Rozwój interfejsów komunikacyjnych w przemysłowych systemach pomiaru masy
Praktycznie każda działalność wytwórcza w przemyśle nierozerwalnie związana jest z zadaniem pomiarów wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, w tym masy. Z wag korzysta prawie każda branża – od spożywczej, chemicznej, farmaceutycznej, przez przemysł ciężki, do transportu drogowego czy kolejowego. Początkowo stosowane były proste wagi mechaniczne, do obsługi których oraz rejestracji pomiarów konieczna była obecność człowieka. Postępująca automatyzacja wymusiła zmianę tej sytuacji.
Pojawienie się na rynku wag elektronicznych przyniosło całą gamę nowych możliwości, między innymi umożliwiło gromadzenie i przekazywanie informacji do systemów zewnętrznych. Pozwoliło także na współpracę z akcesoriami wagowymi wspomagającymi proces ważenia, automatyzując go jeszcze bardziej, co pozwoliło na skrócenie czasu i wyeliminowało w znacznym stopniu możliwość wystąpienia błędów.
RS-232
Pierwsze terminale wagowe wyposażane były w szeregowy interfejs komunikacyjny RS-232 umożliwiający współpracę z podstawowymi akcesoriami, przede wszystkim drukarkami, skanerami kodów kreskowych i czytnikami RFID. To w pewnym stopniu zwiększyło automatyzację procesu pomiaru masy. Skaner zapewniał możliwość identyfikacji produktu, czytnik RFID pozwalał na automatyczne logowanie operatora (zastosowań tak naprawdę może być wiele), a drukarka zapewniała archiwizację wyników. Ten uniwersalny interfejs znajdziemy praktycznie w każdym, nawet najprostszym terminalu wagowym, choć obecnie coraz częściej stosuje się USB (należy pamiętać, że przemysł niechętnie przyjmuje nowości w porównaniu do rynku konsumenckiego). Mimo iż zapewnia zdecydowanie większą prędkość transmisji danych niż RS-232, to jednak nie sprawdza się tak dobrze w przemyśle, jak w domu, ze względu na konieczność instalacji sterowników, a problemy z detekcją błędów – kiedy takowe wystąpią – powodują, że teoretycznie przestarzały RS-232 jest wciąż szeroko stosowany w przemyśle.
Dzięki wprowadzeniu protokołów komunikacyjnych (najczęściej znakowy ASCII) możliwe stało się przekazywanie danych do innych systemów informatycznych. Przykładem może być terminal wagi samochodowej zintegrowany z PC, na którym zainstalowano odpowiednie oprogramowanie wspomagające proces pomiaru i gromadzące dane pomiarowe w bazie. Tu jednak ujawniają się największe wady tego interfejsu. Po pierwsze – maksymalna długość linii przesyłowej, wynosząca około 15 m, umożliwia tylko pracę lokalną, po drugie – mała prędkość transmisji danych, a po trzecie – za pomocą RS-232 można połączyć ze sobą tylko dwa urządzenia (punkt-punkt).
RS-485
Wszędzie tam, gdzie dane zbierane przez wagi mają kluczowe znaczenie dla procesu przemysłowego, np. służą do przeprowadzania kontroli czy też są podstawą do rozliczania pracowników z wykonanej pracy, konieczne stało się łączenie tych urządzeń w sieciowe systemy wagowe. Centralnym węzłem takiej sieci jest serwer z oprogramowaniem służącym do przetwarzania kolekcjonowanych danych. Aby móc takie systemy budować, konieczne było opracowanie odpowiedniego interfejsu. Wprowadzono szeregowe interfejsy komunikacyjne RS-485, RS-422 i pokrewne, które oprócz umożliwienia budowy sieci, zniosły kolejne ograniczenia związane z długością linii przesyłowej (dla RS-485 wynosi ona 1200 m). Interfejsy sieciowe stworzyły nowe możliwości w zakresie akwizycji udostępnianych przez terminale wagowe danych poprzez systemy informatyczne. Pierwsze sieci oparte na RS-485 służyły, np. do budowania systemów kontroli towarów paczkowanych oraz prostych systemów ewidencji pomiarów. Dopóki liczba danych i liczba urządzeń w sieci były stosunkowo niewielkie, interfejsy szeregowe sprawdzały się doskonale. Ale wymagania rosły i danych było coraz więcej. Oprócz wyników pomiarów, terminale wagi gromadzą mnóstwo innych informacji. Są to numery serii i partii produkcyjnych, kody i nazwy towarów, dane operatorów, wartości zmiennych charakterystycznych dla danego procesu i wiele, wiele innych. Znaczenie tych danych dla menedżerów przedsiębiorstw jest często kluczowe. Do takich zadań interfejsy szeregowe były niewystarczające. Po pierwsze maksymalna liczba węzłów sieci – 32, szybko okazała się zbyt mała. Po drugie ich przepustowość okazała się niewystarczająca.
