Komunikacja przemysłowa

Komunikacja M2M w przemyśle

Dlaczego przemysłowe aplikacje wymagają różnych protokołów komunikacyjnych?

Pomimo tego, że „Przemysł 4.0” jest obecnie jednym z najbardziej gorących tematów w sferze przemysłowej, maszyny wykorzystywane w tej branży komunikują się miedzy sobą już od dekad. Komunikacja „machine to machine” (M2M) zapewnia ogromny wzrost wydajności i niezawodności w sterowaniu procesami, branży motoryzacyjnej czy spożywczej.

Dzięki zrozumieniu tego, jak działa każda z maszyn oraz umożliwienie im bezpośredniej komunikacji z innymi urządzeniami możemy uzyskać większą wydajność oraz integralność systemów tworząc jednocześnie bardziej zoptymalizowane rozwiązanie „end to end”.

Większa prędkość – jeśli myślisz, że potrafisz się szybko komunikować, maszyny robią to szybciej. Zrozumienie tego, w jaki sposób działa sieć maszyn uwzględniając ich obciążenia oraz wydajność umożliwia zwiększenie prędkości produkcji. Usprawnienie pracy systemu analizy oraz deterministycznych sieci czasu rzeczywistego optymalizuje całą produkcję.

Jakość i sterowanie – dzięki sieci czujników każdy element produkcyjny może być dokładniej monitorowany. Jako że czujniki stały się jeszcze bardziej precyzyjne, a widzenie maszyn bardziej dokładne, temperatura w piecach przemysłowych może być regulowana dokładniej i utrzymywana na stałym poziomie, ramiona robotów mogą operować jeszcze dokładniej, a usterki mogą być szybciej i efektywniej naprawiane.

Przewidywanie prac serwisowych – tak, jak samochód sygnalizuje, kiedy przeprowadzić serwis, tak samo mogą też robić inne maszyny - czy to poprzez przekazywanie liczby godzin działania, czy alarmowanie sterowników o potencjalnych uszkodzeniach komponentów. Komunikacja przemysłowa zmniejsza przestoje umożliwiając jednocześnie planowanie akcji serwisowych redukując ilość nagłych usterek.

Integracja komunikacji na tym poziomie oznaczała zazwyczaj drogie oraz złożone rozwiązanie. Jako że systemy automatyki ewoluowały, klienci oczekują wyższego niż wcześniej poziomu komunikacji pomiędzy maszynami, do czego niezbędne są lepiej zintegrowane układy elektroniczne. Rozwiązania dla sprawnej komunikacji w czasie rzeczywistym wykorzystującej sterowniki PLC, przenośniki taśmowe czy urządzenia peryferyjne stają się coraz mniejsze, bardzie elastyczne, wytrzymałe oraz „inteligentne”.

W związku z ciężkimi warunkami przemysłowymi istnieje szereg czynników, które muszą być wzięte pod uwagę, jeśli chodzi o rozwiązania komunikacyjne M2M. Jeśli chodzi o komunikację bezprzewodową wymagania te muszą być jasno sprecyzowane.

Łatwość instalacji – w związku z redukcją czasu przestojów oraz przeprowadzeniem prac serwisowych, każda cześć podłączona do sieci powinna mieć możliwość podłączenia „na gorąco” (tzw. hot swapping). Oznacza to, że urządzenia mogą być dodawane lub usuwane podczas pracy sytemu, jak również to, że każda komunikacja wymaga odpowiedniego poziomu wymiany i priorytetowania informacji (handshaking).

Wysoka niezawodność – jeśli chodzi o krytyczne części systemu oraz bezpieczeństwo, kluczowym jest, aby komunikacja była niezawodna i nie podlegała częstym przerwaniom lub niedoręczeniom wiadomości.

Wytrzymałość – urządzenia przemysłowe są często narażone na szczególnie trudne warunki pracy. Mogą nimi być pył, płyny, wysoka temperatura, ciśnienie lub wysokie napięcie. Dlatego też stopień ochrony, jaki musi być brany pod uwagę to IP69. W celu ochrony przed ekspozycją na wysokie napięcia, przepięcia lub stany nieustalone połączenia muszą zapewniać odizolowanie urządzeń komunikacyjnych na poziomie 5 kV rms.

Ekranowanie – zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) indukcyjne, łączeniowe mogą być generowane przez silniki, przemieszczenie płynów, sprzęganie blisko położonych przewodów, piece przemysłowe lub włączenia dużych obciążeń. Mogą one powodować przerwania lub błędy w przesyłaniu sygnału. Systemy komunikacji bezprzewodowej są najbardziej podatne na tego typu zakłócenia, dlatego też preferowana jest łączność przewodowa.

Czym jest protokół komunikacyjny HART?

Protokół HART (Highway Addressable Remote Transducer) został stworzony w 1986 roku, jako protokół „otwarty”. 30 lat później dzięki ideom, takim jak Przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) oraz Przemysł 4.0 jego znaczenie zyskuje na wartości.

