Łączność - kręgosłup zrównoważonej automatyzacji

Technologie takie jak jednoparowa sieć Ethernet (SPE), zasilanie przez linie danych (PoDL) i Ethernet APL pokonują tradycyjne ograniczenia komunikacji przemysłowej. Zaawansowane interfejsy sygnałów, danych i zasilania elektrycznego są tutaj niezbędne: pomagają one dostawcom automatyki oszczędzać zasoby i koszty podczas łączenia urządzeń produkcyjnych w sieć.

(Źródło ilustracji: PeopleImages via Getty Images)

Cyfryzacja i płynnie działające sieci danych na wszystkich poziomach procesów korporacyjnych aż do produkcji w terenie to trwały trend w technologii automatyzacji. Ich celem jest stworzenie wysoce elastycznych środowisk produkcyjnych, które można dostosować w celu osiągnięcia bezprecedensowego poziomu dywersyfikacji i wydajności. W tym celu przemysł wytwórczy przechodzi przełomową transformację w ramach „Przemysłu 4.0”, gdzie jednym z najważniejszych aspektów jest zrównoważone wykorzystanie wszystkich dostępnych zasobów.

Od maszyny do chmury - bez problemów

Bezproblemowa łączność między maszynami, produktami, a w ostatecznym rozrachunku z ludźmi, jest charakterystyczna dla tej transformacji, która zaczyna intensywnie przenikać tradycyjne granice pomiędzy technologią operacyjną (OT) a technologią informatyczną (IT). Dzięki przemysłowym sieciom Ethernet dostępna jest dziś technologia, która może płynnie łączyć nawet urządzenia terenowe za pośrednictwem protokołu TCP/IP z szerokopasmową i ekonomiczną infrastrukturą danych opartą na chmurze. W przeciwieństwie do magistral polowych, przemysłowe sieci Ethernet obejmują wszystkie poziomy automatyzacji - od urządzeń obiektowych do chmury. Operatorzy fabryk i zakładów mogą dzięki temu uzyskiwać dostęp do danych z urządzeń w czasie rzeczywistym i wykorzystywać je do planowania produkcji, kontroli procesów oraz analizy danych.

Przemysłowe sieci Ethernet umożliwiają na przykład pozyskiwanie i analizę w czasie rzeczywistym danych z czujników, zasilaczy lub napędów. Informacje o zmianach temperatury lub drganiach w punktach krytycznych, a także profile obciążeń pozwalają na wyciąganie wniosków w celu optymalizacji parametrów procesu. Informują, kiedy należy spodziewać się sytuacji przeciążenia i sygnalizują wcześnie potrzebę konserwacji. Konserwacja predykcyjna ma tutaj szczególne znaczenie, ponieważ pomaga operatorom poprawić dostępność zakładów i maszyn, a także zminimalizować zużycie energii i wykorzystanie zasobów, co z jednej strony obniża koszty operacyjne, a z drugiej strony w decydujący sposób przyczynia się do zrównoważonego rozwoju procesów i zakładów produkcyjnych.

Solidna alternatywa dla RJ45

Fizycznym szkieletem wspomnianych sieci, a w szczególności przemysłowych sieci Ethernet, jest wysokowydajna technologia połączeń, która umożliwia niezawodną transmisję sygnałów i danych między różnymi węzłami sieci automatyki. Oprócz odporności fizycznej wymaganej w zastosowaniach przemysłowych, rozwiązania takie stoją dziś przed szeregiem nowych wyzwań, wynikających na przykład z samej liczby węzłów sieci, ich miniaturyzacji czy dużej przepustowości transmisji. Należą do nich w szczególności niewielkie wymiary, zmniejszony wysiłek związany z instalacją i okablowaniem, wysoka integralność sygnału, tj. zaawansowane ekranowanie przed zakłóceniami elektromagnetycznymi oraz niezawodność transmisji na duże odległości. To ostatnie jest szczególnie istotne w przypadku rozległych instalacji obiektowych. Coraz częściej wymagane jest również zasilanie urządzeń za pomocą złączy danych.

