Przemysłowy Ethernet w akcji

Wybór przemysłowego protokołu sieciowego, w tym Ethernetu, pomaga w zwiększaniu produktywności i jakości oraz w wymianie danych z warstwą zarządzania przedsiębiorstwem. Trzeba jednak pamiętać, że przemysłowy Ethernet wymaga specjalistycznej wiedzy wykraczającej poza zastosowania biurowe i domowe. W czasie instalacji i pracy z przemysłowymi sieciami Ethernet trzeba pamiętać o pięciu zasadach dotyczących kablowania, jakości sygnału, pętli masy, przełączników i ruchu sieciowego.
Studium przypadku zawiera przykłady stosowania przemysłowego Ethernetu. Browar Saugatuck Brewing wykorzystał przemysłowy Ethernet do czterokrotnego zwiększenia produkcji w ciągu dwóch lat. Nowo opracowana maszyna pakująca z VC999 Packaging Systems wykorzystuje sieć Gigabit Ethernet.
Dla wielu aplikacji sieci TCP/IP ograniczenie długości miedzianego kabla do 100 m stanowi poważne ograniczenie. Podajemy pięć metod na zwiększenie tej odległości, w niektórych przypadkach aż do 15 km.

Shane Novacek, dyrektor komunikacji marketingowej, Beckhoff Automation
Duże piwo dzięki przemysłowemu Ethernetowi
Browar Saugatuck Brewing produkuje kilka klasycznych rodzajów piw, takich jak pilzner, ale, hefeweizen, porter, stout oraz IPA (India Pale Ale), poddanych subtelnym modyfikacjom. Browar znajdujący się w Douglas (w stanie Michigan, USA) zwiększył znacząco produkcję na przełomie 2011 i 2012 r., inwestując w osprzęt fermentowni i leżakowni. W 2009 r. Saugatuck był w stanie produkować nieco poniżej 500 beczek. Modernizacja umożliwiła zwiększenie produkcji do 1000 beczek w 2010 r. i 2000 w 2011 r. Postawiono ambitny cel ponownego podwojenia produkcji do 4200 beczek w 2012 r.
Amerykańska rzeczywistość mikrobrowarów zapewnia szybkie tempo zwiększenia produkcji, pod warunkiem realizacji celów w kilku krokach. To wymaga modułowego i elastycznego systemu automatyki, który będzie podążał za potrzebami szybko rozwijającego się procesu. W przypadku Saugatuck idealnym rozwiązaniem problemu osiągania idealnych stężeń dwutlenku węgla i znacznych możliwości rozbudowy był system sterowania bazujący na PC i komunikacja za pomocą przemysłowej sieci Ethernet.
Saugatuck Brewing do kontroli procesu wykorzystuje dzisiaj EtherCAT i moduły I/O w dwóch wersjach: IP20 montowane w szafach oraz IP67 pracujące w bezpośrednim otoczeniu procesu. Sterownikiem procesu jest dotykowy panel 5,7", komunikujący się z unowocześnionym systemem kontroli zawartości dwutlenku węgla. Panel zawiera procesor Intel IXP420 wykonany w technologii Intel XScale, pracujący z częstotliwością 533 MHz.
Panel sterujący stanowi również ekran HMI, personel browaru może więc dostosowywać różne parametry, w tym parametry wpływające na nasycenie CO2. Saugatuck Brewing zaprogramowało swoje HMI za pomocą zintegrowanej platformy programowania sterowania i HMI, nie polegało więc na dedykowanych wyłącznie dla HMI środowiskach programistycznych.
Dzięki wykorzystaniu technologii PC i EtherCAT firma Saugatuck Brewing zwiększyła jakość produktów i radykalnie obniżyła koszty osprzętu.
– Koszt systemu sterowania w przeliczeniu na jedną kadź jest o 50% niższy od innych architektur sterowania, które rozważaliśmy – mówi Ron Conklin, mistrz browarnictwa w Saugatuck Brewing. – Inny system został odrzucony natychmiast, gdy zrozumieliśmy, że będziemy musieli kupować nowy sterownik przy każdej rozbudowie. Standaryzacja poprzez zastosowanie centralnej jednostki PC sterującej wszystkimi kadziami ułatwia produkcję, konserwację i rozbudowę.
