Komunikacja przemysłowa

Komunikacja polega na nadawaniu i odbieraniu danych, które są zrozumiałe dla nadawcy i odbiorcy. Realizacja szybkiej i pozbawionej błędów transmisji danych wymaga od obu stosowania tego samego sposobu fizycznego połączenia oraz formy kodowania danych. Pakiet danych powinien mieć jednoznacznie wskazanego ich adresata, odpowiednio zakodowaną treść oraz możliwość potwierdzenia jej otrzymania przez adresata.

Standardy komunikacji

Istnieje wiele standardów komunikacji stosowanych w przemyśle, które opisują sposób komunikowania się urządzeń automatyki. Urządzenia obsługujące dany standard mogą ze sobą współpracować, ponieważ jest możliwa wzajemna wymiana danych, a pakiety danych są zrozumiałe dla nadawcy oraz odbiorcy. Sposoby komunikacji przemysłowej można podzielić na dwie podgrupy – polowe i bazujące na sieci Ethernet. Typowe zastosowania sieci polowych to obsługa czujników, urządzeń wykonawczych i sterowanie urządzeniami, zaś sieci opartych o Ethernet – sterowanie urządzeniami wykonawczymi i zarządzanie procesami.

Wśród sieci polowych wyróżnić można stworzony przez Mitsubishi Electric CC-Link, który charakteryzuje się wysyłaniem przez urządzenia nadrzędne informacji do wszystkich urządzeń podrzędnych, a następnie indywidualnym odpytywaniem każdego z urządzeń. Inną siecią polową jest CANopen, bazujący na protokole CAN, stanowiący niezależny system komunikacji przemysłowej. Kolejnym rozwiązaniem dla sieci polowej jest DeviceNet, firmy Allen-Bradley. Charakteryzuje się zastosowaniem osobnych przewodów dla zasilania i sygnałów oraz możliwością dołączania urządzeń bez konieczności odłączania zasilania sieci. Inną siecią polową jest Modbus, który bazuje na komunikacji szeregowej RS-232 i RS-485. Kolejnym przykładem jest Profibus – korzystający z warstwy fizycznej, aplikacji i danych modelu ISO/OSI.

Wśród sieci bazujących na protokole Ethernet można wyróżnić EtherCAT firmy Beckhoff Automation. Przepływ informacji odbywa się od urządzenia nadrzędnego przez wszystkie urządzenia podrzędne. Każde z nich odczytuje informacje przeznaczone dla niego w konkretnym fragmencie ramki danych i nadaje odpowiedź. Kolejną siecią wykorzystującą Ethernet jest Ethernet Powerlink firmy B&R. Charakteryzuje go cykl składający się z synchronizacji, cyklicznego odpytywania urządzeń podrzędnych wraz z odpowiedziami, transmisji asynchronicznej z odpytaniem jednego urządzenia przez urządzenie nadrzędne. Za kolejny przykład może posłużyć EtherNet/IP firmy Rockwell Automation, w którym dane krytyczne są wysyłane za pomocą protokołu UDP z gwarancją priorytetu, zaś pozostałe z użyciem protokołu TCP. Siecią bazującą na protokole Ethernet jest również Modbus TCP/IP. Jest to standard powstały na bazie sieci polowej Modbus, wykorzystujący adresowanie IP oraz pakiety zawierające rozszerzony nagłówek z identyfikatorem transakcji, protokołu i urządzenia oraz wielkością wiadomości. Innym przykładem sieci w tej grupie jest Profinet, w którym dane dzielone są na takie, które są przesyłane jak w klasycznym Ethernecie oraz dane czasu rzeczywistego.

Bardzo ważną rolę w zakresie rozwoju poszczególnych sieci komunikacyjnych pełnią organizacje zrzeszające dostawców urządzeń oraz oprogramowania. Do najprężniej działających w zakresie sieci wykorzystujących Ethernet należą: sieć EtherCAT – EtherCAT Technology Group, sieć Powerlink – Ethernet Powerlink Standarization Group (EPZG), EtherNet/IP – ODVA, Modbus TCP/IP – Modbus – IDA, Profinet – Profibus i Profinet International. W przypadku sieci polowych: CC-Link – CC-Link Partner Association (CLPA), CANopen – CAN in Automation (CiA), DeviceNet – Open DeviceNet Vendors Association (ODVA), Modbus – Modbus – IDA, Profibus – Profibus i Profinet International.

