智能生產(chǎn)系統(tǒng)中如何做到時間同步

在紙面上，這聽起來再簡單不過了：智能生產(chǎn)系統(tǒng)中的所有機(jī)器都相互協(xié)同工作。傳感器收集用于確定管理機(jī)器和監(jiān)控質(zhì)量的最佳方式的數(shù)據(jù)。但是，這些單個傳感器提供的數(shù)據(jù)的最新程度如何？為什么要先收集和分析數(shù)據(jù)，而不是直接處理？事實(shí)是，分析中的錯誤可能代價高昂，甚至是危險的。我們能做些什么來解決這個問題？

這個問題已經(jīng)存在了一段時間。早在引入鐵路時，很明顯，未能在網(wǎng)絡(luò)中定義足夠準(zhǔn)確和統(tǒng)一的時間會導(dǎo)致誤解和錯誤。那時，現(xiàn)在德國所在地區(qū)的許多小州都使用自己的當(dāng)?shù)貢r間，導(dǎo)致柏林和科隆、德累斯頓和杜塞爾多夫、慕尼黑和斯圖加特之間存在很大的時差。任何乘坐火車旅行的人都必須將手表調(diào)至相應(yīng)的當(dāng)?shù)貢r間——即使是在較短的旅程中——否則他們就有可能錯過接駁的火車或預(yù)定的會合地點(diǎn)。

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)時間現(xiàn)在與 19 世紀(jì)一樣重要。然而，今天，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，誤差范圍要小得多。德國鐵路公司 Deutsche Bahn 仍然認(rèn)為如果火車晚點(diǎn) 6 分鐘到達(dá)，則該火車準(zhǔn)點(diǎn)；相比之下，IT 和電信網(wǎng)絡(luò)可接受的延遲幅度最多為幾毫秒。5G 是第五代移動網(wǎng)絡(luò)，通常被視為自動駕駛汽車的先決條件，它提供的數(shù)據(jù)傳輸時間（稱為延遲）不到 10 毫秒。這種低延遲應(yīng)該使計(jì)算機(jī)驅(qū)動的車輛能夠快速做出反應(yīng)并最大程度地防止事故發(fā)生。生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)提出了類似的挑戰(zhàn)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從以太網(wǎng)到 5G 校園網(wǎng)

跨生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)同步數(shù)據(jù)傳輸說起來容易做起來難。不同制造商生產(chǎn)的各種機(jī)器中的傳感器和執(zhí)行器可以配備不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其中包括以太網(wǎng)、WLAN、用于創(chuàng)建本地校園網(wǎng)絡(luò)解決方案的專用移動網(wǎng)絡(luò)，甚至是公共移動網(wǎng)絡(luò)——有一系列不同的解決方案旨在將機(jī)器連接到網(wǎng)絡(luò)。

5G校園網(wǎng)絡(luò)在生產(chǎn)中變得越來越重要。5G 是第一個能夠保證相同質(zhì)量水平的無線技術(shù)，無論使用何種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它都是動態(tài)的——即使在旅途中也是如此。這使得在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中連接大部分技術(shù)成為可能，而無需任何昂貴且不靈活的有線連接?！耙坏┬@網(wǎng)絡(luò)到位，很快就會發(fā)現(xiàn)其他潛在應(yīng)用，”西班牙電信德國公司校園網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人 Frank Schmidt-Küntzel 證實(shí)。“例如，一旦有了校園網(wǎng)絡(luò)，就可以快速輕松地添加傳感器或高清攝像頭進(jìn)行診斷和維護(hù)。在物流方面，更多的是關(guān)于下一代自主移動機(jī)器人 （AMR）。

然而，就目前情況而言，至少在可預(yù)見的未來，大多數(shù)工廠將使用不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組合。這為同步網(wǎng)絡(luò)生產(chǎn)系統(tǒng)中收集的數(shù)據(jù)帶來了額外的復(fù)雜性：除了特定延遲的問題，或特定網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在系統(tǒng)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)所需的時間長度之外，還有不同設(shè)備不同步的問題。

弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所 （IPT）的科學(xué)家和技術(shù)人員正在集中精力應(yīng)對智能工廠固有的挑戰(zhàn)，包括同步。它是備受推崇的歐洲 5G 工業(yè)園區(qū)的所在地研究和探索 5G 作為工業(yè)生產(chǎn)移動無線電標(biāo)準(zhǔn)的潛在應(yīng)用?！皬谋举|(zhì)上講，5G 提供了低延遲，因此非常適合在生產(chǎn)中使用，”Fraunhofer IPT 生產(chǎn)計(jì)量部門負(fù)責(zé)人 Niels K?nig 說?！袄?，如果銑床中的刀具斷裂，您必須能夠立即做出反應(yīng)。5G 促進(jìn)了如此快速的反應(yīng)?！?除了使用合適的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)外，邊緣計(jì)算是另一個能夠?qū)崿F(xiàn)快速反應(yīng)的發(fā)展。邊緣計(jì)算無需將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行分析，然后將控制命令發(fā)送到機(jī)器——這個過程不可避免地需要時間——邊緣計(jì)算允許收集、分析數(shù)據(jù)，并用于直接在現(xiàn)場管理機(jī)器。

同步至關(guān)重要

雖然這使得快速反應(yīng)成為可能，但它并不能解決在同一系統(tǒng)中使用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的情況下必須確保統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)同步的問題?！袄?，如果我們想要創(chuàng)建工廠的數(shù)字雙胞胎，我們必須完美地同步來自傳感器或機(jī)床等不同來源的數(shù)據(jù)，無論用于傳輸這些數(shù)據(jù)的技術(shù)如何，”K?nig 解釋說。“因此，必須為每條數(shù)據(jù)提供一個時間戳，該時間戳指的是所有數(shù)據(jù)源中完全相同的時間。” 那么我們?nèi)绾尾拍軐?shí)現(xiàn)真正的時間同步呢？答案是開發(fā)一個公共網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)負(fù)責(zé)設(shè)置系統(tǒng)中所有端點(diǎn)的時間。

瑞士公司u-blox已將一項(xiàng)技術(shù)集成到其蜂窩連接模塊SARA-R5這使得使用移動網(wǎng)絡(luò)來管理這種同步成為可能。u-blox 應(yīng)用營銷高級負(fù)責(zé)人 Ludger Boeggering 解釋說：“LTE 或 5G 網(wǎng)絡(luò)必須完美同步，才能正常運(yùn)行并將連接從一個基站轉(zhuǎn)移到另一個基站?！?“我們開發(fā)了自己的芯片組，使我們能夠在各個級別完全訪問系統(tǒng)，這使我們能夠按時提供非常精確的數(shù)據(jù)。這意味著所有配備我們的芯片并連接到特定移動網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都可以相互完美同步?！?該解決方案的不同之處在于它可用于在本地級別（即短距離或長距離）同步連接到特定移動網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。

高精準(zhǔn)度

“連接機(jī)器、我們的移動通信模塊和 Telefónica 的移動通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)不僅可以在可管理的園區(qū)環(huán)境中工作，而且還可以用于同步能源生產(chǎn)者和消費(fèi)者，例如，”Boeggering 補(bǔ)充道。高精度同步還有助于檢測管道系統(tǒng)中的泄漏。例如，可以使用高靈敏度麥克風(fēng)來聆聽可能在一公里外鋪設(shè)的地下管道中滴水的聲音。麥克風(fēng)越同步，就越容易準(zhǔn)確定位泄漏源。“這里的每一厘米都有所不同——你不想為了修補(bǔ)一個小洞而撕毀十米的道路，”Boeggering 解釋道。與 Telefónica 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用，

Niels K?nig 同樣深信不疑：“在我們參與歐盟 5G-SMART 項(xiàng)目的工作期間，該項(xiàng)目涉及與多個合作伙伴一起為工業(yè)應(yīng)用開發(fā) 5G 解決方案，我們面臨著如何合并來自用于流程的 5G 傳感器的數(shù)據(jù)的問題。使用以太網(wǎng)電纜從銑床本身收集的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行銑削期間的監(jiān)控。顯而易見的解決方案是將 u-blox 技術(shù)集成到傳感器中，同時為機(jī)器開發(fā)一個緊湊的獨(dú)立系統(tǒng)。這最初是打算作為一種解決方法，但我們很快意識到，如果基于 GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的同步不可用，例如在建筑物中，或者如果使用起來過于費(fèi)力，則使用此解決方案非常有意義時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。該解決方案適用于所有 LTE-M 覆蓋范圍。我們的高精度時間戳使系統(tǒng)能夠與準(zhǔn)實(shí)時應(yīng)用程序一起使用，即使在延遲較高的情況下，例如依賴公共 4G 或 5G 網(wǎng)絡(luò)時也是如此。這大大增加了將公共網(wǎng)絡(luò)用于工業(yè)應(yīng)用的價值?！?他繼續(xù)說：“我們很高興收到詢問，并期待發(fā)現(xiàn)哪些其他應(yīng)用程序仍然可以從同步中受益。”

作者：rank Schmidt-Küntzel，Niels K?nig，Ludger Boeggering

審核編輯：郭婷