آرشیو بهمن ماه 1400

SmartFactory-KL آینده تولید را معرفی می کند: سطح تولید 4
سخنرانان
تعریف مرحله بعدی در Industrie 4.0; ساخت و ساز بر روی پلت فرم مستقل نمایشگر/سازنده برای Hannover Messe 2020 آغاز می شود.

تولید در آینده چگونه خواهد بود؟ تا کنون مفاهیم اتوماسیون، ماشین‌ها را بدون هیچ نقشی برای مردم در خط مقدم قرار داده است. SmartFactory-KL با این فرض موافق نیست و در جای خود، مفهوم جدیدی را ارائه می دهد که تمرکز را بر روی افراد قرار می دهد: سطح تولید 4. پروفسور گفت: "انسان ها می خواهند و باید بتوانند هر تصمیمی که توسط یک ماشین گرفته می شود را تغییر دهند." مارتین روسکوفسکی، رئیس هیئت اجرایی SmartFactory-KL. "ما مسئولیت آنچه در فرآیندهای تولید اتفاق می افتد را حفظ خواهیم کرد. ماشین ها و هوش مصنوعی نمی توانند و نباید این را از بین ببرند!"



سطح تولید 4 شامل انسان می شود

آندریاس هومان گفت: «سطح تولید 4 هوش مصنوعی (AI)، اتوماسیون و انسان را برای دستیابی به مزایای بلندمدت Industrie 4.0 ترکیب می‌کند. Huhmann یک مشاور استراتژی برای Connectivity + Networks در Harting Technology Group و یکی از اعضای هیئت اجرایی SmartFactory-KL است. در SmartFactory-KL، ما این اصطلاح را برای تأکید بر این واقعیت انتخاب کردیم که توسعه بیشتر و مداوم Industrie 4.0 تنها از طریق خودمختاری، یعنی ترکیبی از هوش مصنوعی و انسان امکان پذیر است.

مقالات تئوری قبلی اتوماسیون تولید صنعتی را در قیاس با شش سطح اتوماسیون رانندگی از 0 تا 5 توصیف می کنند، جایی که سطح 5 "نیازی به توجه انسان ندارد". راسکوفسکی گفت: «ما آن سطح را هدف خود نمی‌دانیم. "البته، کار معمولی توسط هوش مصنوعی یا ماشین‌ها انجام می‌شود. اما ماشین‌ها یا نرم‌افزارها توانایی‌هایی مانند احساسات واقعی، درک، خلاقیت یا اخلاق را نمی‌آموزند. ما معتقدیم که فناوری برای حمایت از مردم وجود دارد، نه برای بردگی آنها. تولید. سطح 4 به وضوح این نکته را نشان می دهد."

هوش مصنوعی و 5G

دو عضو هیئت اجرایی SmartFactory-KL توسط پروفسور Hans Dieter Schotten پشتیبانی می شوند. او مدیر علمی مرکز تحقیقاتی آلمان برای هوش مصنوعی (DFKI) است و کارش بر روی هوش مصنوعی و 5G متمرکز است، که از نظر او فناوری‌های فعال کننده کلیدی در توسعه تولید آینده است: «فقدان پیوندهای داده سریع و ایمن، روش‌های هوش مصنوعی. نمی توان به مصلحت استفاده کرد." راسکوفسکی افزود: 5G تنها فناوری بی سیم تا به امروز است که می تواند مقادیر بسیار زیادی داده را بدون وقفه در یک محیط صنعتی انتقال دهد.

