Komunikacja sieciowa w przemyśle

Czwarta rewolucja przemysłowa to automatyka przemysłowa i nowoczesna technologia towarzysząca każdemu procesowi produkcyjnemu.

To dzięki systemom komunikacyjnym możliwe jest kontrolowanie pracy urządzeń poprzez zbieranie coraz większej ilości danych, a także integrowanie produkcji z systemami IT.

Sieć przemysłowa – co to jest?

Sieć przemysłowa to nic innego jak komunikacja przez sieć teleinformatyczną łącząca i umożliwiająca komunikowanie się różnych urządzeń w jednolity, ustandaryzowany sposób w warunkach przemysłowych. Sieć przemysłowa zapewniająca komunikację w przemyśle musi być niezawodna, aby przeprowadzane procesy mogły działać prawidłowo. Komunikacja sieciowa w przemyśle ma gwarantować stabilność i bezpieczeństwo.

Zagrożenia dla systemów sieci przemysłowej

Sieć przemysłowa, a przez to i komunikacja może być zagrożona ze względu na warunki przemysłowe, w których pracuje, a które nie należą do najłatwiejszych. Do czynników, które mogą zaszkodzić sieci przemysłowej należą:

• zanieczyszczenia
• wysokie temperatury
• wilgotność, drgania i wstrząsy
• zakłócenia elektromagnetyczne
• pyły i kurze
• duże odległości między urządzeniami
• opary i mgły olejowe
• substancje chemiczne
• zagrożenia sieciowe

Dane, które wykorzystuje komunikacja sieciowa w przemyśle

Przemysłowa komunikacja sieciowa to dane o niewielkim rozmiarze (na przykład jedno słowo) przesyłane bardzo często. Dane takie to na przykład:

• komenda stop/start
• wartość pomiarowa
• komenda wartości do regulatora

Ethernet

Ethernet to standard komunikacji, która powstała w latach 70. Ethernet powstał by połączyć sieci urządzeń w środowisku lokalnym, czyli LAN – Local Area Network. Od tamtej pory rozwiązanie jakim jest Ethernet możemy znaleźć w naszych domach, biurach i zakładach przemysłowych. Kabel Ethernetowy łączy się z routerem i pozostałymi sprzętami dzięki czemu dane są przesyłane. Istotną sprawą w poprawnym funkcjonowaniu Ethernetu jest fakt, że oba końce kabla muszą znajdować się w odpowiedniej od siebie odległości, a także nie mogą znajdować się w pobliżu urządzeń elektrycznych. Duża przerwa będzie powodowała problemy z szybkością połączenia. Ethernet to skalowalność, bezpieczeństwo, niskie koszty infrastruktury, a także możliwości łatwej integracji z systemami informatycznymi.

Modbus TCP          

Modbus TCP to protokół komunikacyjny, który został opracowany na sieci Modbus RTU. Dane nie są przesyłane łączami szeregowymi, a siecią ethernetową, która jest standardem obsługiwanym przez wielu producentów. Istotne jest, że Modbus, tak jak i Ethernet jest protokołem otwartym i ogólnodostępnym, co sprawia że cieszy się tak dużą popularnością. W komunikacji sieciowej opartej na Modbus TCP występuje rozróżnienie urządzeń nadrzędnych i podrzędnych.  Sieć oparta na tym protokole stwarza możliwość większej kontroli nad nadzorem transmisji, przez co zwiększa niezawodność i przyczynia się do zwiększenia efektywności procesów przemysłowych.

Przemysłowy Ethernet/IP

Jednym z przykładów przemysłowego wykorzystania Ethernetu jest Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol), który został opracowany przez Rockwell Automation. Wykorzystano w nim protokół CIP (Common Industrial Protocol). Komunikacja, którą zapewnia Ethernet/IP jest bardzo prostym uzupełnianiem parametrów, które zapisywane są w tabelce. Można wyróżnić dwa rodzaje takich wiadomości. Pierwszy rodzaj to dane niekrytyczne takie jak dane diagnostyczne, i jest do tego wykorzystywany protokół TCP. Do danych bardziej priorytetowych, które muszą zostać przekazane w czasie rzeczywistym wykorzystuje się protokół UDP. 

