Bayangkan sebuah lengan robot yang dapat ditekuk dan diputar, dengan setiap porosnya dilengkapi dengan penggerak motor, sensor, atau visi mesin yang sangat presisi, seolah-olah sedang melakukan simfoni gerak. Namun, tanpa "konduktor" yang memberi tahu setiap komponen sistem kapan dan bagaimana menjalankan operasinya masing-masing, lengan robot tersebut mungkin akan menghasilkan suara dentang yang menggelegar dan suara gerinda logam.
Pada artikel sebelumnya tentang kontrol-waktu nyata, kami menjelajahi instrumen-kontrol waktu nyata (RTC) yang digunakan untuk penginderaan, mengemudi, dan pemrosesan. Untuk mengintegrasikannya, kita memerlukan "konduktor": komunikasi-waktu nyata. Dalam artikel ini, kita akan menggunakan industri 4.0 berdasarkan-komunikasi dan kontrol real-time sebagai titik awal diskusi.
Faktor pendorong berkembangnya big data di bidang otomasi
Karena dampak pandemi ini, pengoperasian pabrik tanpa campur tangan manusia menjadi sangat populer. Pengumpulan dan distribusi data besar yang tepat (didefinisikan oleh Kamus Oxford sebagai kumpulan data yang sangat besar yang dapat mengungkap pola, tren, dan korelasi melalui analisis komputasi, khususnya yang berkaitan dengan perilaku dan interaksi manusia) dapat mendukung kembaran digital, pengukuran, penagihan layanan, dan pemeliharaan prediktif. Misalnya, akses ke big data memungkinkan pemantauan performa lengan robot dan kesehatan sistem, serta kecepatan data, suhu, kelembapan, getaran, dan lainnya, sehingga memungkinkan pengembangan model AI yang dapat memprediksi performa dan kesehatan di masa depan berdasarkan big data (digital twins). Untuk sepenuhnya memanfaatkan keunggulan ini, perlu dilakukan integrasi teknologi informasi (TI) dan teknologi operasional (OT) untuk mendukung sistem Internet Protocol (IP) dan RTC di edge. Logikanya, hal ini disebut sebagai konvergensi TI dan PL.
Di Ethernet, lapisan jaringan dan lapisan transport model Open Systems Interconnection (OSI) mendukung Protokol Kontrol Transmisi/Protokol Internet (TCP/IP), sehingga Ethernet secara inheren mendukung IPv4 (dan IPv6). Selain itu, Ethernet dapat mengirimkan sejumlah informasi yang diperlukan dengan andal, itulah sebabnya Ethernet industri menjadi standar komunikasi substantif di bidang konvergensi otomasi industri. Karena infrastruktur yang ada biasanya menggunakan dua-protokol kabel yang tidak mendukung TCP/IP lokal, fieldbus tradisional masih digunakan untuk komunikasi dengan perangkat edge. Gambar 1 mengilustrasikan metode komunikasi terkini di bidang otomasi industri.
Gambar 1: Metode komunikasi terkini di bidang otomasi industri
Cara penerapan komunikasi industri sedang mengalami transformasi. Ethernet-pasangan tunggal (SPE) dapat mempertahankan arsitektur sistem dua-kabel yang ada sekaligus mendukung kecepatan yang lebih tinggi dan berbagai keunggulan Ethernet industri. Diagnostik lapangan tingkat lanjut mendukung pemantauan dan pengoperasian yang terdistribusi dan terpusat. Tentu saja, SPE dapat menggunakan kembali infrastruktur dua-kabel yang dibangun oleh beberapa fieldbus yang ada, sehingga menyederhanakan pemutakhiran yang didorong oleh konvergensi-dan mengurangi biaya secara signifikan.