Standardowym interfejsem komunikacji w sieci Ethernet jest szeroko stosowane złącze RJ45. Użytkownicy często zgłaszają problemy ze stykami lub uszkodzonymi elementami zatrzaskowymi. RJ45 ogranicza również miniaturyzację ze względu na rozmiary. Natomiast alternatywy, takie jak interfejs ix Industrial od niemieckiego dostawcy HARTING (ilustracja 1) są znacznie mniejsze i znacznie solidniejsze, a także szczególnie odporne na wstrząsy i drgania. Według producenta możliwa jest oszczędność miejsca na płytce drukowanej nawet o 70% w porównaniu ze standardowym złączem RJ45. Złącze ekranowane 360° jest przeznaczone do łączności Ethernet 10Gbit/s i jest kompatybilne z funkcją zasilania przez Ethernet (PoE), a także PoE+ do przesyłania wyższych mocy.

Ilustracja 1: znacznie mniejsze i trwalsze niż standardowe złącza RJ45: złącza interfejsu ix Industrial firmy HARTING do przemysłowej sieci Ethernet. (Źródło ilustracji: HARTING)

Interfejs ix Industrial został opracowany przez firmę HARTING we współpracy z japońską firmą Hirose specjalizującą się w złączach. Jego wymiary, właściwości elektryczne i kodowanie są zgodne z normą IEC 61076-3-124. Inni producenci, jak na przykład amerykańska firma Amphenol Communications Solutions, również oferują produkty o porównywalnych właściwościach, które można łączyć z interfejsami ix Industrial: na przykład złącza wciskane-wyciągane do pracy w trudnych warunkach środowiskowych o stopniu ochrony IP65/66/67, złącza ix Mag ze zintegrowanymi magnesami (ilustracja 2) lub zestawy kabli Ethernet-RJ45 z kątowymi złączami RJ45, które zapewniają zarówno funkcjonalność 100-Gbit Ethernet, jak i PoE/PoE+.

Ilustracja 2: Amphenol ix Mag: komunikacja Ethernet do 10Gbit/s, ekranowanie 360° i PoE++ do 90W (źródło ilustracji: Amphenol Communications Solutions)

Przykład użycia złącza ix Industrial

Poniższy przykład ilustruje ogromny potencjał wysokowydajnych, zminiaturyzowanych interfejsów Ethernet dla zastosowań w ramach Przemysłu 4.0:

System transportu liniowego XTS firmy Beckhoff, specjalizującej się w automatyce, to rozwiązanie napędowe wykorzystujące magnetycznie napędzane wózki poruszające się po torze wyposażonym we w pełni zintegrowane moduły silnikowe. Według firmy Beckhoff, ich niezależne sterowanie pozwalające na indywidualne profile ruchu jest punktem wyjścia dla nowych koncepcji maszyn, które umożliwiają bardziej elastyczne procesy produkcyjne z krótszymi przestojami na przezbrajanie.

Aby wózki mogły podążać za swoim wzorcem ruchu, komputer musi stale obliczać przełączanie i zasilanie prądem odpowiednich modułów silnikowych. W tym celu można połączyć w sumie trzy płyty komputerowe, z których każda miała wcześniej cztery gniazda RJ45 jako porty. Aby umożliwić obsługę większej liczby wózków w najnowszej generacji systemu XTS bez konieczności zmiany wymiarów systemu, gniazda RJ45 zostały zastąpione interfejsem ix Industrial firmy HARTING. Głównymi wymaganiami były tutaj niezawodne ekranowanie i wysoka przepustowość danych. W przeciwieństwie do RJ45, każde złącze ix Industrial pozwala na dwa połączenia Ethernet o szybkości 100Mbit/s. W ten sposób na tej samej płycie można zamontować osiem zamiast czterech portów, a na każdym porcie można zainstalować dwa kanały Ethernet zamiast jednego.

