Používání jednoho kabelu aplikační sběrnice pro více ethernetových protokolů současně

Čím dál rychlejší přechod k Průmyslu 4.0 a průmyslovému internetu věcí („Industrial Internet of Things“, IIoT) přináší potřebu sběru dat a konektivity, které umožňují analýzy ke zvyšování produktivity a bezpečnosti. Horizontální a vertikální sběr a přenos dat v továrně však mohou být složité a nákladné, zejména pokud se jedná o více sítí a náročná prostředí. Konstruktéři potřebují způsob, jak efektivně navrhovat, nasazovat a spravovat průmyslové sítě, které si mohou vyměňovat data s více programovatelnými logickými automaty („programmable logic controller“, PLC), senzory a aktuátory od různých dodavatelů a současně využívat různé protokoly a minimální kabeláž.

Toho lze dosáhnout pomocí integrované a optimalizované distribuované vstupně-výstupní („input/output“, I/O) platformy, která dokáže zpracovávat více protokolů přes jediný ethernetový kabel. Takový systém také umožňuje provozovatelům průmyslových sítí zjednodušit servisní požadavky a snížit zásoby náhradních dílů díky standardizaci na jediné I/O platformě bez ohledu na použitý PLC.

V tomto článku je uveden stručný přehled sítí Průmyslu 4.0. Poté je zde představena I/O platforma od společnosti Siemens, která pojme více ethernetových aplikačních sběrnic na jediném kabelu v náročných prostředích, a je zde ukázáno, jak ji lze použít ke splnění potřeb konstruktérů Průmyslu 4.0.

Ethernetové protokoly

Zavádění Průmyslu 4.0 s sebou nese různé komunikační potřeby. Všechny tři hlavní protokoly aplikační sběrnice, PROFINET, EtherNet/IP a Modbus TCP, podporují různé případy použití od provozní technologie („operation technology“, OT) na úrovni továrny až po informační technologie (IT).

PROFINET: Jedná se o deterministický vysoce výkonný protokol používaný pro výměnu dat mezi řídicími jednotkami, jako jsou PLC a zařízení. Je vhodný pro funkce v reálném čase a pro funkce kritické z hlediska bezpečnosti, které zahrnují vysokorychlostní aplikace řízení pohybu. Používá se také pro integraci funkcí OT/IT.

EtherNet/IP: Používá standardní ethernetový protokol, což usnadňuje implementaci s ethernetovými zařízeními. Common Industrial Protocol (CIP) je optimalizován pro aplikace průmyslové automatizace a podporuje síťové technologie včetně EtherNet/IP. EtherNet/IP lze také použít pro výměnu dat z provozní úrovně do IT systémů.

Modbus TCP: Jedná se o protokol založený na TCP/IP, který je užitečný pro funkce, ve kterých není čas kritický, jako je spotřeba energie a shromažďování dat o prostředí, stejně jako pro výměnu dat mezi provozní úrovní a IT systémy.

Vzhledem k tomu, že každá ze tří aplikačních sběrnic má specifický účel, jsou potřeba všechny tři. To vytváří složité komunikační výzvy, a proto přicházejí na řadu systémy MultiFieldbus. Komunikační řídicí jednotka MultiFieldbus je umístěna mezi provozní a řídicí úrovní a současně komunikuje s více řídicími jednotkami pomocí různých protokolů prostřednictvím jediného síťového kabelu (obrázek 1). Zařízení MultiFieldbus lze nalézt v řadě prostředí, od vnitřních chráněných ovládacích skříní přes venkovní prostory v továrně až po vzdálené venkovní instalace.

Obrázek 1: Komunikační řídicí jednotka MultiFieldbus je umístěna mezi provozní a řídicí úrovní, což umožňuje komplexní konektivitu a komunikaci v rámci Průmyslu 4.0. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Různorodá prostředí

Různorodost prostředí vyžaduje zařízení s různým stupněm krytí („ingress protection“, IP) od IP20 po IP67. Systém hodnocení IP je začleněn do standardu 60529 Mezinárodní elektrotechnické komise („International Electrotechnical Commission“, IEC) a zařízení jsou v něm hodnocena na základě schopnosti jejich krytu poskytnout ochranu proti vnikání prachu a kapalin a podle toho, jak snadno jsou nebezpečné části uzavřeného systému přístupné prstům, nástrojům nebo různě velkým pevným předmětům. IP kódy se skládají ze dvou číslic. První označuje ochranu proti pevným předmětům a vyjadřuje hodnocení na stupnici od 0 (žádná ochrana) do 6 (žádné vnikání prachu). Druhá číslice označuje ochranu proti kapalinám a vyjadřuje hodnocení od 0 (bez ochrany) do 9 (ochrana proti horké vodě při vysokém tlaku z různých úhlů).

