Konektivita – páteř udržitelné automatizace

Technologie jako SPE, PoDL a Ethernet APL překonávají tradiční omezení průmyslové komunikace. Pokročilá rozhraní pro signály, data a elektrickou energii jsou zde nezbytná: pomáhají poskytovatelům automatizace šetřit zdroje a náklady při zapojování výrobních zařízení do sítě.

(Zdroj obrázku: PeopleImages přes Getty Images)

Digitalizace a bezproblémové datové sítě pronikající do firemních procesů až do oborové úrovně výroby jsou trvalým trendem v automatizační technice. Jejich cílem je vytvořit vysoce flexibilní produkční prostředí, které lze přizpůsobit tak, aby bylo dosaženo bezprecedentní úrovně diverzifikace a produktivity. Za tímto účelem prochází zpracovatelský průmysl pod záštitou „Průmyslu 4.0“ převratnou transformací, přičemž jedním z nejdůležitějších aspektů je udržitelné využívání všech dostupných zdrojů.

Z pole do mraku hladce

Pro tuto transformaci, která začíná masivně pronikat tradičními hranicemi mezi operačními technologiemi (OT) a informačními technologiemi (IT), je charakteristická bezproblémová konektivita mezi stroji, produkty a v konečném důsledku i lidmi. S průmyslovým Ethernetem je dnes k dispozici technologie, která dokáže hladce a nákladově efektivně propojit i zařízení na provozní úrovni přes TCP/IP s firemními cloudovými datovými infrastrukturami. Na rozdíl od fieldbusů průmyslový Ethernet překračuje všechny úrovně automatizace – end-to-end, od provozních zařízení až po cloud. Operátoři továren a závodů tak mohou přistupovat k datům zařízení v reálném čase a používat je pro plánování výroby, řízení procesů a analýzu dat.

Průmyslový Ethernet umožňuje například získávání a analýzu dat v reálném čase ze senzorů, napájecích zdrojů nebo pohonů. Informace o změnách teploty nebo vibracích v kritických bodech a také profily zatížení umožňují vyvozovat závěry pro optimalizaci parametrů procesu. Oznamují, kdy lze očekávat přetížení, a signalizují nutnost údržby v rané fázi. Prediktivní údržba je zde obzvláště důležitá, protože pomáhá operátorům zlepšit dostupnost jejich zařízení a strojů a také minimalizovat spotřebu energie a využívání zdrojů – což na jedné straně snižuje provozní náklady, ale na druhé straně , rozhodujícím způsobem přispívá k udržitelnosti procesních a továrních závodů.

Odolná alternativa RJ45

Fyzickou páteří těchto sítí, zejména průmyslového Ethernetu, je vysoce výkonná propojovací technologie, která umožňuje spolehlivý přenos signálů a dat mezi různými uzly automatizačních sítí. Kromě fyzické robustnosti, kterou vyžadují v průmyslovém využití, dnes taková řešení čelí řadě nových výzev, vyplývajících například z obrovského množství síťových uzlů, jejich miniaturizace nebo velké přenosové šířky pásma. Patří mezi ně zejména kompaktní tvary, snížená náročnost na instalaci a kabeláž, vysoká integrita signálu – tedy sofistikované stínění proti elektromagnetickému rušení – a spolehlivost na dlouhé přenosové vzdálenosti. Posledně jmenovaný je zvláště důležitý na rozšířených rostlinných polích. Stále častěji je vyžadováno i napájení zařízení pomocí datových konektorů.

Standardním rozhraním pro ethernetovou komunikaci je široce používaný konektor RJ45. Uživatelé často hlásí problémy s kontakty nebo zlomené západkové prvky; RJ45 také omezuje miniaturizaci díky své velikosti. Naproti tomu alternativy jako napřix Průmyslové rozhraní od německého dodavateleHARTING (obrázek 1) jsou podstatně menší a mnohem robustnější, zvláště odolné proti nárazům a vibracím. Podle výrobce je možná úspora místa na desce plošných spojů až 70 % oproti standardnímu RJ45. 360° stíněný konektor je určen pro 10-Gbit/s Ethernet komunikaci a je kompatibilní s PoE (Power-over-Ethernet) i PoE+ pro přenos energie.

