Łączenie starszych systemów automatyki przemysłowej z Przemysłem 4.0 bez zakłóceń działania

Fabryki zmieniają się wraz z rozwojem Przemysłu 4.0 i przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT). Wśród innych funkcji automatyzacji na dużą skalę, Przemysł 4.0 zapewnia rozległą komunikację między maszynami (M2M) w hali produkcyjnej. Stwarza to możliwość gromadzenia i analizowania większej ilości danych w celu zwiększenia produktywności i poprawy wydajności.

Choć w ostatnich latach rozwój komunikacji maszyna-maszyna (M2M) nabiera tempa, nie jest to nowość, ponieważ stanowi część cyfryzacji zakładów produkcyjnych trwającej od kilkudziesięciu lat. Nowoczesne przewodowe i bezprzewodowe technologie komunikacji M2M, takie jak przemysłowa sieć Ethernet i Wi-Fi, są usprawnione i wydajne, ale długa historia oznacza, że wciąż istnieje wiele starszych sieci. W takich sieciach wykorzystywane są starsze technologie, takie jak programowalne sterowniki logiczne (PLC), które przesyłają dane przez sieci przewodowe wykorzystujące technologie szeregowej transmisji danych, na przykład RS-232 i RS-485.

To stawia zarządy fabryk przed dylematem. Zachowanie starszych systemów komunikacyjnych oznacza utratę korzyści w zakresie wydajności, jakie zapewnia Przemysł 4.0, ale modernizacja fabryki w celu wprowadzenia przemysłowej sieci Ethernet jest kosztowna i uciążliwa. Co gorsza, wiele starszych maszyn jest zwykle sterowanych przez generację sterowników PLC, które nie są kompatybilne z nowszymi protokołami przemysłowej sieci Ethernetu, takimi jak Ethernet/IP i ModbusTCP. Jednak maszyny te mogą pracować jeszcze bardzo długo. Ekonomicznym rozwiązaniem tymczasowym, łączącym infrastrukturę starszego typu ze szkieletem Ethernet w miarę jego wprowadzania mogą być bramy przemysłowe.

W tym artykule krótko opisano zalety przemysłowej sieci Ethernet i nowoczesnych protokołów przemysłowych służących poprawie produktywności i wydajności zakładu. Następnie omówiono, w jaki sposób brama przemysłowa może zapewnić szybkie i łatwe rozwiązanie umożliwiające połączenie starszej infrastruktury ze szkieletem Ethernet. W artykule zostaną przedstawione dwa przykłady bram przemysłowych firmy Weidmüller z opisem, jak je wykorzystać do połączenia sterownika PLC wykorzystującego technologię szeregowej transmisji danych RS-232/RS-485 ze szkieletem Ethernet/IP.

Krótka historia automatyki przemysłowej

Cyfryzacja fabryk tak naprawdę rozpoczęła się wraz z wynalezieniem sterowników PLC w 1969 roku. PLC to wyspecjalizowany typ komputera, na którym w sposób ciągły działa pojedynczy program. Główną zaletą sterownika PLC jest możliwość wykonywania programu w czasie rzeczywistym i z dużą powtarzalnością. Są także stosunkowo niedrogie, niezawodne i wytrzymałe. Dobrym przykładem jest urządzenie Siemens SIPLUS, które jest wyposażone w interfejs szeregowy RS-485 (ilustracja 1).

Ilustracja 1: niedrogie, niezawodne i solidne programowalne sterowniki logiczne (PLC) są podstawą automatyzacji fabryk. (Źródło ilustracji: Siemens)

Na początku automatyzacji fabryk producenci łączyli swoje sterowniki PLC z centralnym systemem nadzorczym za pomocą interfejsu RS-232. Było to przewodowe, szeregowe łącze danych o maksymalnej przepustowości co najwyżej kilkuset kilobitów na sekundę (Kbit/s). Używało ono napięcia uziemienia, aby przedstawiać cyfrową wartość „0”, oraz napięcia ±3 do 15V, aby przedstawiać cyfrową wartość „1”. Później interfejsy RS-422 i RS-485 przeniosły komunikację przewodową na bardziej zaawansowany poziom dzięki użyciu sygnałów różnicowych przesyłanych przez skrętkę dwużyłową. Systemy pozwoliły jednemu kontrolerowi nadzorować do 32 sterowników PLC i oferowały szybkość przesyłu danych do 10Mbit/s na odległości do 1200m.

Należy zauważyć, że standardy RS-232 i RS-485 określają specyfikacje warstwy fizycznej (PHY). Nie określają one protokołu komunikacyjnego. W sektorze automatyki przemysłowej opracowano kilka protokołów do pracy na warstwie fizycznej RS-232 lub RS-485. Przykłady obejmują zdalny terminal Modbus (RTU), amerykański standardowy kod Modbus do wymiany informacji (ASCII), protokół DF1-CIP, zestaw poleceń DF1-PCCC, protokół interfejsu punkt-punkt (PPI), DirectNET, koprocesorowy moduł komunikacyjny (CCM) i HostLink. Protokoły te zostały opracowane i są wykorzystywane przez wielu producentów programowalnych sterowników logicznych (PLC).

