Sieci obiektowe czujników w systemach automatyki ? nowoczesne i ważne rozwiązanie technologiczne

Czy sieci automatyki przemysłowej spełniają swoje zadania i oczekiwania użytkowników? Czujniki to jeden z ich najistotniejszych elementów i niezależnie od obecnie modnych i rozwijających się standardów komunikacji sieciowej, zawsze powinny działać niezawodnie, dostarczając do systemu sterowania i monitoringu niezbędne dane procesowe.
Zastosowanie sieci czujników poziomu obiektowego pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze oraz uniknąć wszelkich kłopotów z kompatybilnością różnych modułów (układy I/O, czujniki oraz moduły bezpieczeństwa) na poziomie obiektowym, również tych wyposażonych w interfejsy tak wydawałoby się uniwersalne jak Ethernet.
W drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych ubiegłego stulecia niemal każdy producent sterowników PLC opracowywał własny protokół i technologię komunikacji sieciowej dla zastosowań w przemyśle ? tzw. systemy firmowe. Modbus, Profibus, CC-Link, Device-Net i wiele innych powstało w bardzo krótkim czasie, a każdy z nich obiecywał rozwiązanie i obsługę zasadniczych dla automatyków kwestii: niezawodność, prostotę budowy i organizacji sieci i determinizm czasowy wymiany danych, przy jednoczesnym zachowaniu konkurencyjności cenowej z konwencjonalnymi, stosowanymi wówczas rozwiązaniami technik automatyki przemysłowej. Wprowadziło to spore zamieszanie na rynku automatyki, a niejednokrotnie prowadziło do problemów, gdyż dostępne standardy nie były ze sobą kompatybilne.
Klienci preferujący inny określony typ sterowników, decydując się na ich zakup byli zmuszeni do korzystania z technologii sieciowych oferowanych przez danego producenta. Sytuacja komplikowała się jeszcze bardziej, gdy po kilku latach okazywało się, że dany producent zdecydował się jednak na zmianę technologii komunikacyjnej lub też wprowadzenie nowego standardu.
Obecnie tendencją w komunikacji danych dla aplikacji przemysłowych jest wejście w systemy otwarte oraz te bazujące na standardzie Ethernet. Nie oznacza to wcale, że będzie to najlepsze rozwiązanie na zawsze, ale widać wyraźnie, że przynosi ono automatykom i użytkownikom wiele korzyści. Niestety, nie mogą tego samego powiedzieć producenci urządzeń automatyki, gdyż wejście w ujednolicony standard stwarza ich klientom możliwość wyboru innych rozwiązań, sterowników, czujników itp., a zatem prowadzić musi do obniżenia cen i zmierzenia się z konkurencją.
Zmarnowane zasoby
Zamiast skupiać się na rozwoju zastosowań prostych interfejsów komunikacyjnych np. dla systemów platform RFID, producenci urządzeń automatyki musieli rozwinąć nowe rodzaje technologii komunikacji również w ramach istniejących już standardów własnych, jak: DeviceNet, Modbus TCP, Profinet, EtherNet/IP, Profibus, CC-Link. Lista ta wciąż się wydłuża. To samo dotyczyło wprowadzenia interfejsów sieciowych w urządzeniach: enkoderach, kamerach i innych powszechnie stosowanych dziś w aplikacjach przemysłowych. Okazuje się jednak, że nawet te protokoły, bazujące na standardzie Ethernet w warstwie fizycznej urządzeń, wymagają niejednokrotnie zastosowania dedykowanych rozwiązań sprzętowych. Jest to element niekompatybilności.
Początkowo sytuacja nie była taka zła. Na przykład jeszcze nie tak dawno firma mogła wyprodukować sterownik dla technologii RFID, który mógł obsłużyć jednocześnie cztery niekompatybilne ze sobą protokoły komunikacji (Modbus TCP, TCP/IP, Profinet i EtherNet/IP) w ramach tego samego modułu sprzętowego. Klienci mogli zatem kupić jedno urządzenie i bez wprowadzania dodatkowych zmian czy modyfikacji, podłączyć je do sieci z komunikacją w jednym z tych czterech standardów bazujących na protokole Ethernet i sterować nim za pośrednictwem sterowników PLC lub innych modułów. Cechowały się one zatem dość wysokim stopniem swobody operacyjnej, możliwością implementacji w istniejących już sieciach oraz dawały możliwość wyboru konkretnej technologii komunikacyjnej.