Przeczytaj również artykuł „Technologie wykorzystywane w Saugatuck Brewing – przemysłowy Ethernet”: http://bit.ly/PjBjen (język angielski). Zobacz zdjęcia z Saugatuck Brewing pokazujące system automatyki, w tym rozwiązania Ethernet: http://bit.ly/NlHbQK.

Bob Kollmeyer, menedżer ds. rozwoju sieci, Turck
Przemysłowa sieć pomaga w integracji systemu
Sieciowe protokoły komunikacyjne, spełniające aktualne wymagania w zakresie decentralizacji sterowania, diagnostyki i uproszczonej obsługi, integrują przemysłowe urządzenia i systemy sterowania z warstwą nadrzędną przedsiębiorstwa, pośrednicząc w wymianie kluczowych danych dotyczących produkcji. Potężne przemysłowe narzędzie upraszczające proces wytwarzania jest niezawodne, zapewnia łączność w całym przedsiębiorstwie, oferując najwyższy poziom nadzoru, sterowania i elastyczności, zwiększając tym samym produktywność i redukując koszty operacyjne.
Migracja z komunikacji punkt-do-punktu do zaawansowanych architektur sieciowych zapewnia łączność, współpracę i integrację wszystkich systemów – od pojedynczych urządzeń aż do warstwy zarządzania przedsiębiorstwem. Dokładna kontrola wytwarzania w całym zakładzie może bezpośrednio wpłynąć na jakość produktu, satysfakcję klienta i zysk firmy.
Aby wybrać odpowiednie rozwiązanie sieciowe, użytkownicy muszą znać nie tylko wymagania poszczególnych urządzeń, ale i warunki środowiskowe charakterystyczne dla danej aplikacji. Ocena wydajności, cech i charakterystyki przemysłowych protokołów może być pomocna w wyborze idealnego rozwiązania sieciowego, spełniającegowszystkie krytyczne wymagania. Warstwa fizyczna Ethernetu została opracowana na potrzeby przesyłania dużych ilości informacji. Tradycyjny Ethernet systemów biurowych, wykorzystywany do współdzielenia informacji przez sieć, znalazł miejsce również na halach produkcyjnych, zwłaszcza po opracowaniu przemysłowych protokołów wymiany danych. Komunikacja ethernetowa może być dziś wykorzystywana do zbierania danych przemysłowych, ich transmisji i monitorowania.

Mike Fahrion, dyrektor ds. zarządzania produktem, B&B Electronics
Najlepsze sposoby na rozbudowę Ethernetu
Ethernet TCP/IP wywodzi się z zastosowań biurowych i domowych. W przemysłowym świecie ograniczenie długości kabla do 100 m staje się problemem. Na przykład zdalny czujnik na końcu rurociągu będzie z pewnością pracował na większej odległości. Za pomocą konwerterów i ekspanderów sieci odległości można mierzyć w kilometrach, a nie w metrach.
Ekspandery sieci Ethernet
Jednym z prostych rozwiązań jest ekspander sieci Ethernet. Wykorzystuje on technologię DSL, zapewniając zwiększenie zasięgu do 1900 m (zobacz: diagram na stronie 16). Jest w stanie pracować z niemal każdym miedzianym przewodem, jest więc bardzo ekonomiczny. Kablowanie związane z instalacją sieci to zwykle duża część wydatków, ale ekspandery tego typu mogą pracować na istniejącym przewodzie Cat5 lub nawet na starej linii telefonicznej. Oszczędności mogą być znaczne.
Ekspandery zestawia się w pary. Pierwszy konwertuje Ethernet na transmisję DSL. Drugi konwertuje dane do pierwotnego formatu. Można uzyskać prędkość do 50 Mb/s, zależnie od odległości. Na dużych odległościach występują straty w przewodzie miedzianym, ale niektóre ekspandery są w stanie zapewnić transfer na poziomie 1 Mb/s na pełnym dystansie 1900 m. Niektóre ekspandery wspierają technologię PoE (ang. Power over Ethernet), dzięki której można przezwyciężyć problem braku zasilania dla zdalnych urządzeń – prąd zasilający jest przesyłany tym samym kablem, co dane.
W celu uzyskania najlepszych osiągów upewnij się, że kabel jest ułożony w odpowiedni sposób, bez jakichkolwiek zbędnych pętli, filtrów czy rozgałęźników.
Światłowody: jedno- i wielomodowe
Gdy 1900 metrów to za mało lub potrzebna jest ogromna przepustowość, z pomocą przychodzą światłowody. Są dwa główne rodzaje. Tańszy, wielomodowy światłowód wykorzystuje promieniowanie diody LED, które przenosi na wiele kilometrów. Zwykle wykorzystywany jest do tworzenia szkieletowej infrastruktury sieci biurowca lub fabryki.
Dostawcy usług komunikacyjnych, którzy potrzebują większych odległości, z pewnością zastosują światłowód jednomodowy. Źródłem światła nie jest dioda LED, ale laser, dzięki czemu sygnał może być transmitowany na odległości dzielące kontynenty. Tak jak instalacja bazująca na światłowodach wielodomowych jest droższa od tradycyjnej infrastruktury z kablami miedzianymi, tak stosowanie światłowodu jednomodowego jest droższe od wielomodowego. Wielu projektantów sieci nadal specyfikuje droższe rozwiązania ze światłowodem jednomodowym, uzasadniając wybór dominującym kosztem instalacji, zwiększoną przepustowością i odległością pracy światłowodu jednomodowego, które gwarantują, że instalacja nie stanie się przestarzała w możliwej do przewidzenia przyszłości.

David McCarthy, prezes i dyrektor naczelny TriCore Inc.
Niezbędnik przemysłowego Ethernetu: co musisz wiedzieć
Wprzeciwieństwie do wygodnego, domowego i biurowego Ethernetu, przemysłowa jego odmiana nie jest chlebem powszednim i wymaga specjalistycznej wiedzy i praktyki. Poniżej można znaleźć wszystko, co instalator i konserwator sieci powinien wiedzieć o kablowaniu, jakości sygnału, pętlachmasy, przełącznikach i transporcie sieciowym.
Kable są istotne
Tak jak w przypadku innych sieci, Twój przemysłowy Ethernet jest tylko tak dobry, jak jego okablowanie. Poza obecnością znacznych interferencji elektromagnetycznych (EMI), przemysłowe środowisko charakteryzuje się zmiennością temperatury, kurzem, wilgotnością i innymi czynnikami, których nie znajdziemy w domach i biurach.
Jak więc wybrać odpowiednie okablowanie? W warunkach biurowych kabel kategorii 5 zapewnia uzyskiwanie transferu do 100 Mb/s, natomiast 5e – 1000 Mb/s. Standard ANSI/TIA-1005 przewiduje stosowanie w warunkach przemysłowych okablowania kategorii 6 lub jeszcze lepszego. Kategoria 6 umożliwia osiąganie prędkości 1 Gb/s na 100 m i 10 Gb/s na 55 m. Za pomocą kabla 6e o długości 100 m można uzyskać przepustowość 10 Gb/s.
Kable kategorii 6 są generalnie mniej podatne niż 5 i 5e na przesłuchy między kanałami i zewnętrzny szum EMI. Kable dedykowane do zastosowań przemysłowych są bardziej odporne na uszkodzenia mechaniczne i działanie wielu chemikaliów. Jeśli zdecydowałeś się na okablowanie kategorii 6, nie zapomnij o zastosowaniu dedykowanych dla tej kategorii końcówek kabli. Aby osiągnąć najlepszy rezultat, krótkie połączenia wykonuj za pomocą gotowych, fabrycznie zarobionych kabli. Do dłuższych połączeń wykorzystuj specjalne złącza zaciskowe.
Kable, ekranowanie, pętle masy
Niektóre aplikacje wymagają ekranowania, ale trzeba pamiętać, że niepoprawne ekranowanie może przynieść więcej strat niż korzyści.
Ekranowany kabel ethernetowy może w przypadku obecności dużych zakłóceń EMI pracować lepiej poza korytem. Najważniejsze jest utworzenie jednego wspólnego punktu masy. Wiele punktów masy powoduje powstawanie pętli, w której na skutek pracy urządzeń indukują się szumy i zakłócenia. Pętle masy mogą siać spustoszenie w Twojej sieci. Aby pozbyć się problemu, stosuj uziemiony konektor RJ-45 wyłącznie po jednej stronie kabla. Po drugiej stronie umieść konektor nieprzewodzący.