Wykorzystuje on modulację FSK (Frequency Shift Keying) zwaną kluczowaniem częstotliwości, gdzie cyfrowy sygnał w postaci dwóch częstotliwości jest nałożony na analogowy sygnał pętli prądowej 4-20 mA. Protokół HART umożliwia dwukierunkowe przesyłanie informacji na łączach analogowych, od czujników i urządzeń polowych po szersze systemy i procesy sterowania oraz bezpieczeństwa maszyn. W celu niezawodnego przesyłania informacji, wartości pomiarowe z czujników są przesyłane analogowym sygnałem 4-20 mA. Mniej istotne informacje jak np.: diagnostyczne są przenoszone w postaci sygnału cyfrowego, jako całość tworząc niezawodne oraz łatwo konfigurowalne rozwiązanie komunikacyjne dla przemysłu.

Czym jest protokół komunikacyjny EtherCAT?

Protokół EtherCAT jest oparty na standardzie Ethernet, ale posiada dodatkowo opcje komunikacji w czasie rzeczywistym oraz jest dużo bardziej elastyczny jeśli chodzi o topologie sieciowe. Jest jednym z najszybszych technologii komunikacyjnych stosowanych w przemyśle. Synchronizacja protokołu EtherCAT do nanosekund oraz szybkość i dokładność pozwala na zredukowanie czasu oczekiwania pomiędzy kolejnymi etapami procesu, co znacznie zwiększa wydajność całego systemu.

W przeciwieństwie do technologii Ethernet, standard EtherCAT nie wymaga stosowania hubów lub przełączników sieciowych, a automatyczne wykrywanie połączeń umożliwia dodawane lub usuwane urządzań według zaistniałych potrzeb. To pozwala na całkowitą elastyczność, jeśli chodzi o budowę struktury sieciowej. W aplikacjach o znaczeniu krytycznym dla bezpieczeństwa wykorzystywany jest standard Functional Safety over EtherCAT (FSoE) spełniający wymagania co do normy o „Poziomie Nienaruszalności Bezpieczeństwa” (Safety Integrity Level) SLI3 oraz urządzeń zatwierdzonych przez TUV. EtherCAT zapewnia szybki i pewny poziom komunikacji dostępny w przystępnej cenie. Nie wymaga przy tym specyficznych kart interfejsów i może być szybko i łatwo zaimplementowany z mikrokontrolerami FPGA.

Czym jest Profinet oraz Profibus?

Standard Profinet podobie jak EtherCAT jest modyfikacją technologii Ethernet przeznaczoną do użytku w przemyśle z tym, że jest ona bardziej podobna do typowej struktury Ethernet, którą możemy spotkać w biurach lub domach. Dzięki podobieństwom do technologii Ethernet może być ona zbudowana w oparciu o huby i switche oraz łączyć się z innymi sieciami lub urządzeniami bezprzewodowymi za pomocą technologii WLAN lub Bluetooth. Pomimo większych restrykcji i konieczności użycia bardziej tradycyjnych topologii sieciowych Profinet daje dużą elastyczność łączenia z innymi standardami gwarantując jego sukces w komunikacyjnych sieciach przemysłowych. Do końca 2014 roku ponad 9,8 miliona urządzeń zostało połączonych za pomocą PROFINET.

Zdecydowanie najbardziej rozpowszechnionym standardem komunikacji przemysłowej jest Profibus, który do końca 2014 roku znalazł zastosowanie w ponad 50 milionach urządzeń. Transmisja danych w Profibus odbywa się poprzez interfejs RS-485 oraz skrętkę, co czyni go tanim w implementacji. Ponadto zapewnia on możliwość łączenia na duże odległości i może być stosowany w miejscach, gdzie występują duże zakłócenia elektromagnetyczne. Dzięki temu idealnie nadaje się on do stosowania w aplikacjach przemysłowych.

Czym jest protokół CAN?

Szeregowa magistrala komunikacyjna CAN (Controller Area Network) powstała z myślą o branży motoryzacyjnej. Ma na celu umożliwienie komunikacji urządzeń bez konieczności użycia centralnego sterownika np. w mechanizmie opuszczania okien elektrycznych. Nie jest protokołem czasu rzeczywistego jednakże jest niedrogim rozwiązaniem, jeśli chodzi o implementację mikrokontrolerów. Z uwagi na swoją prostotę, dużą dostępność oraz wytrzymałość, standard CAN jest powszechnie stosowany w branży przemysłowej.

Wymagania instalacyjne

Bardzo często w środowiskach przemysłowych występują zakłócenia elektromagnetyczne. Dlatego też bardzo ważnym czynnikiem jest ochrona wrażliwych układów elektronicznych przed przepięciami generowanymi przez silniki czy kable wysokiego napięcia. Zastosowanie separacji galwanicznej w połączeniach uniemożliwia pikom napięciowym zniszczenie układów zaprojektowanym do napięć rzędu 5 V, a nie 1 kV.

Izolatory optyczne i cyfrowe tworzą fizyczną barierę wewnątrz układu scalonego w celu zniwelowania działania pików energetycznych na układy elektroniczne, jednocześnie zapewniając niezbędny transfer danych. Izolatory cyfrowe są alternatywą dla tradycyjnych transoptorów oferując dużą niezawodność i ilość cyklów pracy oraz większą integracje danych do ponad 10 kV.