Sterowniki PLC okazały się solidnym, niezawodnym i elastycznym sposobem wprowadzenia automatyzacji do hali produkcyjnej, a interfejs RS-485 i powiązane z nim protokoły przemysłowe zapewniły niedrogą i prostą w instalacji technologię sieciową. Obecnie sterowniki PLC są zwykle używane do sterowania całymi liniami montażowymi, a większość automatyki przemysłowej wykorzystuje jakiś rodzaj sterowników PLC. Wiele tysięcy instalacji automatyki przemysłowej opiera się na wysłużonych sieciach RS-232 i RS-485.

Ethernet wchodzi do fabryki

Jednakże od przełomu wieku Ethernet stanowi najbardziej dostępne i sprawdzone rozwiązanie dla nowoczesnej sieci fabrycznej. Jest to najpowszechniej stosowana opcja sieci przewodowej z szerokim wsparciem dostawców. Ethernet zazwyczaj wykorzystuje protokół TCP/IP (część pakietu protokołów internetowych (IP)) do routingu i transportu, zapewniając interoperacyjność z chmurą, czyli możliwości znacznie wykraczające poza technologię RS-232 i RS-485.

Termin „przemysłowa sieć Ethernet” odnosi się do systemów Ethernet przystosowanych do użytku w zakładach produkcyjnych. Takie systemy charakteryzują się wytrzymałym sprzętem i oprogramowaniem zgodnym ze standardami przemysłowymi. Przemysłowa sieć Ethernet to sprawdzona i dojrzała technologia automatyzacji przemysłowej, która umożliwia zdalnemu układowi nadzorującemu łatwy dostęp do napędów, sterowników PLC i urządzeń wejścia-wyjścia na hali produkcyjnej. Infrastruktura zazwyczaj wykorzystuje topologie liniowe lub pierścieniowe, ponieważ pomagają one skrócić długość odcinków kabli (łagodząc wpływ zakłóceń elektromagnetycznych (EMI)), zmniejszyć opóźnienia i zapewnić pewien stopień redundancji.

Mechanizm komunikacji standardowych sieci Ethernetu jest podatny na zakłócenia i utratę pakietów, co zwiększa opóźnienia i sprawia, że nie nadaje się on do pracy w czasie zbliżonym do rzeczywistego, na szybko poruszających się i zsynchronizowanych liniach produkcyjnych. Takie środowisko wymaga protokołu deterministycznego, aby instrukcje maszynowe docierały na czas za każdym razem, niezależnie od tego, jak duże jest obciążenie sieci.

Aby sprostać temu wyzwaniu, urządzenia przemysłowej sieci Ethernet uzupełnia się o dostosowane do indywidualnych potrzeb oprogramowanie. Dostępnych jest wiele sprawdzonych protokołów przemysłowych sieci Ethernet, takich jak Ethernet/IP, ModbusTCP i PROFINET. Każdy z nich został zaprojektowany w celu zapewnienia wysokiego poziomu determinizmu w zastosowaniach automatyki przemysłowej.

Standardowa sieć Ethernet zawiera warstwę fizyczną (PHY), łącza danych, sieci i transportu (które do transportu wykorzystują protokoły TCP/IP lub UDP/IP) i może być uznana za mechanizm zapewniający skuteczność, prędkość i uniwersalność. Natomiast protokoły przemysłowej sieci Ethernet, na przykład PROFINET, wykorzystują warstwę aplikacji stosu przemysłowej sieci Ethernet (ilustracja 2).

Ilustracja 2: stos oprogramowania przemysłowej sieci Ethernet. Protokoły przemysłowej sieci Ethernet takie jak PROFINET działają w warstwie aplikacji. (Źródło ilustracji: PROFINET)

Więcej informacji zawiera dokument„Projektowanie wytrzymałych zastosowań Internetu rzeczy (IoT) z użyciem przemysłowych sieci Ethernet do przesyłu danych i zasilania”.

Brama do Przemysłu 4.0

Modernizacja starszych systemów automatyki przemysłowej RS-232 i RS-485 do przemysłowej sieci Ethernet jest dla projektantów zadaniem skomplikowanym. W dużej fabryce mogą znajdować się tysiące sterowników PLC i dziesiątki kilometrów oprzewodowania. Koszty i przerwy w pracy spowodowane wymianą starych systemów na nowe są nieopłacalne dla wielu firm. Jednak bez modernizacji zakład produkcyjny nie będzie w stanie skorzystać ze wzrostu produktywności możliwego dzięki przemysłowej sieci Ethernet.

