Становым хребтом идущей на наших глазах Четвертой промышленной революции (Industry 4.0) является бесшовная связь – ​интеграция различных программных и аппаратных средств связи в систему, обеспечивающую их взаимодействие без разработки вспомогательных средств и дополнительной настройки. Главное в бесшовной связи – ​незаметность этой интеграции для пользователя. Свое видение проблемы изложили в интервью изданию Electronic Design специалисты корпорации Texas Instruments.

Для получения конкурентных преимуществ от использования концепции Четвертой промышленной революции необходимо бесшовное взаимодействие нескольких передовых технологий. Лучший сценарий – ​гибридный, включающий облачные и краевые вычисления¹⁶ и оборудование. В условиях промышленных предприятий к трансформационным технологиям, обеспечивающим повышение эффективности производства, относятся новые системы измерения, контроля и связи, которые также обладают функциональными возможностями обеспечения безопасности и управления режимом электропитания, что повышает интеллектуальность человеческого труда, дает людям возможность брать на себя новые роли, а в некоторых случаях – ​работать в непосредственной близости от роботов в гораздо более интегрированной форме.

Сейчас с точки зрения реализации концепции Четвертой промышленной революции достигнут переломный момент – ​вхождение в первый этап, когда различные организации внедряют (в разной мере) эти технологий в отдельные части своего бизнеса. Следующим шагом для тех, кто захочет продолжить внедрение технологий Четвертой промышленной революции, станет повышение уровня автоматизации и расширение человеко-машинных взаимодействий (см. рисунок). Для объединения всех возможностей требуется прочная база.

Источник: Texas Instruments

Модуль управления автоматизированным оборудованием, реализующим концепцию Четвертой промышленной революции

Решающее значение для такого объединения имеют стандарты и спецификации, которые не только обеспечивают долгосрочные конкурентные преимущества для производителей, делая системы совместимыми и более эффективными, но и делают возможным итеративное обучение. Подключенные распределенные устройства могут стать хорошей основой для применения искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения с целою совершенствования и оптимизации производственных операций.

Связь и управление

Технологии, обеспечивающие работу производственных площадок, делятся на пять основных категорий: связь, сенсорика, контроль и управление, безопасность и потребляемая мощность. Не обязательно, чтобы все они были новыми, но концепция Четвертой промышленной революции предлагает сценарий непрерывной, непосредственной, бесшовной связи, использующей инновации в каждой отдельной области.

Неудивительно, что факторы функциональной безопасности и управления режимом электропитания критически важны в производственной среде. Обеспечение безопасности работников и экономия электроэнергии – ​наиболее актуальные приоритеты: при успешном внедрении они дают конкурентное преимущество. Управление режимом энергопотребления также связано с контролем состояния окружающей среды в процессе производства с целью поддержания оптимальных условий. Промышленная связь, сенсорика и управление – ​все это позволяет людям работать более эффективно и безопасно (с учетом потребления энергии).

Даже с учетом технологических достижений промышленная связь остается наиболее фундаментальной технологией, поскольку она позволяет одному блоку управления контролировать несколько потоков входящих и выходящих данных посредством сети. Архитектура сетевого управления предприятия включает в себя такие приложения, как управление силовыми установками, управление перемещениями, робототехника и классическая программируемая логика электроавтоматики (PLC).

PLC предоставляет весь спектр информации о состоянии аппаратуры, оборудования и заводских транспортных средств, включая температуру и местоположение. Современный пример PLC в действии – ​захватное устройство робота, которое берет или модифицирует что-то на конвейере. Роботизированное управление – ​это особый вариант управления производством, при котором применяются многоосные манипуляторы с собственной экосистемой восприятия. Для позиционирования роботов-манипуляторов используется машинное (техническое) зрение, которое в сочетании со средствами функциональной безопасности позволяет операторам контролировать окружающую обстановку и обеспечивать безопасность людей, работающих рядом с роботами.

Такой уровень безопасности и точности требует соответствующих средств связи и вычислительных мощностей. Например, в промышленных сетях стандарта Ethernet с гигабитной скоростью передачи данных используется семейство процессоров SitaraAM6x корпорации Texas Instruments на основе ядер Cortex-A53 и Cortex-R5F фирмы ARM, оснащенных библиотеками диагностики безопасности. Процессоры Sitara помогают задействовать системы функциональной безопасности и поддерживают интеллектуальные функции, помогающие динамически контролировать и оптимизировать производство на интеллектуальных производствах, а также экономить электроэнергию.

Процессоры Sitara представляют собой часть системы с более широким набором взаимодействий, осуществление которых невозможно, если различные системы управления не способны контактировать друг с другом. До появления таких перспективных разработок, как чувствительный ко времени сетевой обмен данными (TSN) и интерфейс IO-Link, операции ввода–вывода проходили через отдельные аналоговые коммуникационные дорожки. Различные системы управления действовали как изолированные островки деятельности.

TSN – ​это набор стандартов, которые подпадают под три основные категории компонентов, необходимых для полной передачи данных (сигналов) в реальном масштабе времени:

временная синхронизация;

планирование и шейпинг трафика;

выбор каналов связи, резервирование каналов и отказоустойчивость.

Шейпинг трафика связан с пакетами Ethernet в сети с различными приоритетами. Некоторые пакеты получают более высокий приоритет (в реальном масштабе времени) по сравнению с другими пакетами (не в реальном масштабе времени). В зависимости от приложения приоритет может быть определен типом пакета, временем поступления пакета или пропускной способностью пакета. Формирование трафика иногда сравнивают с HOV-полосами дорожного движения, пересекающими перекресток.

