Průmyslová komunikace

Navrhování komunikace mezi stroji pro průmyslové aplikace

Komunikace mezi stroji pro průmyslové aplikace

Proč průmyslové aplikace vyžadují různé komunikační protokoly?

Průmysl 4.0 může být v současné době žhavým průmyslovým tématem, nicméně stroje spolu v průmyslovém prostředí komunikují již po celá desetiletí. Komunikace mezi stroji (M2M) poskytuje v řízení procesů, automobilovém průmyslu, robotice nebo výrobě potravin a nápojů obrovský nárůst účinnosti a spolehlivosti.

Pochopením toho, jak každý stroj pracuje, a umožněním přímé komunikace mezi stroji můžeme získat významné úspory a zvýšit systémovou integraci umožňující řešení celého procesu.

Vyšší rychlost – pokud si myslíte, že rychle komunikujete, tak stroje komunikují rychleji. Pochopení toho, jak síť strojů v procesu funguje spolu s jejich mírou zatížení a propustnosti, umožní rychlejší úroveň výroby. Usnadněním deterministických sítí a systémové analýzy v reálném čase systém funguje jako celek za účelem optimalizace výroby.

Kvalita a kontrola – se sítí snímačů po celém procesu může být každý prvek výroby blížeji sledován. Jak se snímače stávají přesnějšími a strojové vidění stále ostřejším, pece mohou být důsledněji udržovány při správné teplotě, robotické paže mohou pracovat přesněji a defekty mohou být efektivněji izolovány a odstraněny.

Preventivní údržba – stejně tak jak Vám Vaše auto řekne, že má jít do servisu, řeknou Vám to i stroje. Ať už dojde k "přepřažení" stroje po odpracování určitého počtu hodin anebo je upozorněn řadič na možné selhání komponent, průmyslová komunikace snižuje prostoje tím, že spíše nařídí údržbu než by požádala o nouzovou opravu.

Začlenění této úrovně komunikace bývalo složité, pevné a drahé externí řešení. Jelikož se automatizační systémy vyvíjejí a mezi stroji je zákazníky očekávána vysoká úroveň komunikace jako norma, je vyšší integrace elektroniky zásadní. Robustní komunikace v reálném čase od programovatelných automatů (PLC) k dopravníkovým pásům a průmyslovým periferním zařízením je stále chytřejší a jejich řešení jsou stále menší, pružnější a odolnější.

Za účelem podpory drsných podmínek a prostředí průmyslových aplikací existuje celá řada úvah, že musí být vzata všechna řešení v úvahu. Pro bezdrátovou komunikaci musí být jasně chápány tyto úvahy.

Instalovatelnost v terénu – v zájmu snížení prostojů a provádění údržby a oprav musí být jakákoliv inteligentní aktiva připojená do sítě za provozu vyměnitelná. Toto znamená, že je možné je přidávat nebo odebírat ze sítě, když je systém v provozu, což také znamená, že veškerá komunikace vyžaduje určitý stupeň síťového řízení toku a prioritizaci zpráv.

Vysoká spolehlivost
 – pro kritické nebo bezpečnostní systémy je důležité, aby komunikace byla spolehlivá, včasná a nesmí být předmětem častých přerušení nebo nedoručených zpráv. Jakékoli selhání zprávy, které se vyskytne v komunikaci, musí vést k bezpečné situaci.

Robustnost – průmyslové aplikace jsou často vystaveny obzvláště náročnému prostředí. Může to být prach, tekutiny, vysoké teploty, tlaky nebo vysoké napětí. Je třeba vzít v úvahu krytí (IP) spojů a krytů IP69. Za účelem ochrany před expozicí vysokému napětí, přechodovým jevům a zkratům musí být spoje schopny poskytnout izolovanou komunikaci. 5kVrms a výše není nic neobvyklého.

Stínění EMI – elektromagnetické rušení (EMI) z indukce, vazby nebo vedení může pocházet z motorů, pohybu tekutin, spojení přes blízké kabely, pece nebo spínací zatížení. EMI může přerušit signály nebo způsobit nechtěné poslání zpráv. Bezdrátové signály jsou nejvíce náchylné k EMI, a proto je upřednostňována kabelová komunikace.

Co je komunikační protokol HART?

Protokol HART (Highway Addressable Remote Transducer) se stal otevřeným protokolem v roce 1986. Teď je 30 let poté a průmyslový internet věcí nebo Průmysl 4.0 ho shledává stejně relevantním.

