Print

Zavádění průmyslového Ethernetu

-- 12.11.12

Rozhodnutí zavést protokoly průmyslových sítí, včetně průmyslového Ethernetu, pomáhá zvýšit efektivitu výrob a kvalitu s celopodnikovou konektivitou, ačkoli Ethernet pro průmysl vyžaduje speciální znalosti a postupy nad rámec Ethernetu pro domácnost a kancelář. Při instalaci a provozování sítě průmyslového Ethernetu je nutno mít dobré znalosti v pěti základních oblastech týkajících se kabeláže, kvality signálu, zemních smyček, přepínačů a síťového provozu.

Případové studie nabízejí příklady, jak lze zavádět průmyslový Ethernet. Společnost Saugatuck Brewing využila průmyslový Ethernet ke čtyřnásobnému zvýšení objemu výroby piva za dva roky. Nově navržený balicí stroj společnosti VC999 Packaging Systems využívá síť sběrnice gigabitového Ethernetu. V mnoha aplikacích sítí s protokolem TCP/IP může být omezení dosahu měděného ethernetového kabelu na 100 m problémem. Ethernetové sítě lze rozšířit pěti způsoby, pomocí některých i na více než 15 km.

Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel časopisu Control Engineering, mhoske@cfemedia.com.




Sítě v průmyslu přispívají k lepší integraci systému

Aby se výrobci lépe vyrovnali s vyvíjejícími se nároky na sítě, jako je decentralizace řízení, integrovaná diagnostika a zjednodušená údržba, síťové protokoly se integrují s průmyslovými zařízeními a řídicími systémy, aby komunikovaly významné aktualizace stavu a výrobní data. Silným průmyslovým nástrojem pro optimalizaci průmyslové výroby je spolehlivá celopodniková konektivita poskytující tu nejvyšší míru přehlednosti, řízení a flexibility, což pomáhá zvyšovat produktivitu a snižovat provozní náklady. Ustupuje se od dvoubodových spojení (point-to-point) a konektivitu, kooperaci a integraci z úrovně zařízení k podnikovým obchodním systémům zajišťují vyspělé síťové architektury.

Díky maximalizaci řízení výroby může podniková konektivita zvýšit kvalitu produktů, spokojenost zákazníků a ziskovost firmy. Při výběru řešení sítě musejí uživatelé porozumět individuálním požadavkům na komunikaci stejně jako nárokům  prostředí daných aplikací. Posuzování výkonnostních možností, prvků a charakteristik průmyslových protokolů může výrobcům pomoci při výběru ideálního řešení sítě pro kritické komunikační potřeby. Ethernetová fyzická vrstva byla vyvinuta za primárním účelem přenosu velkých objemů informací. Ethernet, který se nejprve uplatnil v sítích na úrovni kanceláří, kde mnoho uživatelů využívá síť ke sdílení informací, se rozšířil nad rámec tradičního využití až na základní výrobní úroveň, zejména s příchodem protokolů průmyslového Ethernetu. Ethernetovou komunikaci lze využívat pro sběr, přenos a monitorování průmyslových dat.

Další informace o protokolech TCP/IP, Ether- Net/IP, Profinet, DeviceNet, Profibus a konektorových sítích naleznete on-line na adrese http:// bit.ly/oKPdbr. Bob Kollmeyer je manažer pro rozvoj obchodu v oblasti sítí společnosti Turck. www.turck.us




To podstatné o průmyslovém Ethernetu aneb Co potřebujete vědět

Na rozdíl od starého pohodlného Ethernetu pro kancelář a domácnost je Ethernet průmyslového typu novým druhem vyžadujícím speciální znalosti a postupy. Níže uvádíme určité základní informace, které potřebujete vědět o oblasti kabeláže, kvality signálu, zemních smyček, přepínačů a síťového provozu, když instalujete a provozujete síť průmyslového Ethernetu.

