Průmyslový Ethernet integruje informační tok

-- 19.12.11 00:17

Robustní ethernetová síť integruje stroje a robotiku, přičemž poskytuje vysoký výkon, provozuschopnost a celopodnikovou konektivitu.

Výrobci stále více využívají sítě průmyslového Ethernetu ke vzájemnému propojování rozhraní člověk-stroj (HMI), řídicích prvků, distribuovaných I/O, přístrojů a senzorů v rámci stroje nebo robota, resp. připojení komunikačního systému zákazníka či připojení domácí kanceláře k pracovišti zákazníka. Díky všudypřítomnosti a přirozeným výhodám Ethernetu oproti jiným síťovým protokolům bude nakonec mnoho dalších typů sítí nekonkurenceschopných. Proto se Ethernet rychle stává preferovanou sítí pro OEM výrobce strojů a jejich zákazníky.

Poptávka ze strany výrobců OEM a jejich zákazníků po vyšší konektivitě a informačním toku podněcuje růst průmyslového Ethernetu, který má v příštích pěti letech dosahovat podle odhadů zhruba 10 % ročně. Pro většinu průmyslových výrobců OEM má smysl zvážit použití Ethernetu. I když je argument pro použití Ethernetu na provozní úrovni silný, nelze popřít, že zůstává určitý odpor vůči konektivitě Ethernetu se stroji a robotikou. V tomto článku probereme některé výzvy a řešení a poskytneme pokyny pro informovanější rozhodování a implementaci.

Proč zvolit Ethernet?

V obchodním a kancelářském prostředí jsou sériové porty počítačů a zařízení nahrazovány ethernetovými porty s IP adresami. V podstatě stejný trend pozorujeme v průmyslové oblasti, kde počítače PC, řídicí prvky, I/O, pohony motorů, přístroje, senzory a další automatizační prvky stále častěji obsahují jeden nebo více ethernetových portů. Jak ukazuje obrázek protokolu TCP/IP a modelu OSI, IP adresy leží ve vrstvě 3 modelu OSI. I když je Ethernet oficiálně definován vrstvami 1 a 2 modelu OSI, ve skutečnosti se používá pojem Ethernet zahrnující vrstvy 1 až 4, včetně IP a TCP/UDP, a tuto terminologii budeme používat i zde. Krása modelu OSI spočívá v tom, že nabízí horní vrstvy 5 až 7, tedy prostor, kde leží všechny protokoly a prvky správy sítě, které se opětovně použijí při modernizaci ze sériové sítě na síť Ethernet.

V důsledku toho je možné rychle migrovat ze sériového protokolu, jako je Modbus, na protokol na bázi Ethernetu pod názvem Modbus TCP, a to jen s minimálním úsilím, a co je nejdůležitější, s minimální nebo žádnou dodatečnou podporou nebo školením konečných uživatelů. Konkrétně řečeno, pokud se pro sériovou síť používal protokol Modbus, většina komunikačního kódu a programu bude nadále platná v novém prostředí Ethernetu Modbus TCP. Hlavním rozdílem bude schopnost přenášet data mnohem větší rychlostí. Za další nesporné výhody lze pokládat širší dostupnost novějších automatizačních komponent s ethernetovým portem než dostupnost s portem Modbus a stále snadnější integrace těchto nových komponent do celkové řídicí a komunikační sítě.

Základem této snadné integrace jsou široce využívané a akceptované standardy ve všech vrstvách modelu OSI. Tyto standardy podporují a umožňují integraci komponent od mnoha dodavatelů v běžném prostředí a tím v podstatě umožňují připojení typu „plug and play“, přičemž není nutno vynakládat žádné nebo jen velmi malé úsilí pro vytvoření zakázkového komunikačního programového vybavení. Dnes i ty nejjednodušší výrobní linky obsahují širokou škálu různých strojů a robotů, nejčastěji dodávaných celou řadou výrobců OEM. Složitost dále zvyšuje skutečnost, že většina strojů a robotů obsahuje mnoho automatizačních komponent, jako jsou HMI, řídicí prvky, pohony motorů, přístroje a senzory. Není-li navržena a řízena správně, může vyšší integrace řídicí sítě reálného času stejně jako podnikové sítě zvýšit bezpečnostní rizika a zranitelnost. Ale toto riziko lze řídit pomocí náležitých zásad, postupů a provedení sítě, tak aby výsledný systém nejen poskytoval rychlou a spolehlivou síť, ale také splňoval bezpečnostní požadavky a zajišťoval zachování integrity sítě v kterémkoli okamžiku.

