Wykorzystanie jednego kabla Fieldbus do jednoczesnej obsługi wielu protokołów Ethernet

Coraz szybsze przechodzenie na Przemysł 4.0 i przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) stwarza potrzebę łączności i gromadzenia danych, umożliwiając analizę w celu poprawy wydajności i bezpieczeństwa. Jednak wertykalne i horyzontalne gromadzenie oraz przesyłanie danych wertykalnych w całej fabryce może być skomplikowane i kosztowne, zwłaszcza w przypadku wielu sieci i trudnych warunków środowiskowych. Projektanci potrzebują sposobu sprawnego projektowania i wdrażania sieci przemysłowych oraz zarządzanie nimi, przy czym sieci te mogą wymieniać dane z wieloma programowalnymi sterownikami logicznymi (PLC), czujnikami i aktuatorami różnych dostawców. Jednocześnie konieczne jest wykorzystanie różnych protokołów i minimalizacja okablowania.

Można to osiągnąć za pomocą zintegrowanej i zoptymalizowanej rozproszonej platformy wejścia-wyjścia (I/O), która może obsługiwać wiele protokołów za pośrednictwem jednego kabla Ethernet. Taki system pozwala również operatorom sieci przemysłowych na uproszczenie wymogów w zakresie serwisowania oraz zmniejszenie zapasów części zamiennych poprzez standaryzację na jednej platformie wejścia-wyjścia, niezależnie od używanego sterownika PLC.

Niniejszy artykuł zawiera krótki przegląd sieci Przemysłu 4.0. Przedstawiono w nim platformę wejścia-wyjścia firmy Siemens, która obsługuje wiele sieci Ethernet na jednym kablu w trudnych warunkach środowiskowych oraz pokazano sposób jej wykorzystania w celu zaspokojenia potrzeb projektantów Przemysłu 4.0.

Protokoły Ethernet

Wdrożenia Przemysłu 4.0 mają różnorodne potrzeby komunikacyjne. Każdy z trzech głównych protokołów Fieldbus: PROFINET, EtherNet/IP i Modbus TCP, obsługuje różne zastosowania, od technologii operacyjnych (OT) w hali fabrycznej do technologii informatycznych (IT).

PROFINET: to wysokowydajny protokół deterministyczny służący do wymiany danych między takimi kontrolerami, jak sterowniki PLC i inne urządzenia. Może być używany do funkcji czasu rzeczywistego i funkcji krytycznych dla bezpieczeństwa, w tym do zastosowań sterowania szybkimi ruchami. Służy również do integracji funkcji OT/IT.

EtherNet/IP: wykorzystuje standardowy protokół Ethernet, co ułatwia wdrożenie w urządzeniach Ethernet. Protokół CIP (Common Industrial Protocol) jest zoptymalizowany pod kątem zastosowań w automatyce przemysłowej i obsługuje technologie sieciowe, w tym EtherNet/IP. Sieć EtherNet/IP może być również wykorzystywana do wymiany danych z poziomu obiektowego do systemów informatycznych.

Modbus TCP: to protokół oparty na TCP/IP, który jest użyteczny w przypadku funkcji, w których czas nie jest istotny, takich jak zużycie energii i zbieranie danych środowiskowych, a także wymiana danych między poziomem obiektowym a systemami informatycznymi.

Biorąc pod uwagę, że każda z trzech magistral Fieldbus ma konkretny cel, wszystkie trzy są potrzebne. Stwarza to złożone wyzwania komunikacyjne, a w tym właśnie miejscu pojawiają się systemy MultiFieldbus. Kontroler komunikacyjny MultiFieldbus znajduje się pomiędzy poziomem obiektowym a poziomem sterowania, jednocześnie komunikując się z wieloma kontrolerami przy użyciu różnych protokołów za pośrednictwem jednego kabla sieciowego (ilustracja 1). Urządzenia MultiFieldbus można spotkać w różnych środowiskach, od wewnętrznych - w chronionych szafach sterowniczych, przez zewnętrzne - hale produkcyjne, aż do oddalonych instalacji - na zewnątrz budynków.