ساخت و ساز بر روی پلت فرم مستقل نمایشگر/تولیدکننده آغاز می شود

هومن گفت: «SmartFactory-KL نشان دهنده نقطه اتصال بین تحقیق و کاربرد است. کارشناسان و محققان ما مفاهیم نظری را توسعه می‌دهند که سپس به کاربردهای صنعتی منتقل می‌کنیم. این رابطه همان چیزی است که SmartFactory Kaiserslautern را منحصر به فرد می‌کند. راسکوفسکی گفت: "نقطه اوج دانش و مهارت های ما در اینجا اتفاق می افتد." ما هر سال در هانوفر از این تسهیلات برای نشان دادن آنچه از نظر فنی امکان پذیر است استفاده می کنیم. در حال حاضر، یک نمایشگر جدید بر اساس اصول تولید سطح 4 در حال ساخت است. نمایندگان SmartFactory-KL می گویند که اولین گام به سوی آینده در سال 2020 آماده خواهد شد. "ما چشم اندازی داریم که در سال می خواهیم کجا باشیم. 2025. نمایشگر به گونه ای طراحی شده است که ما می توانیم هر سال آن را بیشتر توسعه دهیم و در پنج سال آینده به سطح تولید 4 برسیم."

هومن گفت: "این تبدیل از تئوری به عمل یکی از دلایل مهمی است که عضویت ما در 53 شرکت تصمیم به مشارکت گرفت." این شرکت ها در گروه های کاری مشترک در مورد مسائل مربوط به توسعه پلت فرم متقابل شرکت می کنند. کارشناسان در SmartFactory-KL ریاست گروه های کاری را بر عهده دارند، در حالی که اعضای صنعت نیازهای خود را مشخص می کنند و یافته های گروه را به تولید کارخانه خود منتقل می کنند. راسکوفسکی گفت: "ما فکر می کنیم ضروری است که اعضای ما در این راه همکاری کنند." این تنها راهی است که می توانیم به طور مشترک پیشرفت های فنی عمده را اجرا کنیم.»

برای برخی از اعضا، این رویکرد در حال حاضر بخشی از استراتژی شرکت آنها است. به عنوان مثال، زمانی که عضو SmartFactory-KL IBM در ژوئن 2019 مسئولیت Red Hat را بر عهده گرفت، هدف آن ترویج "روح منبع باز" بود که با شفافیت، همکاری، تعهد و جامعه مشخص می شود. حتی ZDF، پخش کننده تلویزیون عمومی ملی آلمان، پخش کلیپ های Terra-X را تحت مجوز رایگان و سازگار با ویکی پدیا آغاز کرده است. راسکوفسکی گفت: «سال‌های زیادی است که ما قابلیت همکاری پلت‌فرم‌های مستقل از تأمین‌کننده را ارتقا داده‌ایم و این با رویکرد آینده‌نگر ما مطابقت دارد».

سخنرانان (L-R): آندریاس هومان، پروفسور مارتین روسکوفسکی، پروفسور هانس دیتر شوتن. عکس: SmartFactory-KL/K Schäfer

*تصاویر و مطالب توسط نویسندگان ارائه شده است. IEDCommunications Ltd OR Industrial Automation Magazine مسئولیتی در قبال مسائل مربوط به حق چاپ ناشی از استفاده ندارد.

با ظهور شبکه‌های حساس به زمان (TSN)، شبکه‌های اترنت عملکرد جدیدی برای زمان‌بندی انتقال اطلاعات دریافت کردند. برخلاف رویکردهای اولویت دقیق و دور روبین، TSN امکان کنترل دقیق زمان خروج یک بسته از هر گره را فراهم می کند. در حالی که این ممکن است اضافه‌ای جزئی به نظر برسد، TSN به یک ویژگی ضروری تبدیل شده است تا امکان همزیستی انواع ترافیک مختلف در یک اتصال مشترک را فراهم کند، و این برای پیوندهای با پهنای باند کوچک و همچنین لینک‌های با ظرفیت بالا صادق است.