Použitím standardu klíčování frekvenčním posuvem (FSK) přidává protokol HART další nízkoúrovňový digitální signál navíc k 4-20mA. HART nese obousměrnou digitální informaci přes analogové vodiče ze snímačů a nástrojů v terénu do širších hostitelských systémů a procesních, bezpečnostních nebo řídicích aktiv. Za účelem robustnějšího poskytnutí důležitých informací analogový 4-20 mA signál přenáší naměřenou hodnotu ze snímače. Méně kritické informace, jako jsou diagnostika nebo sekundární hodnoty, se přenáší pomocí digitálního signálu, což vede ke snadno konfigurovatelnému robustnímu komunikačnímu řešení.

Co je protokol automatizace EtherCAT?

EtherCAT navazuje na známý standard Ethernet, nicméně přidává komunikaci v reálném čase a mnohem větší flexibilitu v topologii. EtherCAT je nejrychlejší komunikační technologie používaná v průmyslových aplikacích. V synchronizaci na nanosekundy EtherCAT poskytuje značné zvýšení výkonu oproti jiným protokolům. Rychlost a přesnost EtherCATu umožňuje snížení dob čekání a přechodů systému s výsledkem větší efektivity v systému jako celku.

Na rozdíl od Ethernetu sítě EtherCAT nepožadují rozbočovače nebo přepínače a zařízení pro automatickou detekci odkazů mohou být přidána a odstraněna podle potřeby. Toto umožňuje úplnou flexibilitu v topologii a struktuře sítě. U bezpečnostně kritických aplikacích splňuje standard funkční bezpečnosti přes EtherCAT (FSoE) požadavky pro systémy SIL3 osvědčené skrze certifikovaná zařízení TÜV. EtherCAT poskytuje rychlou a stabilní úroveň komunikace za přijatelnou cenu, a bez zvláštních karet rozhraní mohou být řadiče EtherCAT rychle a snadno implementovány s mikroprocesory programovatelných hradlových polí (FPGA).

Co je Profinet a Profibus?

Stejně jako EtherCAT je Profinet modifikovaným standardem Ethernetu pro použití v průmyslových aplikacích, ale může být blíže k Ethernetu, jaký máte doma nebo v kanceláři. Vzhledem k jeho podobnosti ho lze do bezdrátových sítí nebo mobilních zařízení napojit pomocí rozbočovače, přepínače anebo přes WLAN nebo Bluetooth. Takže zatímco je více omezen tím, že má být napojen do tradičních síťových topologií, flexibilita schopnosti komunikovat s ostatními zařízeními standardu zaručuje úspěch ProfiNet jakožto komunikační sítě pro průmyslové aplikace s více než 9,8 milionu prostřednictvím PROFINETu připojených zařízení do konce roku 2014.

Zdaleka nejplodnějším průmyslovým komunikačním standardem je Profibus, aplikačně nezávislý sběrnicový protokol s více než 50 miliony zařízení instalovaných do konce roku 2014. Profibus je tradičně přenášen přes kroucené dvoulinky RS-485, což znamená, že je možné ho instalovat za nízkou cenu a může pracovat na dlouhé vzdálenosti v prostředích s elektrickým rušením, takže je ideálním pro použití v průmyslových aplikacích.

Co je protokol CAN?

Sběrnice CAN (Controller Area Network) se tradičně nachází v automobilech a vozidlech pro komunikaci bez potřeby centrálního řadiče, například elektricky ovládaných oknech. Není to protokol v reálném čase, nicméně je ideální pro nízkonákladovou implementaci mezi mikroprocesory. Díky své jednoduchosti, široké dostupnosti a robustnosti (plnící vysoké požadavky automobilového průmyslu) si CAN našla svou cestu do průmyslových aplikací.

Potřeba izolace

Průmyslová prostředí jsou ve své podstatě elektricky hlučná. U motorů a kabelů vysokého napětí v těsné blízkosti jemné elektroniky je důležité, aby byly chráněny proti přechodným napětím. V případě izolování připojení buď opticky nebo digitálně je nemožné, aby tyto vysoké špičky napětí poškodily komponenty, které budou vhodnější pro 5V než 1 kV.

Optické a digitální izolátory vytvářejí fyzický banner uvnitř integrovaného obvodu, aby se zabránilo tomu, že špičky zasáhnou elektroniku, nicméně aby nadále zprostředkovávaly signál, který přenášely. Digitální izolátory nabízejí novou alternativu k tradičním optočlenům s vysokou spolehlivostí, dlouhou životností a vyšší integritou dat až 10kV a více.