Raport: Sieci komunikacyjne w przemyśle

Stosowanie rozwiązań wykorzystujących sieci komunikacyjne jest odpowiedzią na coraz większą automatyzację przemysłu oraz złożoność procesów produkcyjnych. Obecnie trudno sobie wyobrazić sprawne funkcjonowanie zakładów przemysłowych pozbawionych komunikacji sieciowej scalającej poszczególne elementy automatyki.
Sieci komunikacyjne stanowią bardzo istotne zagadnienie w kontekście szeroko pojętej automatyki przemysłowej. Zastosowanie technologii sieciowych wiąże się z wieloma korzyściami, będącymi następstwem decentralizacji systemu automatyki i zarządzania. Oprócz ogromnych możliwości w zakresie komunikacji pomiędzy systemami automatyki, nowoczesne technologie komunikacji sieciowej pozwalają także na podłączenie systemów automatyki do ogólnodostępnej sieci internetowej. Takie rozwiązanie to krok milowy na drodze do optymalizacji zarządzania procesem i przeprowadzania prac serwisowych na odległość. Komunikacja sieciowa oznacza także ograniczenie ilości okablowania łączącego sterownie z urządzeniami wykonawczymi i pomiarowymi w procesie. Setki pojedynczych przewodów sygnałowych można bowiem zastąpić jednym kablem magistralowym.
Sieciowa komunikacja przemysłowa opiera się głównie na sieciach lokalnych (LAN), również obiektowych (fieldbus), gdzie odległości nie są bardzo duże, a ruch ogranicza się do jednego przedsiębiorstwa. Należy podkreślić, że rola komunikacji w zakładzie przemysłowym jest krytyczna – w odniesieniu zarówno do technologii, ekonomii, jak i bezpieczeństwa prowadzenia procesu. Dostęp do wiarygodnej informacji w systemie automatyki nie jest dziś luksusem, lecz koniecznością.
Obecnie w automatyce przemysłowej wykorzystywanych jest wiele protokołów i standardów. Wraz z upływem czasu ich liczba stale się powiększa, co jest związane z rozwojem komunikacji między maszynami, a także z rozwojem komercyjnych technologii.
– Rozwiązania sieciowe już od wielu lat rozwijają się bardzo dynamicznie – tłumaczy Daniel Oszczęda, dyrektor ds. marketingu w firmie Balluff. – Ich przewaga pod kątem prostoty instalacji i diagnostyki stawia je na pierwszym miejscu w porównaniu z tradycyjnym okablowaniem równoległym.
Warto podkreślić, że sieciowe protokoły komunikacyjne określają ogólne zasady komunikowania się urządzeń z nośnikiem transmisyjnym, do którego zostały podłączone. Są to np.: sposób nadawania priorytetów określających, który z węzłów w danej chwili ma dostęp do sieci (tzw. protokół dostępu), niezawodność, a także szybkość działania danej sieci.
Poszczególne protokoły różnią się przede wszystkim: szybkością transmisji, odpornością na zakłócenia czy maksymalną długością linii magistralowych. Niektóre z protokołów są przeznaczone do sterowania urządzeniami wykonawczymi (np. Profibus, DeviceNet), natomiast inne doskonale się sprawdzą w przypadku transmisji danych pomiarowych.
EtherNet/IP – czołowa pozycja w rankingu popularności
Jak wynika z ankiety przeprowadzonej przez magazyn „Control Engineering Polska”, zgodnie ze wskazaniami 82% dostawców i 61% użytkowników dużą popularnością cieszy się obecnie EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol).
Według Pawła Podsiadło, specjalisty ds. systemów sterowania i sieci przemysłowych z firmy ASTOR, sieć Ethernet jest dziś jednym z najbardziej popularnych sposobów wymiany informacji w przemyśle.
– Wysoka przepustowość tej sieci w połączeniu z łatwą rozbudową o nowe urządzenia oraz szybką instalacją magistral sprawia, że coraz więcej użytkowników wybiera ten standard jako wiodący – wyjaśnia ekspert.
Podobnego zdania jest Tomasz Niewolik, Managing Director Eastern Europe w firmie Microsens.