Jeśli kabel ethernetowy przecina linie zasilające, pamiętaj o zachowaniu kąta prostego. Między równoległymi przewodami zasilania i danych zachowaj odstęp co najmniej 2030 cm, a w przypadku wysokich napięć i długich połączeń – jeszcze większy. Jeśli kabel ethernetowy jest prowadzony metalowym korytem, pamiętaj, żeby każdy kolejny odcinek koryta połączyć elektrycznie z poprzednim.
Mówiąc ogólnie – prowadź kable ethernetowe z dala od źródeł EMI, takich jak silniki, falowniki, oświetlenie i przewody zasilające. Przewody sieciowe i inne, prowadzone wspólnymi korytami, odsuń na co najmniej 5 cm. Prowadząc kable z dala od źródeł EMI, nie zapomnij o rekomendowanym promieniu zgięcia kabla.
Przełączniki i huby
Zasada jest prosta – nigdy nie stosuj hubów w sieciach przemysłowych. Huby nie są niczym innym niż wieloportowym regeneratorem sygnału. Stosowanie przełączników wymaga wyboru między wersjami zarządzalnymi i niezarządzalnymi. Preferowany wybór to wersje zarządzalne, ale są one droższe niż zwykłe przełączniki.
Każde urządzenie w sieci ma unikatowy identyfikator, którym jest adres MAC (ang. Media Access Control). Po uruchomieniu przełącznik zachowuje się jak hub, przesyłając dane we wszystkich kierunkach. Urządzenie obserwuje transfer danych i tworzy tablicę adresów MAC, w której każdemu portowi przypisane są odpowiednie adresy urządzeń sieciowych. Gdy następnym razem pojawią się dane dla konkretnego urządzenia, przełącznik skieruje je do odpowiedniego portu, nie zakłócając pracy pozostałych urządzeń, dla których aktualne dane są nieistotne lub wręcz nie powinny do nich trafić.
W przemysłowej sieci Ethernet występują trzy rodzaje transmisji: transmisja unicast, w której jeden punkt komunikuje się z jednym punktem, transmisja multicast, charakteryzująca się dowolną liczbą odbiorców i broadcast, w której dane trafiają do wszystkich odbiorców.
Przełączniki zarządzalne i niezarządzalne po zbudowaniu tabeli MAC obsługują multicast i broadcast w ten sam sposób. Dobrą zasadą jest ograniczenie liczby broadcastów do 100 na sekundę w przypadku połączenia 100 Mb/s. Pewna liczba broadcastów jest niezbędna i stanowi integralną część każdej sieci. Przykładami urządzeń generujących taki ruch są serwery wydruku, ogłaszające periodycznie swoją obecność w sieci.
Podglądanie: nie tylko wścibskość
Jedną z podstawowych różnic między zarządzalnymi a niezarządzalnymi przełącznikami jest sposób, w jaki traktują transmisję multicast, związaną zwykle z inteligentnymi urządzeniami znajdującymi się blisko procesu.
Urządzenie musi być członkiem grupy multicast, aby otrzymywać grupowe dane (dane otrzymują wszyscy członkowie grupy). Aby wysłać dane do grupy, nie trzeba być jej członkiem. Podstawowym problemem transmisji multicast jest fakt, że ruch sieciowy zwiększa się ekspotencjalnie wraz z liczbą nadawców. Tutaj do gry wkraczają zarządzalne przełączniki.
Zarządzalny przełącznik ma zdolność do podglądania komunikatów IGMP (ang. Internet Group Management Protocol). Komunikaty te, wysyłane przez komputery, zawierają informację, do jakiej grupy multicast dany komputer chciałby się podłączyć lub z jakiej odłączyć. Po odebraniu takiej informacji zarządzalny przełącznik na podstawie tabeli MAC edytuje listę odbiorców multicast. Niezarządzalny przełącznik nie ma takiej funkcji i traktuje multicast tak samo jak broadcast, wysyłając dane wszędzie.
