Komunikacja bez barier. Przegląd przemysłowych bramek sieciowych

Wymagania stawiane interfejsowi komunikacyjnemu uzależnione są zarówno od rodzaju komponentu, jak i, a nawet przede wszystkim od rodzaju pełnionej funkcji. Przykładowo proste czujniki będą potrzebowały łączy, które mogą błyskawicznie, bez opóźnień, przesyłać bardzo małe porcje danych. Natomiast systemy związane z wizualizacją czy archiwizacją informacji wymagają interfejsów komunikacyjnych o dużej przepustowości, przy czym czas opóźnień w inicjacji komunikacji zazwyczaj nie jest tak bardzo istotny.

Konieczność zestawienia ze sobą różnych sieci powstaje również wtedy, gdy zakład jest modernizowany lub gdy potrzebne urządzenia są oferowane przez producentów obsługujących i promujących odmienne interfejsy sieciowe. Choć tego typu sytuacji lepiej unikać, czasem okazują się one korzystne ekonomicznie lub stanowią jedyne dostępne rozwiązanie. 

Na rynku dostępne są bramki umożliwiające wykonanie niemal dowolnego połączenia pomiędzy sieciami, zarówno polowymi, ethernetowymi, jak i nawet z interfejsami szeregowymi. Naturalnie, wraz z rozwojem technologii radiowych, producenci zaczęli wprowadzać także bramki z interfejsami bezprzewodowymi, pozwalającymi na tworzenie instalacji z obiektami poruszającymi się lub umiejscowionymi w słabo dostępnych lokalizacjach.

Rodzaje bramek

Podstawowy podział bramek sieciowych na kategorie dotyczy klas interfejsów, jakie ze sobą łączą. Mogą to być bramki umożliwiające bezpośrednie podłączenie urządzeń z użyciem magistrali szeregowych, takich jak np. CAN, RS-232/422/485 czy DF1, albo np. urządzeń podrzędnych magistral polowych, takich jak Modbus RTU. Ilość danych przesyłana przez te bramki zazwyczaj nie jest duża, ale wprowadzane przez nie opóźnienia powinny być jak najmniejsze.

Drugi rodzaj bramek to urządzenia do komunikacji dwóch różnych rodzajów sieci polowych, pracujących w czasie rzeczywistym. Tego typu produkty obsługują zazwyczaj nieco większy ruch, a jednocześnie muszą spełniać ściśle określone wymagania odnośnie długości wprowadzanych opóźnień. Bramki tego typu mogą łączyć ze sobą urządzenia korzystające z takich protokołów, jak CANopen, CC-Link, ControlNet, DeviceNet, Modbus RTU, Profibus i innych.

Od pewnego czasu dużą popularnością w przemyśle zaczęły cieszyć się sieci ethernetowe, które umożliwiają transmisję dużych ilości danych, potrzebnych do archiwizacji, wizualizacji oraz przetwarzania informacji pochodzących z setek lub tysięcy czujników. Ponadto sieci te pozwalają na łatwą integrację systemu przemysłowego z siecią biurową, ułatwiając korzystanie z oprogramowania typu MES (ang. Manufacturing Execution Systems) i ERP (ang. Enterprise Resource Planning). Nowe urządzenia przemysłowe bardzo często wyposażane są właśnie w interfejsy ethernetowe, ale producenci tego typu sprzętu mają świadomość, że w istniejących zakładach przemysłowych wciąż dominują i sprawnie działają sieci starszego typu. Dlatego konieczne było stworzenie szeregu bramek, które pozwalają na łączenie ze sobą klasycznych sieci polowych czasu rzeczywistego z sieciami ethernetowymi.

To jednak nie wszystko. Poszczególne przemysłowe sieci ethernetowe też różnią się między sobą w zakresie implementacji danych czasu rzeczywistego. Zastosowane koncepcje bardzo często są zupełnie odmienne i mimo że pakiety klasycznego Ethernetu mogą być przesyłane między tymi sieciami bez zakłóceń, transmisja danych wymagających krótkich opóźnień jest możliwa jedynie poprzez zastosowanie bramek. Bramki tego typu pozwalają na komunikację pomiędzy wybraną parą z protokołów, takich jak: EtherCAT, EtherNet/IP, Modbus TCP, Profinet i CC-Link IE Field.

Można też wydzielić bramki do sieci bezprzewodowych, przy czym mowa tu nie tylko o takich interfejsach, jak Wi-Fi, ale też Bluetooth i o modemach komórkowych. Komunikacja przez Bluetooth nie jest co prawda często stosowana w przemyśle, ale już same modemy są bardzo użyteczne w telemetrii i niektórzy producenci również zaliczają je do oferty swoich bramek komunikacyjnych. 