Například zařízení s krytím IP20 jsou užitečná v ovládacích skříních nebo podobných prostředích. Číslo 2 znamená ochranu před částicemi > 12,5 mm, jako jsou prsty nebo podobné předměty, a 0 znamená žádnou ochranu proti vniknutí vody.

Pro náročnější prostředí jsou typické stupně krytí IP IP65, IP67 a IP69K, kde 6 označuje utěsněný a zcela prachotěsný kryt. Tyto stupně IP poskytují různou ochranu proti vodě.

• Stupeň IP65 označuje, že voda tryskající tryskou (6,3 mm) proti krytu z jakéhokoli směru nesmí mít žádné škodlivé účinky.
• Stupeň IP67 znamená, že při ponoření krytu do vody do hloubky 1 metru nesmí být možné vniknutí vody ve škodlivém množství.
• Stupeň IP69K je určen pro zařízení používaná v silničních vozidlech a vztahuje se na vysokotlaké mytí při vysokých teplotách.

Platforma MultiFieldbus

Platforma MultiFieldbus SIMATIC ET 200 I/O a moduly rozhraní společnosti Siemens si mohou současně vyměňovat data s více řídicími jednotkami pomocí protokolů PROFINET, EtherNet/IP a Modbus TCP přes stejný kabel. Komunikační protokoly jsou všechny konfigurovatelné pomocí softwaru bez změny hardwaru. Kompletní platforma SIMATIC ET 200 I/O se sběrnicí MultiFieldbus zahrnuje také moduly s krytím IP20 pro použití v ovládacích skříních, moduly s krytím IP65 a IP67 pro vnitřní použití na strojích a s krytím IP69K pro venkovní použití (obrázek 2).

Obrázek 2: Platforma SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus zahrnuje několik řad zařízení a může podporovat instalace Průmyslu 4.0 v ovládacích skříních, uvnitř strojů i venku. (Obrázek: společnost Siemens)

Systém může podporovat současnou komunikaci až se šesti PLC pomocí různých protokolů aplikačních sběrnic. Kromě toho jsou k dispozici moduly pro IO-Link, Profibus, point-to-point (PtP), řídicí síť („controller area network“, CAN), rozhraní senzoru aktuátoru (Asi), digitální adresovatelné rozhraní osvětlení („digital addressable lighting interface“, DALI) a digitální multiplexer DMX512. Na jedné stanici lze kombinovat standardní a bezpečné I/O.

Multifunkční a modulární architektura systému podporuje hromadné přizpůsobení, což je charakteristický znak továren Průmyslu 4.0. Rychlé zapojení je podporována zásuvnými svorkami a jsou k dispozici moduly pro řadu funkcí, jako je počítání, monitorování energie, spouštěče motorů, polohové vstupy, servopohony, snímání teploty, časově závislé I/O a dokonce i nabíjení elektromobilů. Mnoho modulů podporuje PROFIenergy, profil komunikačního protokolu PROFINET, který umožňuje řízení spotřeby energie v zařízeních průmyslové automatizace.

SIMATIC ET 200SP je multifunkční a škálovatelný distribuovaný I/O systém se širokou škálou modulů. Například model 6ES71556MU000CN0 je dvouportový modul rozhraní pro použití uvnitř ovládacích skříní (obrázek 3) a model 6ES71936BP000BA0 je základní jednotka SIMATIC ET 200SP s obzvláště malými rozměry, která je určena k instalaci do malých ovládacích skříněk vedle strojů. Oba modely mají krytí IP20 a rozsah provozních teplot −30 °C až +60 °C.

Obrázek 3: 6ES71556MU000CN0 je dvouportový modul rozhraní pro použití uvnitř ovládacích skříní. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Moduly odolné vůči vibracím pro montážní linky

Modul SIMATIC ET 200AL byl optimalizován pro aplikace zahrnující pohyb, jako jsou automatizované a poloautomatické montážní linky (obrázek 4). Moduly zvládnou vibrace do 5 g nepřetržitě s maximem 10 g. Mají krytí IP65/67, rozsah provozních teplot −25 °C až +55 °C a jejich kompaktní a lehké provedení se hodí pro aplikace distribuovaného řízení na strojích. Jsou k dispozici s šířkou modulu 30 mm nebo 45 mm a podporují až 32 modulů na stanici. Moduly podporují integraci senzorů a aktuátorů pomocí konektorů M8 nebo M12 v závislosti na modulu. Vyznačují se také funkcí PROFIenergy.