W rezultacie na trzech płytach komputerowych zaimplementowano 48 zamiast dwunastu portów. W związku z tym, w najnowszej generacji XTS na jednostkę może teraz przypadać 48 zamiast dwunastu linii XTS, odpowiada to 400-procentowemu wzrostowi wydajności systemu transportowego.

Dwa przewody zamiast czterech lub ośmiu

Jedną z charakterystycznych cech dzisiejszej technologii automatyki przemysłowej jest migracja z architektur hierarchicznych do zdecentralizowanych. Są one uważane za zaawansowane i szczególnie wydajne, a ponadto zapewniają większe bezpieczeństwo sieci. Wynika to z faktu, że węzły inteligentne, takie jak czujniki inteligentne lub komputery brzegowe, które są w stanie autonomicznie wykonywać określone zadania przetwarzania danych, ograniczają przesyłanie danych wrażliwych między brzegiem sieci a chmurą. Zalety decentralizacji są oczywiste, ale liczba podłączonych urządzeń w obiekcie zwiększa się kolosalnie, podobnie jak wysiłki związane z okablowaniem i łącznością. Ich ekonomiczne wykorzystanie, zarówno pod względem nakładów materiałowych i instalacyjnych, jak i zużycia energii, staje się mocnym kryterium zrównoważonego rozwoju zakładów produkcyjnych.

Jednoparową sieć Ethernet (SPE) uznaje się za decydujący przełom w wydajności i opłacalności. Technologię komunikacyjną zdefiniowano w normie IEEE 802.3, a do odpowiednich złączy ma zastosowanie seria norm IEC 63171-x. Zasadniczo umożliwia ona łączenie komponentów obiektowych za pomocą tylko jednej skrętki dwużyłowej, czyli dwóch przewodów zamiast poprzednio czterech lub nawet ośmiu: to rozwiązanie niskokosztowe, zasobooszczędne i wyjątkowo zrównoważone. Jednoparowa sieć Ethernet (SPE), pierwotnie opracowana dla elektroniki samochodowej, spełnia wymagania wielu dostawców automatyki: pojedyncza para przewodów umożliwia integrację dużej liczby przyrządów, kontrolerów i innych urządzeń w sieci Ethernet z gigabitową szybkością transmisji danych (ilustracja 3).

Ilustracja 3. Jednoparowa sieć Ethernet umożliwia oszczędną pod względem zasobów i kosztów integrację poziomu obiektowego z szerokopasmową komunikacją Ethernet. (Źródło ilustracji: SPE Industrial Partner Network)

Kolejną zaletą jest to, że dzięki kompatybilności z funkcją zasilania przez linie danych (PoDL, IEEE P802.3bu), ta sama para przewodów może dostarczać do urządzeń obiektowych nie tylko dane, ale także energię elektryczną. Oprócz aktuatorów i czujników, mieszczących się w zakresie mocy dotychczasowej funkcji zasilania przez Ethernet (PoE), można na przykład podłączyć przyrządy wykorzystujące kamery i zasilać je korzystając z funkcji zasilania przez linię danych (PoDL).

Produkty zgodne z jednoparową siecią Ethernet

W segmencie jednoparowej sieci Ethernet (SPE) firma HARTING zajmuje wiodącą pozycję ze złączem T1, które zapewnia blokowanie i ekranowanie przed zakłóceniami elektromagnetycznymi w zakresie 360° (ilustracja 4). Złącze T1, obsługujące zasilanie przez linię danych (PoDL) jest dostępne w wersjach okrągłych, w tym M8 i M12. Jeśli chodzi o stopień ochrony, spektrum produktów waha się od IP20 do IP67, a według producenta poszczególne odpowiedniki interfejsów są zaprojektowane tak, aby spełniały klasy ochrony i zapewniały interoperacyjność.

