Ocena sieci w zakładzie produkcyjnym przed zastosowaniem Ethernetu

Coraz powszechniejsze wykorzystywanie sieci przemysłowych do sterowania urządzeniami powoduje wzrost liczby firm, które upatrują w Ethernecie możliwości zwiększających przewagę konkurencyjną przez powiązanie działalności produkcyjnej i biznesowej.
Według opinii analityków biznesowych siłą napędową konwergencji sieci przemysłowych i komercyjnych w ramach danego przedsiębiorstwa są liczne imperatywy związane z działalnością gospodarczą. Spośród nich często przytaczane są: optymalizacja bezawaryjnego czasu pracy urządzeń oraz produkcji, jakość produktu, szybkość cyklu produkcyjnego, wydajność oraz wymogi w zakresie obsługi klienta. Globalna konkurencja i malejące zyski przyspieszyłyproces integracji sieci u wielu producentów, dążących do usprawnienia działalności, zwiększenia produktywności i zmniejszenia kosztów ogólnych.
Wraz z coraz powszechniejszym wykorzystywaniem sieci przemysłowych do sterowania urządzeniami rośnie też liczba firm, które szukają sposobów wykorzystania siły Ethernetu do zwiększenia swojej przewagi konkurencyjnej poprzez powiązanie poziomów produkcji i biznesu.
Konwergencja sieci
Konwergencja sieci wymaga integracji okablowania, podłączeń, sterowników, przełączników i innych komponentów, a także interfejsu programowego dla pozyskiwania i przesyłania danych między funkcjami komercyjnymi i przemysłowymi. Korzyści płynące z konwergencji zależą w dużym stopniu od konfiguracji sieci i od konkretnych strategii związanych z decyzją danej firmy o integracji sieci. W sieciach pracujących na poziomie urządzeń sterownik obiektowy komunikuje się z urządzeniami zainstalowanymi przy danej maszynie za pomocą jednego z kilku otwartych lub własnych protokołów. Obecnie występuje tendencja, aby wdrażać Ethernet – jako protokół warstwy łącza danych – do jednej z aplikacji protokołu istniejącego, a nawet stosować Ethernet na poziomie urządzenia przy danej maszynie.
Przy użyciu właściwej architektury oraz komponentów klasy przemysłowej konwergencja oparta na protokole Ethernet może przynieść znaczące korzyści:

  • dostęp do informacji w skali całego przedsiębiorstwa i większe możliwości analityki biznesowej (Business Intelligence);
  • szybkość transmisji danych, czyli szybszy przepływ informacji,
  • wyższa efektywność energetyczna i lepsze zarządzanie zasobami,
  • lepsza wydajność urządzeń,
  • skoordynowany monitoring i kontrola w celu zoptymalizowania produkcji.

Konwergencja realizowana przy użyciu Ethernetu może spełnić wymagania dotyczące przesyłu danych w czasie rzeczywistym ze sprawdzoną niezawodnością, bezpieczeństwem i łatwością integracji. Z tych właśnie powodów widoczna jest tendencja, zwłaszcza wśród większych producentów, do prowadzenia działalności na platformie technologicznej obejmującej całe przedsiębiorstwo.
Technologia i przemysł krok w krok?
Wydajność urządzeń i wskaźniki produkcji, niegdyś traktowane wyłącznie jako funkcje związane z zakładem produkcyjnym, są obecnie szeroko uznawane za istotne strategiczne narzędzia biznesowe, które mogą pomóc w zmniejszeniu wydatków i zoptymalizowaniu bezawaryjnego czasu pracy. Postępy technologiczne wyznaczyły tempo zmian, oferując narzędzia sieciowe pozwalające na efektywne powiązanie systemu zarządzania całym przedsiębiorstwem z procesami produkcyjnymi, systemami sterowania oraz informacjami z zakładu produkcyjnego, zapewniając przy tym niezrównaną skalowalność, funkcjonalność i liczbę opcji.
Jednak technologia i przemysł rzadko idą krok w krok. Mimo często pełnych optymizmu przewidywań analityków tej branży, że cały przemysł przestawi się na konwergencję sieci handlowych i przemysłowych, w rzeczywistości proces ten następuje w bardziej wyważonym i strategicznym tempie – i słusznie. W sytuacji spowolnienia gospodarczego trendy nie zmieniają się szybko i nie są oczywiste.
Niemniej faktem jest, że zakłady produkcyjne stopniowo odchodzą od protokołów firmowych do najbardziej rozpowszechnionych obecnie standardów: protokołów komunikacyjnych opartych na TCP/IP (Protokół Sterowania Transmisją/Protokół Internetowy) oraz struktur sieciowych standardowego Ethernetu.