Obrázek 1: Výrazně menší a robustnější než standardní konektory RJ45: průmyslové rozhraní Ethernet společnosti HARTING ix Industrial. (Zdroj obrázku: HARTING)

ix Industrial je rozhraní vyvinuté společností HARTING ve spolupráci s japonským specialistou na konektoryHirose . Jeho rozměry, elektrické vlastnosti a kódování odpovídají normě IEC 61076-3-124. Jiní výrobci, např. americká společnostAmphenol Communications Solutions , také nabízí produkty se srovnatelnými vlastnostmi, které jsou kompatibilní s ix Industrial: např.push-pull konektory pro drsná prostředí v krytí IP65/66/67,ix konektory Mag s integrovanými magnety (obrázek 2), popřKabelové sestavy Ethernet-RJ45 s úhlovými konektory RJ45; poskytují funkce 100-Gbit Ethernet a PoE/PoE+.

Obrázek 2: Amphenol ix Mag: Ethernetová komunikace až 10 Gbit/s, 360° stínění a PoE++ až 90 W (zdroj obrázku: Amphenol Communications Solutions)

ix Případ průmyslového použití

Následující příklad ilustruje obrovský potenciál vysoce výkonných miniaturizovaných ethernetových rozhraní pro aplikace Průmyslu 4.0:

Lineární transportní systém XTS od specialisty na automatizaci Beckhoff je řešení pohonu, které využívá magneticky poháněné pohybovače pohybující se po dráze plně integrovaných motorových modulů. Jejich nezávislé řízení umožňující individuální pohybové profily je podle Beckhoffa výchozím bodem nových koncepcí strojů, které umožňují flexibilnější výrobní procesy s kratšími prostoji, jako je například výměna nástrojů.

Aby pohony sledovaly svůj pohybový vzor, musí počítač neustále vypočítávat spínání a napájení příslušných motorových modulů. Za tímto účelem lze kombinovat celkem tři počítačové desky, z nichž každá měla dříve čtyři zásuvky RJ45 jako porty. Aby bylo možné v nejnovější generaci systému XTS provozovat více pohonů bez nutnosti měnit rozměry systému, byly zásuvky RJ45 nahrazeny rozhraním ix Industrial od společnosti HARTING. Zde byly hlavními požadavky spolehlivé stínění a vysoká datová propustnost. Na rozdíl od RJ45 každý ix Industrial konektor umožňuje dvě 100-Mbit/s Ethernetová připojení. Na stejnou desku by tedy mohlo být namontováno osm portů místo čtyř a na jeden port by mohly být instalovány dva ethernetové kanály místo jednoho.

Výsledkem bylo, že na tři počítačové desky bylo implementováno 48 místo dvanácti portů. V souladu s tím lze nyní s nejnovější generací XTS použít 48 namísto dvanácti linek XTS na jednotku, což odpovídá 400% nárůstu výkonu dopravního systému.

Dva dráty – místo čtyř nebo osmi

Jedním z charakteristických rysů dnešní technologie průmyslové automatizace je její migrace z hierarchické na decentralizovanou architekturu. Ty jsou považovány za pokročilé a zvláště produktivní a navíc slibují zvýšenou bezpečnost sítě. Inteligentní uzly, jako jsou chytré senzory nebo okrajové počítače, které jsou schopny provádět určité úlohy zpracování dat autonomně, totiž snižují citlivý datový provoz mezi edge a cloudem. Výhody decentralizace jsou samozřejmé, ale enormně roste počet připojených zařízení v terénu a tím i snahy o kabeláž a konektivitu. Jejich ekonomické využití, jak z hlediska materiálového a instalačního úsilí, tak i spotřeby energie, se stává silným kritériem udržitelnosti výrobních zařízení.

Single-Pair Ethernet (SPE) je považován za rozhodující průlom v účinnosti a hospodárnosti. Komunikační technologie je definována standardem IEEE 802.3; pro příslušné konektory platí řada norem IEC 63171-x. V zásadě umožňuje připojení polních komponent prostřednictvím pouze jednoho krouceného páru, tj. dvou vodičů namísto předchozích čtyř nebo dokonce osmi: nízkonákladové, efektivní z hlediska zdrojů, a proto extrémně udržitelné. SPE, původně vyvinutý pro automobilovou elektroniku, splňuje požadavky mnoha poskytovatelů automatizace: Jediný pár vodičů jim umožňuje integrovat velké množství přístrojů, ovladačů a dalších zařízení do ethernetových sítí při gigabitových přenosových rychlostech (obrázek 3).