Ilustracja 1: kontroler komunikacyjny MultiFieldbus znajduje się pomiędzy poziomem obiektowym a poziomem sterowania, zapewniając kompleksową łączność i komunikację w Przemyśle 4.0. (Źródło ilustracji: Siemens)

Zróżnicowane środowiska

Różnorodność środowiskowa wymaga urządzeń o różnych stopniach ochrony (IP) od IP20 do IP67. System stopni ochrony IP jest zawarty w normie 60529 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) i ocenia urządzenia na podstawie zdolności ich obudów do zapewnienia ochrony przed wnikaniem pyłów i cieczy oraz łatwości dostępu palców, narzędzi lub ciał stałych o różnych rozmiarach do niebezpiecznych części zamkniętego systemu. Kody IP składają się z dwóch cyfr. Pierwsza z nich oznacza ochronę przed ciałami stałymi i jest podawana w skali od 0 (brak ochrony) do 6 (brak wnikania pyłu). Druga cyfra oznacza ochronę przed cieczami i jest podawana w skali od 0 (brak ochrony) do 9 (ochrona przed gorącą wodą pod wysokim ciśnieniem pod różnymi kątami).

Na przykład urządzenia o stopniu ochrony IP20 są przydatne w szafach sterujących i podobnych środowiskach. Cyfra 2 oznacza ochronę przed obiektami o średnicy >12,5mm, takimi jak palce itp., a cyfra 0 oznacza brak ochrony przed wnikaniem wody.

W przypadku bardziej wymagających środowisk, typowymi stopniami ochrony są IP65, IP67 oraz IP69K, gdzie cyfra 6 oznacza obudowę uszczelnioną i całkowicie pyłoszczelną. Powyższe stopnie ochrony IP zapewniają różną ochronę przed wodą.

• Stopień ochrony IP65 oznacza, że woda wyrzucana przez dyszę (6,3mm) na obudowę z dowolnego kierunku nie spowoduje szkód.
• Stopień ochrony IP67 oznacza, że w przypadku zanurzenia obudowy w wodzie na głębokość do 1m nie będzie możliwe wniknięcie szkodliwej ilości wody.
• Stopień ochrony IP69K jest przeznaczony dla urządzeń stosowanych w pojazdach drogowych i chroni przed szkodliwymi skutkami opłukiwania wodą pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze.

Platforma MultiFieldbus

Platforma wejścia-wyjścia MultiFieldbus SIMATIC ET 200 firmy Siemens i moduły interfejsu mogą jednocześnie wymieniać dane z wieloma kontrolerami przy użyciu protokołów PROFINET, EtherNet/IP i Modbus TCP za pośrednictwem tego samego kabla. Wszystkie protokoły komunikacyjne można konfigurować za pomocą oprogramowania bez zmian w sprzęcie. Kompletna platforma wejścia-wyjścia SIMATIC ET 200 z obsługą MultiFieldbus zawiera również moduły o stopniu ochrony IP20 do użytku w szafach sterowniczych, moduły o stopniu ochrony IP65 i IP67 do użytku wewnątrz maszyn oraz IP69K do użytku na zewnątrz (ilustracja 2).

Ilustracja 2: platforma wejścia-wyjścia MultiFieldbus SIMATIC ET 200 zawiera kilka grup urządzeń i może obsługiwać instalacje Przemysłu 4.0 w szafach sterujących, wewnątrz maszyn i na zewnątrz budynków. (Ilustracja: Siemens)

System może obsługiwać jednoczesną komunikację z maksymalnie sześcioma sterownikami PLC z wykorzystaniem różnych protokołów magistrali Fieldbus. Ponadto istnieją moduły dla interfejsów IO-Link, Profibus, punkt-punkt (PtP), CAN (Controller Area Network), czujnika aktuatora (Asi), oświetlenia z adresowaniem cyfrowym (DALI) oraz multipleksera cyfrowego DMX512. W jednej stacji można łączyć wejścia-wyjścia standardowe i odporne na uszkodzenia.

