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IT/OT融合推動工業自動化進展

作者 : Gen Vansteeg，TI

即時控制(RTC)程序包括感測、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。

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。

什麼因素促進大數據在自動化的發展

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(AI)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的匯聚。

在乙太網路(Ethernet)中，開放系統互連(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聚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。匯聚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。