Strategie producentów

Producenci działający w branży automatyki różnie podchodzą do kwestii standardów komunikacyjnych, które oferują – w tym ich liczby oraz rodzaju. Niektórzy skupiają się na jednym wybranym standardzie i swoje urządzenia wyposażają tylko w niego, w szczególności dotyczy to producentów, którzy są twórcami danego standardu. Przykładem są serwonapędy firmy Beckhoff obsługujące EtherCAT oraz B&R ze standardem Powerlink Ethernet. Wiele enkoderów korzysta z polowego rozwiązania CANopen. Są to absolutne, magnetyczne RLA50 firmy Kübler, Ri-QR24 firmy Turck oraz enkodery absolutne, optyczne Sendix F5888M firmy Kübler. Przykładowe urządzenia do pomiaru przemieszczeń, które mogą działać z użyciem protokołów komunikacyjnych wykorzystujących sieć Ethernet to: enkoder absolutny OCE-EC00B firmy Positial Fraba oraz enkoder absolutny 842E firmy Rockwell Automation. Pierwszy z nich obsługuje protokół EtherCAT, drugi EtherNet/IP.

Inne podejście producentów polega na oferowaniu szerokiego wachlarza obsługiwanych protokołów komunikacyjnych jako opcjonalne do wyboru podczas konfiguracji na etapie zamawiania. Przykładem mogą być firmy ABB czy Schneider Electric, których serie przemienników odpowiednio ACS 880 i ATV 320, mogą komunikować się wykorzystując każdy z wiodących protokołów sieci Ethernet – EtherCAT, Powerlink Ethernet, EtherNet/IP, Modbus TCP/IP, Profinet. Przykładem enkodera, który ma możliwość obsługiwania wielu protokołów komunikacyjnych jest enkoder AVM78E firmy Positial Fraba. Może on pracować w sieci polowej CANopen lub bazujących na protokołach Ethernet – DeviceNet, Profibus i Profinet.

Odchodzenie od skupiania się na jednym protokole przez producentów i otwieranie się na inne ich rodzaje umożliwia zaistnienie wśród szerszego grona odbiorców. Dzięki takiemu podejściu system automatyki nie musi składać się z urządzeń jednego producenta. Prowadzi to do zwiększenia atrakcyjności oferowanych rozwiązań i rozszerzenia spektrum możliwości dla projektantów i integratorów systemów automatyki. Już na etapie projektowania systemu należy wybrać wiodący sposób komunikacji. Ewentualne rozbudowy czy modyfikacje w przyszłości będą musiały uwzględniać istniejące już rozwiązania w zakresie użytych standardów komunikacji.

Sieć bezprzewodowa

Postępujący rozwój technologii oraz rosnący stopień mobilności urządzeń automatyki i robotyki wymusza na producentach i integratorach poszukiwanie różnych rozwiązań związanych z wymianą informacji między poszczególnymi elementami systemów. Rozproszone na halach produkcyjnych urządzenia automatyki, liczne czujniki i sprzęt mobilny wymagają do realizacji wymiany danych metod bezprzewodowych. Metody te, podobnie jak wcześniej omawiane przewodowe, wymagają wysokiego stopnia niezawodności. Niepożądane, a nawet niedopuszczalne są przerwy w transmisji oraz podatność na zakłócenia.

Z komunikacji bezprzewodowej korzystają m.in. wózki autonomiczne, dzięki którym w nowoczesnych przedsiębiorstwach odbywa się transport wewnątrzzakładowy. Elastyczność i możliwość szybkiego dostosowywania się do bieżących potrzeb to cechy, które powodują, że ten sposób transportu zyskuje coraz szersze grono odbiorców. Innym przykładem dowodzącym, że komunikacja bezprzewodowa jest coraz szerzej stosowana, są piloty, tablety, smartfony, przenośne panele, dzięki którym operatorzy systemów automatyki mogą kontrolować procesy produkcyjne i wpływać na ich przebiegi z różnych miejsc na terenie zakładów produkcyjnych.