– Ethernet jest obecnie najszybciej rozwijającym się protokołem w aplikacjach przemysłowych, dzięki czemu wiele z jego dotychczasowych słabości jest eliminowanych (praca w czasie rzeczywistym, trybie synchronicznym, natychmiastowa rekonfiguracja w przypadku awarii itp.) – twierdzi.
Warto podkreślić, że w standardzie EtherNet/IP, opracowanym przez Rock-well Automation, wykorzystano protokół CIP (Common Industrial Protocol), znany z sieci DeviceNet, CompoNet i ControlNet. EtherNet/IP umożliwia połączenie wewnątrz przedsiębiorstwa urządzeń takich jak czujniki, elementy wykonawcze, panele i stacje operatorskie. Łączy on przemysłowe i nieprzemysłowe rozwiązania w jedną wspólną strukturę sieciową. Pozwala na przekazywanie informacji i sterowanie zarówno w dyskretnych, jak i ciągłych układach sterowania, procesach wsadowych, układach bezpieczeństwa, sterowaniu napędami i w aplikacjach wymagających wysokiej niezawodności.
EtherNet/IP stosuje dwa podstawowe typy komunikatów: wiadomości niekrytyczne (Explicit Message) oraz szczególnie istotne dla procesu dane krytyczne (Implicit Message lub Real Time I/O Message). Przekazywanie tych ostatnich bazuje na zastosowaniu modelu „producent-konsument”, w którym nadawca produkuje dane i wysyła je do sieci bez specyfikowania odbiorcy, z pewnym ustalonym interwałem czasowym. Urządzenia, które chcą z tych danych skorzystać,otrzymują je w tym samym czasie. Natomiast dane niekrytyczne czasowo należą do informacji o mniejszym znaczeniu dla systemu i są przeznaczone do konkretnego urządzenia. Ich wysłanie wiąże się z przeprowadzeniem odpowiedniej operacji w sterowniku. Każdy transfer danych opiera się na nawiązaniu połączenia protokołu TCP w warstwie transportowej, które po otwarciu pozostaje w takim stanie cały czas, dopóki nie dojdzie do fizycznego rozłączenia urządzeń. W oparciu o połączenie TCP otwierane jest jedno połączenie protokołu CIP lub wiele. Zapewniają one faktyczne przekazywanie danych.
Warto dodać, że EtherNet/IP został uznany przez 36% ankietowanych – zarówno użytkowników, jak i dostawców – za najbardziej dynamicznie rozwijający się obecnie protokół komunikacyjny w zastosowaniach przemysłowych.
Modbus – mimo upływu czasu wciąż chętnie wybierany
Często stosowanym protokołem komunikacyjnym jest także Modbus, który umożliwia asynchroniczną, szeregową wymianę informacji pomiędzy urządzeniami systemów pomiarowo-kontrolnych, komunikacji sterowników programowalnych PLC itp.
Jak wynika z przeprowadzonej ankiety, dużym zainteresowaniem cieszy się Modbus TCP, oparty na warstwie sprzętowej łącza ethernetowego – twierdzi tak 64% dostawców i 42% użytkowników. Z kolei 45% sondowanych dostawców i 52% użytkowników uznało za najpopularniejszy Modbus RTU, oparty na warstwie sprzętowej RS232/RS485.
Zdaniem Dariusza Zamojskiego z firmy Induprogress, mimo że Modbus ma wiele ograniczeń, nadal cieszy się bardzo dużym zainteresowaniem – przede wszystkim ze względu na swoją prostotę oraz bardzo dużą liczbę urządzeń, które go wspierają. Zdaniem eksperta, pomimo upływu dość znacznego czasu od chwili jego prezentacji i realizacji pierwszych instalacji, Modbus wciąż jest najczęściej stosowaną formą komunikacji urządzeń automatyki.
Użytkownicy cenią sobie ten protokół głównie ze względu na to, że jest otwarty i wolny od opłat, a przy tym łatwy do wdrożenia i utrzymania, a także dlatego, że stał się standardem przyjętym przez większość producentów sterowników przemysłowych. Co istotne, przesyłane komunikaty są zabezpieczone przed przekłamaniami, natomiast rozkazy wymagają potwierdzenia. Ważną cechą jest też sygnalizacja błędów. Warto zwrócić uwagę na fakt, że Modbus umożliwia komunikację pomiędzy wieloma urządzeniami (do 248) podłączonymi do tej samej sieci. Protokół jest często używany do połączenia nadrzędnego komputera (master) ze zdalnymi urządzeniami (slave) w systemach SCADA.