Obrázek 4: Moduly ET 200AL (pravý dolní roh) jsou optimalizovány pro aplikace zahrnující pohyb a zvládnou nepřetržitě vibrace až 5 g. (Zdroj obrázku: společnost Siemens)

Příklady modulů ET 200AL jsou:

• 6ES71415BF000BA0, má osm digitálních vstupů a zásuvky M8 pro připojení snímačů přiblížení a spínačů. Jeho rozměry jsou 30 mm × 159 mm.
• 6ES71445KD500BA0, má osm analogových vstupů a zásuvky M12 pro připojení. Pro jednotlivé kanály lze naprogramovat typy měření včetně detektorů napětí, proudu (2- a 4vodičové převodníky), odporu (2- a 3vodičové převodníky) a odporových teploměrů (2- a 3vodičová připojení). Modul má 16bitové rozlišení a měří 30 mm × 159 mm.

Moduly s krytím IP65/67 pro montáž do stroje

Moduly SIMATIC ET 200pro mají krytí IP65/67 a jsou určeny k instalaci mimo ovládací skříň, přímo na stroj. Díky bezdrátovému připojení jsou tyto moduly vhodné pro použití v aplikacích, jako jsou systémy automaticky řízených vozíků, správa budov, skladová logistika a elektrické jednokolejnicové systémy. Řadu lze vyměnit za provozu a zahrnuje moduly centrální procesorové jednotky („central processing unit“, CPU), moduly rozhraní, I/O moduly a funkční moduly.

Řada ET 200pro zahrnuje řadu funkcí, jako je IO-Link a radiofrekvenční identifikace („radio frequency identification“, RFID). Moduly spouštěče motoru lze použít ke spouštění a ochraně motorů a zátěží do 5,5 kW. K dispozici jsou verze bezpečné při poruše, které mohou podporovat úroveň integrity bezpečnosti (SIL) 3. Modul frekvenčního měniče lze použít pro řízení otevřené nebo uzavřené smyčky indukčních motorů. Modul měření teploty 6ES71444JF000AB0 je vysoce flexibilní a lze jej naprogramovat tak, aby používal řadu odporových teplotních detektorů („resistance temperature detector“, RTD) včetně Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 a NI1000 a výstup teploty může být ve stupních Celsia nebo Fahrenheita.

Moduly pro montáž do stroje pro venkovní a nebezpečné prostory

Moduly SIMATIC ET 200eco PN poskytují kompaktní blokové I/O s krytím IP65 a IP67 a jsou vhodné pro instalaci bez skříně přímo na stroji. Stejně jako všechny moduly ET 200 podporují protokoly PROFINET, Ethernet/IP a Modbus TCP. Tyto moduly jsou dodávány v plně utěsněném pouzdru ze zinkového tlakového odlitku a jsou odolné vůči vibracím, prachu, oleji a vlhkosti, takže jsou vhodné pro venkovní instalace. Nabízejí provozní teplotu −40 °C až +60 °C. Řada ET 200eco PN je schválena směrnicí Evropské unie (EU) pro prostředí s nebezpečím výbuchu („Atmospheres Explosibles“, ATEX) a může být používána v nebezpečných oblastech až do zóny 2.

U zařízení vyhovujících specifikaci IO-Link V1.1 lze v případě potřeby výměny zařízení přenést parametry zařízení a parametry hlavního zařízení automaticky pomocí „funkce automatického spuštění“ bez předchozí konfigurace. Například modul 6ES71486JG000BB0 může fungovat jako hlavní zařízení IO-Link V1.1 a obsahuje kombinaci 4 portů IO-Link třídy A a 4 portů třídy B (obrázek 5). Porty mohou fungovat jako digitální vstupy nebo výstupy v závislosti na přiřazení parametrů. Modul má krytí IP67 a IP69K a podporuje tři přenosové rychlosti: 4,8 kBd na COM1, 38,4 kBd na COM2 a 230,4 kBd na COM3.

Obrázek 5: Modul SIMATIC ET 200eco PN (vlevo) a detailní pohled na typickou instalaci (vpravo) (zdroj obrázku: společnost Siemens)

Závěr

Zavádění sítí Průmyslu 4.0 je komplexním úkolem, který musí počítat s mnoha komunikačními rozhraními a různými provozními prostředími. K zefektivnění továrních sítí mohou konstruktéři využít platformu SIMATIC ET 200 MultiFieldbus společnosti Siemens k současné výměně dat až se šesti PLC pomocí protokolů PROFINET, EtherNet/IP a Modbus TCP přes stejný kabel.

Doporučeno k přečtení

1. Podpora hromadného přizpůsobení, vysoké kvality a udržitelného provozu v továrnách Průmyslu 4.0
2. Jak připojit starší tovární automatizační systémy k Průmyslu 4.0 bez narušení?