Na kabelech záleží

Stejně jako v případě všech ostatních sítí je i váš průmyslový Ethernet jen tak dobrý, jak dobrá je jeho kabeláž. Kromě silného elektromagnetického rušení (EMI) jsou průmyslová prostředí obecně vystavena teplotním změnám, prašnosti, vlhkosti a mnoha dalším faktorům, které obvykle neexistují v domácnosti nebo v kanceláři. Jak tedy zvolit správný kabel? V kanceláři je kabel dimenzovaný pro kancelářské prostředí, jako je kategorie 5, vhodný pro rychlosti do 10 MB a kabel kategorie 5e je vhodný pro rychlosti do 100 MB. Norma ANSI/TIA-1005 uvádí, že u hostů nebo zařízení vystavených průmyslovému prostředí by se měly používat kabely kategorie 6 nebo lepší.

Kabel kategorie 6 je vhodný pro rychlosti až do 1 GB při vzdálenosti až 100 metrů a pro rychlosti 10 GB do 55 metrů. Kabel kategorie 6e dokáže přenášet data rychlostí až 10 GB do vzdálenosti 100 metrů. Kabel kategorie 6 je obecně méně náchylný k přeslechům a vnějšímu elektromagnetickému rušení než kabely kategorie 5 a 5e. Kabely pro průmyslový Ethernet jsou navrženy tak, aby byly odolnější vůči fyzickému poškození v náročnějších průmyslových prostředích. Při instalaci kabelu kategorie 6 zajistěte, aby i zakončení a konektory RJ45 byly také kategorie 6. Pro dosažení nejlepších výsledků použijte předem vyrobené propojovací kabely pro krátké vzdálenosti s továrně namontovanými konektory. Pro delší vzdálenosti nainstalujte konektory sami.

Kabely, stínění, zemní smyčky

Některé aplikace vyžadují stínění, avšak nesprávně nainstalovaný stíněný kabel může vytvářet více problémů, než jich vyřeší. Stíněný ethernetový kabel se může chovat lépe v prostředí se silným elektromagnetickým rušením, když je veden mimo kabelovod. U stíněného kabelu hraje klíčovou roli správné uzemnění. Nezbytné je používat jednu referenční zem. Více připojení k zemi může vytvářet zemní smyčky, kde rozdíl mezi napěťovým potenciálem mezi zemními spojeními může v kabelech způsobovat rušení. Zemní smyčka může ve vaší síti napáchat značné škody. Abyste dosáhli správných výsledků, použijte uzemněný konektor RJ45 pouze na jednom konci kabelu. Na druhém konci použijte nevodivý konektor RJ45, abyste odstranili možnost vzniku zemních smyček.

Pokud má ethernetový kabel křížit napájecí vedení, vždy zajistěte křížení v pravém úhlu. Zabezpečte odstup paralelních ethernetových a napájecích kabelů nejméně 20 až 30 cm od sebe, v případě vyšších napětí a delších paralelních tras i více. Pokud ethernetový kabel vede v kovové kabelové dráze nebo kabelovodu, každá sekce dráhy nebo kabelovodu musí být napojena k sousední sekci, aby byla zajištěna elektrická návaznost podél této trasy. Obecně veďte ethernetové kabely mimo zařízení, která generují elektromagnetické rušení, jako jsou motory, zařízení pro řízení motorů, osvětlení a napájecí vodiče. V panelech oddělte ethernetové kabely od vodičů nejméně o 5 cm. Když kabely v panelu obcházíte zdroje elektromagnetického rušení, dodržujte doporučený poloměr ohybu kabelů.

Přepínače a huby

Jednoduše řečeno, nikdy nepoužívejte hub v prostředí průmyslového Ethernetu. Huby nejsou nic jiného než víceportové repeatery. Odstraněním používání hubů vám zůstává volba mezi řízenými a neřízenými přepínači. I když jsou řízené přepínače preferovanější, jsou také dražší než neřízené přepínače. Každé zařízení v síti má unikátní identifikátor, označovaný jako adresa MAC (Media Access Control). Ta je klíčem k mnohem větší rozlišovací schopnosti přepínače ve srovnání s hubem. Při prvním zapnutí se přepínač nejprve chová jako hub a přenáší veškerý provoz všude. 