Ilustracja 4: ekranowane i wyposażone w funkcję blokady złącze T1 z obsługą zasilania przez linie danych (PoDL) jest dostępne w klasach ochrony od IP20 do IP67. (Źródło ilustracji: HARTING)

Firma Phoenix Contact również dostarcza kompleksową ofertę okablowania obiektowego jednoparowej sieci Ethernet (SPE) do podłączania szaf sterujących, czujników, przełączników i bram. Do produktów tego dostawcy zaliczają się na przykład złącza płytkowe lub zespoły kabli do stosowania w warunkach przemysłowych o stopniu ochrony IP20 do IP67.

Dostawca narzędzi otwartoźródłowych, firma SparkFun Electronics oferuje płytkę z funkcją jednoparowej sieci Ethernet (SPE), z której mogą korzystać deweloperzy podczas projektowania zastosowań z jednoparową siecią Ethernet (ilustracja 5). Płytka o nazwie MicroMod COM-19038 zawiera nadajniko-odbiornik Ethernet ADIN1110 firmy Analog Devices, elementy pasywne firmy Würth Elektronik oraz złącze HARTING T1. Zintegrowany interfejs kontroli dostępu do mediów (MAC) umożliwia łączność szeregową z kontrolerem hosta z szybkością transmisji 10Mbit/s w trybie pełnego dupleksu. Płytka obsługuje węzły sieciowe za pośrednictwem kabla o długości 1700m, ale nie jest przeznaczona do zasilania węzłów tym kablem. Kirk Benell, dyrektor techniczny firmy SparkFun, prezentuje płytkę rozwojową w filmie demonstracyjnym.

Ilustracja 5: prezentacja czujnika warunków otoczenia z wyświetlaczem. (Źródło ilustracji: SparkFun Electronics)

Kompleksowa sieć w technologii procesów przemysłowych

Techniczne zalety jednoparowej sieci Ethernet, na przykład dotyczące monitorowania warunków i konserwacji predykcyjnej, są również korzystne dla automatyki procesowej. Jednakże ma tutaj zastosowanie rozszerzony profil wymagań dla łączności Ethernet. Oprócz niezawodnej i szerokopasmowej komunikacji w czasie rzeczywistym, wymaganej również w hali produkcyjnej, różne zakłady przemysłowe wymagają przesyłania danych na duże odległości. Ponadto elementy automatyki muszą być samoistnie bezpieczne, aby można je było stosować w środowiskach potencjalnie wybuchowych. W tym miejscu na scenę wkracza tak zwana zaawansowana warstwa fizyczna Ethernet (Ethernet APL): definiuje ona fizyczną warstwę transmisji dla komunikacji Ethernet z szybkością 10Mbit/s, a także dla zasilania jednym podwójnym przewodem - tak jak w przypadku jednoparowej sieci Ethernet (SPE) - na odległości do 1000m. Podobnie jak SPE, Ethernet APL doskonale nadaje się do uniwersalnego, wielofunkcyjnego oprzyrządowania obiektowego.

Podsumowanie

Przemysłowe sieci Ethernet a w szczególności jednoparowe sieci Ethernet (SPE) umożliwiają podłączanie urządzeń produkcyjnych do sieci szerokopasmowych. Umożliwiają one płynną komunikację od poziomu obiektu do chmury oraz umożliwiają dostęp w czasie rzeczywistym do danych urządzenia, co wspiera operatorów w optymalizacji instalacji i procesów. Ich zalety są wyraźnie widoczne w obniżonych kosztach operacyjnych, wyższej dostępności i zoptymalizowanym wykorzystaniu energii i zasobów. Zaawansowane technologie połączeń, takie jak interfejsy ix Industrial i złącza do jednoparowej sieci Ethernet (SPE) z obsługą zasilania przez linie danych (PoDL), zapewniają niezawodną transmisję danych i mocy pomiędzy wszystkimi węzłami sieci. To czyni je kluczowymi komponentami Przemysłu 4.0 i podstawą koncepcji zrównoważonej automatyzacji.