Memahami Ethernet
Meskipun Ethernet bersifat terbuka dan ada di mana-mana dalam aplikasi perusahaan, saat ini Ethernet tidak cocok untuk aplikasi{0}}waktu nyata karena transmisi frame IT Ethernet merupakan "upaya terbaik" dan tidak dikelola; kesalahan selalu tidak diinginkan. Untuk waktu-OT real-time, kesalahan dapat menimbulkan konsekuensi yang parah atau bahkan menimbulkan bahaya. Sistem RTC memerlukan komunikasi yang andal sebagai "pusat komando" sistem untuk memastikan sistem beroperasi sebagaimana mestinya, sehingga menghindari kegagalan produk atau menyebabkan kerusakan sistem atau cedera diri. Karena IT Ethernet biasanya digunakan di lingkungan perusahaan atau konsumen, IT Ethernet jarang menghadapi tantangan lingkungan. Sebaliknya, sistem RTC sering kali beroperasi di lingkungan yang keras.
Permintaan akan perilaku yang kuat dan deterministik (seperti keandalan pada rentang suhu yang luas, lingkungan yang bising dan kotor) serta kecepatan data yang lebih tinggi telah mendorong munculnya Ethernet industri. Ethernet Industri bersifat deterministik dan kuat, menyediakan bandwidth tambahan dan konektivitas IP bawaan untuk sepenuhnya memanfaatkan sistem RTC.
Mari kita lihat karakteristik pengaturan waktu dan penerapannya pada lapisan fisik Ethernet (PHY).
Pentingnya Karakteristik Waktu
Ada tiga karakteristik pengaturan waktu utama dalam sistem RTC:
Menunda.Dalam konteks ini, penundaan harus diperhatikan, seperti penundaan propagasi: lamanya waktu sejak data masuk ke sistem, subsistem, atau komponen subsistem hingga keluar. Misalnya, Ethernet PHY DP83826E 10Mbps/100Mbps TI memiliki penundaan-perjalanan sebesar 208ns. Penundaan yang lebih rendah dapat mengurangi waktu siklus atau menambah jumlah node pada bus.
Determinisme.Jika waktu kedatangan data bervariasi secara signifikan setiap kali melewati sistem, maka seberapa rendah penundaannya menjadi tidak relevan. Variasi waktu kedatangan ini dikenal sebagai determinisme. Jitter yang lebih rendah menunjukkan determinisme yang lebih baik. Determinisme yang rendah berarti Anda perlu menambahkan lebih sedikit margin ke dalam sistem untuk mengakomodasi berbagai penundaan. Gambar 2 menunjukkan penundaan (208ns) dan determinisme (±2ns) dari DP83826E. Protokol Ethernet-waktu nyata (seperti EtherCAT) dapat memanfaatkan karakteristik latensi Ethernet PHY yang rendah dan deterministik.
Gambar 2: Penundaan dan determinismenya
Sinkronisasi.Mengikat waktu seluruh sistem atau beberapa sistem lengkap menjadi satu juga memiliki keuntungan tertentu. Untuk memaksimalkan efisiensi dan throughput sekaligus memastikan pengoperasian yang aman, subsistem yang berbeda mungkin perlu mengetahui secara pasti kapan subsistem lain melakukan operasi tertentu. Semua protokol Ethernet industri mendukung beberapa bentuk sinkronisasi. Time-Sensitive Networking (TSN) adalah contoh sinkronisasi waktu untuk sistem RTC. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1588v2, juga dikenal sebagai Precision Time Protocol (PTP), membantu beberapa perangkat menjaga sinkronisasi satu sama lain. IEEE 802.1as, juga dikenal sebagai Generalized PTP (gPTP), selanjutnya memungkinkan sinkronisasi untuk aplikasi yang sensitif terhadap waktu seperti RTC.
Kesimpulan
Penerapan RTC dan komunikasi yang sukses adalah landasan Industri 4.0. Namun, hal ini bukan hanya tentang mencapai Industri 4.0; dengan PHY komunikasi yang deterministik, tersinkronisasi, dan berlatensi rendah serta protokol Ethernet industri, semua instrumen dapat digabungkan untuk memainkan simfoni yang indah.