【導讀】試想有一個可以彎曲和轉動的機械臂
，它的每個軸都配備了十分精準的電機驅動器、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”告訴係統的每個器件在何時該如何執行各自的操作，那麼機械臂可能會發出刺耳的碰撞聲和金屬摩擦聲。

在之前的實時控製係列文章中，我們探討了用於感應、驅動和處理的實時控製 (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，我們將以基於實時通信和控製的工業 4.0 作為討論的出發點。

推動自動化領域大數據發展的因素

受疫情影響，無人工幹預的工廠運營模式廣受歡迎。大數據（牛津詞典將其定義為可以通過計算分析揭示模式、趨勢和關聯的超大數據集
，特別是與人類行為和互動有關的數據集）的收集和適當分布可為數字孿生、計量
、服務收費和預測性維護提供支持。例如

，擁有可用的大數據能夠監測機械臂的性能和係統運行狀況，以及數據速率、溫度、濕度、振動等，從而開發出能夠基於使用大數據進行學習的 AI 預測未來性能和運行狀況的模型（數字孿生）。要充分利用這些優勢，有必要將信息技術 (IT) 和運營技術 (OT) 相結合，從而能夠支持互聯網協議 (IP) 以及 RTC 係統邊緣。從邏輯上講

，這稱為 IT 和 OT 融合。

在以太網中
，開放係統互連 (OSI) 模型的網絡層和傳輸層支持傳輸控製協議/互聯網協議 (TCP/IP)，因此以太網與生俱來地能夠支持 IPv4（和 IPv6）。chucizhiwai，hainengquedingdichuanshusuoxudexinxiliang，zhebianshigongyeyitaiwangzhengchengweigongyezidonghuaronghelingyuzhongshizhixingtongxinbiaozhundeyuanyinsuozai。youyuxianyoujichusheshitongchangshiyongliangxianxieyi，buzhichibendi TCP/IP，因此傳統現場總線目前仍用於與邊緣器件的通信。圖 1 展示了當前工業自動化領域的通信方式。

圖 1：當前工業自動化領域的通信方式

工業通信的實現方式已經開始變革。單對以太網 (SPE) keyiweichixianyoudeliangxianzhixitongjiagou，tongshiyekezhichigongyeyitaiwangdegengkuaisuduhezhuduoyoushi。xianjindexianchangzhenduanzhichifenbushihejizhongshijiancehecaozuo。dangran
，SPE 能夠重複使用由多個現有現場總線建立的現有兩線製基礎設施，從而簡化融合驅動的升級並充分降低成本。

深入了解以太網

雖然以太網在企業應用中是開放且無處不在的
，但目前還不能應用於實時應用，原因在於 IT 以太網幀的傳輸是“盡力而為”並且不受管控；任何情況下
，出現錯誤都是令人厭煩的。對於實時 OT 來說，錯誤會造成嚴重後果甚至帶來危險。RTC 係統需要以可靠的通信作為係統的“指揮”
，確保係統按預期運行，從而避免產品故障或者造成係統損壞或人員傷害。由於 IT 以太網通常用於企業或消費類環境
，因此很少遇到環境方麵的挑戰。與之相反，RTC 係統往往處於惡劣的環境中。

對穩健
、確定性行為（例如在寬溫度範圍、噪聲和髒汙環境中的可靠性）以及更高數據速率的需求推動了工業以太網的應運而生。工業以太網確定且穩健，能夠提供額外的帶寬和固有的 IP 連接來充分利用 RTC 係統。

下麵我們來了解一下時序特性及其如何應用於以太網物理層 (PHY)。

時序特性的重要性

RTC 係統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：即從數據進入係統、子係統或子係統組件直至離開的時間長度。舉例來說，TI 的 DP83826E 10Mbps/100Mbps 以太網 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點。

●   確(que)定(ding)性(xing)。如(ru)果(guo)每(mei)次(ci)數(shu)據(ju)通(tong)過(guo)係(xi)統(tong)時(shi)的(de)到(dao)達(da)時(shi)間(jian)變(bian)化(hua)很(hen)大(da)，那(na)麼(me)延(yan)遲(chi)有(you)多(duo)低(di)都(dou)無(wu)關(guan)緊(jin)要(yao)。這(zhe)種(zhong)到(dao)達(da)時(shi)間(jian)的(de)變(bian)化(hua)即(ji)為(wei)確(que)定(ding)性(xing)。抖(dou)動(dong)較(jiao)低(di)代(dai)表(biao)確(que)定(ding)性(xing)良(liang)好(hao)。低(di)確(que)定(ding)性(xing)意(yi)味(wei)著(zhe)您(nin)需(xu)要(yao)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)構(gou)建(jian)更(geng)少(shao)的(de)餘(yu)量(liang)來(lai)適(shi)應(ying)不(bu)斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)延(yan)遲(chi)。圖(tu) 2 展示了 DP83826E 的延遲 (208ns) 和確定性 (±2ns)。實時以太網協議（如 EtherCAT）可以利用以太網 PHY 較低且確定性的延遲特性。

圖 2：延遲及其確定性

同tong步bu。將jiang整zheng個ge係xi統tong或huo幾ji個ge完wan整zheng係xi統tong的de時shi序xu綁bang定ding在zai一yi起qi也ye具ju有you一yi定ding優you勢shi。為wei了le能neng夠gou更geng大da限xian度du地di提ti高gao效xiao率lv和he吞tun吐tu量liang
，同tong時shi確que保bao安an全quan操cao作zuo
，不bu同tong的de子zi係xi統tong可ke能neng需xu要yao確que切qie地di“知道”另一個子係統何時執行某個操作。工業以太網協議全部支持某種同步。時間敏感型網絡 (TSN) 便是適用於 RTC 係統的時間同步示例。電氣和電子工程師學會 (IEEE) 1588v2，即精確時間協議 (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 等時間敏感型應用的同步。

結語

成功的 RTC 和通信部署是工業 4.0 的基石。但是又不止是實現工業 4.0

，借助確定性

、同步和低延遲的通信 PHY 及工業以太網協議，所有儀器均能組合在一起，演奏一曲美妙的音樂。

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