Różne sieci bezprzewodowe cechują się odmienną przepustowością, zasięgiem oraz niezawodnością. W przemyśle wymiana danych na krótszych dystansach odbywa się najczęściej metodą Wi-Fi, na dłuższych za pomocą sieci komórkowych.

Udział sieci bezprzewodowych w komunikacji przemysłowej nie rośnie jednak zbyt dynamicznie. Wpływ na taki stan rzeczy ma kwestia cyberbezpieczeństwa. Ponadto urządzenia i maszyny z branży automatyki muszą być zasilane przewodowo, a ilość przesyłanych danych do nich i od nich jest na tyle duża i wymaga wysokiej niezawodności, że komunikacja przewodowa wydaje się w wielu przypadkach lepszym rozwiązaniem. Producenci starają się coraz częściej projektować przewody tak, aby jedno połączenie kablowe zapewniało zarówno zasilanie, jak i transmisję sygnałów.

Pośrednicy sieciowi

Poszczególne podsystemy są spajane w jedną sieć za pomocą urządzeń pośredniczących w wymianie danych. Ważnym jest, aby wspomniane urządzenia miały przemysłowe wykonanie. Od standardowego odróżnia je m.in. sposób wykonania obudowy. Sprzęt do zastosowań przemysłowych musi być przystosowany do pracy w warunkach przemysłowych, stąd jego obudowa wykonywana jest z metalu. Istotne jest osiągnięcie wysokiej odporności na niekorzystną temperaturę, dużą wilgotność oraz zapylenie. Na rynku dostępne są ponadto znaleźć modele urządzeń przystosowane do pracy w strefach zagrożonych wybuchem. Producenci komponentów w wykonaniu przemysłowym projektują je tak, aby ich odporność na zakłócenia elektromagnetyczne i elektryczne była znacznie większa, dzięki czemu mogą bez problemu, nieprzerwanie i niezawodnie działać w zakładach produkcyjnych.

Urządzenia pośredniczące w komunikacji przemysłowej mogą również być przystosowane do montażu w szafach sterowniczych na szynie DIN. Użytecznym rozwiązaniem są ponadto dodatkowe złącza cyfrowe i analogowe, które pozwalają na  bezpośrednie połączenie urządzenia sieciowego z czujnikiem temperatury, wilgotności, otwarcia szafki czy sygnalizatorem dźwiękowym. Urządzenia pośredniczące o takich samych funkcjonalnościach, ale nieprzystosowane do działania w trudnych warunkach przemysłowych, można znaleźć w sklepach z akcesoriami komputerowymi, nie będą jednak one w prawidłowy sposób wypełniać powierzonych im zadań.

Pierwszą grupą pośredników sieciowych stosowanych w zakładach produkcyjnych są switche przemysłowe. Podczas doboru konkretnego modelu należy kierować się przede wszystkim potrzebami w zakresie liczby gniazd oraz sposobu ich obsługi. Oczywiście liczba gniazd, w szczególności światłowodowych, jest wprost proporcjonalna do ceny urządzenia, dlatego podczas doboru switcha należy znaleźć złoty środek między potrzebami i możliwościami rozbudowy systemu w przyszłości a ceną produktu.