قیاس با حمل و نقل عمومی ویژگی های جدید را توضیح می دهد. در شهری که من در آلمان زندگی می کنم، دولت شهری مصمم است تا حمل و نقل عمومی محلی ما را بهینه کند. بهینه‌سازی به معنای بهبود زمان‌بندی است که بدون کاهش ظرفیت برای کاربران به قابلیت پیش‌بینی برای مسافران تبدیل می‌شود. این امر با پایانه‌های بهینه‌سازی شده به دست می‌آید که امکان تغییر ترتیب اتوبوس‌ها را برای رسیدن به زمان‌های حرکت برنامه‌ریزی‌شده و با چراغ‌های راهنمایی هوشمند در تقاطع‌های بین ایستگاه‌ها فراهم می‌کند. هر ظرفیتی که هنوز در خیابان ها باقی مانده است را می توان با حمل و نقل خصوصی به بهترین نحو پر کرد.

ترافیک در خیابان های عمومی یک سیستم حساس به زمان است. شباهت‌های زیادی با شبکه‌های حساس به زمان در پیوندهای اترنت مشترک وجود دارد.

مدار فرمان یک سیستم حمل و نقل جامد از یک برنامه زمانبندی گسترده شبکه پیروی می کند. این برنامه برای مطابقت با خدمات مورد نیاز که کاربران برای آن پرداخت می کنند محاسبه می شود. یک برنامه به صورت مرکزی تنظیم می شود و به جدول زمانی برای هر ایستگاه و پایانه که اتوبوس ها از آنجا حرکت می کنند و همچنین برای هر تقاطع منجر می شود. شبکه را می توان تقریباً به سه حوزه تقسیم کرد: پیکربندی متمرکز، ایستگاه های پایانه / (پایان)، اتصالات و پل ها همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.







شکل 1: دامنه ها در یک سیستم با برنامه زمانی گسترده شبکه

فهرست زیر روش‌های فنی در TSN را دسته‌بندی می‌کند و عبارات در انتهای هر گلوله عنصر مربوطه IEEE 802.1Q-2018 را تعریف می‌کند. اتوماسیون صنعتی از تمامی این روش ها استفاده می کند.

پیکربندی متمرکز
روابط ترافیکی و پل های بین آنها را شناسایی می کند و برنامه زمانی را محاسبه می کند
à پیکربندی شبکه مرکزی (CNC)
زمان حرکت و رسیدن را برای هر سرویس و هر ایستگاه تعریف می کند
à پیکربندی کاربر مرکزی (CUC)
پایانه ها / (پایان) ایستگاه ها
همه ایستگاه ها همگام هستند، یعنی با یک زمان از روز کار می کنند
پروتکل زمان دقیق تعمیم یافته (gPTP)
ایستگاه ها می دانند که کدام ترابری متعلق به کدام سرویس است و از جدول زمانی معتبر حرکت ها اطلاع دارند.
à شناسایی جریان
توالی وسایل نقلیه را می توان در ایستگاه مرتب کرد، به طوری که جدول زمانی جداگانه آنها رعایت شود
à صف ها
اتصالات و پل ها
چراغ های راهنمایی نسبت به جدول زمانی آگاهی دارند
à لیست کنترل دروازه (GCL)
این شبکه می‌تواند ترافیک دیگر را در موارد اضطراری مانند خودروهای اورژانس یا آتش نشانی متوقف کند
à Pre-emption و Interspersing Traffic
شبکه روش ها و الگوریتم هایی را برای کنترل پیک های برنامه ریزی نشده می شناسد
à فیلترینگ و پلیس در هر جریان (PSFP)
استاندارد آتی IEC/IEEE 60802 مشخصاتی را برای انتخاب توابع و ابعاد آنها برای کاربردهای صنعتی تعریف می کند. اصطلاح "TSN-IA" برای این پروفایل معرفی شده است. دو کلاس انطباق تعریف شده است: کلاس انطباق A (ccA) برای دستگاه های دارای ویژگی، کلاس انطباق B (ccB) برای دستگاه های دارای محدودیت منابع. هر دو ccA و ccB می توانند در یک شبکه همزیستی داشته باشند و با یکدیگر کار کنند.