W Ethernecie przemysłowym stosowane są skrętki kablowe, światłowody, sieci bezprzewodowe, a w przyszłości będą również wykorzystywane sieci energetyczne (Ethernet po sieci energetycznej). W praktyce sprawdzono, że powszechne protokoły Ethernetu przemysłowego (w tym EtherNet/IP, Profinet i inne kompatybilne systemy otwarte) są w stanie obsługiwać niezliczone ilości scenariuszy automatyzacji, wymagających pracy w czasie rzeczywistym oraz wielokrotnych kanałów komunikacyjnych w tej samej sieci.
Zestaw protokołów TCP/IP, opracowany w celu umożliwienia komputerom dzielenia się zasobami całej sieci, znalazł szerokie zastosowanie w biurach jako standardowe narzędzie do łączenia sieci, aby umożliwić komunikację między różnymi sieciami i komputerami. Wiele komputerów może jednocześnie korzystać z protokołów TCP/IP, a także innych protokołów – w jednej sieci lokalnej, przy czym protokół IP umożliwia dostęp do Internetu poprzez routery. Protokoły TCP/IP ułatwiają szybki i dokładny przesył danych oraz komunikację między użytkownikami danej sieci komercyjnej. Przesyłanie danych w ramach zakładu produkcyjnego przy pomocy Ethernetu i TCP/IP umożliwia łatwą integrację we wspólną sieć komercyjną i stosowanie aplikacji biurowych.
Zakład produkcyjny i przedsiębiorstwo – rożne potrzeby w zakresie informacji
W większości przypadków wymagania sieci przemysłowych różnią się od wymagań sieci biurowych. Na poziomie zakładu produkcyjnego sterowanie procesami i automatyzacja często powodują konieczność sprostania bardziej rygorystycznym wymogom w zakresie szybkości przesyłu danych w czasie rzeczywistym. Oprócz szybkości Ethernet jest w stanie obejmować duże odległości i dopuszczać więcej urządzeń bez spadku wydajności, jak to miało miejsce w przypadku wcześniejszej technologii sieciowej.
Oczekuje się, że jeszcze długo Ethernet będzie główną technologią komunikacji, co daje gwarancję, że technologia ta będzie nadal wzbogacana i doskonalona. Dzisiejsi użytkownicy Ethernetu wykorzystują lekcje z przeszłości. Architektura sieci, bezpieczeństwo i zarządzanie danymi muszą być starannie zaplanowane w taki sposób, aby móc pracować wydajnie dzisiaj i aby umożliwić przyszłą rozbudowę oraz integrację przy minimalnym wysiłku.
Innym błędnym przekonaniem, które należy rozwiać, jest to, że otwartość jest zawsze równoznaczna z bezproblemową interoperacyjnością. Mimo powszechności łączy ethernetowych o przepustowości 100 Mbps niekompatybilność niektórych protokołów jest rzeczywistością. Etykieta „Ethernet I/O” nie oznacza, że wszystkie produkty są kompatybilne w ramach tego samego stosu protokołów. Interoperacyjność jest więc ważnym czynnikiem, który musi być starannie przeanalizowany.
Potrzeba właściwych informacji
Sterowniki, takie jak PLC, PAC i PC, gromadzą dane pochodzące od maszyn i urządzeń i sterują ich pracą. Właściwa architektura sieci może skutecznie powiązać zarządzanie przedsiębiorstwem ze sterownikami PLC aż do poziomu danego urządzenia.
Jednakże wszechobecna przezroczystość danych może być zarówno inspirująca, jak też przygniatająca. Dlatego filtrowanie i selekcja danych stanowią klucz do pomyślnej konwergencji sieci. Różne rodzaje pulpitów wskaźnikowych oraz aplikacje analityczne i biznesowe pozwalają kierownictwu przedsiębiorstwa skupić uwagę na kluczowych danych, kluczowych wskaźnikach eksploatacyjnych oraz innych danych koniecznych do podejmowania decyzji na wysokim szczeblu.
Szybki przepływ informacji?
W odróżnieniu od opóźnień, jakich zwykle doświadczamy przy surfowaniu w Internecie lub wysyłaniu dokumentu do znajdującej się w pobliżu drukarki, natychmiastowość komunikacji maszyny z maszyną wymaga większej przepustowości łącza. Jednak wartość szybkości przesyłu danych jest względna. Przy szybkim postępie technologicznym przemysł może oczekiwać osiągnięcia szybkości sieci rzędu gigabitów na sekundę, co oznacza szybszy przesył większej ilości danych.
Sama tylko szybkość przesyłu danych niekoniecznie zwiększy szybkość procesów, aczkolwiek przepływ danych bliski czasowi rzeczywistemu może przyczynić się do lepszej współpracy i bardziej wydajnego przepływu pracy. Jednak pełna wartość szybkiej informacji może być wykorzystana tylko wtedy, gdy dotrzymują jej kroku związane z nią procesy i komponenty sieci.