Wielofunkcyjna i modułowa architektura systemu pozwala na rozległą personalizację, co jest cechą charakterystyczną fabryk Przemysłu 4.0. Zaciski wciskane umożliwiają szybkie podłączanie przewodów. Dostępne są moduły obsługujące szereg funkcji, takich jak zliczanie, monitorowanie energii, pomiar temperatury, ładowanie pojazdów elektrycznych oraz pełniące rolę szeregu komponentów, takich jak rozruszniki silników, wejścia pozycyjne, serwonapędy czy wejścia-wyjścia oparte na czasie. Wiele modułów obsługuje PROFIenergy - profil protokołu komunikacyjnego PROFINET, który umożliwia zarządzanie zasilaniem w urządzeniach automatyki przemysłowej.

SIMATIC ET 200SP jest wielofunkcyjnym i skalowalnym rozproszonym systemem wejścia-wyjścia zawierającym szeroką gamę modułów. Na przykład model 6ES71556MU000CN0 jest dwuportowym modułem interfejsu do użycia w szafach sterowniczych (ilustracja 3), a model 6ES71936BP000BA0 to jednostka bazowa SIMATIC ET 200SP o szczególnie małej zajmowanej powierzchni, przeznaczona do instalacji w niewielkich skrzynkach sterujących obok maszyn. Oba posiadają stopień ochrony IP20 i zakres temperatur roboczych od -30°C do +60°C.

Ilustracja 3: dwuportowy moduł interfejsu 6ES71556MU000CN0 jest przeznaczony do stosowania wewnątrz szaf sterowniczych. (Źródło ilustracji: Siemens)

Odporne na drgania moduły do linii montażowych

Urządzenie SIMATIC ET 200AL zostało zoptymalizowane pod kątem zastosowań związanych z ruchem, takich jak zautomatyzowane i półautomatyczne linie montażowe (ilustracja 4). Moduły wytrzymują ciągłe drgania do 5g, a maksymalnie do 10g. Posiadają stopień ochrony IP65/67, zakres temperatur roboczych od -25°C do +55°C, a ich kompaktowa i lekka konstrukcja jest odpowiednia do zastosowań sterowania rozproszonego w maszynach. Są one dostępne z modułami o szerokości 30mm lub 45mm i obsługują do 32 modułów na jedną stację. Moduły umożliwiają integrację czujników i aktuatorów z wykorzystaniem złączy M8 lub M12, w zależności od modułu. Posiadają one również funkcję PROFIenergy.

Ilustracja 4: moduły ET 200AL (w prawym dolnym rogu) są zoptymalizowane pod kątem zastosowań ruchowych i wytrzymują ciągłe drgania do 5g. (Źródło ilustracji: Siemens)

Przykłady modułów ET 200AL:

• 6ES71415BF000BA0, posiada osiem wejść cyfrowych i gniazd M8 do podłączania czujników zbliżeniowych oraz przełączników. Jego wymiary to 30mm x 159mm.
• 6ES71445KD500BA0, posiada osiem wejść analogowych i gniazd M12 do wykonywania podłączeń. Typy pomiarów mogą być zaprogramowane dla każdego kanału, a ich przykłady to: napięcie, natężenie prądu (przetworniki 2- i 4-przewodowe), rezystancja (przetworniki 2- i 3-przewodowe) oraz rezystancyjne czujniki temperatury (połączenia 2- i 3-przewodowe). 16-bitowa rozdzielczość i wymiary 30mm x 159mm.

Moduły o stopniu ochrony IP65/67 do montażu na maszynach

Moduły SIMATIC ET 200pro posiadają stopień ochrony IP65/67 i są przeznaczone do instalacji na zewnątrz szafy sterowniczej, bezpośrednio na maszynach. Dzięki łączności bezprzewodowej, moduły te dobrze sprawdzają się w takich zastosowaniach, jak systemy pojazdów kierowanych automatycznie, zarządzanie budynkami, logistyka magazynowa i systemy elektrycznych pojazdów jednoszynowych. Grupa ta pozwala na wymianę podczas pracy i obejmuje moduły procesorów (CPU), moduły interfejsów, moduły wejścia-wyjścia i moduły funkcjonalne.