W najbliższej przyszłości, jak się wydaje, z powodu wprowadzania pewnych zmian w protokołach Ethernetu przemysłowego (promowanych oczywiście jako jego znaczący rozwój), podobna sytuacja nie będzie już możliwa. Ten sam moduł z komunikacją standardu Profinet będzie wymagać użycia dedykowanego sprzętu, jak to ma miejsce w przypadku standardu EtherCAT. Na razie EtherNet/IP i Modbus/TCP mogą współistnieć na tym samym sprzęcie. Mógłby zatem ktoś zapytać, czy standard Ethernet wnosi jakieś znaczące korzyści dla tych standardów? We współczesnym świecie technologii automatyki i komunikacji danych być może nie jest to tak istotne, ale konieczność dublowania modułów komunikacyjnych dla różnych interfejsów sieciowych w tym samym module podniesie jego koszt. Czy to rzeczywiście jest konieczne?
Kompatybilność niskiego poziomu
Z punktu widzenia obsługi czujników i urządzeń wykonawczych związanych z bezpieczeństwem procesu, rozwiązania połączeń sieciowych na poziomie obiektowym są akceptowalne dla większości współczesnych sterowników PLC. Jeżeli jednak dana technologia sieciowa nie jest odpowiednia do interfejsów urządzeń obsługujących większe pakiety danych (systemy RFID, napędy, interfejsy HMI itp.), idealnym rozwiązaniem będzie instalacja modułów binarnych i klasycznych urządzeń bezpieczeństwa (wyłączniki bezpieczeństwa, wyłączniki i zamki drzwi bezpieczeństwa, kurtyny itp.), podłączenie ich do I/O sterowników PLC i powierzenie właśnie im klasycznych metod sterowania cyfrowego I/O binarnymi (zawory, syreny, wskaźniki, sygnalizatory). W odróżnieniu od standardu Ethernet, proponowane rozwiązanie komunikacji sieciowej poziomu obiektowego jest efektem wspólnych prac 11 firm branży automatyki przemysłowej. Po opublikowaniu podstawowych założeń tej technologii do działań rozwojowych dołączyły się inne firmy i podmioty, wszystkie znane i uznane na rynku za swoje produkty: sterowniki PLC, czujniki, zawory oraz moduły bezpieczeństwa. Wprowadzony na rynek w roku 1994 standard AS-Interface jest obecnie znany na całym świecie i został wdrożony w licznych aplikacjach przemysłowych na poziomie obsługi komunikacji między modułami obiektowymi. Z interfejsem tym pracuje już ponad 20 milionów urządzeń, a zatem można stwierdzić, że jest to uniwersalny standard sieciowy w automatyce przemysłowej. Około 300 dostawców na świecie oferuje:

  • _moduły I/O binarnych ? moduły te pozwalają na przyłączenie i obsługę przez sterowniki PLC praktycznie wszystkich klasycznych typów czujników. AS-Interface to technologia komunikacji deterministycznej w czasie rzeczywistym, w najgorszym razie zapewniająca czas obsługi czujnika na poziomie 10 ms. Ta najgorsza sytuacja oznacza, że sterownik obsługuje 248 wejść stanowych. Przy mniejszej ich liczbie szybkość obsługi (odświeżania) wzrasta
  • moduły I/O analogowych ? większość przemysłowych systemów sterowania ma zwykle dość znaczącą liczbę I/O cyfrowych oraz niewielką liczbę sygnałów analogowych. Zwykle są one znacznie wolniejsze w obsłudze i przetwarzaniu od sygnałów cyfrowych. AS-Interface umożliwia ich transmisję wraz z sygnałami cyfrowymi z szybkością odświeżania na poziomie 35 ms i mniej;
  • wskaźniki i przyciski ? to kolejna grupa urządzeń obsługiwanych przez moduły I/O. W ich przypadku czas przetwarzania sygnału nie ma tak krytycznego znaczenia, ale istotna jest łatwość instalacji i obsługi. Np. kolumna z czterema lampkami sygnalizacyjnymi, popularna w aplikacjach przemysłowych, montowana jest dzięki interfejsowi AS-Interface w ciągu kilku sekund.
  • moduły bezpieczeństwa ? przez ponad 10 lat rozwiązania obsługi funkcjonalności bezpieczeństwa były i pozostają jednym z największych atutów interfejsu AS-Interface. Oferuje on bowiem znacznie niższe koszty zakupu modułów i prostszą ich instalację, w stosunku do dedykowanych sterowników bezpieczeństwa PLC. W większości przypadków możliwe jest wyeliminowanie ponad 90% okablowania, w stosunku do klasycznych aplikacji ze wspomnianymi sterownikami. Znacznie łatwiejsze jest również projektowanie struktury systemów z funkcjami bezpieczeństwa oraz ich implementacja. Po pierwsze przyłącza się fizycznie moduły sprzętowe do sieci AS-Interface, a następnie połączenia logiczne ? funkcjonalne realizowane są w oprogramowaniu integracyjnym metodą ?przeciągnij i upuść?.

Korzyści dla konstruktorów maszyn procesowych
Konstruktorzy maszyn doceniają jeszcze inne cechy standardu AS-Interface. Ze względu na wysoki poziom uniwersalności układów interfejsowych ? łatwość montażu, dopasowanie do płytek elektronicznych, system sterowania i bezpieczeństwa konstruowany dla maszyn obsługiwanych przez sterowniki PLC producenta ?A? może być stosunkowo łatwo ponownie wykorzystany w przyszłości, nawet przy zmianie sterownika na inny typ lub producenta ?B?, ewentualnie adaptowany do kolejnych rozwiązań systemowych, bazujących na innych platformach sprzętowych i sterownikach. To rozwiązanie znacznie korzystniejsze niż manewrowanie pośród różnych standardów komunikacji wyższego poziomu, opartych na Ethernecie, które jak się w praktyce okazuje, nie zawsze zapewniają pełną kompatybilność. Konieczny jest tylko jeden moduł bramek pomiędzy sterownikami PLC a siecią AS-Interface.
Użytkownicy mogą się cieszyć pełną kompatybilnością połączeń sieciowych. Przykładowo, jeżeli moduł sieciowy, działający w sieci zbudowanej nawet 19 lat temu, ulegnie awarii, może być w ciągu kilku minut zamieniony przez nowe urządzenie, realizujące te same, ale bardziej zaawansowane funkcje. Przy czym nie jest konieczne, by był to zmiennik pochodzący od tego samego producenta co oryginał. Może się zdarzyć, że stary system sieciowy nie wykorzysta pełni potencjału funkcyjnego nowego modułu, ale jest pewne, że będzie działał identycznie jak poprzednik.
Użytkownicy i integratorzy systemów automatyki chcą prostoty i niezawodności systemów. Próby z wprowadzeniem standardu Ethernet na poziom obiektowy sieci automatyki nie do końca sprostały oczekiwaniom.
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE