Dopasuj sieć do konkretnej aplikacji

Jeśli nigdy nie tworzyłeś sieci przemysłowej w swoim przedsiębiorstwie – poznaj wskazówki pomocne w przeprowadzeniu odpowiednich analiz i przygotowań. 

Współczesne sieci komunikacyjne mogą sprostać najrozmaitszym zadaniom – do połączenia kilku urządzeń lokalnych, aż po sieci teleinformatyczne i systemy ERP. Jak dotąd nie powstała jednak jednolita platforma, która umożliwiłaby bezpośrednie połączenie w jednym standardzie pomiędzy np. wyłącznikiem krańcowym a systemami teleinformatycznymi

Pomimo ciągłych dyskusji na temat sieci przemysłowych oraz innych tego typu instalacji na całym świecie nie sąone jednak aż tak powszechne, jak mogłoby się niektórym wydawać. W rzeczywistości wciąż znaczna większość przedsiębiorstw nie ma takich sieci.

Michael Bryant, kierownik organizacji Profibus Trade szacuje aktualny poziom penetracji rynku sieci przemysłowych na około 25%, pomimo znacznych starań wszystkich firm dystrybucyjnych i organizacji przemysłowych. Większość koncernów wciąż wykorzystuje niezależne od siebie urządzenia i sterowniki PLC lub proste, mało skomplikowane systemy sterowania. Gdy np. czujnik ciśnienia i urządzenie odczytujące dane działają autonomicznie, to wówczas rolę „sieci” odgrywają ludzie przenoszący między nimi odpowiednie notatki z danymi.  

Jeżeli jeszcze dotychczas nie korzystacie Państwo w swoim przedsiębiorstwie z dobrodziejstw sieci komunikacyjnych, zastanówcie się nad tym, bowiem dostępne dziś na rynku urządzenia oferują niewyobrażalne wręcz możliwości. Dostępne jest przynajmniej 50 różnych platform sprzętowo-programowych dla sieci magistral miejscowych. Przy pierwszej próbie wyboru i założenia sieci ta różnorodności i ogrom możliwości mogą przyprawić o zawrót głowy. Ponadto, niezależnie od rozmiarów planowanej sieci, konieczne będzie wykorzystanie w niej co najmniej dwóch technologii, aby połączyć urządzenia systemowe z poziomu produkcyjnego z systemami planowania zasobów przedsiębiorstwa ERP lub siecią teleinformatyczną.

Tworzony projekt sieci przemysłowej będzie wymagał rozważenia wielu istotnych kwestii. Z jednej strony projektant na pewno będzie dążyć do ograniczenia liczby linii kablowych niezbędnych do podłączenia urządzeń peryferyjnych ze sterownikami PLC itp. Z drugiej zaś prezes lub kierownik zakładu będzie chciał mieć w swoim biurze możliwość podglądu i dostępu do bieżących informacji o stanie praktycznie wszystkich urządzeń uczestniczących w procesie produkcyjnym, oczywiście w czasie rzeczywistym. To dwie zupełnie odmienne koncepcje spojrzenia na powstającą sieć, jednakże możliwe do zrealizowania w dobrym, przemyślanym projekcie w ramach jednej sieci przemysłowej.

Dlaczego sieć?

Warto zastanowić się na początku, dlaczego trzeba odrzucać dotychczasową koncepcję autonomicznych urządzeń, co takiego złego w niej tkwi? Co daje sieć?

Pierwsza, w zasadzie pierwotna odpowiedź brzmi: sieć to oszczędność w wydatkach na przewody i kable. Już od zarania swej historii pozwoliła na wyeliminowanie konieczności stosowania oddzielnych przewodów do podłączania każdego z urządzeń do karty We/Wy sterowników. Firmy produkujące sterowniki opracowały swoje własne, firmowe platformy sieciowe i to jest właśnie jeden z powodów, dlaczego jest ich obecnie tak wiele. Zależnie od tego, jaki jest status danego przedsiębiorstwa, oszczędności na okablowaniu mają zazwyczaj istotne znaczenie.

Wraz z rozwojem i coraz większym zaawansowaniem rozwiązań sieciowych zwiększyła się liczba powodów, dla których warto je stosować:

  • Nowoczesne systemy bezpieczeństwa w zakładach pracują zazwyczaj w ramach tych samych sieci, co funkcje automatyki i sterowania.
  • Sterowniki oferują funkcje umożliwiające diagnostykę awarii w systemie lub zmianę jego konfiguracji bez konieczności dokonywania przełączeń przewodów.
  • Nowe urządzenia systemowe mogą wysyłać coraz większą ilość niezbędnych informacji.
  • Programy zarządzania aktywami produkcyjnymi współpracują z systemami sterowania.
  • Wraz z coraz powszechniejszym zastosowaniem sieci teleinformatycznych – nie tylko w części biznesowej przedsiębiorstw – pojawiła się możliwość ich integracji z systemami pracującymi na poziomie produkcyjnym.

– Tworzenie sieci ma sens tylko wtedy, gdy powstaje nowe rozwiązanie lub dysponujemy wolnymi środkami finansowymi, nie zaś wtedy, gdy na siłę chcemy dokonać modernizacji zakładu. Jeżeli coś działa, nie warto tego za wszelką cenę naprawiać czy usprawniać – radzi Tom Phinney, starszy pracownik firmy Honeywell Process Solutions. – Jeżeli nie dostrzega się żadnych ekonomicznych korzyści zmian, lepiej ich nie dokonywać. Nie oznacza to wcale, iż w przedsiębiorstwie nie ma żadnych obszarów wymagających poprawy funkcjonowania. Wręcz przeciwnie, są setki aplikacji wprost „krzyczących” o redukcję kosztów, ograniczenie emisji szkodliwych substancji oraz zmniejszenie kosztów serwisu itp., jednakże najważniejsza jest wola do przeprowadzenia tych zmian. Dlatego też pierwszym krokiem jest budowa świadomości, skupienie się na korzyściach i podjęcie odpowiednich decyzji biznesowych. Jednym ze sposobów realizacji takich decyzji jest wykorzystanie w przedsiębiorstwie coraz to bardziej „inteligentnych” urządzeń w jak największej jego części, urządzeń połączonych siecią komunikacyjną. Wtedy możliwe jest uzyskanie dodatkowych informacji o procesie produkcyjnym, pomocnych w przewidywaniu ewentualnych sytuacji awaryjnych czy planowaniu serwisowania. Można niejako nakazać przepływomierzowi: prześlij mi informację o poziomie swoich zakłóceń. Jeżeli informacje takie zbierane są okresowo, możliwe jest śledzenie ich zmian i wykrycie np. zbierania się osadu czy szlamu. Podobne funkcje nie są możliwe w tradycyjnej technologii 4-20 mA.

– Obecnie najważniejszym zadaniem i wyzwaniem dla wszystkich firm i przedsiębiorstw na świecie jest jedno: „Połączyć się! Nie chcemy już tylko sterować procesami produkcyjnymi, chcemy mieć również dostęp do jak największej ilości informacji o tych procesach i to w dowolnym miejscu i o każdym czasie”.

Czas sieci w branży produkcji dopiero nadchodzi. Tradycyjne instalacje przewodowe i kablowe odchodzą do lamusa, ich miejsce zajmują ujednolicone systemy sieciowe – stwierdza Katherine Voss, dyrektor wykonawczy w firmie ODVA.

Zacząć od dołu

Biorąc pod uwagę złożoność współczesnych sieci przemysłowych, wszelkie próby ich podziału na jakieś wyizolowane części, kategorie nie mają sensu – ze względu na to, że większość z nich zachodzi na siebie. Zebrane w dalszej części sugestie mają charakter ogólny i odnoszą się raczej do ogólnych koncepcji systemów sieciowych, niż do konkretnych ich poziomów czy kategorii. Jeżeli jako najmniejszy element systemu przyjmie się pojedyncze cyfrowe urządzenie sieciowe, to w środowisku przemysłowym elementami takimi będą sterowniki typu PLC. Istnieje wiele technologii sieciowych do komunikacji zarówno poniżej, jak i powyżej poziomu takich sterowników, ale tylko nieliczne mogą funkcjonować w obu tych strefach. Zazwyczaj sieć, która łączy miedzy sobą sterowniki oraz inne urządzenia na wyższym poziomie hierarchii sieci, nigdy nie jest stosowana na poziomie niższym. I na odwrót, technologie sieciowe wykorzystywane na poziomie poniżej sterowników nie są zwykle stosowane na poziomach wyższych, chociaż niektóre bardziej zaawansowane platformy stwarzają takie możliwości. Jednakże przypadki takie są bardzo rzadkie. Najprostsza sieć to grupa kilku niewielkich urządzeń przyłączonych do sterownika PLC, obsługującego pojedynczy proces lub maszynę. Urządzenia takie mogą być oczywiście przyłączone odo sterownika przewodami w sposób tradycyjny, do jego karty We/Wy. Jednakże, wraz ze wzrostem ich liczby oraz odległości od sterownika rozwiązanie takie staje się kosztowne i nieporęczne. Najprostszy typ sieci łączy takie urządzenia w małą sieć miejscową (typu Filedbus), zmniejszając ilość kabli i ułatwiając konfigurację sterownika.

Nawet w przypadku tworzenia niewielkiej sieci istotna jest wiedza na temat tego, jakiego typu urządzenia będą w niej połączone. Informacja taka determinuje wielkość oraz ilość danych, jakie będą przesyłane przez sieć:

  • małe pakiety danych (sygnały z wyłączników krańcowych, fotokomórek, czujników zbliżeniowych itp.) to informacje jednobitowe, wymagające zastosowania prostych sieci jednobitowych;
  • średnie pakiety danych (moduły inteligentne, napędy o zmiennej prędkości, niewielkie układy z pętlą sprzężenia itp.) będą potrzebować bardziej zaawansowanych technologicznie platform sieciowych;
  • duże pakiety danych (sygnały z robotów, interfejsów HMI, większych układów regulacji ze sprzężeniami) wymagają zastosowania skomplikowanych i zaawansowanych standardów sieciowych.

Ogólna liczba przyłączonych urządzeń oraz wielkość oraz ilość generowanych przez nie danych określają niezbędną przepustowość i współczynnik szybkości transmisji łączącej je sieci przemysłowej. Jeżeli w sieci planowane jest wykorzystanie tylko urządzeń jednobitowych, ale za to w dużej liczbie, wymagana przepustowość sieci może osiągnąć znaczny poziom, dorównujący nawet zaawansowanym sieciom.

– Jakiego typu i wielkości moduły We/Wy należy wybrać do obsługi przez sieć? – pyta integrator systemów Mike Darnell z firmy Prism Systems. – W typowej fabryce papieru na przykład, w procesie produkcyjnym może być konieczne obsłużenie aż 5 000 punktów. Zastosowanie standardu Ethernet do obsługi niewielkiej liczby punktów byłoby raczej przesadą, również ze względu na ograniczoną dostępność urządzeń tego standardu dla tego typu zastosowań. Jednakże w dużych aplikacjach rozwiązanie takie jest jak najbardziej uzasadnione. Szczególnie wśród klientów bogatszych i lepiej rozumiejących technologię Ethernet, często postrzegających ją jako bardziej otwartą niż standardy sieci z magistralami miejscowymi typu Fieldbus – wyjaśnia dalej Mike Darnell.

