智能生产系统中如何做到时间同步

在纸面上，这听起来再简单不过了：智能生产系统中的所有机器都相互协同工作。传感器收集用于确定管理机器和监控质量的最佳方式的数据。但是，这些单个传感器提供的数据的最新程度如何？为什么要先收集和分析数据，而不是直接处理？事实是，分析中的错误可能代价高昂，甚至是危险的。我们能做些什么来解决这个问题？

这个问题已经存在了一段时间。早在引入铁路时，很明显，未能在网络中定义足够准确和统一的时间会导致误解和错误。那时，现在德国所在地区的许多小州都使用自己的当地时间，导致柏林和科隆、德累斯顿和杜塞尔多夫、慕尼黑和斯图加特之间存在很大的时差。任何乘坐火车旅行的人都必须将手表调至相应的当地时间——即使是在较短的旅程中——否则他们就有可能错过接驳的火车或预定的会合地点。

设置网络时间现在与 19 世纪一样重要。然而，今天，根据应用领域的不同，误差范围要小得多。德国铁路公司 Deutsche Bahn 仍然认为如果火车晚点 6 分钟到达，则该火车准点；相比之下，IT 和电信网络可接受的延迟幅度最多为几毫秒。5G 是第五代移动网络，通常被视为自动驾驶汽车的先决条件，它提供的数据传输时间（称为延迟）不到 10 毫秒。这种低延迟应该使计算机驱动的车辆能够快速做出反应并最大程度地防止事故发生。生产网络提出了类似的挑战。

网络技术，从以太网到 5G 校园网

跨生产网络同步数据传输说起来容易做起来难。不同制造商生产的各种机器中的传感器和执行器可以配备不同的网络技术。其中包括以太网、WLAN、用于创建本地校园网络解决方案的专用移动网络，甚至是公共移动网络——有一系列不同的解决方案旨在将机器连接到网络。

5G校园网络在生产中变得越来越重要。5G 是第一个能够保证相同质量水平的无线技术，无论使用何种网络技术，它都是动态的——即使在旅途中也是如此。这使得在生产网络中连接大部分技术成为可能，而无需任何昂贵且不灵活的有线连接。“一旦校园网络到位，很快就会发现其他潜在应用，”西班牙电信德国公司校园网络业务负责人 Frank Schmidt-Küntzel 证实。“例如，一旦有了校园网络，就可以快速轻松地添加传感器或高清摄像头进行诊断和维护。在物流方面，更多的是关于下一代自主移动机器人 （AMR）。

然而，就目前情况而言，至少在可预见的未来，大多数工厂将使用不同网络技术的组合。这为同步网络生产系统中收集的数据带来了额外的复杂性：除了特定延迟的问题，或特定网络技术在系统内传输数据所需的时间长度之外，还有不同设备不同步的问题。

弗劳恩霍夫生产技术研究所 （IPT）的科学家和技术人员正在集中精力应对智能工厂固有的挑战，包括同步。它是备受推崇的欧洲 5G 工业园区的所在地研究和探索 5G 作为工业生产移动无线电标准的潜在应用。“从本质上讲，5G 提供了低延迟，因此非常适合在生产中使用，”Fraunhofer IPT 生产计量部门负责人 Niels König 说。“例如，如果铣床中的刀具断裂，您必须能够立即做出反应。5G 促进了如此快速的反应。” 除了使用合适的网络技术外，边缘计算是另一个能够实现快速反应的发展。边缘计算无需将数据传输到服务器进行分析，然后将控制命令发送到机器——这个过程不可避免地需要时间——边缘计算允许收集、分析数据，并用于直接在现场管理机器。

同步至关重要

虽然这使得快速反应成为可能，但它并不能解决在同一系统中使用多种网络技术的情况下必须确保统一网络同步的问题。“例如，如果我们想要创建工厂的数字双胞胎，我们必须完美地同步来自传感器或机床等不同来源的数据，无论用于传输这些数据的技术如何，”König 解释说。“因此，必须为每条数据提供一个时间戳，该时间戳指的是所有数据源中完全相同的时间。” 那么我们如何才能实现真正的时间同步呢？答案是开发一个公共网络，该网络单独负责设置系统中所有端点的时间。

瑞士公司u-blox已将一项技术集成到其蜂窝连接模块SARA-R5这使得使用移动网络来管理这种同步成为可能。u-blox 应用营销高级负责人 Ludger Boeggering 解释说：“LTE 或 5G 网络必须完美同步，才能正常运行并将连接从一个基站转移到另一个基站。” “我们开发了自己的芯片组，使我们能够在各个级别完全访问系统，这使我们能够按时提供非常精确的数据。这意味着所有配备我们的芯片并连接到特定移动网络的设备都可以相互完美同步。” 该解决方案的不同之处在于它可用于在本地级别（即短距离或长距离）同步连接到特定移动网络的设备。

高精准度

“连接机器、我们的移动通信模块和 Telefónica 的移动通信网络的系统不仅可以在可管理的园区环境中工作，而且还可以用于同步能源生产者和消费者，例如，”Boeggering 补充道。高精度同步还有助于检测管道系统中的泄漏。例如，可以使用高灵敏度麦克风来聆听可能在一公里外铺设的地下管道中滴水的声音。麦克风越同步，就越容易准确定位泄漏源。“这里的每一厘米都有所不同——你不想为了修补一个小洞而撕毁十米的道路，”Boeggering 解释道。与 Telefónica 网络结合使用，

Niels König 同样深信不疑：“在我们参与欧盟 5G-SMART 项目的工作期间，该项目涉及与多个合作伙伴一起为工业应用开发 5G 解决方案，我们面临着如何合并来自用于流程的 5G 传感器的数据的问题。使用以太网电缆从铣床本身收集的位置数据进行铣削期间的监控。显而易见的解决方案是将 u-blox 技术集成到传感器中，同时为机器开发一个紧凑的独立系统。这最初是打算作为一种解决方法，但我们很快意识到，如果基于 GNSS（全球导航卫星系统）的同步不可用，例如在建筑物中，或者如果使用起来过于费力，则使用此解决方案非常有意义时间敏感网络（TSN）。该解决方案适用于所有 LTE-M 覆盖范围。我们的高精度时间戳使系统能够与准实时应用程序一起使用，即使在延迟较高的情况下，例如依赖公共 4G 或 5G 网络时也是如此。这大大增加了将公共网络用于工业应用的价值。” 他继续说：“我们很高兴收到询问，并期待发现哪些其他应用程序仍然可以从同步中受益。”

作者：rank Schmidt-Küntzel，Niels König，Ludger Boeggering

审核编辑：郭婷