Když zařízení posílají informace mezi porty přepínače, přepínač sleduje tento provoz, zjišťuje, která adresa MAC je přiřazena ke kterému portu, a ukládá tyto informace do tabulky adres MAC. Jakmile zjistí adresu MAC zařízení připojeného k určitému portu, bude vyhlížet informace určené pro tuto adresu MAC a přenese danou informaci pouze do portu, který má přiřazenu tuto adresu. V síti průmyslového Ethernetu probíhají tři druhy provozu. Individuální (unicast) provoz probíhá mezi jedním a druhým bodem. Skupinový (multicast) provoz probíhá mezi jedním bodem a více body.

Všeobecný (broadcast) provoz probíhá mezi jedním bodem a všemi body. Jakmile si přepínač vytvoří svou tabulku adres MAC, řízené a neřízené přepínače realizují individuální i všeobecný provoz stejným způsobem. Obecně udržují všeobecný provoz pod 100 přenosy za sekundu, a to s šířkou pásma 100 Mb. Malá míra všeobecného provozu je nedílnou součástí každé sítě. Příkladem zařízení, která mohou iniciovat všeobecný provoz, jsou tiskové servery, jež síti periodicky oznamují svou přítomnost.

Snooping: Víc než jen zvědavost

Jedním z hlavních rozdílů mezi řízenými a neřízenými přepínači je způsob, jakým realizují skupinový (multicast) provoz. Skupinový provoz obvykle pochází od chytrých zařízení v procesních sítích na základní výrobní úrovni, tj. v rámci spojované (connection-oriented) technologie na bázi producenta/spotřebitele. V tomto kontextu je spojením jednoduše vztah mezi dvěma nebo více uzly v síti. Zařízení musí být členem multicastové skupiny, aby mohlo obdržet data skupiny. Data obdrží všichni členové skupiny. Pro odeslání dat skupině nemusíte být členem skupiny. Hlavním problémem u skupinového provozu v modelu producent/spotřebitel je to, že s počtem hostů provoz exponenciálně roste. A v tuto chvíli přicházejí na scénu řízené přepínače.

Řízený přepínač dokáže zapnout funkci IGMP (Internet Group Management Protocol) snoopingu. Jak tento princip funguje? Je-li funkce IGMP snoopingu zapnutá, odesílá všeobecný (broadcast) provoz, aby určila členy případných multicastových skupin. Pomocí této informace, v kombinaci s tabulkou adres MAC,  umožňuje řízenému přepínači směrovat multicastový provoz pouze do portů souvisejících se členy multicastové skupiny. Neřízený přepínač pracuje s multicastovými daty stejně jako s broadcastovými a odesílá je všude. Pokud síť využívá technologii producent/ spotřebitel nebo má multicastový provoz, řízený přepínač je nutností a stojí za vyšší cenu.

Zrcadlení portů, odstraňování chyb

Existují i další důvody, proč zvážit použití řízeného spínače. Tato třída přepínačů obvykle nabízí chybové protokoly, řízení rychlostí jednotlivých portů, duplexová nastavení a schopnost zrcadlení portů. Tyto doplňkové funkce umožňují přesnější řízení chování sítě a mohou být neocenitelnou pomůckou při odstraňování problémů, které se v síti dříve či později objeví. Když dojde k problémům s chováním sítě, prvním podezřelým často bývá přepínač, ačkoli přepínač jen málokdy bývá jádrem většiny problémů s výkonem sítě. Přepínače bývají v systému místem s nejnižší latencí, obvykle pracují 10- až 50krát rychleji než všechny ostatní komponenty sítě.

I když na trhu existují vynikající softwary pro odstraňování problémů s chováním sítě, většina dokáže vidět jen broadcastový multicastový provoz. To je pochopitelné,  protože mnoho problémů s chováním je způsobeno nevázaným multicastovým provozem nebo nadměrným broadcastovým provozem. Pokud z nějakého důvodu potřebujete zkoumat unicastový provoz, jediným způsobem je zrcadlení portů. Je v pořádku používat neřízený přepínač, pokud na síti neprobíhá multicastový provoz. Ve velmi malých a jednoduchých sítích s několika zařízeními využívá mnoho lidí neřízené přepínače.

Někdy jdou na půl cesty a kombinují tyto dva typy, přičemž několik vzdálených zařízení je na neřízeném přepínači, který je pak napojen do řízeného přepínače. Obecně lze pro sítě s více než jen několika málo uzly, pokud náklady nejsou prvořadým hlediskem, doporučit výběr řízeného přepínače, který se při zpětném hodnocení často ukáže jako mnohem lepší volba. Informace o  analyzátorech a monitorech s diagramy naleznete v internetové verzi článku „To podstatné o průmyslovém Ethernetu aneb Co potřebujete vědět“;

bit.ly/Pz65P9. David McCarthy je prezident a CEO společnosti TriCore. www.tricore.com

 


Více piva s průmyslovým Ethernetem

Pivovar Saugatuck Brewing vyrábí několik druhů klasických piv, jako jsou pilsner, ale, hefeweizen, porter, stout a IPA (India Pale Ale), s vyváženými moderními úpravami. Tento pivovar se sídlem ve městě Douglas, stát Michigan, dosáhl významného nárůstu objemu výroby v letech 2011 a 2012, a to díky rozšíření vybavení fermentátoru a přetlačného tanku. Výrobní kapacita pivovaru Saugatuck v roce 2009 činila pouze 500 barelů. Rozšíření zdvojnásobilo objem výroby na cca 1 000 barelů v roce 2010 a více než 2 000 barelů roce 2011. Pokud to pivovar dokáže, ambiciózní cíl 4 200 barelů v roce 2012 bude pokračovat v trendu zdvojnásobování již třetí rok po sobě.

Americké mikropivovary mohou rozšiřování provádět rychle, avšak v několika postupných krocích. To si žádá modulární automatizační systém, který se dokáže rozšiřovat v několika fázích, jež následují poměrně rychle po sobě. Aby pivovar Saugatuck dokázal udržet optimální úroveň sycení CO2 a zajistil budoucí rozšiřování pivovaru, rozhodl se pro řešení v podobě řízení na bázi PC a pro komunikační systém průmyslového Ethernetu. V současnosti pivovar Saugatuck Brewing využívá v celém procesu výroby piva sběrnici EtherCAT jako síťový systém s I/O terminály s krytím IP20 zabudovanými ve skříni a I/O boxové moduly EtherCAT s krytím IP67 namontované vně skříně v prostorách závodu.

Pro procesní řídicí prvek společnost Saugatuck využívá kompaktní řídicí panel s 5,7" dotykovou obrazovkou s ethernetovým rozhraním k modernizovanému karbonizačnímu systému pivovaru. Řídicí panel využívá procesor Intel IXP420 s technologií Intel XScale a frekvencí 533 MHz. Řídicí panel rovněž ovládá rozhraní HMI pivovaru Saugatuck Brewing, takže zaměstnanci mohou nastavovat karbonizační parametry a měnit další nastavení. Společnost Saugatuck Brewing programovala své rozhraní HMI pomocí jednotné integrované programovací platformy pro řídicí prvek a HMI namísto využití samostatného softwarového balíku pro HMI.

Díky použití technologie na bázi PC a sběrnice EtherCAT zvýšila společnost Saugatuck Brewing kvalitu a stejnoměrnost kvality produktu a drasticky snížila náklady na výrobní zařízení. „Řídicí systém je o 50 % levnější na tank ve srovnání s alternativní architekturou řídicího prvku, o níž společnost Saugatuck Brewing uvažovala,“ hodnotí Ron Conklin, sládek pivovaru Saugatuck Brewing. „Druhý systém byl zamítnut ihned, jakmile jsme zjistili, že bychom museli kupovat nový hardwarový řídicí prvek pokaždé, když bychom se rozšiřovali. Standardizace na jednotném systému na  bázi PC, který řídí všechny pivovarské nádrže, významně usnadňuje provoz, údržbu a další modernizaci závodu.“


Další informace viz „Technologie použité při modernizaci pivovaru Saugatuck Brewing na průmyslový Ethernet“; bit.ly/PjBjen. Viz galerie snímků Ethernetu a automatizace pivovaru Saugatuck Brewing. bit.ly NlHbQ
K