Ogólnie można powiedzieć, że Modbus jest protokołem komunikacyjnym z jednym urządzeniem – masterem – inicjującym wymianę informacji z wieloma urządzeniami slave. Opiera się na rozkazach, które powodują zapis lub odczyt do różnych obszarów pamięci slave’a. Na każdy wysłany rozkaz przez mastera zaadresowany slave powinien odpowiedzieć potwierdzeniem lub przesłaniem danych.
Modbus RTU (skrót od Real Time Unit – oznacza, że komunikacja odbywa się z kontrolą czasu rzeczywistego) jest najczęściej używany w komunikacji szeregowej. Bajty w ramce są wysyłane binarnie jako znaki ośmiobitowe. Ramka zabezpieczona jest sumą kontrolną CRC, której zadaniem jest wykrycie przekłamań (w przypadku protokołu Modbus TCP w ramce nie znajduje się suma kontrolna ze względu na to, że niższe warstwy protokołu TCP zapewniają kontrolę błędów). Ważne jest, żeby ramka była przesyłana w całości – dopuszczalna przerwa między znakami nie może przekraczać 1,5 znaku. Dłuższa może być potraktowana jako przerwa kończąca ramkę.
Szeroki wachlarz możliwości sieci Profinet i Profibus
Popularnym rozwiązaniem jest również sieć Profibus-DP (Decentralized Peripherials), wskazana przez 66% użytkowników i 45% dostawców, a także sieć Profinet IO (PROcess Field NETwork), która otrzymała 39% wskazań użytkowników oraz 55% wskazań dostawców. Na uwagę zasługuje to, że właśnie Profinet IO został uznany przez 45% ankietowanych dostawców jako najbardziej dynamicznie rozwijający się obecnie protokół komunikacyjny. Tego samego zdania jest co czwarty sondowany użytkownik.
Jednym z największych dostawców sieci Profibus w automatyce przemysłowej na polskim rynku jest firma Siemens, jednak z uwagi na ogromną popularność urządzenia zgodne z tym standardem są wytwarzane przez wielu innych producentów.
Warto dodać, że Profinet jest otwartym protokołem komunikacyjnym o maksymalnym zasięgu 100 m, natomiast Profibus to protokół zamknięty, z maksymalnym zasięgiem wynoszącym 1200 m. Przeznaczony jest do obsługi urządzeń i modułów obiektowych na poziomie sieci fieldbus.
Sieć Profibus jest przeznaczona do zastosowań czasowo krytycznych, w komunikacji między systemami automatyki a przestrzennie rozłożonymi inteligentnymi urządzeniami peryferyjnymi. Zaletami tego rozwiązania są m.in.: prostota, niski koszt, a także duża szybkość transmisji w rozproszonych systemach automatyki. Sieć cechuje się dużą elastycznością – można do niej podłączyć urządzenia różnych producentów o skrajnie różnej funkcjonalności. Węzłami sieci mogą być zarówno proste urządzenia wejścia/wyjścia analogowe i cyfrowe, czujniki lub elementy wykonawcze, jak i komputery, sterowniki programowalne, falowniki, czy też terminale operatorskie.
Profibus-DP to z kolei protokół odpowiedni do transmisji szeregowej, w której może być wykorzystywany sygnał napięciowy lub prądowy. Co istotne, w czasie transmisji możliwa jest synchronizacja wejść i wyjść urządzeń. Do sieci Profibus-
-DP mogą być podłączone maksymalnie 32 urządzenia. Komunikacja odbywa się przez rozgłaszanie lub wysyłanie informacji typu peer-to-peer. Warto dodać, że fizycznym medium dla Profibus-DP jest RS-485 lub światłowód.
Sieć Profinet, która w warstwie fizycznej korzysta z Ethernetu, umożliwia połączenie większej liczby stacji w porównaniu do sieci polowych, a także zrealizowanie prostych, bezprzewodowych metod połączeń przy pomocy WLAN. Na uwagę zasługuje fakt, że zastosowanie sieci Profinet pozwala na dostęp do danych procesowych przy użyciu standardowych narzędzi biurowych. Dzięki protokołowi Profinet IO możliwa jest wymiana danych między urządzeniami w czasie rzeczywistym, co przekłada się na bardzo małe opóźnienia.
