Chociaż w automatyce przemysłowej nadal funkcjonuje wiele różnych protokołów komunikacyjnych, to są one coraz częściej zastępowane przez Ethernet.
Gdy w ostatnich dekadach XX wieku pojawiły się na rynku sieci poziomu obiektowego (fieldbus), zostały bardzo dobrze przyjęte przez użytkowników. Do dziś stosuje się je z powodzeniem w komunikacji bezpośredniej urządzeń P2P. W międzyczasie znikło wiele ich odmian, ale zawsze dzięki nim można było podłączyć do systemu automatyki czujniki, sensory, urządzenia i moduły we/wy oraz inny sprzęt.
Współcześnie atrakcyjniejszą opcją dla budowy sieci przemysłowych stał się jednak standard Ethernet. Jego wydajność jest zwykle większa niż konkurencyjnych protokołów w technologiach sieci obiektowych. Zbudowanie sieci Ethernet jest też zazwyczaj tańsze, a konfiguracja prostsza.
Początkowo w aplikacjach przemysłowych funkcjonowały łatwe w obsłudze, otwarte standardy komunikacji szeregowej, np. RS232 czy RS422/485. Te i podobne protokoły były bazą do opracowania standardów takich jak Modbus, który, wykorzystując komunikację szeregową, stał się wiodącym protokołem stosowanym w przemyśle.
Gdy technologia Ethernetu dopiero dojrzewała jako komercyjne, solidne rozwiązanie, protokoły sieci obiektowych oferowały już satysfakcjonującą wydajność i stabilność w wielu aplikacjach. Ich wadą była jednak cena oraz to, że różne protokoły nie były ze sobą kompatybilne ? zarówno na poziomie sprzętu, jak i oprogramowania.
Implementacje technologii i protokołów sieci obiektowych dotyczyły na początku przeważnie połączenia oddalonych modułów we/wy ze sterownikami PLC. Wiele ze standardów komunikacyjnych bazowało wprawdzie na standardzie RS422/485, jednak większość z nich było opatentowanych i dopiero w późniejszym czasie stały się protokołami otwartymi. Jako przykłady można podać DeviceNet, który stanowił własność Rockwell Automation, Modbus od Modiconu czy Profibus DP opracowany przez Siemensa. Po jakimś czasie każdy z nich stał się otwartym standardem komunikacyjnym, nadzorowanym przez niezależną fundację.
Obecnie istnieje wiele możliwości połączenia przy użyciu sieci obiektowych sterowników PLC z urządzeniami peryferyjnymi, jak wspomniane moduły we/wy, czy z innymi prostymi elementami wyposażenia ? starterami silników, czujnikami czy zaworami.
Dostępne protokoły sieci obiektowych
Mimo że tempo wzrostu nowych implementacji przemysłowego Ethernetu znacznie przewyższa dziś tempo wzrostu wdrożeń sieci obiektowych (i jak wskazuje raport IMS Research, w ciągu następnych piętnastu lat ten pierwszy stanie się dominującym standardem), wciąż funkcjonuje olbrzymia liczba aplikacji bazujących na sieciach obiektowych. Nic dziwnego ? były one jedyną rozsądną opcją, zanim technologia Ethernetu dostatecznie dojrzała. W wielu aplikacjach wciąż doskonale sprawdza się architektura deterministyczna, którą oferują np. DeviceNet czy Profibus DP. W tego typu sieciach wygodnie dodaje się kolejne urządzenia i moduły we/wy.
Protokołem sieci typu fieldbus jest np. IO-Link, który wykorzystuje się w sieciach P2P do podłączenia urządzeń peryferyjnych do sterowników, zwykle przy zastosowaniu konwertera (fot. 2). Niektóre nowsze urządzenia mogą także dostarczać danych procesowych, konfiguracyjnych, identyfikacyjnych czy diagnostycznych. Zdolność do przesyłania danych diagnostycznych jest w stanie skrócić czas przestoju maszyn dzięki inteligentnej weryfikacji tych informacji, a nawet pozwala w niektórych przypadkach uniknąć awarii.
Jednak choć IO-Link i inne protokoły niższego rzędu spełniają dobrze swoją funkcję w łączności między prostymi urządzeniami a ich sterownikami, to w przypadku bardziej złożonych aplikacji można sporo zyskać dzięki szybkości, elastyczności i funkcjonalności, jakie oferuje Ethernet.
W odniesieniu do zautomatyzowanych nowoczesnych maszyn, wymagających wysokiego stopnia zinformatyzowania i możliwości wymiany dużych ilości danych, przemysłowy Ethernet stanowi atrakcyjną alternatywę dla sieci obiektowych. Przykładową aplikacją tego rodzaju jest skomunikowanie systemu wizyjnego ze sterownikami PLC. Ponieważ ceny urządzeń stale maleją, Ethernet staje się również korzystną cenową opcją w prostszych aplikacjach, do tej pory zdominowanych przez sieci standardów obiektowych.
Zadanie dla Ethernetu
Wiele osób wciąż traktuje przemysłowy Ethernet jako coś zupełnie innego niż stosowane powszechnie sieci obiektowe typu fieldbus, jednak jeżeli porównać to, co osiągano przy pomocy tychże sieci w przeszłości z tym, co obecnie można zrobić dzięki standardowi Ethernet, okaże się, że tak naprawdę oba rozwiązania są niemal tym samym. Główną cechą, za jaką ceni się technologie sieci obiektowych, jest deterministyczny czas dostarczania danych. Nowy ethernetowy standard oferuje to samo przy większej szybkości oraz prostszych metodach synchronizacji czasu. Przewody magistral sieci obiektowych zapewniają opcję zasilania urządzeń peryferyjnych ? taką samą możliwość daje Power over Ethernet. Istnieje naprawdę niewiele aplikacji przemysłowych, w których Ethernet nie będzie działał.