Vzájemné propojení zvyšuje efektivitu

Schopnost výrobců OEM integrovat informace z automatizační sítě v celém podniku, případně i k dodavateli a zákazníkům výrobce OEM, poskytuje měřitelné přínosy všem zúčastněným.

• Řízení skladových zásob v reálném čase bude možné pro výrobní závod, jeho dodavatelský řetězec a zákazníky, protože budou zpřístupněny informace o dílech a využívání materiálu.

• Receptury a výrobní příkazy bude možné automaticky stáhnout a změnit podle požadavků.

• Informace o výrobě budou dostupné v rámci celého podniku, často poskytované automatizačními komponenty vybavenými ethernetovými porty a funkčností webového serveru.

• Odstraňování chyb bude snadnější, protože může být poskytována spousta stavových informací nejen výrobcům, ale také OEM výrobcům stroje. To umožňuje vzdálenou podporu strojů a robotů, které mohou průběžně monitorovat interní a externí odborníci. Navíc mnoho zákazníků a dodavatelů OEM zavádí chytřejší systémy implementací informačních systémů základní výrobní úrovně a mikroprocesorových technologií pro zachycení a automatizaci klíčových podnikových procesů.Sítě využívající standardní Ethernet a běžné protokoly rovněž umožňují, aby každý stroj na montážní lince komunikoval se sousední jednotkou na lince, pokud jde o její stav a využití. Jestliže každé zařízení v jedné nebo více montážních operacích zná stav svých sousedů, je možné synchronizovat vstupy a výstupy stroje a tím zajistit maximální využití každého stroje a optimalizaci průchodnosti v rámci celého závodu. Proto pokud má jeden stroj nějaké potíže nebo je zahlcen, nemusí to způsobit neplánované úplné zastavení a spuštění se souvisejícími neplánovanými náklady a ušlou výrobou. Namísto toho může být výstup předchozího stroje buď převeden na paralelní linku, nebo zredukován, dokud zahlcení následujícího stroje nezmizí. Klíčem pro získání těchto a dalších provozních přínosů z interních a externích připojení je vysoká spolehlivost sítě – a ta musí začít komponenty infrastruktury používanými pro vybudování ethernetového základu.

Robustní průmyslový Ethernet

I když kancelářský Ethernet sdílí stejnou strukturu na bázi standardů jako průmyslový Ethernet, nároky na síťová zařízení jsou velmi odlišné. Protože systém je jen tak dobrý, jak dobrá je fyzická infrastruktura, na níž je postaven, je nezbytné, aby komponenty síťové konektivity použité v průmyslovém prostředí – kabely, konektory, přepínače a další technické prvky – byly speciálně navrženy pro použití v náročném prostředí. Produkty kancelářského Ethernetu jsou navrženy pro kancelářské prostředí, které bývá relativně čisté a klidné, přičemž kritická síťová zařízení bývají odloučena v datovém centru a telekomunikačních místnostech.

Ale na základní výrobní úrovni mohou být síťová zařízení vystavena celé řadě rizik okolního prostředí, včetně vysokých teplot, vysoké vlhkosti, prašnosti, nečistot, oleje a chemických kontaminantů, vibrací strojů, špatné kvality elektrické energie, napěťových výkyvů a elektromagnetického a rádiového rušení (EMI/RFI).Pouze odolné komponenty průmyslové třídy jsou navrženy a vyrobeny tak, aby vydržely ničivé dopady a poškození, které tyto hrozby mohou způsobit. Automatizační a ethernetové komponenty navržené pro průmyslové použití jsou snadno dostupné, ale jejich cena je poněkud vyšší než cena jejich kancelářských ekvivalentů.

Nicméně s ohledem na obrovský finanční dopad neplánovaného výpadku (ušlá výroba, předělávky, zhoršení bezpečnosti a případné poškození stroje) je zřejmé, že vyšší cena za pořízení komponent průmyslové třídy špičkové kvality se opravdu vyplatí. Je to investice, která se zaplatí během let využívání, pokud jde o vysokou spolehlivost, maximální dobu provozuschopnosti a vyšší výkon, a proto se průmyslový Ethernet stává standardem v moderních výrobních závodech.

Mike Milot je viceprezident pro marketing společnosti Belden Industrial Solutions Division. www.belden.com/industrial

Autor: Mike Miclot, Belden Industrial Solutions Division