Profinet

Profinet to protokół występujący w kilku różniących się od siebie dwoma wymaganiami wersjach.  Pierwsze wymaganie, które stawia specyfika zakładu produkcyjnego i linia produkcyjna to czas transmisji. Dane krytyczne muszą zostać przekazane natychmiast (real time), a dane diagnostyczne okresowo. Druga kategoria, którą bierzemy pod uwagę przy wyborze protokołu to stopień zgodności ze standardem Ethernetu. Protokół został opracowany przez firmę Siemens i organizację PNO (Profibus User Organizator) i cechuje się kompatybilnością również z klasycznymi urządzeniami stosowanymi w automatyce przemysłowej.

EtherCAT

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) w przeciwieństwie do jednowęzłowego Ethernetu to protokół umożliwiający przesyłanie informacji do wielu węzłów sieci jednocześnie. Realna liczba danych krytycznych, które muszą zostać przekazane w czasie rzeczywistym jest bardzo, bardzo mała. Dlatego protokół ten jest wyjątkowy ze względu na brak podziału danych na krytyczne (priorytetowe) i mniej ważne. Nie dzieli danych, ani nie nadaje wszystkim statusu priorytetu. Dzięki wysokiej prędkości przekazywania danych jest cenionym standardem w przemyśle. EtherCAT został wprowadzony na rynek przez EtherCAT Technology Group.

Powerlink

Powerlink to również jeden ze standardów Ethernetu i jest protokołem czasu rzeczywistego (real time), którego czas reakcji wynosi mniej niż 0,5 milisekundy. Dane są przekazywane szybko i precyzyjnie, a dodatkową zaletą tego standardu jest brak wymagań sprzętowych ponieważ Powerlink może pracować na standardowych urządzeniach sieciowych. Standard ten jest najszybszym rozwiązaniem i to właśnie do niego należy światowy rekord prędkości sieci.

Sieci bezprzewodowe

W dobie komunikacji bezprzewodowej warto zadać pytanie, czy Ethernet ma jeszcze sens. Dla przemysłu Ethernet to podstawa funkcjonowania ze względu na niezaprzeczalną stabilność połączenia sieciowego. Bezprzewodowy Internet może napotykać problemy takie jak tracenie sygnału. Ethernet to rozwiązanie, które jest najlepszym sposobem na komunikację sieciową w przemyśle, bo każdy przemysł potrzebuje niezawodności i stałego, nieprzerwanego monitorowania i diagnostyki linii produkcyjnej.

Power over Ethernet

Bardzo istotnym zagadnieniem jest PoE lub PoE+ (Power over Ethernet / +) i warto tu o tym wspomnień. PoE to nic innego jak umożliwienie kablom Ethernet dostarczania zasilania do urządzeń sieciowych w ramach transmisji danych. Zdecydowanie upraszcza to okablowanie sieci, zmniejsza powierzchnię potrzebną do zbudowania takiej sieci i zmniejsza awaryjność układu poprzez mniej komponentów.

Bluetooth i ZigBee

Sieć bezprzewodowa w postaci Bluetooth lub sieci ZigBee znajduje zastosowanie przede wszystkim w automatyce budynkowej i odpowiada za urządzenia wykonawcze oraz czujniki. Bluetooh działa świetnie w małych sieciach, które wyposażone są maksymalnie w siedem urządzeń i cechuje go wysoka niezawodność. ZigBee to doskonała alternatywa dla Bluetootha i sprawdzi się jeśli potrzebujemy przesyłać dane na większe odległości i nie zależy nam na czasie.

Urządzenia do komunikacji sieciowej:

• Switche przemysłowe, switche PoE (przełączniki sieciowe)

• Konwertery szeregowe i światłowodowe

• Serwery portów szeregowych

• Obudowy zewnętrzne

• Złącza przemysłowe

• Routery przemysłowe

• Zasilacze awaryjne dla przemysłu

• Przemysłowe rozdzielacze sygnału

• Modemy przemysłowe

• Karty sieciowe

• Huby sieciowe

• Transmitery

• Mosty sieciowe

Komponenty do pracy w przemyśle cechują się odpornością środowiskową i niezawodnością, ale także możliwością pracy w czasie rzeczywistym, co jest niezwykle istotne w przypadku sterowania parkiem maszyn.