توجه: این مقاله بر روی ویژگی های IEEE 802.1Q-2008 تمرکز دارد. TSN همچنین شامل ویژگی هایی فراتر از این محدوده است، به عنوان مثال افزونگی بدون درز طبق IEEE 802.1CB، همچنین به عنوان Replication and Elimination (FRER) شناخته می شود که در اینجا مورد بحث قرار نمی گیرد.

پیکربندی متمرکز

برای یک شبکه آگاه از زمان، یک برنامه زمانی مشترک ضروری است. پیکربندی شبکه مرکزی (CNC) اطلاعاتی در مورد انواع ترافیک دارد و می تواند اطلاعات مربوط به تمام ایستگاه ها، پل ها و همه محله ها را بازیابی کند (کشف توپولوژی). همچنین زمان سفر بین عناصر شبکه مشخص است. دقیقاً یک CNC فعال در هر شبکه وجود دارد.

مشابه یک شبکه در حمل و نقل عمومی، یک CNC می تواند برنامه زمانی را محاسبه کند که به انواع ترافیک اجازه می دهد تا به کیفیت خدمات خود برسند و از منابع شبکه موجود به روشی بهینه استفاده کنند. این سرویسی است که به صورت ناهمزمان اجرا می شود، یعنی قبل از شروع ترافیک.

یک ارتباط مداوم بین CNC و پل ها وجود دارد و امکان دسترسی به اطلاعات توپولوژی و دانلود تنظیمات به روز شده در پل ها را فراهم می کند.

پیکربندی کاربر مرکزی (CUC) با هر ایستگاه ارتباط برقرار می کند. مراقبت از ارسال خدمات مناسب در زمان مناسب است. این خدمات می تواند شامل موارد زیر باشد:

ترافیک با ضرب الاجل دقیق برای رسیدن
ترافیک چرخه‌ای با محدودیت‌های تاخیر
ترافیک AVB با پهنای باند مورد نیاز
ترافیک را با اولویت دقیق و الزامات قابل اطمینان کنترل کنید
بهترین تلاشی که در صورت امکان ارسال می‌شود، اما ممکن است نادیده گرفته شود.
این خدمات در انواع مختلف ترافیک که در شکل 2 ذکر شده است حمل می شوند







شکل 2: انواع مختلف ترافیک یکی را به اشتراک می گذارندپیوند داده و ویژگی هوایی خود را حفظ کنید

لیست بالا ساده شده است، اما به خوبی نشان می دهد که هر یک از انواع ترافیک باید در هر ایستگاه به طور متفاوتی مدیریت شود. در قیاس با حمل و نقل عمومی، اتوبوس های سریع السیر، خدمات استاندارد و سایر ترافیک های فردی ممکن است در یک خیابان وجود داشته باشند، اما مدیریت متفاوتی را در ایستگاه ها تجربه می کنند. برخلاف CNC ها، چندین CUC می توانند در یک شبکه باشند. این قابل مقایسه با چندین باربری است که خیابان های مشابهی دارند.

کلاس های انطباق آتی IEEE در اینجا نقش دارند: کلاس انطباق A (ccA) می تواند هشت صف را برای مدیریت سرویس های مختلف مدیریت کند. ccB می تواند چهار صف را مدیریت کند. کلاس های انطباق اندازه ایستگاه ها و پل را مشخص می کنند. ccA دارای پیچیدگی بیشتر، حافظه بیشتر، اندازه بزرگتر در سیلیکون نسبت به ccB است، در نتیجه می تواند انواع مختلف ترافیک بیشتری را به طور مستقل مدیریت کند.

پایانه ها، (پایان) ایستگاه ها

ایستگاه ها گره هایی هستند که واحدها را به اتصالات ارسال و دریافت می کنند. اصطلاح "ایستگاه پایانی" ممکن است در نگاه اول گمراه کننده باشد، اما خود را در قیاس با خدمات حمل و نقل که می تواند در هر ایستگاه شروع و پایان یابد، توضیح می دهد.