Zazwyczaj tylko wyjątkowo szybkie operacje produkcyjne związane z automatyką napędów i precyzyjną automatyzacją wymagają przepustowości łącza niezbędnej do dużej rozdzielczości oraz skomplikowanych ruchów i algorytmów. Ethernet w swojej najprostszej postaci (10100 Mbps) jest zazwyczaj wystarczająco szybki dla większości zastosowań produkcyjnych i procesowych. Chociaż w dzisiejszym świecie w każdym zakładzie produkcyjnym potrzebna jest wysoka wydajność, nacisk należy położyć raczej na przepustowość niż szybkość. U dowolnego producenta właściwa struktura sieci musi działać prawidłowo z wymaganą szybkością, niezbędną do osiągnięcia określonej przepustowości.
Należy rozważyć następujące kwestie
Nieprzetworzone dane otrzymywane z zakładu produkcyjnego w czasie rzeczywistym zazwyczaj nie docierają do szczebla kierowniczego przedsiębiorstwa, a w większości przypadków nie jest to konieczne. Kultura korporacyjna w przeszłości często ustawiała produkcję i zarządzanie jako oddzielne jednostki ze swoimi unikalnymi środowiskami i celami. Integracja na poziomie przedsiębiorstwa może przynieść znaczące korzyści producentowi – przez dostarczanie w czasie rzeczywistym zrzutu danych (data snapshots) lub informacji wyświetlanych na pulpicie – w celach diagnostyki, kontroli jakości, obsługi klienta, sprawnego planowania produkcji, szeregowania prac i wysyłek.
Liczba danych, jakie mogą być przesłane w jednym pakiecie, również czyni Ethernet idealnym narzędziem do monitoringu diagnostycznego i usuwania błędów i usterek. Rosnące zapotrzebowanie na zaawansowany monitoring i diagnostykę w zakładach produkcyjnych spowoduje przyspieszenie przesyłu danych na 1 cykl, przez co obecnie oferowane prędkości mogłyby okazać się niewystarczające.
Standardowy Ethernet jest szeroko zachwalany jako niezastrzeżony i tańszy. Teoretycznie jest to prawdą. Jednak komponenty Ethernetu przemysłowego, stosowane w obszarach technologicznych zakładu produkcyjnego, są zaprojektowane do pracy w surowych środowiskach, ekstremalnych temperaturach, wytrzymywania wilgotności i drgań, tzn. do pracy w warunkach o wiele gorszych niż te, które występują w instalacjach pracujących w środowisku kontrolowanym. Początkowe koszty komponentów klasy przemysłowej mogą być wyższe, gdyż są odporne na trudne warunki pracy, jednak komponenty te są wykonane tak, aby ich cykl bezawaryjnego życia był znacznie dłuższy, więc w rzeczywistości łączne koszty dla właściciela mogą okazać się niższe.
Zwiększenie zakresu wykorzystywania aplikacji ethernetowych – od środowiska biurowego do poziomu zakładu produkcyjnego – wymaga złączy RJ-45 o wyższym stopniu ochrony i minimum kategorii 5e (100 Mbit/s Fast Ethernet).
Nowsze złącza okrągłe M12 stają się bardziej popularne na rynku w wykonaniu klasy D (wg normy IEC 11801 – przypisek redakcji), specyficznym dla EtherNet/IP, Profinet i EtherCAT. Sieci bezprzewodowe mogą być wykorzystywane na dużych odległościach, a także mogą być rozmieszczane na obszarach przemysłowych niełatwych do okablowania. W zakładach petrochemicznych komunikacja bezprzewodowa staje się standardem. Niektóre nowsze konstrukcje są zasilane z małych paneli solarnych. Ethernet odniesie korzyści z nadchodzących nowych technologii bezprzewodowych.
Do zastosowań przemysłowych w ciężkich warunkach eksploatacyjnych wiele firm preferuje technologię światłowodową. Kable światłowodowe zapewniają większą szybkość transmisji i większą szerokość pasma oraz są mniej wrażliwe na odległość i szumy w porównaniu z kablami miedzianymi. Mimo tego, że w większości przypadków koszty systemów światłowodowych są wyższe, a kwestie kompatybilności z systemami już zastanymi mogą stwarzać pewne problemy, to jednak przemysłowe rozwiązania oparte na światłowodach mogą w przyszłości stanowić klucz do integralności danych na poziomie zakładu produkcyjnego, gdy coraz więcej firm będzie migrować w kierunku konwergencji sieci w skali przedsiębiorstwa.
Rick Griffin jest menedżerem ds. globalnego rozwoju biznesu w firmie Molex.
CE