W opinii Larry’ego Komarka, kierownika działu produktów automatyki w firmie Phoenix Contact firmy zaczynające przygodę z sieciami przemysłowymi powinny zastanowić się również nad tym, jakie są możliwe zmiany w ich zakładach w przeciągu najbliższych trzech czy pięciu lat. – Czy będą stosowane te same urządzenia, ale na przykład w większej liczbie, czy spodziewany jest wzrost ilości danych transmitowanych przez sieć? W momencie dołączenia w przyszłości nowych inteligentnych urządzeń z funkcjami diagnostyki lub informacji o stanie na pewno zwiększy się ilość danych generowanych do sieci. Jeżeli tego typu zjawiska są spodziewane, decyzja o kształcie sieci musi być kompromisem pomiędzy wydatkami koniecznymi teraz i mogącymi pojawić się w przyszłości. Jeżeli decydujemy się na mniejsze wydatki w danej chwili i pracę z prostymi sieciami miejscowymi, należy przemyśleć kwestię tego, jak szybko zachodzą technologiczne zmiany w danym przedsiębiorstwie. Czy będzie po temu czas, aby wymieniać tańsze urządzenia, kiedy zadania przerosną już ich możliwości? Jeżeli w tym momencie nie podejmie się decyzji o budowie sieci otwartej na standard Ethernet, można być praktycznie pewnym pojawienia się w niedalekiej przyszłości konieczności modyfikacji systemu i dodatkowych kosztów z nią związanych – kontynuuje Larry Komarek.

Wyjście powyżej poziomu sterowników PLC

W momencie wyjścia z komunikacją sieciową powyżej poziomu sterowników PLC zasięg przygotowywanego projektu znacznie poszerza się, a sama sieć nabiera charakteru bardziej otwartej. Sterowniki PLC potrzebują bowiem komunikować się między sobą, wymieniać informacje z panelami interfejsów HMI, przekazywać dane do systemów rejestrujących (historia) oraz przesyłać niezbędne informacje do inżynierów, użytkowników ze sfery biznesowej, do sieci teleinformatycznych. Wymienione tu aplikacje radykalnie zmieniają naturę tworzonej sieci przemysłowej,a to co dzieje się w sieci na wyższych poziomach, tylko w niewielkim stopniu przypomina zasady obowiązujące na poziomie niższym. Jeżeli komunikację miedzy sterownikami wspiera kilka zaawansowanych platform sieciowych, wymieniających informację na zasadzie każdy z każdym, rozbudowa sieci powyżej poziomu tych sterowników wymaga zastosowania standardu Ethernet.

Dlatego też zastosowanie tej technologii gwałtownie wzrasta, podobnie jak liczba bazujących na niej platform sieci przemysłowych. Obecnie jest ich około 10; każda ma swoje zalety i wady. Niektóre z nich opracowane są pod konkretne, specjalistyczne zastosowania. Większość zaś ma architekturę otwartą i pozwala na zastosowanie urządzeń pochodzących od kilku producentów, a tendencja do takiej otwartości zarysowuje się we wszystkich przypadkach.

Obecnie technologia Ethernet wykorzystywana jest w połączeniach sterowników PLC, inteligentnych czujników, zdalnych modułów We/Wy, paneli interfejsów HMI itp. zarówno pomiędzy nimi, jak i do wyższych poziomów hierarchii sieciowej, jak sieci teleinformatyczne czy systemy planowania zasobów przedsiębiorstwa ERP. – Stosujmy odpowiednie narzędzia do właściwych dla nich aplikacji – podpowiada Carl Henning, wicedyrektor organizacji Profibus Trade. – To oczywiste, że do realizacji kompletnej sieci przemysłowej potrzebne jest kilka technologii sieciowych. Należy wybrać tylko najodpowiedniejszą ich kombinację. Nie stosujmy standardów sieci teleinformatycznych do podłączania wyłączników krańcowych! Jeżeli jestem np. inżynierem odpowiedzialnym za opracowanie i realizację projektu, muszę ustalić jednoznacznie liczbę urządzeń sieciowych i ich złożoność. Muszę rozpatrzyć wszystkie wymagania niezbędne do integracji sieci z aplikacjami produkcyjnymi.

– Nie ma nic cenniejszego jak dobry, wykwalifikowany inżynier! – kontynuuje Carl Henning.

Eddie Lee, kierownik sprzedaży produktów przemysłowego Ethernetu w firmie Moxa Technologies dostrzega wyraźną tendencję do wykorzystania tej technologii na wszystkich poziomach komunikacji sieciowej. – Obecnie Ethernet obsługuje komunikację ze skanerami kodów kreskowych w koncernie handlowym Wal-Mart, a więc na niskim poziomie hierarchii sieciowej. Ethernet coraz częściej przenika też do poziomu produkcyjnego w zakładach przemysłowych. Może widzę zbyt wiele, ale to już nadchodzi – stwierdza Eddie Lee.