Jedną ze strategii ograniczenia kosztów i zakłóceń jest zastosowanie szkieletu przemysłowej sieci Ethernet przy jednoczesnym zachowaniu starszych magistral szeregowych, sterowników PLC i maszyn. Następnie, w przypadku wymiany lub wprowadzania nowych maszyn w fabryce, można określić ich specyfikacje tak, aby współdziałały z siecią szkieletową Ethernet. Umożliwia to stopniową modernizację fabryki do najnowszych standardów komunikacyjnych bez przerw w produkcji i poważnych problemów z przepływem środków pieniężnych.

Jednak taka strategia tworzy nieciągłość między sieciami RS-232/RS-485 i przemysłową siecią Ethernet. Tę nieciągłość można zniwelować za pomocą takich urządzeń komunikacyjnych, jak brama przemysłowa 7940124932 lub 7940124933 (ilustracja 3) firmy Weidmüller. Każda brama to jedno rozwiązanie zapewniające ekonomiczny sposób przesyłania danych między sterownikami PLC i urządzeniami peryferyjnymi przy użyciu różnych protokołów, bez konieczności dodawania okablowania lub wielu bram.

Wspomniane bramy firmy Weidmüller oferują dwa porty Ethernet i dwa (w modelu 7940124932) lub cztery porty szeregowe (w modelu 7940124933). Obsługują one protokoły EtherNet/IP, EtherNet/IP-PCCC, ModbusTCP i S7comm (protokół Siemens Industrial Ethernet) z szybkością do 10Mbit/s. Porty Ethernet obsługują 8-wtykowe złącza RJ45. Po stronie szeregowej bramy obsługują protokoły szeregowe Modbus RTU, Modbus ASCII, DF1-CIP, DF1-PCCC, PPI, DirectNET, CCM i HostLink. Należy pamiętać, że chociaż obsługa portu szeregowego dotyczy standardów RS-232/RS-485, wejście szeregowe do bramy jest zrealizowane za pośrednictwem 8-wtykowego złącza RJ45 Ethernet, a nie typu RS-232/RS-485. Bramy współpracują ze sterownikami PLC firm Automation Direct, GE, Rockwell Automation, Schneider i Siemens. Bramy można montować na szynie DIN, a działają one w zakresie temperatur od 0˚ do 55˚C, korzystając na wejściu z napięcia od 12 do 24V.

Ilustracja 3: urządzenie komunikacyjne bramy przemysłowej 7940124933 stanowi element pośredni pomiędzy przemysłową siecią Ethernet, a maksymalnie czterema sieciami szeregowymi RS-232/RS-485. Urządzenie 7940124932 obsługuje dwa porty szeregowe. (Źródło ilustracji: Weidmüller)

Po skonfigurowaniu za pomocą przeglądarki, bramy Weidmüller nie wymagają żadnego innego sprzętu do przesyłania danych szeregowych sformatowanych dla jednego z obsługiwanych protokołów szeregowych RS-232/RS-485 do jednego z obsługiwanych przemysłowych protokołów Ethernet i odwrotnie. Dane można przesyłać do i z dowolnego portu w dowolnej kombinacji bez konieczności edytowania kodu PLC.

Pierwsze kroki z bramami przemysłowymi

Konfiguracja bramy Weidmüller wymaga jedynie podłączenia urządzenia do przełącznika Ethernet, a następnie podłączenia komputera po drugiej stronie przełącznika (ilustracja 4). Po wykonaniu tej czynności bramę można podłączyć do źródła zasilania o napięciu od 12 do 24V. Następnie można użyć komputera PC do zalogowania się za pośrednictwem okna przeglądarki, w którym pojawi się okno dialogowe głównej bramy. Okna dialogowe upraszczają konfigurację przemysłowej sieci Ethernet, a także dodawanie urządzeń sieci Ethernet i sieci szeregowej do bramy. Na koniec porty szeregowe bramy są ustawiane tak, aby odpowiadały konfiguracji portu szeregowego podłączonego kontrolera.

Ilustracja 4: konfiguracja bramy przemysłowej polega na podłączeniu urządzenia do przełącznika Ethernet i źródła zasilania, następnie podłączeniu komputera PC do przełącznika i skonfigurowaniu bramy przez przeglądarkę. (Źródło ilustracji: Weidmüller)

Kluczem do możliwości komunikacji bramy pomiędzy urządzeniami korzystającymi z różnych protokołów jest wykorzystanie danych „tagów”. Brama umożliwia przenoszenie danych tagów pomiędzy różnymi podłączonymi urządzeniami.