Стандарт TSN подразумевает, что все устройства в сети должны быть синхронизированы, будь то PLC или робот. Кроме того, каждое устройство следует единым правилам обработки и пересылки пакетов – ​чтобы гарантировать отказоустойчивость.

Стандарт IEC61131–9T (IO-Link), утвержденный Международной электротехнической комиссией (IEC), устанавливает спецификации двунаправленного обмена цифровыми данными в промышленности. IO-Link обеспечивает соединение цифровых датчиков и исполнительных устройств с промышленной шиной какого-либо типа или с каким-либо типом промышленной сети Ethernet (проводной или беспроводной) на коротких расстояниях и иногда в неидеальных условиях.

Например, приемопередатчик физического уровня DP83867 корпорации Texas Instruments отвечает требованиям синхронизации времени в соответствии с концепцией Четвертой промышленной революции. При этом он также предназначен для облегчения реализации локальных сетей Ethernet со скоростью передачи данных в 10/100/1000 Мбит/с в жестких условиях окружающей среды за счет сопряжения непосредственно с витой парой через внешний трансформатор.

Интерфейс IO-Link совместно со стандартом TSN поддерживает использование датчиков и исполнительных механизмов, которые могут производить и потреблять большой объем расширенных данных в реальном масштабе времени, что необходимо для оптимизации производства и поддержки его цифровой трансформации.

Унифицированные средства связи – ​основа Четвертой промышленной революции

Благодаря использованию TSN и IO-Link унифицированные системы связи позволяют оцифровывать производственные системы в полевых условиях в реальном масштабе времени, реализуя множество возможностей Четвертой промышленной революции.

Это не просто возможность производить больше и быстрее на одном или даже нескольких сборочных участках или установках с объединенной системой управления. Унифицированные системы связи также улучшают доступность машин и оборудования, поскольку поддерживают диагностическое техническое обслуживание. Появляется возможность не только координировать несколько систем управления, включая PLC, управление перемещениями и машинным зрением, используя одну TSN-магистраль, но и обслуживать эти системы, а также диагностировать любые проблемы из центральной точки. Все они теперь – ​части одной интегрированной системы, а не отдельные системы с отдельными протоколами связи.

Кроме того, обмен данными в реальном масштабе времени обеспечивает сопоставимость или совместимость между различными областями производства. Данные плавно переходят от системы управления роботом к PLC-контроллеру и далее к станку или установке, что повышает общую эффективность производственной системы.

Кроме того, концепция Четвертой промышленной революции предлагает полную прозрачность, поскольку передает производственные данные в системы планирования ресурсов предприятия (ERP). И хотя система ERP напрямую не контролирует, насколько быстро производится продукт, наличие большего объема бизнес-аналитики дает больше информации о производительности и ее влиянии на затраты и прибыль, позволяя принимать более взвешенные решения.

Управление данными

Большую роль в Четвертой промышленной революции также играют данные. Благодаря тому, что системы управления связаны друг с другом, организации получают больше информации для принятия более разумных решений и оптимизации производства в соответствии с бизнес-целями. Поскольку каждый прибор и каждое устройство ввода–вывода генерируют данные, теперь можно почти сразу узнать, требуется ли обслуживание системы для предотвращения сбоев.

Интеграция систем управления с помощью общего протокола связи также меняет работу людей и машин на производственных площадках. Хотя передовая робототехника берет на себя некоторые задачи, которые когда-то выполняли люди, в производственный процесс все больше вовлекаются ученые по данным, а другие работники могут работать в непосредственной близости от роботов.

Огромный объем доступных данных может иногда превышать пропускную способность каналов передачи в центральную точку для обработки. Одна из отличительных черт концепции Четвертой промышленной революции – ​целостный подход к облачным бизнес-приложениям. Это не значит, что каждый фрагмент информации уходит в «облако» – ​связь в реальном масштабе времени в основном существует только на производственном уровне. Даже в долгосрочной перспективе отправлять все данные в центр обработки не имеет смысла. Данные, генерируемые промышленными электромоторами и силовыми установками, передаются с очень высокой скоростью и требуют предварительной локальной обработки, а иногда даже аналитики внутри контроллера двигателя. Цель – ​в повышении интеллектуальности приборов и устройств в производственной среде.

Заключение

Есть три возможных сценария реализации концепции Четвертой промышленной революции. Первый – ​все отправляется в «облако», если это позволяет пропускная способность. Второй сценарий прямо противоположен первому: в его рамках все обрабатывается и решения принимаются на месте генерации данных, потому что их объем настолько велик, что его невозможно отправить в «облако».

Третий и, скорее всего, лучший вариант – ​гибридное решение. Оно предусматривает комбинацию возможностей предварительной обработки данных, которыми оснащено аппаратное обеспечение на месте их генерации (краевые вычисления), и отправку сжатых данных через стандартизированные средства связи в «облако» для принятия решений. Такой сценарий лучше всего поддерживает распределенное машинное обучение и практическое использование ИИ на производственных площадках, а также приносит пользу в цепочке поставок.

Leyrer Thomas. Seamless Communication: The Backbone of Industry 4.0. Electronic Design, May 21, 2020: www.electronicdesign.com/industrial-automation/article/21132117/seamless-communication-the-backbone-of-industry‑40/