Seria ET 200pro zawiera szereg funkcji, takich jak IO-Link i identyfikacja radiowa (RFID). Moduły rozruszników silników mogą być używane do uruchamiania oraz zabezpieczania silników i odbiorników o mocy do 5,5kW. Dostępne są wersje odporne na uszkodzenia, które mogą obsługiwać poziom nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL) 3. Moduł przemiennika częstotliwości może służyć do sterowania silnikami indukcyjnymi w pętli otwartej lub zamkniętej. Moduł pomiaru temperatury 6ES71444JF000AB0 charakteryzuje się dużą elastycznością i może być zaprogramowany do współpracy z rezystancyjnymi czujnikami temperatury (RTD), w tym Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 oraz NI1000, a także może podawać temperaturę w stopniach Celsjusza lub Fahrenheita.

Moduły do montażu na maszynach na zewnątrz budynków i w strefach niebezpiecznych

Moduły SIMATIC ET 200eco PN zapewniają kompaktowe blokowe wejścia-wyjścia o stopniu ochrony IP65 oraz IP67 i mogą być instalowane bez szafek, bezpośrednio na maszynie. Jak wszystkie moduły ET 200, obsługują one interfejsy PROFINET, Ethernet/IP oraz Modbus TCP. Moduły te posiadają całkowicie uszczelnione obudowy wykonane z odlewu cynkowego, są odporne na drgania, pyły, oleje i wilgoć, dzięki czemu nadają się do instalacji na zewnątrz budynków. Ich zakres temperatur roboczych wynosi od -40°C do +60 °C. Seria ET 200eco PN posiada dopuszczenie do użycia zgodne z dyrektywą ATEX Unii Europejskiej w sprawie atmosfer wybuchowych i może być używana w strefach niebezpiecznych do strefy 2.

W przypadku urządzeń zgodnych ze specyfikacją IO-Link V1.1, jeżeli urządzenie wymaga wymiany, parametry urządzenia standardowego i urządzenia nadrzędnego mogą być automatycznie przesyłane za pomocą „funkcji autostartu” bez wcześniejszej konfiguracji. Na przykład moduł 6ES71486JG000BB0 może działać jako urządzenie nadrzędne IO-Link V1.1 i zawiera kombinację 4 portów IO-Link klasy A i 4 klasy B (ilustracja 5). Porty mogą działać jako wejścia lub wyjścia cyfrowe, w zależności od przypisanych parametrów. Posiada stopień ochrony IP67 oraz IP69K i obsługuje trzy szybkości transmisji: 4,8kBd na COM1, 38,4kBd na COM2 oraz 230,4kBd na COM3.

Ilustracja 5: moduł SIMATIC ET 200eco PN (po lewej) i powiększenie typowej instalacji (po prawej) (źródło ilustracji: Siemens)

Podsumowanie

Wdrażanie sieci Przemysłu 4.0 jest złożonym przedsięwzięciem, które musi uwzględniać wiele interfejsów komunikacyjnych i różne środowiska operacyjne. Aby usprawnić sieci fabryczne, projektanci mogą wykorzystać platformę SIMATIC ET 200 MultiFieldbus firmy Siemens, umożliwiającą jednoczesną wymianę danych z maksymalnie sześcioma sterownikami PLC z wykorzystaniem protokołów PROFINET, EtherNet/IP i Modbus TCP za pośrednictwem tego samego kabla.

Rekomendowane artykuły

1. Obsługa rozległej personalizacji oraz wysokiej jakości i zrównoważonej działalności w fabrykach Przemysłu 4.0
2. Łączenie starszych systemów automatyki przemysłowej z Przemysłem 4.0 bez zakłóceń działania