We wczesnych latach funkcjonowania ethernetowej technologii nie opracowano zbyt dobrze kwestii determinizmu czasu, a wpływ krótkotrwałych odchyleń od charakterystyk sygnału (jitter) był znaczny, co powodowało spadek szybkości. Powszechnie używano nieskomplikowanych urządzeń, np. prostych hubów, w wyniku czego często dochodziło do kolizji danych i konieczności ponawiania prób ich przesłania. Jednak wraz z nadejściem przemysłowego Ethernetu i zaawansowanych switchy wspomniane wcześniej problemy zniknęły. Zwiększyła się szybkość przesyłu danych i zredukowano opóźnienie w transmisji danych do poziomu nieistotnego w większości aplikacji.
Nawet w przypadku standardowych podzespołów dla sieci Ethernet, przy zastosowaniu mechanizmów w rodzaju I/O Messaging klasy 1 czy EtherNet/IP, odchylenie od charakterystyk sygnału jest dla większości zastosowań wystarczająco niskie. W bardziej wymagających aplikacjach stosuje się protokoły takie jak EtherCat, które oferują lepszą synchronizację czasu (IEEE 1588). A ponieważ zazwyczaj w sieciach Ethernet wykorzystuje się topologię gwiazdy (gdzie switch lub switche tworzą główny punkt, z rozchodzącymi się odgałęzieniami urządzeń), w większość sprzętu wbudowano wiele interfejsów RJ-45, co dodatkowo ułatwia budowę sieci i zmniejsza jej koszty.
Wybór protokołu
W odróżnieniu od innych technologii komunikacyjnych Ethernet umożliwia funkcjonowanie w jednej sieci wielu różnych protokołów. Wśród tych wiodących są: EtherCAT, EtherNet/IP, Modbus TCP, Powerlink, Profinet i SERCOS. Dostawcy automatyki często doradzają konkretne protokoły dla danej aplikacji, ale oczywiście każdy dostawca ma swoich faworytów. Często dobrze jest posłuchać takich rad i zdecydowaćsię na polecaną opcję, dzięki czemu otrzymujemy większy wybór produktów, a później lepsze wsparcie techniczne ze strony dystrybutora. Jeżeli jednak specyficzna aplikacja wymusza skorzystanie z różnych dostawców i protokołów, a do wszystkich z nich dostępne są sterowniki oraz urządzenia peryferyjne, wówczas czynnikiem przesądzającym o wyborze powinna być szybkość działania i transmisji istotnych danych procesowych.
Ostatecznie to specyfika aplikacji decyduje o tym, po jakie technologie należy sięgnąć. Niejednokrotnie sens może mieć użycie wielu protokołów, na odpowiednim dla swojej charakterystyki poziomie ? innego do podłączenia urządzeń peryferyjnych do sterowników, innego do podłączenia sterowników do interfejsów HMI, a jeszcze innego do połączenia interfejsów z systemami komputerowymi wyższego rzędu. By zbudować taką architekturę sieci, konieczne jest użycie kontrolera obsługującego wiele protokołów.
Do podłączenia wielu urządzeń do sterownika często wykorzystuje się protokół IO-Link lub podobny, ponieważ jest to rozwiązanie znacznie bardziej ekonomiczne, niż podłączenie każdego urządzenia przy pomocy kabla. Przy korzystaniu z protokołu IO-Link często używa się bramki EtherNet/IP do komunikacji z urządzeniami peryferyjnymi. Działa ona jako multiplikator, umożliwiając podłączenie do sterownika wielu urządzeń peryferyjnych z protokołem IO-Link poprzez jeden kabel EtherNet/IP. Chociaż protokół IO-Link działa na stosunkowo krótkich dystansach pomiędzy czujnikami a głównym urządzeniem IO-Link, to wykorzystując różne bramki i powiązane protokoły, można zwiększyć jego zasięg, mierzony od sterownika.
W długich przenośnikach taśmowych, w dużych halach produkcyjnych i magazynach, znaczne odległości pomiędzy urządzeniami a sterownikiem można obsłużyć z wykorzystaniem bramek sieci EtherNet/IP. W dystrybucji punktów przyłączeniowych Ethernetu może także pomóc wykorzystanie switchy.
W komunikacji pomiędzy sterownikami lub sterowników z interfejsami HMI również popularną opcją są niektóre z protokołów sieci Ethernet. Ich wybór będzie determinowany przez wykorzystywany hardware. Ethernet praktycznie zdominował wyższe poziomy komunikacji, a niższe poziomy ? jak sterownik-urządzenie I/O ? można zrealizować przy pomocy IO-Link, DeviceNet, Profibus DP czy niektórych wariantów Ethernetu.
Ponieważ ceny urządzeń dla sieci Ethernet maleją, a ich możliwości rosną (w szczególności jeśli chodzi o szybkość i determinizm czasu), należy się spodziewać coraz większej ekspansji tej technologii w przemyśle.
Autor: Chirs Harris jest specjalistą w firmie AutomationDirect.
Tekst pochodzi z nr 4/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