Warto dodać, że integracja sieci Profibus z Profinet nie jest trudna. Wystarczy specjalizowany router IE/PB, który pełni rolę konwertera standardów elektrycznych i zapewnia pełną kompatybilność sieci.
Inne rozwiązania
Oprócz dotychczas wymienionych protokołów dosyć dużym zainteresowaniem w aplikacjach przemysłowych cieszą się także CANOpen (24% użytkowników i 18% dostawców) oraz EtherCat (12% użytkowników i 27% dostawców). Natomiast mniej niż 10% wskazań respondentów uzyskały takie protokoły, jak: DeviceNet, Ethernet Powerlink oraz CC Link (rys. 1). Wśród niewyszczególnionych na rysunku protokołów komunikacyjnych (odpowiedź „inne”) znalazły się np.: IO-Link, BACnet, IEC61850, SafetyNET oraz DMCNET.

Przyszłość należy do Ethernetu
Biorąc pod uwagę dużą popularność rozwiązań bazujących na Ethernecie oraz ich szybkie tempo rozwoju, redakcja zapytała obie grupy biorące udział w sondażu, czy rozwiązania te w przyszłości zastąpią pozostałe. Okazuje się, że 67% użytkowników i aż 91% dostawców nie ma żadnych wątpliwości co do tego, że tak się właśnie stanie. Powodem jest ogromna ilość korzyści wynikających z zastosowania sieci Ethernet w przemyśle. Zdaniem respondentów głównymi zaletami Ethernetu są m.in.: prostota budowy oraz rozbudowy już działających systemów, łatwy dostęp do niezbędnych podzespołów służących do budowy sieci oraz do wiedzy na ten temat, korzystna cena implementacji, duża prędkość przesyłu danych, rosnąca z roku na rok popularność, dostępność, uniwersalność, elastyczność, duża przepustowość, odporność na zakłócenia elektromagnetyczne EMI i radiowe RFI, wydajność, wygoda w stosowaniu, możliwość udostępniania wizualizacji procesu technologicznego w typowej przeglądarce WWW oraz łatwość serwisowania.
Pozostały odsetek ankietowanych uważa, że rozwiązania bazujące na Ethernecie nie zastąpią w przyszłości pozostałych, głównie z tego powodu, że nie wszędzie można je zastosować. Poza tym są obszary, gdzie inne standardy wciąż mają mocną pozycję, np. CAN w motoryzacji. Co istotne, zdaniem ankietowanych nie wszędzie zachodzi konieczność stosowania takich rozwiązań. W opinii użytkowników Ethernet może zastąpić komunikację na poziomie automatyki i zarządzania, ale już na poziomie urządzeń wykonawczych z pewnością nie.                              
Dostawca PLC – główne kryterium wyboru
Jeśli chodzi o kryteria brane pod uwagę podczas wyboru protokołu komunikacyjnego, to można zaobserwować pewną jednomyślność wśród obu ankietowanych grup. Jak zostało to zobrazowane na rys. 2, czynnikiem decydującym o wyborze jest przede wszystkim dostawca PLC. Twierdzi tak 64% użytkowników i 73% dostawców. Drugim ważnym kryterium są parametry techniczne, a trzecim – cena. Narzut klientów końcowych oraz udział w rynku mają dużo mniejsze znaczenie. Warto dodać, że wśród odpowiedzi „inne” pojawiły się m.in. takie czynniki, jak: dostęp do wsparcia technicznego i serwisu (support), łatwość wykorzystania czy standaryzacja.

Mówiąc o cenie, należy podkreślić, że 58% respondentów uważa, iż koszty wdrożenia w zakładzie przemysłowym sieci komunikacyjnej są jak najbardziej adekwatne do oferowanych przez nie możliwości. Pozostały odsetek ankietowanych twierdzi, że cena jest zbyt wygórowana.