Shane Novacek je manažer marketingové komunikace společnosti Beckhoff Automation. www.beckhoffautomation.com www.saugatuckbrewing.com

 

Použití gigabitového Ethernetu u balicího stroje

Zařízení Thermoformer řady i-Series společnosti VC999 Packaging Systems je novou generací balicí technologie využívající pro komunikaci průmyslovou síť gigabitového Ethernetu. Zamýšlená modularita provedení musela umožňovat snadnou a rychlou změnu délky, šířky a možností, rozšiřitelnost po instalaci na základě požadavků zákazníka a snižovat náklady na montáž, přepravu a instalaci.

Společnost VC999 rovněž požadovala, aby nové provedení využívalo špičkovou technologii, a to nejlepší ve své třídě, všude tam, kde je to možné, pokud to bude přínosné a cenově přijatelné. S ohledem na požadavky společnosti VC999 se společnost Power Motion podílela na vývoji řešení řízení, které by splňovalo konstrukční cíle, a využila programovatelný logický automat (PLC), servomotory a frekvenční měniče (VFD) a ethernetovou síť s protokolem CC-Link IE Field.

Konstrukční provedení stroje a segmenty

Stroj řady i-Series je postaven, přepravován a instalován na bázi tří segmentů (tváření, zatavování a vykládka) a každý segment má svou vlastní řídicí skříň připojenou k síti Ethernet. Serva jsou řízena analogovým signálem nebo specializovanou polohovací sítí, v závislosti na specifických osách a měniče VFD jsou řízeny analogovým signálem. Budoucí provedení mohou zahrnovat veškerou komunikaci síťového protokolu CCLink IE Field.

Společnost VC999 požadovala, aby síť sběrnice řídicího systému byla založena na Ethernetu a připojovala se k hlavní elektrické skříni (zatavovací stanici) prostřednictvím elektrických skříní umístěných na tvářecí a vykládkové stanici, aby se zjednodušila správa kabeláže, snížily se náklady na kabeláž a na zapojování, zjednodušila se demontáž stroje pro přepravu a instalaci stroje v lokalitě zákazníka.

Ethernetové sítě jsou navíc preferovanou volbou pro nová provedení strojů. Ethernetová síť s protokolem CCLink IE Field Ethernet je nejrychlejší a první ethernetovou sítí s rychlostí 1 gigabit za sekundu pro řízení automatizace. Ostatní sítě běží rychlostí 10/100 Mb/s. (Gb/s znamená 1 000 Mb/s, je tedy 100- nebo 10krát rychlejší.) Další podrobnosti, fotografie a technologie jsou popsány v článku „Gigabitový Ethernet, PLC, serva a pohony“; bit.ly/O2MowF.

Terry Carson je viceprezident společnosti Sales- Power Motion, distributora více dodavatelů a systémového integrátora. www.powermotionsales.com www.vc999.com www.cclinkamerica.org

 

Nejlepší způsoby prodloužení dosahu Ethernetu

Když se síť protokolu TCP/IP přesune z domácností nebo kanceláří do reálného světa, omezení dosahu měděného ethernetového kabelu na 100 m se stává problémem. Například vzdálené senzory podél ropovodu budou vyžadovat delší dosah. S konverzí a prodloužením mohou sítě pokrývat vzdálenosti, které se měří spíše na kilometry než na metry.

Prodloužení Ethernetu

Snadným řešením je ethernetový extender. Ethernetové extendery využívají technologie DSL k prodloužení dosahu až na 1 900 metrů (viz diagram). Fungují navíc s různými typy měděného kabelu a jsou proto cenově velmi výhodné. Práce   a vedení kabeláže u instalace sítě obvykle představuje značnou část nákladů, avšak ethernetové extendery dokážou využít již položené stávající kabely, například kategorie 5, ba dokonce staré telefonní linky. Úspory mohou být značné. Ethernetové extendery se zavádějí v párech. První extender konvertuje ethernetová data pro přenos protokolem DSL. Druhý extender je konvertuje zpět. 

