Przemysłowy Ethernet a przepływ informacji

Odporne przemysłowe sieci Ethernet zapewniają szybką i pewną komunikację między maszynami i robotami oraz uniwersalną łączność na terenie całego przedsiębiorstwa.
Standard Ethernet zyskał na przestrzeni ostatnich lat ogromną popularność. Liczne zastosowania obejmują wymianę danych w czasie rzeczywistym ze sterownikami, rozproszonymi punktami I/O, panelami HMI, czujnikami i mechanizmami wykonawczymi oraz niekrytyczne czasowo operacje, takie jak komunikacja między komputerami w przedsiębiorstwie.
Wszechobecność i niezaprzeczalne zalety Ethernetu powodują, że w bezpośrednim porównaniu inne standardy wypadają niestety mało konkurencyjnie. W rezultacie sieci Ethernet stają się wyborem nr 1 u wielu producentów maszyn i ich klientów. Rosnące zapotrzebowanie ze strony producentów OEM i klientów na zwiększoną łączność, przepływ informacji i elastyczność rozwiązania to główny czynnik stymulujący wzrost popularności przemysłowego Ethernetu, a tym samym wzrost sprzedaży komponentów sieciowych szacowany na 10% rocznie przez najbliższe pięć lat. Dla większości producentów OEM inwestycja w przemysłowy Ethernet jest zatem całkowicie uzasadniona.
Pozycja Ethernetu w sterowaniu procesami jest silna. Nieco inaczej jest w przypadku maszyn i robotów – tu Ethernet jest mniej popularny.
Dlaczego Ethernet?
W środowisku biurowym komunikacja między komputerami i urządzeniami peryferyjnymi na odległości większej niż kilka metrów odbywa się niemal wyłącznie w standardzie Ethernet, w którym każde urządzenie ma swój własny adres IP. Podobnie jest w środowisku przemysłowym – Ethernet wykorzystywany jest do komunikacji komputerów, sterowników, punktów I/O, napędów, czujników i innych urządzeń.
W modelu OSI protokołu TCP/IP – przedstawionym na rysunku 1 – adresowanie IP znajduje się w trzeciej warstwie. Chociaż definicja Ethernetu obejmuje wyłącznie warstwy 1 i 2, w rzeczywistości większość ludzi za Ethernet uznaje warstwy 1–4, a więc także adresowanie IP oraz TCP/UDP. Taką definicją będziemy posługiwać się również w artykule. Piękno modelu OSI polega na tym, że najwyższe warstwy 5–7, tworzące swego rodzaju interfejs programowy, mogą być swobodnie określone i wykorzystane do migracji z protokołów szeregowych na Ethernet. W rezultacie istnieje możliwość szybkiej migracji z protokołu szeregowego takiego jak Modbus na jego ethernetowy odpowiednik Modbus TCP, bez nadmiernych trudności i dodatkowych szkoleń.
Po migracji z tradycyjnego protokołu Modbus do Modbus TCP większość „starego” kodu programu będzie mogła być nadal wykorzystywana. Z punktu widzenia aplikacji zmianie ulegnie wyłącznie przepustowość łącza. Inną korzyścią jest większa dostępność komponentów sterowania z gniazdem Ethernet w stosunku do ich starszych odpowiedników ze złączem Serial. Nie bez znaczenia pozostanie fakt łatwiejszej integracji tychże nowych komponentów z istniejącymi sieciami sterowania i komunikacji.
Podstawą tej ułatwionej integracji jest wysoce rozpowszechniony standard wszystkich warstw modelu OSI. Specyfikacja każdej z warstw umożliwia integrację komponentów różnych dostawców w jednym środowisku, łącząc ze sobą wygodę technologii Plug and Play i możliwość tworzenia własnego oprogramowania dla tych urządzeń.
Nawet najprostsze z dzisiejszych linii produkcyjnych działają w oparciu o maszyny i roboty, zwykle różnych producentów. Dodatkowe utrudnienie stanowi fakt, że składają się one zwykle z wielu komponentów automatyki: HMI, sterowników, napędów, wskaźników i czujników. Jeśli koncepcja nie jest przemyślana, integracja deterministycznej sieci sterowania i biznesowej sieci wymiany danych może zwiększyć podatność na awarie i zmniejszyć bezpieczeństwo systemu. Ryzykiem można jednak zarządzać poprzez odpowiednie zasady, procedury i topologię sieci w taki sposób, że powstała infrastruktura będzie nie tylko szybką siecią,ale również bezawaryjnym i bezpiecznym sposobem wymiany danych w przedsiębiorstwie.
Połączenia zwiększają efektywność
Dla producentów OEM – i nie tylko – integracja sieci sterowania i zwykłej sieci wymiany danych wewnątrz przedsiębiorstwa to wymierne korzyści:

  • zarządzanie zasobami przedsiębiorstwa staje się możliwe w czasie rzeczywistym dzięki informacji o ilości surowców i półproduktów,
  • recepty i plany produkcji mogą być zmieniane i dostosowywane do potrzeb klientów,
  • informacje o procesie produkcyjnym stają się dostępne dla całego przedsiębiorstwa (dzięki urządzeniom wyposażonym w gniazdo Ethernet i funkcje serwera Web),
  • rozwiązywanie problemów staje się łatwiejsze, ponieważ informacje o stanie urządzeń mogą być przekazywane nie tylko wewnątrz sieci przedsiębiorstwa, ale również bezpośrednio do producenta maszyny. To umożliwia zdalne monitorowanie maszyny przez wewnętrznych i zewnętrznych ekspertów.

Dodatkowo wielu klientów i dostawców OEM tworzy inteligentne systemy oparte na mikroprocesorach, które zarządzają procesem na podstawie zbieranych w sieci informacji o jego przebiegu.
Sieci wykorzystujące standardowy Ethernet i typowe protokoły mogą być również wykorzystane do komunikacji maszyn z linią produkcyjną. Za ich pomocą można uzyskać informacje o statusie i obciążeniu maszyn. Jeśli każde z urządzeń na linii zna status swojego sąsiada, możliwa staje się synchronizacja ich pracy i optymalizacja wykorzystania każdego z komponentów, a także optymalizacja całej produkcji.
Jeśli w takim systemie jedna z maszyn zgłasza nadmierny czas postoju lub przeciwnie – nie nadąża z produkcją, nie ma potrzeby zatrzymywania całego procesu i ponoszenia związanych z tym kosztów. Zamiast tego czasochłonne operacje można podzielić na inne maszyny, a detale z maszyny o nadmiernym czasie postoju przenosić na równoległą linię. Kluczem do uzyskania tych i innych korzyści bazujących na wewnętrznych i zewnętrznych łączach jest wysoka pewność działania sieci – zależy ona w dużej mierze od komponentów wykorzystanych do budowy sieci Ethernet.
Odporny przemysłowy Ethernet
Chociaż przemysłowy Ethernet bazuje na tym samym modelu co jego biurowy odpowiednik, wymagania stawiane obu standardom są bardzo różne. Ponieważ system jako całość jest co najwyżej tak dobry, jak fizyczna infrastruktura, na której jest zbudowany, istotne jest, aby komponenty sieciowe wykorzystywane do jej budowy – kable, konektory, switche i inne – były zaprojektowane do pracy w trudnych warunkach.
Komercyjne produkty ethernetowe zaprojektowano z myślą o wykorzystaniu w środowisku biurowym, które są relatywnie czyste i ciche. Kluczowe dla działania sieci komponenty umieszcza się w specjalnych pomieszczeniach. W zastosowaniach przemysłowych komponenty mogą być wystawione na działanie wyjątkowo niekorzystnych czynników, takich jak wysoka temperatura, wilgotność, zapylenie, zakurzenie, olej, środki chemiczne, wibracje, „zaśmiecone” zasilanie, szpilki napięć, interferencje elektromagnetyczne i zakłócenia radiowe. Tylko wzmocnione przemysłowe komponenty zaprojektowane i zbudowane do pracy w takich warunkach są w stanie oprzeć się takim zagrożeniom.
Komponenty automatyki i urządzenia ethernetowe w wykonaniu przemysłowym są łatwo dostępne, ale ich koszt jest większy niż biurowych odpowiedników. Mając jednak na uwadze potencjalne straty spowodowane awarią sprzętu (zatrzymanie produkcji, strata półproduktów, zagrożenie bezpieczeństwa, zniszczenie maszyn), jasne staje się, że wyższy koszt zakupu urządzeń w wersjach przemysłowych jest uzasadniony. Należy traktować je jako inwestycję w lata bezawaryjnej pracy, pewność i szybkość działania – dzięki temu przemysłowy Ethernet szybko staje się standardem w nowoczesnych przedsiębiorstwach.
Mike Miclot jest wiceprezesem działu Industrial Solutions Division w Belden.
CE