Profibus i Modbus RTU
Interfejsy szeregowe RS-485 i pokrewne znalazły także swoje miejsce w automatyce. Stały się nośnikami danych w popularnych protokołach przemysłowych takich jak Profibus czy Modbus RTU. Dzięki temu możliwa stała się integracja terminali wagowych z systemami automatycznej regulacji i sterowania. Przykładem zastosowania może być moduł wagowy MW-01 produkcji RADWAG, wyposażony w kartę Profibus, współpracujący ze sterownikiem PLC w procesie dozowania produktów. Sam proces napełniania kontrolowany jest bezpośrednio przez moduł wagowy za pomocą wyjść dyskretnych tak, żeby uniknąć niekorzystnego wpływu opóźnień wynikających z transmisji. PLC otrzymując dane z modułu czuwa nad prawidłowym przebiegiem całego zadania oraz integruje pracę innych urządzeń biorących udział w procesie.
Stosowanie otwartych standardów zapewnia długotrwałą kompatybilność urządzeń w rozbudowanych systemach przemysłowych. Obecny na rynku od prawie 25 lat Profibus wciąż jest liderem wśród podobnych technologii – jego udział w rynku szacowany jest na około 12%. Należy oczekiwać, że interfejsy szeregowe jeszcze przez długi czas będą odgrywały ważną rolę w zastosowaniach przemysłowych, choć powoli zastępowane są przez inne, bardziej nowoczesne rozwiązania.
Ethernet i Wi-Fi
W rozbudowanych systemach sieciowych gromadzących dane z systemów wagowych swoje miejsce znalazł Ethernet. Możliwość wykorzystania istniejącej już często infrastruktury, duża przepustowość, łatwość rozbudowy sieci zadecydowały o popularności tego rozwiązania. Spore możliwości daje też bezprzewodowa odmiana tego interfejsu – Wi-Fi, która znajdzie zastosowanie wszędzie tam, gdzie niemożliwe jest zbudowanie infrastruktury kablowej. Możliwość przesyłu dużej ilości danych w krótkim czasie docenili deweloperzy oprogramowania współpracującego z systemami wagowymi. Pojawiły się rozbudowane systemy informatyczne gromadzące i przetwarzające dane zbierane przez terminale wagowe. Przykładem może być cała seria oprogramowania E2R System współpracującego z zaawansowanymi terminalami RADWAG. Liczba wdrożeń szacowana jest na co najmniej kilkaset rocznie, wiele z nich to bardzo rozbudowane, rozproszone systemy sieciowe. Wydaje się, że interfejs ten jeszcze długo nie zostanie wyparty przez inne rozwiązania. Jak na razie jego możliwości w pełni zaspokajają wszystkie potrzeby związane z przesyłem informacji między terminalami wagowymi i serwerami gromadzącymi dane.
Profinet, EtherNet/IP i Modbus TCP
Choć protokoły komunikacyjne związane ze standardem Ethernet nie są przystosowane do spełniania wymogów stawianych elementom stosowanym w przemyśle (czas dostarczenia pakietu danych jest trudny do oszacowania, niezależnie od jego znaczenia z punktu widzenia procesu) inżynierowie rozwiązali ten problem. Opracowano modyfikację tej popularnej technologii adaptującej ją do standardów przemysłowych. Najczęściej spotykane na rynku to Profinet i EtherNet/IP. Choć bazują na klasycznej sieci Ethernet, to żeby sprostać wymogom stawianym przez automatykę przemysłową wprowadzono kilka zmian. Były one przede wszystkim związane z wymogiem przesyłu danych krytycznych bez zbędnych opóźnień. Podstawowym założeniem stała się możliwość łączenia w obrębie jednej sieci zarówno urządzeń wykorzystujących klasyczny Ethernet oraz tych objętych rygorem pracy w trybie czasu rzeczywistego. Ponieważ systemy wagowe często integrowane są z innymi elementami automatyki przemysłowej, wkrótce pojawiła się konieczność wprowadzenia tych interfejsów w terminalach wagowych. Przykładem mogą być wagi automatyczne serii DWT/HY wyposażone w Profinet, czy terminal HY-10, który wkrótce otrzyma EtherNet/IP.