Tagi są kluczowe podczas programowania nowoczesnych sterowników PLC. Są to nazwy przypisane zmiennym dowolnego typu, przechowywane w pamięci sterownika PLC. Oto kilka przykładów nazw tagów: „#DATETIME”, „HEARTBEAT” i „Switch_Group1_IP”. Zmienne są przechowywane w pamięci sterownika PLC w bazie danych tagów.

W tej bazie danych tagów wszystkie bloki funkcyjne (na przykład przekaźniki, układy czasowe i liczniki) oraz zmienne programu (na przykład wartość układu czasowego zwana „Transmitter_ RF_ Mute_Timer”), a także wszystkie inne obiekty są przechowywane jako zmienne otagowane z atrybutami, takimi jak wartość początkowa, typ zmiennoprzecinkowy, łańcuch, liczba całkowita, wartość logiczna (wł./wył.), tekst ASCII, wejścia dyskretne i wyjścia dyskretne. Podejście oparte na tagach pozwala na bardziej efektywne podejście do bardziej złożonego programowania, ale wymaga (podobnie jak w przypadku innych strukturalnych języków programowania), aby programista przypisał tagi zmiennych oraz typy danych przed ich użyciem w programie. W bazie danych tagów można również definiować tablice danych.

Dla każdego sterownika PLC połączonego z bramą deweloper musi określić tagi, z których będą odczytywane dane oraz tagi, do których dane te będą następnie zapisywane. Wymaga to najpierw zaprogramowania w bramie tagów z każdego sterownika PLC połączonego z bramą, zanim będzie można jej używać do komunikacji w sieci.

Odbywa się to z poziomu komputera podłączonego do bramy za pomocą przełącznika Ethernet. Po wybraniu ikony „Add tag” (Dodaj tag) w oknie konfiguracyjnym przeglądarki aktywowane jest okno dialogowe, które pozwala deweloperowi określić nazwę tagu, typ danych, adres i inne powiązane informacje, jeśli jest to wymagane. Można także przyspieszyć pracę, importując tagi z pliku .csv (ilustracja 5).

Ilustracja 5: okno dialogowe z właściwościami tagów sterownika PLC do programowania bramy Weidmüller. Tagi to nazwy przypisane do zmiennych dowolnego typu przechowywanych w pamięci sterownika PLC. (Źródło ilustracji: Weidmüller)

Po wprowadzeniu tagów dla wszystkich połączonych urządzeń, następnym krokiem jest utworzenie „mapy tagów”. Mapa tagów umożliwia bramie odczytywanie danych z rejestrów źródłowego sterownika PLC i zapisywanie ich w odpowiednim urządzeniu docelowym. Dane w rejestrach są w rzeczywistości ładunkiem komunikacyjnym. Ładunek jest pobierany z tagu źródłowego przy użyciu źródłowego protokołu PLC, a następnie dostarczany do pamięci bramy w celu przesłania do tagu docelowego przy użyciu protokołu urządzenia docelowego. Nie jest istotne, czy tagi źródłowe i docelowe są tego samego typu danych.

Tworzenie mapy tagów również odbywa się z komputera podłączonego do przełącznika Ethernet przez użycie ikony „Add Tag Map" (Dodaj mapę tagów), która uruchamia okno dialogowe edytora mapy tagów (ilustracja 6). Dla każdego sterownika PLC połączonego z siecią niezbędna jest osobna mapa tagów. W oknie dialogowym wybierane jest urządzenie docelowe, a każdy tag, który ma być użyty jako źródło danych, jest „mapowany” do miejsca docelowego danych. Proces ten należy powtórzyć dla wszystkich połączonych urządzeń.

Ilustracja 6: edytor mapy tagów umożliwia zmapowanie źródła danych każdego tagu do miejsca docelowego danych dla każdego podłączonego sterownika PLC. Proces ten należy powtórzyć dla wszystkich połączonych urządzeń. (Źródło ilustracji: Weidmüller)

Ostatnim krokiem w procesie jest aktywacja mapy tagów w celu zainicjowania komunikacji pomiędzy tagami źródłowymi i docelowymi, hostowanymi na urządzeniach sieciowych. Przeglądarka map tagów na komputerze PC umożliwia sprawdzenie, czy właściwe dane źródłowe trafiają do właściwego miejsca docelowego.

Podsumowanie

Przemysł 4.0 zwiększa produktywność i wydajność produkcji. Wymaga to jednak nowej infrastruktury przemysłowych sieci Ethernet, których instalacja jest kosztowna i skomplikowana. Bramy przemysłowe umożliwiają stopniowe wprowadzanie Przemysłu 4.0 poprzez wypełnienie luki pomiędzy istniejącymi sieciami RS-232/RS-485 a wdrażaną infrastrukturą przemysłowych sieci Ethernet. Dzięki tym rozwiązaniom, sprzęt i sieci można modernizować stopniowo w ciągu miesięcy lub lat przy minimalnych przerwach w pracy.