خدمات از یک برنامه پیروی می کنند، و به همین دلیل است که هر ایستگاه پایانی متصل باید در یک زمان همگام شود. پروتکل های اساسی اساساً از IEEE 1588 شناخته شده اند و ایستگاه ها اغلب به عنوان عناصر شبکه با ساعت معمولی یا ساعت شفاف عمل می کنند.

میکروکنترلری که در ایستگاه تعبیه شده است دارای یک سرویس اولویت بندی شده به نام پروتکل زمان دقیق عمومی (gPTP) است. دو ایستگاه مجاور می توانند به دقت حدود 10 ns دست یابند، بین تمام ایستگاه های یک شبکه نباید از چند صد نانوثانیه تجاوز کرد. شبکه های بی سیم ممکن است دارای انحرافات بزرگ تری باشند.

از آنجایی که ایستگاه ها هم مبدأ و هم مقصد تردد هستند، وظیفه آنها برچسب گذاری صحیح واحدهای حمل و نقل است. این برچسب یک برچسب در فریم اترنت (لایه 2) است. رایج ترین استفاده از اولویت های VLAN (Priority Code Point، PCP) برای شناسایی نوع ترافیک است. در پیشنهادات جدیدتر، گزینه‌های بیشتری برای برچسب‌گذاری جریان‌ها نیز مورد بحث قرار می‌گیرد تا بتوان از هر الگوی در فریم اترنت استفاده کرد (IEEE 802.1CBdb). فراتر از این، روش هایی نیز برای استفاده از لایه 3 (بسته IP) با IP Interception برای تعیین نوع ترافیک وجود دارد.

اصطلاح رایج برای تخصیص ویژگی ها به یک فریم، Stream Identification است. هر فریم باید در هر ایستگاه برای برچسب اسکن شود تا نحوه کار با آن در نقطه خروج ایستگاه مشخص شود.

ایستگاه‌ها فریم‌های اترنت را مرتب می‌کنند و ترافیک برنامه‌ریزی شده را دقیقاً در زمان مناسب برای برآورده کردن زمان‌بندی داده شده ارسال می‌کنند. حداکثر هشت صف موازی در نقطه خروجی یک ایستگاه که می تواند حاوی چندین فریم اترنت باشد این امکان را می دهد. گیت های کنترل شده با زمان به داده ها اجازه می دهند در زمان مناسب از صف خارج شوند.







شکل 3: صف ها را قادر می سازد تا زمان های خروج را برای هر نوع ترافیک تنظیم کنند

این همه باید برای هر بسته خروجی انجام شود و ممکن است منجر به بار پردازشی بالایی برای ایستگاه شود. استفاده از شناسایی جریان، مدیریت صف و گیت های کنترل شده با زمان معمولاً در منطق اختصاصی برای تخلیه نرم افزار و افزایش دقت زمان است. چنین عناصر شبکه از منطق قابل برنامه ریزی در FPGA یا SoC های قابل برنامه ریزی میکروکد برای تحقق این عملکرد استفاده می کنند. فروشندگان FPGA مانند Xilinx بلوک های اختصاصی برای این کار در کاتالوگ IP خود دارند.

اتصالات و پل ها

اتصالات و پل ها زیرساختی را برای اتصال ایستگاه ها ایجاد می کنند. در مثال حمل‌ونقل عمومی، اتصالات خیابان‌ها و پل‌ها اتصالاتی هستند که در آن ترافیک از چندین منبع می‌تواند ادغام شود.