Wizje sprzedaży i plany zakupowe
Aż 91% ankietowanych dostawców jest przekonanych, że w ciągu najbliższych kilku lat nastąpi wzrost sprzedaży rozwiązań opartych na ethernetowych protokołach komunikacyjnych (Profinet-IO, Ethernet/IP, Modbus TCP, EtherCAT). Wśród czynników mających wpływ na tę sytuację zostały wymienione: łatwość implementacji, coraz większy nacisk dostawców, włączanie do sieci Ethernet coraz większej liczby urządzeń, dostępność i korzystna cena sprzętu, niezawodność rozwiązań, wzrost liczby instalacji opartych na protokołach sieciowych, a także łatwość przejścia na połączenie bezprzewodowe oraz sukcesywna migracja z protokołów szeregowych i własnych rozwiązań producentów do otwartych standardów.
Jeśli chodzi o ostatni z wymienionych czynników, to – jak tłumaczy Cezary Kalista, menedżer sprzedaży w firmie Antaira Technologies – warto wybierać otwarte, dobrze udokumentowane standardy. Niektórzy producenci wprowadzają i promują własne rozwiązania, aby zawłaszczyć część rynku. Zmiana standardu w całym przedsiębiorstwie zwykle jest potem bardzo kosztowna.
Wracając do przewidywań sprzedaży rozwiązań bazujących na ethernetowych protokołach komunikacyjnych, to w przekonaniu 9% respondentów sytuacja sprzedażowa nie ulegnie zmianie. Wśród ankietowanych pojawiająsię głosy, że na wyniki sprzedażowe mają wpływ dwa antagonistyczne czynniki – z jednej strony mamy do czynienia z inwestycjami dużych koncernów i rozwojem branży IT, a z drugiej – z brakiem środków w polskich firmach.
Jeśli chodzi o wydatki planowane na zakup rozwiązań opartych na ethernetowych protokołach komunikacyjnych , to – jak pokazano na rys. 3 – w ciągu najbliższych lat budżet na to przewidziany zwiększy się (73%), pozostanie bez zmian (21%) lub się zmniejszy (6%).

Osoby planujące zwiększenie wydatków na ten cel uważają, że instalacje ethernetowe w rzeczywistości zmniejszają koszty funkcjonowania infrastruktury sieciowej i systemów automatyki, komunikacji danych. Plany zakupowe są podyktowane przede wszystkim chęcią ujednolicenia komunikacji, ciągłym zwiększaniem wymagań względem instalacji, rosnącym zapotrzebowaniem na systemy czasu rzeczywistego oraz coraz większą dominacją sieci ethernetowych, a także coraz bardziej zintegrowanym sterowaniem w liniach technologicznych. Użytkownicy coraz częściej budują urządzenia oparte na sieciach.             
Z kolei respondenci deklarujący zredukowanie w ciągu najbliższych lat wydatków na zakup rozwiązań opartych na ethernetowych protokołach komunikacyjnych uważają m.in, że są one nieodporne na ataki zewnętrzne.
Natomiast w przypadku rozwiązań opartych na protokołach komunikacyjnych niebazujących na Ethernecie (Profibus-DP, DeviceNet, Modbus RTU, Can-Open, CC-Link), prognozy sprzedażowe nie są już tak optymistyczne. W opinii 55% dostawców w ciągu najbliższych lat ich sprzedaż zmniejszy się, głównie ze względu na migrację w kierunku protokołów ethernetowych. Natomiast 36% dostawców przewiduje, że sytuacja sprzedażowa pozostanie bez zmian, a 9% – że ulegnie poprawie. Wszak standardowe rozwiązania sieciowe, jak twierdzą ankietowani, wciąż cieszą się dużą popularnością, a ponadto w niektórych zastosowaniach interfejs szeregowy jest wystarczający i tańszy niż Ethernet.
Czas przyjrzeć się planom zakupowym ankietowanych użytkowników. Okazuje się, że wydatki na zakup rozwiązań niebazujących na Ethernecie pozostaną bez zmian (36%), zmniejszą się (34%) bądź zwiększą (30%).

Sieci bezprzewodowe
Obok dominujących w przemyśle rozwiązań przewodowych istnieją i są wdrażane w aplikacjach przemysłowych również sieci bezprzewodowe, które są stosowane głównie w tych miejscach, w których połączenie kablowe jest trudne do zrealizowania bądź koszt położenia przewodów do transmisji danych pozostaje zbyt wysoki i nieuzasadniony.