Obrázek 3 Single-Pair Ethernet umožňuje energeticky a nákladově efektivní integraci provozní úrovně do širokopásmové ethernetové komunikace. (Zdroj obrázku: SPE Industrial Partner Network)

Další výhoda: díky kompatibilitě PoDL (Power-over-Data-Line, IEEE P802.3bu) je stejný pár vodičů schopen dodávat polním zařízením nejen data, ale i elektrickou energii. Kromě aktuátorů a senzorů lze v rozsahu výkonu předchozího napájení PoE připojit a napájet například přes PoDL i přístroje založené na kamerách.

Produkty pro Single-Pair Ethernet

V segmentu SPE zaujímá pozici společnost HARTINGkonektor T1 , včetně zamykání a 360° EMI stínění (obrázek 4). T1 s podporou PoDL je k dispozici v kruhovém provedení, včetně M8 a M12. Z hlediska stupňů ochrany se spektrum produktů pohybuje od IP20 do IP67 a podle výrobce jsou příslušné protějšky rozhraní navrženy tak, aby splňovaly třídy ochrany a zajišťovaly interoperabilitu.

Obrázek 4: Funkce stíněného a vybaveného zamykání – T1 kompatibilní s PoDL je nabízen pro stupně ochrany IP20 až IP67. (Zdroj obrázku: HARTING)

Phoenix Contact poskytuje také komplexníPortfolio SPE pro polní kabeláž do az ovládacích skříní, senzorů, spínačů a bran. Mezi produkty tohoto dodavatele patří například deskové konektory nebo kabelové sestavy pro použití v průmyslovém prostředí IP20 až IP67.

Poskytovatel open source nástrojůElektronika SparkFun nabízí SPE funkční desku pro podporu vývojářů při navrhování aplikací s Single-Pair Ethernet (obrázek 5). Představenstvo, volaloMicroMod COM-19038 , obsahuje ADIN1110 Ethernet transceiver odAnalogová zařízení , pasivní součástky zWürth Elektronik a konektorem HARTING T1. Integrované rozhraní MAC (Media Access Control) umožňuje sériovou komunikaci s hostitelským řadičem rychlostí 10 Mbit/s v plně duplexním režimu. Deska podporuje síťové uzly přes kabel o délce 1700 m, ale není navržena pro napájení uzlů přes tento kabel. Kirk Benell, technický ředitel SparkFun,představuje vývojovou desku v ukázkovém videu .

Obrázek 5: Demonstrátor pro senzor okolního prostředí s displejem. (Zdroj obrázku: SparkFun Electronics)

End-to-end networking v procesní technologii

Technické výhody Single-Pair Ethernetu, například týkající se monitorování stavu a prediktivní údržby, jsou také přínosné pro automatizaci procesů. Zde však platí rozšířený profil požadavků na ethernetovou konektivitu. Kromě robustní a širokopásmové komunikace v reálném čase, která je také vyžadována v dílnách, vyžadují rozsáhlé procesní závody přenos dat na velké vzdálenosti. Kromě toho musí být automatizační komponenty jiskrově bezpečné pro použití v potenciálně výbušném prostředí. Zde vstupuje na scénu tzv. Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet APL): definuje fyzickou přenosovou vrstvu pro ethernetovou komunikaci rychlostí 10 Mbit/s i pro napájení přes jeden dvojitý vodič – stejně jako u SPE – na vzdálenosti. až 1000 m. Stejně jako SPE je Ethernet APL dokonale vhodný pro univerzální, víceúčelové polní instrumentace.

Shrnutí

Průmyslový Ethernet, a zejména Single-Pair Ethernet, podporují širokopásmové síťové propojení výrobních zařízení. Umožňují bezproblémovou komunikaci od úrovně pole až po cloud a umožňují přístup k datům zařízení v reálném čase, což podporuje operátory při optimalizaci závodu a procesů. Jejich výhody jsou jasně patrné ve snížení provozních nákladů, vyšší dostupnosti a optimalizovaném využití energie a zdrojů. Pokročilé technologie připojení, jako jsou ix Industrial interface a SPE konektory s funkcí PoDL, zajišťují spolehlivý přenos dat a energie mezi všemi síťovými uzly. To z nich dělá klíčové součásti Průmyslu 4.0 a páteř konceptů udržitelné automatizace.