در حالی که کابل کشی بین پل ها ثابت است، پل ها به طور فعال توزیع ترافیک بین چندین اتصال را کنترل می کنند. شناسایی جریان در آنجا مانند ایستگاه‌ها مورد نیاز است. در هر پورت خروجی، فریم های اترنت باید از گیت های کنترل شده با زمان عبور کنند که از یک لیست کنترل دروازه (GCL) پیروی می کنند، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. فواصل زمانی برای کنترل گیت ها در محدوده چند صد میکروثانیه تا چند میلی ثانیه است. زمان باز شدن دروازه ها از 50 میکروثانیه تا میلی ثانیه است.







شکل 4: لیست کنترل دروازه (GCL) برای دروازه های آگاه از زمان

گیتی که برای مدت طولانی غیر ضروری باز باشد ظرفیت شبکه را کاهش می دهد. به همین دلیل است که پل ها معمولاً دقیقاً می دانند که یک قاب برنامه ریزی شده چه زمانی می رسد. دروازه‌های باز با دقت زمانی بالا یک عملکرد سخت‌افزاری در سیستم‌های مدرن مجهز به TSN روی تراشه (SoC) و همچنین برخی از FPGA ها است. اغلب پل ها دارای کلاس انطباق A هستند، حتی اگر تمام ایستگاه های متصل از کلاس انطباق B باشند.

بازگشت به قیاس با چراغ راهنمایی: تغییر به "سبز" مستلزم آن است که مسیرهای دیگر به اندازه کافی زودتر متوقف شوند تا از برخورد جلوگیری شود. یک باند نگهبان تضمین می کند که زمان کافی وجود دارد که ترافیک از جهت دیگر قبل از باز شدن دروازه بعدی به طور کامل عبور کند. باند محافظ ایمن همچنین منجر به از دست رفتن پهنای باند می شود.

TSN ترافیک Pre-emption و Interspersing Traffic را برای کاهش این اتلاف توان معرفی می کند. ترافیک با اولویت کمتر را می توان به قطعات کوچکتر تقسیم کرد، به طوری که نوار محافظ بسیار کوچک می شود.plc دلتا این اجازه می دهد تا ترافیک با بالاتراولویت باید حمل شود، حتی اگر یک قاب بلند با اولویت کمتر از قبل از اتصال استفاده کند.

همه اینها در صورتی که بار اضافی با ترافیک اولویت بالا در شبکه وجود نداشته باشد به خوبی کار می کند. اضافه بار ممکن است نتیجه یک برنامه خراب باشد که از محدودیت های ترافیکی آن فراتر رفته است. فیلترینگ و پلیس‌گذاری در هر جریان (PSFP) می‌تواند معیارها را اعمال کند و ترافیک را براساس خط‌مشی‌ها فیلتر کند. این یک ویژگی امنیتی شبکه است که شبکه را عملیاتی نگه می دارد.

نتیجه

حیرت آور است که چگونه روش های ما از مدیریت ترافیک برای مسیرهای فیزیکی و اقدامات در TSN همبستگی دارند. تهیه مسیرها از طریق یک شبکه برنامه ریزی شده به استفاده بهینه از منابع شبکه کمک می کند در حالی که ظرفیت باقی مانده را می توان برای بهترین ترافیک استفاده کرد.

آگاهی از زمان در هر ایستگاه و در هر پل در شبکه مورد نیاز است. از آنجایی که برای دستیابی به زمان خروج مناسب در درگاه‌های خروج، هر فریم باید شناسایی شده و بر اساس سرویس آن مدیریت شود، TSN نیاز به جبر دارد. سیستم‌های دارای TSN روی تراشه و FPGA را می‌توان طوری برنامه‌ریزی کرد که ویژگی‌های منطق دیجیتال را با لرزش فریم کم یا بدون فریم ارائه کند، و این راه‌حل‌های قابل برنامه‌ریزی تضمین می‌کنند که افزونه‌ها می‌توانند در شبکه‌های موجود ارتقا داده شوند تا شبکه شما با سرعت و کارایی بهینه کار کند.