O ile niewielka sieć miejscowa, lokalna może istnieć w pewnej, względnej izolacji od świata zewnętrznego, o tyle wprowadzenie standardu Ethernet stwarza potencjalną możliwość wtargnięcia do sieci osób trzecich i dokonania w nich nawet znacznych szkód. Choć oczywiście nigdy sieć taka nie będzie całkowicie bezpieczna, to jednak istnieje już dziś kilka poziomów jej zabezpieczenia przed nieuprawnionym dostępem z zewnątrz. To bardzo istotna kwestia, jaką należy rozważyć i skorzystać w tym względzie z odpowiednich, różnorodnych narzędzi dostępnych na rynku.

Dokonać sensownych wyborów

Przed rozpoczęciem działań zmierzających do realizacji sieci przemysłowej, analizą możliwych wariantów i opcji najlepiej dowiedzieć się, czy dany zakład ma narzucone odgórnie jakieś wytyczne dotyczące rodzajów możliwych do zastosowania platform sieciowych, preferowanych dostawców, ustalonych programów szkoleń lub dopuszczalnych urządzeń. Takie ustalenia są bowiem zazwyczaj niezwykle trudne do pominięcia lub zignorowania, zwłaszcza gdy wiążą się z poważnymi wydatkami i stratami czasu.

Podobnie istotne jest ustalenie, czy sprawa budowy sieci jest wyłącznie sprawą wewnątrzzakładową, czyteż konieczne jest uwzględnienie zasad i praktyk stosowanych już w innych aplikacjach czy lokalizacjach. Widać więc wyraźnie, że na przebieg prac projektowych i wybory rozwiązań może wpływać wiele czynników, nie tylko idea wyboru najlepszego rozwiązania dla danej aplikacji.

Kiedy już ustalone zostaną wszelkie możliwe ograniczenia, działania rozpoczynamy od oceny sytuacji potrzeb danej aplikacji:

  • Jakie jest prawdopodobne przeznaczenie sieci? Czy chodzi tylko o ograniczenie liczby przewodów przyłączonych do kart We/Wy sterowników PLC, czy też może konieczne będzie przesyłanie danych bezpośrednio do biura prezesa firmy, a może jeszcze jakieś inne funkcje?
  • Czy istnieje jakiś sprzęt lub sieci, z którymi musimy skomunikować się lub połączyć odpowiednim interfejsem? Jeżeli mamy do czynienia z aplikacją już wcześniej działającą, zapewne uwzględnienie tego czynnik będzie konieczne.
  • Upewnienie się, iż uwzględniono racje zarówno niższych, jak i wyższych poziomów hierarchii sieciowej w zakładzie. Zapewne w momencie konieczności przyłączenia sieci do sieci teleinformatycznej do projektu włączą się przedstawiciele działu IT firmy.
  • Jak wygląda kwestia integracji w sieci systemów bezpieczeństwa i ochrony?
  • Czy kadra posiada odpowiednią wiedzę o tym, jak użytkować i serwisować sieć przemysłową?

Warto przyjrzeć się innym większym systemom sieciowym niż ten, który zamierzamy stworzyć, by oszacować wielkość i zakres opracowywanego projektu. Rozpocznijmy od inwentaryzacji posiadanego sprzętu i urządzeń, z uwzględnieniem funkcji przez nie realizowanych. Urządzenia warto posegregować ze względu na złożoność funkcjonalną oraz wielkość danych generowanych przez nie do sieci. Osobną grupę powinny również stanowić: niezbędne oprogramowanie sieciowe, procedury bezpieczeństwa, ochrony danych i funkcje sterowania. Pamiętać należy, że nawet najlepiej zaprojektowane sieci lokalne lub standardu Ethernet nie pomogą użytkownikowi w optymalizacji procesów produkcji, zarządzaniu aktywami, serwisowaniu systemu czy tworzeniu raportów same z siebie. Zadania te realizowane są przez odpowiednie aplikacje działające w zbudowanej sieci. Lista dostępnych aplikacji, oprogramowania oraz innych tego typu narzędzi sieciowych mogłaby zająć wiele stron, a dyskusja nad ich wyborem pochłonęłaby pewnie wiele opasłych tomów.

Polecamy zajrzenie na stronę Control Engineering w celu kontynuowania dalszych, indywidualnych odkryć w dziedzinie sieci przemysłowych.

ce

Artykuł pod redakcją
Andrzeja Ożadowicza


Dwa przykłady praktyczne

Zadowoleni ze zmian

Zakłady przemysłu tytoniowego wykorzystują w produkcji różnego rodzaju cygar i papierosów ciekawą mieszankę funkcjonalności maszyn i kwalifikacji ich operatorów. Kiedy w przeszłości zakłady te nie były zautomatyzowane, kadra zarządzająca doskonale rozumiała i dostrzegała potencjalne korzyści oraz zwiększenie wydajności produkcji związane z zastosowaniem rozwiązań sieciowych. Firma Prism Systems of Mobile ze stanu Alabama podjęła się zadania integracji zakładu pełnego starych urządzeń, które nie mogły być usunięte, a trudno poddawały się procedurze modernizacji i automatyzacji. Ostatecznie w nowym systemie zainstalowano 21 sterowników PLC, 61 czytników etykiet RFID, 223 napędy taśmociągów, 7 konsoli operatorskich HMI i niezliczoną ilość różnych urządzeń, wykorzystując tylko dwa standardy sieci miejscowych oraz technologię Ethernet do zintegrowania całego systemu.

– Dzięki zastosowaniu tej nowoczesnej architektury sieciowej nasi klienci mają teraz stały dostęp do bieżących danych o przebiegu produkcji w zakładzie – wyjaśnia Keith Jones, prezes firmy Prism Systems Inc.– W efekcie radykalnie wzrosła jej wydajność, a produkty dostarczane klientom są świeższe i wyższej jakości.

Wciąż się opierają

Firma Hydrol jest jednym z największych dostawców standardowych i specjalizowanych taśmociągów w Ameryce Północnej. Asortyment jej produktów obejmuje zarówno taśmociągi proste, jak i zaawansowane pasy ślizgowe wykorzystywane w sortowaniu produktów w magazynach firm spedycyjnych, centrach dystrybucji itp. Sortowniki te wymagają zastosowania w nich lokalnej sieci do sterowania ich pracą. Gotowy produkt może mieć długość do 200 metrów, pracować z szybkością przesuwu do 220 metrów na minutę i zawierać w sobie do 1 000 punktów sygnałów We/Wy. Są to głównie sygnały dyskretne jednobitowe z czujników zbliżeniowych, fotokomórek, enkoderów obrotu, czytników kodów paskowych, czytników identyfikacji oraz inne. Biorąc pod uwagę fakt, iż każdy z punktów sygnałowych jest aktualizowany co 3-4 ms, ilość informacji przekazywanych do procesora w każdej chwili czasu jest ogromna.

Aplikacja ta stawia niezwykle wysokie wymagania co do szybkości pracy i determinizmu czasowego w stosunku do sterowników PLC i obsługującej ją sieci komunikacyjnej.

– Obsługa wielu punktów We/Wy znacznie od siebie oddalonych, przy konieczności zachowania dużej szybkości transmisji, to nie lada wyzwanie. Większość z sieciowych systemów magistralowych nie jest w stanie mu sprostać – wyjaśnia Wendell Rogers, specjalista ds. automatyki przemysłowej. – Nie są one ani wystarczająco szybkie, ani nie zapewniają wymaganego determinizmu czasowego. Obecnie firma Hydrol musi więc polegać głównie na rozwiązaniach tradycyjnych, w których bloki We/Wy łączone są za pomocą szybki złączek ułatwiających montaż i łączenie wszystkich elementów, jednakże wciąż prowadzone są w niej badania nad najnowszymi technologiami sieciowymi, które byłyby w stanie zaspokoić wymagania takiej aplikacji.