Switche przemysłowe można podzielić na dwie duże grupy – zarządzalne oraz niezarządzalne. Te drugie działają od razu po podpięciu do nich urządzeń, nie wymagają żadnych dodatkowych czynności. Nie mają jednak możliwości jakiejkolwiek zmiany konfiguracji. Tę zapewniają switche zarządzalne. Ich zasada działania zakłada możliwość dostosowania do indywidualnych potrzeb infrastruktury. Przykładowo można utworzyć redundantne połączenia, które w przypadku awarii jednego z nich nie powoduje przerwania ciągłość komunikacji. Zarządzalność może również umożliwić podniesienie stopnia zabezpieczenia sieci przed niepożądanym dostępem. Można bowiem dokonywać filtracji adresów IP, tym samym broniąc dostępu do sieci przed intruzami. Zarządzalność umożliwia również wybór z dostępnej gamy protokołów komunikacyjnych tego, który jest stosowany w danym systemie automatyki. Na etapie projektowania należy rozważyć, czy w danym systemie istnieje konieczność korzystania z funkcjonalności oferowanej przez switche zarządzalne. Przykładowe switche przemysłowe to: 8-portowy CU2208 firmy Beckhoff, 10-portowy DVS-110 oferowany przez InduProgress, 7-portowy FL SWITCH 1005N T-2SFX firmy Phoenix Contact, 8-potrtowy ECO 852-112
firmy Wago, 8-portowy Q.NET-8TX firmy Sabur.

Kolejną grupą urządzeń, które stanowią łącznik między poszczególnymi podsystemami automatyki, są konwertery. Większość z dostępnych na rynku urządzeń umożliwia przejście z Ethernetu na połączenie światłowodowe. Często można również znaleźć elementy konwertujące protokół Modbus typu polowego w Modbus TCP/IP oparty na sieci Ethernet. Dzięki zastosowaniu konwerterów można uniknąć zbędnych kosztów podczas rozbudowy systemu automatyki. Może się okazać, że elementy, które zostały użyte przed laty, działają w starej technologii, która została już wyparta przez nowszą, a zdobycie urządzeń starego typu nie jest już możliwe. Wtedy, zamiast wymieniać cały system, wystarczy zastosować konwerter, w wyniku czego nowy element systemu można bez problemu zintegrować z pozostałą jego częścią, która działała do tej pory zgodnie z oczekiwaniami, ale stała się niewydolna ze względu na zwiększone zapotrzebowanie produkcyjne. Nie trzeba nikogo przekonywać o zaletach stosowania takich rozwiązań, oszczędność czasu i środków finansowych jest niepodważalnym argumentem, który przemawia za stosowaniem w takich sytuacjach konwerterów przemysłowych.

Jednym z głównych producentów konwerterów jest firma Moxa, której autoryzowanym przedstawicielem w Polsce jest Elmark Automatyka. Przykładowym komponentem odpowiedzialnym za konwersję transmisji z użyciem Modbus RTU realizowaną przez port szeregowy RS485 na transmisję Ethernet/IP jest konwerter MGate 5105-MB-EIP. Przykładem konwertera sieci Ethernet na transmisję używającą RS-232 może posłużyć model ADA-13110MG, znajdujący się w ofercie firmy CEL-MAR. Dzięki wbudowanemu serwerowi WWW możliwa staje się zdalna konfiguracja konwertera oraz zarządzanie za pomocą przeglądarki internetowej. Konwerter ma izolację galwaniczną między zasilaniem a interfejsami Ethernet oraz RS-232. Konwersję pomiędzy siecią Ethernet a światłowodem zapewnia urządzenie IMC-101-S-SC-80-T firmy Moxa. Dzięki niemu sygnał Ethernet może być bez używania wzmacniaczy wysyłany na odległości sięgające 80 km. Ciekawą funkcjonalnością zaimplementowaną w konwerterze jest mechanizm Link Fault Pass-Through. Zapewnia on automatyczne zamykanie połączenia po jednej stronie konwertera, w przypadku utraty połączenia z drugiej jego strony. Element ten ma przekaźnik alarmowy i jest odporny na wstrząsy oraz wibracje. Również w ofercie RS Group można znaleźć konwertery Ethernet – światłowód. Przykładem jest konwerter RS Pro, który ma funkcje autonegocjacji oraz autocrossingu, umożliwiające odpowiednio automatyczny dobór optymalnej prędkości oraz stosowanie kabli prostych i crossowych.

