Najważniejsze kwestie związane z Ethernetem przemysłowym
Zanim zaczniemy stosować ethernetowe sieci przemysłowe, warto poznać siedem istotnych zagadnień związanych z tym właśnie standardem komunikacji. Aby nie teoretyzować, w tekście jako przykład wybrano jedno z dostępnych na rynku rozwiązań ? sieć Profinet.
Po pierwsze?
?projekt i rozplanowanie sieci
Zaleca się nie stosować topologii znanych z sieci komercyjnych i biurowych na poziomie produkcyjnym, gdzie konieczne jest użycie specjalnych architektur sieciowych dedykowanych do zastosowań przemysłowych i maszynowych. Infrastruktura systemów biurowych zwykle opiera się na komercyjnych komponentach, które są przystosowane do pracy w odpowiednich, ustalonych warunkach środowiskowych (temperatura). Poza tym stosowane tam switche umożliwiają organizację topologii połączeń w postaci gwiazd, zazwyczaj sporych rozmiarów. Z kolei ethernetowe sieci przemysłowe muszą być przygotowane na pracę w różnych warunkach środowiskowych. Powinny też umożliwiać stosowanie dodatkowych funkcjonalności, jak chociażby szybkie przełączanie elementów redundantnych itp. W sieciach przemysłowych stosuje się różne topologie sieciowe (gwiazda, ring, drzewo, linia szkieletowa), kable ekranowane, złącza metalizowane oraz urządzenia odporne na wysoką temperaturę i wibracje mechaniczne. Ponadto switche sieciowe do takich systemów są projektowane tak, aby mogły być konfigurowane i obsługiwane przez inżynierów, którzy na co dzień obsługują systemy automatyki, nie zaś informatyków.
Pod drugie? protokoły
Ethernet to standard dedykowany do transmisji przewodowej. Aby zastosować go jako element systemu sterowania, konieczny jest odpowiedni, przemysłowy protokół bazujący na Ethernecie. W standardzie IEEE 802.3 zdefiniowano rodzaje kabli, jakie można stosować w tego typu aplikacjach. Zasady dostępu do medium komunikacyjnego oraz strukturę tzw. ramki ethernetowej. I choć w jednej sieci ethernetowej mogą występować różne urządzenia, w celu wzajemnej wymiany informacji muszą one korzystać z tego samego protokołu lub ?języka komunikacji?. Platforma Profinet to jedno z przykładowych rozwiązań protokołu komunikacyjnego dla aplikacji przemysłowych, które oferuje funkcjonalności wymagane do obsługi rozproszonych We/Wy, elementów bezpieczeństwa maszyn i urządzeń, sterowania ruchem maszyn oraz połączeń komunikacyjnych typu maszyna-maszyna.
Po trzecie? przepustowość
To jeden z najważniejszych parametrów sieci. Określa ilość danych, jaka może być przesłana przez sieć w ustalonym okresie. Jedyną możliwością poprawy wydajności sieci jest skrócenie czasu przetwarzania danych w stosie protokołu komunikacyjnego. Dla standardu Profinet czas ten jest ponad 10-krotnie krótszy, niż w standardowych aplikacjach Ethernetu TCP/UDP. Efekt ten uzyskano przez wykorzystanie ethernetowego kanału czasu rzeczywistego na poziomie aplikacji krytycznych wymagających bardzo szybkiej reakcji. Z kolei w elementach konfiguracyjnych, diagnostyki, routingu i przesyłu dużych pakietów danych zastosowano standardowe kanały TCP/IP.
Po czwarte? konfiguracja sieci
Z punktu widzenia programisty nie jest istotne, czy łatwo dobrać nastawy systemu sterowania, ale jak duży musi być program pozwalający na jego kompleksowe uruchomienie. W sieci Profinet przy ustalaniu wzajemnych relacji komunikacyjnych pomiędzy urządzeniami skupiono się przede wszystkim na konfiguracji, nie zaś na kwestii programowania. Dzięki obiektowemu podejściu do procesu konfiguracji połączeń między urządzeniami systemowymi (zamiast stosowanych powszechnie metod programistycznych) integratorzy systemu i użytkownicy końcowi potwierdzają zgodnie zmniejszenie czasu niezbędnego na uruchomienie systemu o niemal jedną czwartą.
Po piąte? planowanie z wyprzedzeniem
W organizacji sieciowego systemu sterowania nie należy uwzględniać jedynie aktualnie niezbędnych funkcjonalności. Przede wszystkim trzeba mieć na względzie fakt, że w przyszłości ta sama sieć bazująca na standardzie Ethernet będzie prawdopodobnie wykorzystywana w obsłudze wszystkich aplikacji. Standard Profinet pozwala użytkownikom na implementację w pełni zintegrowanego środowiska systemu automatyki w ramach jednolitej sieci Ethernet wspierającej obsługę różnych elementów sterowania, takich jak: komunikacja typu P2P, moduły rozproszonych We/Wy, funkcje bezpieczeństwa, sterowanie napędami i monitoring wraz z akwizycją danych. Profinet przygotowany jest również do wsparcia funkcjonalnego zarysowujących się już na horyzoncie standardów komunikacji przyszłości.
Po szóste? systemy już istniejące
Istotnym elementem są również możliwości sieciowego Ethernetu w zakresie integracji z systemami sterowania i obsługi maszyn, które już funkcjonują w zakładzie. Niejednokrotnie pochodzą od kilku producentów i znajdują się na różnym poziomie zaawansowania technologicznego. Ponieważ sieci Profinet współpracują ze standardowymi switchami ethernetowymi i korzystają z protokołu TCP/IP, mogą być z powodzeniem łączone z innymi systemami bazującymi na tym standardzie. Również tymi, które pochodzą od różnych producentów. W takiej sytuacji nie ma konieczności stosowania dodatkowych elementów łączeniowych czy sprzęgających. Zastosowana w tym standardzie modułowa koncepcja funkcjonalności automatyki wykorzystuje elementy XML do prezentacji całych maszyn jako jednego elementu systemu sterowania. Niezależnie od tego, jaki układ sterujący obsługuje taką maszynę czy urządzenie.
Po siódme? koszty
W przypadku sieci Ethernet największe koszty generują nie elementy i urządzenia sieciowe, ale projekt, instalacja i jej utrzymanie. Związane jest to z faktem, że korzysta się tu między innymi z technologii charakterystycznych dla branży IT, jakOPC i SNMP. Umożliwiają szybkie przetwarzanie danych na potrzeby aplikacji monitoringu i prezentacji statusu pracy systemu. Ponadto, funkcje diagnostyczne dają możliwość włączenia danych statusowych bezpośrednio do obsługi takich elementów automatyki, jak sterowniki PLC i systemy SCADA. Znacznie upraszcza to konfigurację systemów. Dodatkowo, dzięki możliwości realizacji wielu zadań z jednego miejsca, ułatwia rozwiązywanie ewentualnych problemów eksploatacyjnych.
Jeremy Bryant, Siemens Energy & Automation
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie
