某個操作。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議全部支持某種同步。時間敏感型網(wǎng)絡(luò) (TSN) 便是適用于 RTC 系統(tǒng)的時間同步示例。電氣和電子工程師學(xué)會 (IEEE) 1588v2，即精確時間協(xié)議 (PTP) 可幫助多個器件保持彼此間同步。IEEE 802.1as，也稱為廣義 PTP (gPTP)，能夠進一步推動 RTC 等時間敏感型應(yīng)用的同步。

結(jié)語

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。

其他資源

了解有關(guān) TI SPE PHY 的更多信息。

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

閱讀應(yīng)用手冊“單對雙絞線以太網(wǎng) (SPE) 在機器人系統(tǒng)設(shè)計中的重要性”。