Přenosová rychlost může být v závislosti na dosahu až 50 Mb/s. Datové signály se  po měděném kabelu samozřejmě utlumují, ale dokonce i v plné vzdálenosti 1 900 metrů mohou ethernetové extendery  zajistit přenosovou rychlost 1 Mb/s. Některé ethernetové extendery jsou rovněž vybaveny pro zajištění napájecí funkce  Power over Ethernet (PoE), která řeší problém s napájením vzdálených zařízení umístěných daleko od zdroje energie přiváděním elektrické energie přímo přes port prodlouženého Ethernetu. Pro nejlepší výkon zajistěte, aby se na kabelu prodloužení nevyskytovaly nabíjecí cívky, filtry a děliče.

Optické kabely jednovidové a vícevidové

Když 1 900 metrů nestačí nebo když se vyžaduje enormně široké přenosové pásmo, ve větších sítích se obvykle využívá optický kabel. Existují dva druhy. Levnější varianta, tj. vícevidový optický kabel, využívá světlo LED a může přenášet data na vzdálenost několika kilometrů. Často se využívá jako páteřní infrastruktura kancelářských budov a sítí závodů. Telefonní a kabelové společnosti budou spolu se svou potřebou většího dosahu využívat spíše jednovidový optický kabel. Jednovidový kabel přenáší data pomocí laseru namísto LED a dovoluje telefonním společnostem přenášet data mezi kontinenty.

Stejně jako je vícevidový optický kabel a jeho související zařízení dražší než měděný  kabel, je instalace jednovidového kabelu dražší než u vícevidového. Avšak mnoho návrhářů sítí stále specifikuje dražší jednovidové optické kabely už od začátku a zdůvodňuje to tím, že náklady na práci budou představovat značnou část nákladů na instalaci v každém případě a že velká šířka pásma a dosah zajištěný jednovidovým optickým kabelem zajistí, že instalace nebude v dohledné budoucnosti zastaralá. Další informace o rádiových a mobilních sítích naleznete spolu s diagramy v internetové verzi článku „Pět nejlepších metod prodloužení Ethernetu“ – bit.ly/OSPTZ9.

Mike Fahrion je odborník na datové komunikace a ředitel produktového managementu společnosti B&B Electronics. www.bb-elec.com

 


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

15. mezinárodní konference Moderní baterie, akumulátory a palivové články
2014-08-24 - 2014-08-28
Místo: Vysoké učení technické v Brně, Antonínská 1, Brno
Moderní technologie pro potravinářství 2014
2014-09-16 - 2014-09-16
Místo: 16. 9. 2014, NH Hotels, Olomouc
Prague Fire & Security Days 2014
2014-09-16 - 2014-09-20
Místo: PVA EXPO Praha, Letňany
Moderní technologie pro farmaceutický průmysl 2014
2014-09-17 - 2014-09-17
Místo: NH Hotels, Olomouc
56. mezinárodní strojírenský veletrh
2014-09-29 - 2014-10-03
Místo: Výstaviště Brno

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

Omron Electronics spol. s r.o.
Omron Electronics spol. s r.o.
Jankovcova 53
170 00 Praha 7
tel. +420 234 602 602

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
Thámova 13
180 00 Praha 8
tel. 00420737266673

COMPAS automatizace, spol. s r.o.
COMPAS automatizace, spol. s r.o.
Nádražní 610/26
59101 Žďár nad Sázavou
tel. +420 567 567 111

Invensys
Invensys
Žirovnická 3124
106 00 Praha 10
tel. +420 (0)267 182 220

všechny firmy
Reklama






Anketa


Ano, proto se je snažíme minimalizovat
Ne, jsou na odpovídající úrovni
Nejsou vysoké, ale rychle rostou

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright Trade Media International Holdings Sp. z o.o. ul. Wita Stwosza 59a, 02-661 Warszawa
KRS 0000281036, NIP 521-34-36-770, Regon 140966270
Všechny materiály pocházející ze stránek Control Engineering USA jsou vlastnictvím CFE Media. Všechna práva vyhrazena.
Navštivte naše další stránky