Interfejsy do zastosowań specjalnych
Odrębnym typem urządzeń stosowanych w przemyśle są terminale wagowe przeznaczone do pracy w obszarach zagrożonych wybuchem. Podobnie jak inny osprzęt tego typu, muszą być one wyposażane w interfejsy komunikacyjne umożliwiające integrację z pozostałymi elementami systemu. Powinny spełniać szereg wymogów decydujących o ich użyciu w środowisku wybuchowym. Przykładem może być terminal wagowy PUE HX5.EX wyposażony w dwa szeregowe, iskrobezpieczne interfejsy komunikacyjne RS-232 i jeden RS-485. Do interfejsów można również podłączyć urządzenia z interfejsami iskrobezpiecznymi, przystosowane do pracy w strefie zagrożonej wybuchem. Kiedy zachodzi konieczność integracji z urządzeniem nieiskrobezpiecznym, pracującym poza strefą Ex użytkownik musi zadbać o odpowiednią separację. Na rynku znajduje się szeroka gama odpowiednich barier o parametrach dopasowanych do tego typu zadań. Terminal ma zaimplementowany, rozbudowany protokół komunikacyjny umożliwiający współpracę z oprogramowaniem komputerowym czy sterownikami PLC.
Przemysł 4.0 i IoT
Coraz większa liczba gromadzonych danych wymaga coraz większych przestrzeni bazodanowych, bardziej wydajnych serwerów, nowoczesnej infrastruktury, wydajnego oprogramowania. Wymaga to utrzymywania działów IT zajmujących się konserwacją i utrzymaniem sprawności tych elementów. Wszystko to pochłania niemałe środki finansowe ale, ponieważ gromadzone dane mają często krytyczne znaczenie dla procesu decyzyjnego w przedsiębiorstwie, właściciele zakładów przemysłowych godzą się na tę niedogodność. Często informacje gromadzone są na lokalnych serwerach zakładów produkcyjnych należących do jednego przedsiębiorstwa, a menedżerowie, żeby podejmować właściwe decyzje o znaczeniu globalnym, potrzebują dostępu do wszystkich zebranych rekordów. Wymaga to więc kolejnego mechanizmu integracji wszystkich danych, budowania wirtualnych sieci (VPN) i innych skomplikowanych i kosztownych rozwiązań. A gdyby uprościć ten proces? Rozwiązanie przyniosła tak zwana czwarta rewolucja przemysłowa określana też mianem Internet Rzeczy. Cały proces gromadzenia danych polega na bezpośrednim przesyłaniu informacji z elementów pomiarowych do bazy znajdującej się w chmurze. Najnowocześniejsze terminale wagowe firmy RADWAG budowane w oparciu o systemy operacyjne, a także czujniki warunków środowiskowych szeroko wykorzystywane w laboratoryjnych systemach wagowych, zostały wyposażone w mechanizmy pozwalające na bezpośrednie przesyłanie danych do wirtualnej przestrzeni – chmury. Usługa ta nosi nazwę RCloud i podlega dynamicznemu rozwojowi. Dzięki niej dostęp do gromadzonych informacji jest możliwy z dowolnej platformy sprzętowej, niezależnie od używanego systemu operacyjnego oraz z dowolnej lokalizacji. Jedynym wymogiem jest dostęp do Internetu.
Na dalszym etapie rozwoju przewidywane jest wprowadzenie kolejnych usług związanych z technologią RCloud – między innymi możliwość dzierżawy oprogramowania do zarządzania danymi, oraz umożliwienie integracji sprzętu z innymi komercyjnymi usługami tego typu, jak np. Azure.
Podsumowanie
Ciągły wzrost ilości przesyłanych danych i rosnące wymagania użytkowników dotyczące bezpieczeństwa transportowanych informacji wymuszają na deweloperach stałe poszukiwanie nowych rozwiązań w zakresie interfejsów i protokołów komunikacyjnych. Jak na razie wszystko wskazuje na to, że przyszłość należy do rozwiązań związanych z technologią IoT. Czy rzeczywiście tak będzie? Dowiemy się zapewne wkrótce.
RADWAG Wagi Elektroniczne
ul. Toruńska 5, 26-600 Radom
tel. 48 386 60 00
e-mail: radom@radwag.pl
www.radwag.pl
source: Automatyka 10/2018