Artykuł opisuje cztery istotne różnice między sieciami Ethernet w przemyśle oraz w biurze. Znajomość tych różnic pozwala na uzyskanie niezawodnej komunikacji sieciowej w zakładzie przemysłowym.
Implementacje sieci informatycznych wykorzystujących technologię Ethernet w biurach oraz w przemyśle różnią się w czterech kluczowych kwestiach. Są to: determinizm czasowy, odporność na zakłócenia, parametry środowiskowe oraz wykorzystywane protokoły. Znajomość tych różnic pozwoli na zbudowanie takiej sieci, która umożliwi niezawodne sterowanie operacjami w zakładzie przemysłowym. Według badania przeprowadzonego przez firmę HMS Industrial Networks w 2018 r. Ethernet, czyli ewoluujący zbiór standardów opisanych jako IEEE 802.3-2018, wyprzedził inne standardy sieciowe, stanowiąc 52% nowych instalacji sieciowych. Nie ma żadnych oznak, że ten trend w najbliższym czasie spowolni. Znajomość środowiska domowego i biurowego może wspierać wykorzystanie Ethernetu w automatyce przemysłowej, ale należy poznać cztery ważne różnice pomiędzy tymi aplikacjami.
1. Determinizm czasowy sieci
Szybkość przesyłania danych w sieci jest często określana w megabitach na sekundę (MB/s). W zastosowaniach przemysłowych sprzęt sieciowy najczęściej ma prędkość 100 MB/s, zaś obecnie zaczyna rozpowszechniać się sprzęt o prędkości 1000 MB/s. W biurze jest to zwykle ważny miernik prędkości łącza, jednak w przemysłowej sieci systemu sterowania ważniejszy jest determinizm czasowy. Podczas sterowania lub monitorowania rzeczywistych zdarzeń z dużą prędkością komunikacja między urządzeniami musi się odbywać w stałych przedziałach czasowych. Jeśli na przykład drukarka biurowa ma 2 sekundy opóźnienia podczas odbierania pliku, to nie stanowi to żadnego problemu. Jeśli jednak serwomotor musi czekać tak długo na sygnał sterujący, może to być katastrofalne dla procesu technologicznego czy produkcji. Tak więc należy odseparować sieci automatyki przemysłowej od biurowych.
2. Odporność na zakłócenia
W środowisku przemysłowym istnieje wiele źródeł zakłóceń sygnałów przesyłanych w sieci. Duże prądy, często spowodowane przełączaniem w urządzeniach energoelektronicznych, takich jak napędy o zmiennej częstotliwości (VFD), są znane z generowania harmonicznych o wysokiej częstotliwości oraz zaburzeń elektromagnetycznych (EMI), które mogą wpływać na inne urządzenia w fabryce. Istnieje kilka opcji zmniejszania wpływu zaburzeń EMI na sieć przemysłową: separowanie kabli sieciowych od zasilających, skręcanie par przewodów sygnałowych, ekranowanie kabli oraz uziemianie falowników i ekranów kabli. Należy zrealizować wszystkie cztery, jeśli jest to praktyczne. Przestrzegać zaleceń producentów napędów VFD. Instrukcje obsługi tych urządzeń zawierają informacje na temat uziemiania. Nie należy tego pominąć.
3. Dane techniczne urządzeń przeznaczonych do pracy w trudnym środowisku
Środowiska przemysłowe mogą być bardzo trudne dla komponentów sieciowych. Występują tu powszechnie ekstremalne temperatury, ruchome części, agresywne chemikalia i wysokie napięcia. Każdy kabel i urządzenie sieciowe musi być przystosowane do pracy w trudnych warunkach przemysłowych lub umieszczone w odpowiedniej obudowie ochronnej. Na rynku dostępne są kable sieciowe odporne na trudne warunki przemysłowe. Kable muszą mieć izolację przystosowaną do najwyższego napięcia panującego w danej obudowie lub korytku kablowym. Pomimo tego, że sieć Ethernet wykorzystuje niskie napięcia, to często wymagana jest izolacja kabli i przewodów na napięcie znamionowe 600 V. Jeśli kabel będzie się wyginał podczas normalnej pracy, należy zakupić kabel elastyczny. Jeśli ma być ułożony w odsłoniętym korytku kablowym, to amerykański standard NEC (National Electric Code) wymaga użycia kabla o wzmocnionej powłoce, chroniącej go przed uszkodzeniami mechanicznymi (należy zakupić kabel przeznaczony do układania w korytkach, oznaczony jako tray-rated). W przypadku innych wymagających środowisk należy dobrać kable odporne na zgniatanie i ścieranie oraz na ekstremalne temperatury, ogień i na olej/chemikalia.
4. Protokoły przemysłowe a biurowe
Podłączając się kablem do sieci ethernetowej w biurze, nie musimy wiedzieć, co dzieje się w środku tego kabla. Natomiast w przemyśle istnieją różne rodzaje sieci ethernetowych, tak więc musimy wiedzieć trochę więcej. Protokół to język używany przez urządzenia do komunikacji za pośrednictwem kabla ethernetowego. Protokoły są często używane w warstwach, przy czym protokół niskiego poziomu stanowi podstawę protokołu wysokiego poziomu. Ponieważ aplikacje przemysłowe mają inne potrzeby niż sieci budynkowe/biurowe/domowe, to istnieją protokoły odpowiadające tym potrzebom, a każdy z nich ma swoje własne zalety i wady. Gdy protokół przemysłowy jest zdefiniowany ?na szczycie? powszechnie wykorzystywanego protokołu (często TCP/IP), to można zastosować standardowe architektury i sprzęt sieciowy.
Gdy protokół jest zdefiniowany na niskim poziomie (znajduje się na kilku innych protokołach), opcje dostępnej architektury i sprzętu sieciowego mogą być bardziej ograniczone. Innym kompromisem między tymi dwiema szerokimi kategoriami jest wydajność. Protokół niskiego poziomu będzie zwykle bardziej deterministyczny niż protokół wysokiego poziomu.
W praktyce wybór protokołu ethernetowego jest zwykle podyktowany wykorzystywanym typem programowalnego sterownika logicznego (PLC). Każdy producent sterowników PLC ma swoje preferencje i chociaż niektórzy oferują kilka opcji, najlepsze wyniki (najłatwiejsza implementacja, najlepsze wsparcie) zwykle osiągane są po pozostaniu przy standardach tego producenta.
Jon Breen jest założycielem/właścicielem firmy Breen Machine Automation Services, będącej partnerem Control Engineering ds. treści. Redakcja tekstu: Mark T. Hoske, menedżer ds. treści, Control Engineering, CFE Media and Technology,