Transmisja bezprzewodowa ma zarówno swoich zwolenników, jak i przeciwników. Ci ostatni twierdzą, że jest ona dużo bardziej zawodna, a korzystanie z niej często wiąże się z opóźnieniami. Natomiast zwolennicy podkreślają, że rozwiązanie to umożliwia szybką instalację, obniżenie kosztów wdrożenia, a także pozwala na swobodę projektowania systemów automatyki. Ponadto uważają oni, że ten rodzaj komunikacji w żaden sposób nie wpływa na niezawodność transmisji danych. Warunkiem sprawnie funkcjonującej sieci bezprzewodowej jest jednak uwzględnienie jej na etapie projektu oraz wdrożenia wielu różnych czynników, takich jak np. zakłócenia elektromagnetyczne. Dokładne przeanalizowanie wymagań środowiska panującego w danym zakładzie przemysłowym jest w tym wypadku koniecznością.
Oprócz radiomodemów, WiFi, modemów GSM i innych rozwiązań, takich jak np. WirelessHART, w zakładach przemysłowych głównie wykorzystuje się standardy Bluetooth i ZigBee. Służą one do bezpośredniej obsługi różnego typu czujników i urządzeń wykonawczych.
Przykładowo, ZigBee doskonale nadaje się do monitorowania czujników zasilanych bateryjnie, które są rozłożone na dużym obszarze. Natomiast do monitorowania czujników rozłożonych na niewielkim obszarze z powodzeniem można zastosować technologię Bluetooth lub jej rozszerzenie – BLE (Bluetooth Low Energy). Rozwiązania te sprawdzą się również jako zamiennik technologii komunikacyjnej „punkt-punkt”.
Decydując się na określony standard, warto pamiętać o tym, że nie ma jednego najlepszego rozwiązania. Wszystko zależy od wymogów danego systemu.
Czy najbliższa przyszłość będzie należała do technologii bezprzewodowych? W opinii Kamila Wachowicza, menedżera produktu w firmie Phoenix Contact, rozwiązania oparte na komunikacji bezprzewodowej są obecnie coraz częściej wybierane ze względu na wygodę.
– Nie trzeba prowadzić drogich sieci kablowych, przepustowość oraz zasięg tych systemów stale rośnie – mówi. – Przykładem są systemy bezprzewodowe oparte na Trusted Wireless, które są w stanie przesyłać sygnały I/O na odległości do 20 km. Rosnąca popularność jest związana również z darmowym dostępem do częstotliwości używanych przez urządzenia bezprzewodowe: 2400 GHz, 900 MHz i najnowszej 868 MHz.
Co ciekawe, częstotliwość 868 MHz, używana obecnie przez systemy bezprzewodowe Trusted Wireless, była w przeszłości stosowana przez wojska NATO, które zwolniły ją w 2012 r., udostępniając do ogólnego użytkowania.
Mówiąc o rozwiązaniach bezprzewodowych, należy zwrócić uwagę na jeszcze jedną ważną kwestię. Jest nią pojawienie się platformy Internetu Rzeczy (Industrial Internet of Things – IIoT). Zważywszy na ten fakt, można w najbliższym czasie przewidywać wzrost liczby aplikacji korzystających z łączy bezprzewodowych. W przypadku coraz większej liczby urządzeń konieczna stanie się ich łączność z Internetem, która niewątpliwie często będzie realizowana w sposób bezprzewodowy.
Raport powstał w oparciu o dane uzyskane z ankiety przeprowadzonej wśród Czytelników magazynu „Control Engineering Polska”. Przy tworzeniu raportu bazowano też na informacjach pochodzących od dostawców rozwiązań związanych z obszarem przemysłowych sieci komunikacyjnych. Raport nie odzwierciedla pełnego obrazu rynku.
Autorka: Agata Abramczyk jest absolwentką filologii polskiej o specjalności edytorskiej na Uniwersytecie Wrocławskim oraz studiów podyplomowych z zakresu redakcji językowej tekstu na Uniwersytecie Warszawskim. Od wielu lat związana jest z branżą dziennikarską i wydawniczą. Jest pasjonatką nowoczesnych technologii.