Wśród urządzeń, które pośredniczą w wymianie danych między różnymi elementami systemu, należy uwzględnić przemysłowe karty komunikacyjne, umieszczane w komputerze sterującym pracą systemu. Ich zadaniem jest pośredniczenie w wymianie informacji między systemami nadrzędnymi a poszczególnymi urządzeniami. Przykładową kartą komunikacyjną jest produkt firmy Beckhoff o nazwie FC3122, wyposażony w złącze PCI Express, umożliwiający współpracę z systemem działającym w oparciu o protokół Profibus. Kolejnym przykładem jest element znajdujący się w ofercie firmy Elmark Automatyka – karta PCIE-1674PC ze złączem PCI Express, umożliwiająca połączenie z użyciem Gigabit Ethernet. Inna karta wyposażona zarówno port Ethernet, jak i port szeregowy, znajduje się w portfolio firmy Astor. Chodzi o model PCU2000ETH ze złączem PCI.

Grupę komponentów pośredniczących w transmisji danych za pomocą protokołów komunikacyjnych stanowią ekstendery. Umożliwiają one zwiększenie dopuszczalnej odległości pomiędzy komponentami, między którymi dochodzi do wymiany danych. Gdy istniejące okablowanie jest zbyt krótkie, a konieczne jest jego wydłużenie, zastosowanie ekstendera jest rozwiązaniem bardziej ekonomicznym niż zamiana przewodów na nowe. Ciekawym zastosowaniem jest również zastosowanie ekstenderów na brzegach strefy, w której panują trudniejsze warunki środowiskowe. Wtedy wyłącznie w problematycznej strefie można zastosować odporniejsze, ale droższe przewody, a na pozostałych odcinkach bazować na dotychczas zastosowanych, tańszych przewodach. Przykładowo Harting oferuje ekranowane Ha-VIS preLink Ekstendery, które pozwalają na sprawne funkcjonowanie w temperaturze od -40 °C do 70 °C w sieci o przepustowości do 10 Gb/s.

Routery i modemy

Aby umożliwić połączenie bezprzewodowe konieczne jest użycie takich komponentów jak routery i modemy GSM, które pełnią rolę węzłów komunikacyjnych. Routery pozwalają na łączenie niezależnych sieci komputerowych. Niezwykle ważne w przypadku routerów jest dobre zabezpieczenie zakładowej sieci przed ewentualnymi konsekwencjami ataków cybernetycznych oraz złośliwym oprogramowaniem. Routery stanowią okno na świat każdej sieci przemysłowej, a co się z tym wiąże są bardzo narażone na próby ewentualnych ataków z zewnątrz mające na celu destabilizację pracy systemów automatyki. Użyteczne okazują się wbudowane funkcje VPN oraz zapory sieciowe. Wybrane routery mają możliwość połączenia szeregowego oraz wbudowane wejścia i wyjścia cyfrowe. Wiadomości SMS mogą umożliwiać rekonfigurowanie routera, jego resetowanie, nadzór nad aktualnym stanem. Ponadto użytkownik może być informowany o występujących określonych alarmach i zdarzeniach.

W ofercie firmy Phoenix Contact można znaleźć serię routerów mGuard, czyli urządzeń zabezpieczających dedykowanych do zdalnego serwisowania. Każdy z modeli tej serii ma złącze sieci komórkowej 4G oraz slot karty SD, wybrane mają interfejs WAN. W zależności od wybranego modelu dostępne są 2 lub 10 tuneli VPN oraz zapora sieciowa z szerokim zakresem funkcjonalności i możliwością konfiguracji. Routery omawianej serii mają switche w wersji zarządzalnej lub niezarządzalnej dwu- lub czteroportowe. Firma Elmark Automatyka w swojej ofercie ma przemysłowy modem GSM Cinterion BGS2T. Umożliwia on przekazywanie przez sieć komórkową danych 2G oraz przesył danych w postaci wiadomości SMS.

Zdalny dostęp

Coraz częściej spotykanym rozwiązaniem w automatyce przemysłowej jest zdalny dostęp do urządzeń. Taka możliwość przynosi korzyści dla dostawcy, służb utrzymania ruchu oraz samego posiadacza urządzenia z taką funkcjonalnością.

Połączenie komponentu lub urządzenia automatyki z obsługą zdalnego dostępu oznacza możliwość zdalnego zarządzania oraz monitorowania parametrów opisujących pracę danej maszyny czy linii technologicznej. Dostawca ma nadzór nad eksploatacją oraz możliwość ograniczania lub rozszerzania funkcjonalności danego komponentu lub urządzenia, może również modyfikować algorytm działania, dostosowując go do zmieniających się potrzeb. Ponadto w okresie gwarancyjnym, ale w razie potrzeby również po nim, dostawca może dokonywać zdalnej diagnostyki, monitorowania statusów, znajdowania przyczyn awarii, a nawet wspomóc w ich usuwaniu. Dzięki temu, że specjalista – przedstawiciel dostawcy czy producenta nie musi być fizycznie obecny przy urządzeniu czy systemie urządzeń, które uległy awarii, pracują niezgodnie z założeniami lub są uruchamiane. W konsekwencji redukcji ulega czas oczekiwania na naprawę zauważonych usterek lub wdrożenie. Specjalista wykorzystując narzędzie zdalnego dostępu, w dużej liczbie przypadków może zdiagnozować usterkę bez konieczności wizyty w siedzibie klienta, może pomóc w rozwiązaniu problemu na odległość, dzięki czemu czas przestoju ulega zredukowaniu do absolutnego minimum. Stanowi to olbrzymie wsparcie dla zakładowych służb utrzymania ruchu.

Elmark Automatyka oferuje rozwiązanie sieciowe firmy Moxa Remote Control (MRC), które można użyć do łączenia zdalnego. W jego skład wchodzą serwer, brama i klient. Serwer to platforma umożliwiająca zarządzanie połączeniami i określająca powiązania bram i klientów. Brama umożliwia połączenie urządzenia obsługującego Ethernet z wspomnianym serwerem. Z kolei klient to narzędzie programowe do łączenia komputera obsługi z portalem serwera. Dzięki takiemu podejściu dostęp do urządzenia jest w pełni kontrolowany przez obsługę, całość jest łatwo konfigurowalna, nie ingeruje w sieci przedsiębiorstwa, istnieje możliwość łączenia się z wieloma urządzeniami jednocześnie, do wdrożenia rozwiązania nie ma konieczności znajomości VPN.

Innym rozwiązaniem z zakresu zdalnego dostępu jest propozycja firmy Sabur. Oferuje ona swoim klientom rozwiązanie sprzętowo-programowe o nazwie Ubiquity. Zastosowana tu metoda umożliwia zdalny dostęp do urządzeń automatyki za pomocą połączenia VPN. Platforma Ubiquity jest wbudowana w urządzenia oferowane przez Sabur – wybrane panele operatorskie, sterowniki PAC, licencja jest preinstalowana w wybranych rodzinach komputerów panelowych i boxowych. Istnieje jednak uniwersalne rozwiązanie, które umożliwia zdalny dostęp do dowolnych urządzeń automatyki. W tym celu stosuje się routery specjalnego przeznaczenia z serii RKxx lub Rmxx, które pozwalają na udostępnienie w sieci Ethernet dowolnego urządzenia. Routery RK2x i RM1x są wyposażone w modem 3G/4G, a wybrane również w moduł Wi-Fi, dzięki którym zdalny dostęp do kontrolowanego urządzenia czy instalacji nie wymaga połączenia przewodowego.

Podsumowanie

Komunikacja przemysłowa to ważne zagadnienie dotyczące automatyzacji i robotyzacji procesów technologicznych. Od jej niezawodności zależy powodzenie danego wdrożenia w zakładzie produkcyjnym. W świecie automatyki istnieje wiele protokołów komunikacyjnych, spośród których na etapie projektowania należy wybrać ten optymalny dla danej aplikacji. Wszystkie dobierane komponenty muszą obsługiwać dany protokół. Należy zadbać o bezpieczeństwo sieciowe, aby ciągłość działania była niezagrożona, a odporność na ewentualne próby cyberataków jak największa. Do niezawodności działania konieczne jest również użycie odpowiednich komponentów sieciowych.

source: Automatyka 12/2024