Jeśli wymagany jest transfer multicast, a broadcast nie wchodzi w grę ze względu na obciążenie sieci, zarządzalny przełącznik stanowi konieczność, której koszt jest uzasadniony.
Kopiowanie portów, szukanie błędów
Warto zastanowić się nad zarządzalnym przełącznikiem także z innych powodów. Ta klasa przełączników ma zwykle funkcje logowania błędów, kontroli prędkości poszczególnych portów, sterowania trybem duplex i zdolność do kopiowania portów. Te dodatkowe możliwości zapewniają lepszą kontrolę sieci i stanowią pomoc w poszukiwaniu błędów, które na pewno kiedyś się pojawią.
Kiedy coś dzieje się z wydajnością sieci, pierwszym podejrzanym jest przełącznik, chociaż rzadko to on jest źródłem tego typu problemów. Przełączniki charakteryzują się zwykle opóźnieniem 1050 razy mniejszym niż pozostałe komponenty sieciowe.
Chociaż dostępne jest doskonałe oprogramowanie pomagające w rozwiązywaniu problemów z wydajnością sieci, większość programów analizuje wyłącznie ruch typu broadcast i multicast. Zwykle to wystarcza, ponieważ wiele kwestii związanych z wydajnością wynika z nieograniczonych transmisji multicast lub nadmiernego ruchu broadcast. Jeśli z jakiegoś powodu musisz przeanalizować transmisje unicast, jedynym rozwiązaniem jest kopiowanie portów.
Nie ma niczego złego w stosowaniu niezarządzalnych przełączników, jeśli w sieci nie występuje transmisja multicast. W wielu małych i nieskomplikowanych sieciach, w których pracuje kilka urządzeń, wykorzystuje się przekaźniki niezarządzalne. Czasami stosuje się rozwiązania kombinowane, w których kilka niezarządzalnych przełączników jest podłączonych do jednego wspólnego zarządzalnego przełącznika. Generalna zasada dla większych sieci to stosowanie zarządzalnych przełączników, gdy tylko koszty nie są podstawowym kryterium – okażą się znacznie lepszym wyborem z perspektywy czasu.
Terry Carson, wiceprezes pionu sprzedaży Power Motion Inc.
GigabitEthernet w maszynie pakującej
Maszyna do termoformowania serii I firmy VC999 Packaging Systems to nowa generacja maszyn pakujących, wykorzystująca do komunikacji przemysłowy Gigabit Ethernet. Modułowa konstrukcja ma umożliwiać szybką adaptację do zmian długości, szerokości i dodatkowych opcji – wszystko po to, aby to użytkownik mógł wyznaczać kierunek rozbudowy maszyny.
VC999 założyło, że nowa konstrukcja będzie bazować na najlepszych technologiach, pod warunkiem że będzie to uzasadnione ekonomicznie, a nowe rozwiązania będą przynosić korzyści.
Biorąc pod uwagę wymagania VC999, Power Motion Inc. pomogło opracować system sterowania, który spełnia założone cele w zakresie PLC, napędów typu serwo, przemienników częstotliwości i magistrali sieciowej typu Ethernet CC-Link IE Field.
Projekt maszyny, segmenty
Seria I maszyn składa się z trzech segmentów (formowanie, uszczelnianie, wyładowanie), mających własną szafę sterowniczą podłączoną do sieci Ethernet. Serwonapędy są sterowane poprzez sygnał analogowy lub chroniony protokół komunikacyjny – zależnie od właściwości osi. Przemienniki wykorzystują wyłącznie sygnał analogowy. W kolejnych rozwiązaniach można spodziewać się komunikacji CC-Link IE Field. VC999 wymagało, aby podstawowym sposobem wymiany danych była komunikacja bazująca na technologii Ethernet, która będzie łączyć poszczególne segmenty maszyny, przez co udało się ograniczyć nakład pracy i koszty kablowania, ułatwić transport, montaż i odnajdywanie błędów.
Komunikacja bazująca na technologii Ethernet to preferowany wybór dla nowych maszyn. CC-Link IE Field to najszybsza i pierwsza sieć dla systemów automatyki pracująca z prędkością 1 Gb/s. Inne sieci mają prędkość 10 lub 100 Mb/s (są więc 100 lub 10 razy wolniejsze).
CE