Ciekawą propozycję stanowią bramki konwertujące sygnał prowadzony przewodami miedzianymi na dane przesyłane światłowodami. Zastosowanie tego typu podzespołów ma znaczenie nie tylko ze względu na dopasowanie do siebie protokołów komunikacyjnych, ale także umożliwienie realizacji sprawnej komunikacji. Dystans, na jaki można transmitować dane za pomocą przewodów optycznych jest zazwyczaj większy niż w przypadku zwykłych kabli, a do tego fakt, że światło w światłowodach nie jest zakłócane przez zewnętrzne pole elektromagnetyczne pozwala prowadzić sygnały nawet w bardzo trudnym pod tym względem środowisku, a więc tam, gdzie przewody miedziane byłyby po prostu zawodne.

Powyższy podział na kategorie nie jest ścisły, a poszczególne grupy produktów nakładają się na siebie.

Gotowe produkty a moduły

Podziału bramek można dokonać jeszcze w inny sposób, tj. w oparciu o rodzaj obudowy tego urządzenia sieciowego, a przez to i w odniesieniu do sposobu zastosowania.

W przypadku firm wdrażających instalacje sieciowe w zakładach przemysłowych użyteczne będą bramki w postaci gotowych urządzeń, szczelnie obudowanych i przystosowanych np. do montażu na szynie DIN. Komponenty tego typu wymagają jedynie odpowiedniej konfiguracji i podłączenia za pomocą prostych narzędzi. Bramki mogą być jednak dostępne także np. w postaci kompletnych modułów komunikacyjnych, instalowanych wewnątrz maszyn. Jest to wygodne rozwiązanie dla producentów maszyn, którzy mogą w ten sposób łatwo doposażyć swoje urządzenie w dowolne potrzebne interfejsy wyjściowe, zdejmując z integratora konieczność samodzielnego dobrania bramek.

Trzecią opcją są moduły do wbudowania, wykonane w postaci płytek drukowanych. Wpina się je w odpowiednio przygotowane złącza na płycie głównej projektowanego urządzenia. Moduły te stanowią w praktyce po prostu bloki komunikacyjne, ale niektóre firmy wymieniają je jako elementy swojej oferty bramek sieciowych. Omawiane podzespoły znajdą zastosowanie tylko u producentów maszyn, którzy samodzielnie projektują płyty główne swoich produktów. Warto też dodać, że niektórzy z dostawców bramek sieciowych są w stanie zaoferować także samodzielne układy scalone, które instalują w swoich produktach. Nabywcy tego rodzaju elementów mogą w łatwy sposób zaimplementować wybrane interfejsy komunikacyjne w wytwarzanych urządzeniach, minimalizując nakłady pracy na projektowanie, ograniczając przestrzeń zajmowaną przez gotowe urządzenie oraz odciążając główny procesor produktu.

W tym artykule koncentrujemy się na bramkach w postaci gotowych urządzeń w obudowach. 

Producenci

Bramki sieciowe produkują najczęściej te same firmy, które wytwarzają także inne komponenty aktywne sieci przemysłowych. Niemniej dla większości z nich bramki stanowią jedynie uzupełnienie oferty, gdyż trudno budować markę właśnie w oparciu o tego typu urządzenia. Bramki stanowią też wartościowy dodatek w ofertach firm produkujących np. sensory. Dzięki temu mogą zapewnić odbiorcom łatwy sposób podłączenia swoich produktów do różnorodnych sieci, bez konieczności sięgania do ofert firm trzecich. W tabeli zebraliśmy wybrane, ciekawe, a przede wszystkim nowsze z bramek sieciowych dostępnych w Polsce.

Antaira Technologies

Od kilku lat na polskim rynku prężnie działa oficjalne przedstawicielstwo Antaira Technologies – firmy oferującej ciekawy wybór ethernetowych produktów sieciowych. W jej ofercie znaleźć można konwertery mediów, bramki portów szeregowych do podłączania do Ethernetu, a nawet elementy takich sieci bezprzewodowych, jak ZigBee. Warto też wspomnieć, że Antaira dostarcza także różne konwertery portów szeregowych oraz chętnie implementuje zasilanie PoE, szczególnie w mediakonwerterach.

Anybus

Należąca do koncernu HMS firma Anybus może pochwalić się chyba najbogatszą ofertą wśród obecnych na polskim rynku producentów. Jest ona wyjątkiem na tle konkurencji, gdyż wyróżnia się właśnie tym, że specjalizuje się w różnego rodzaju bramkach sieciowych. Jej produkty podzielone są na kilka kategorii, przy czym samych bramek serii X-gateway jest ponad 200 modeli. Seria ta, w odróżnieniu od bramek z rodziny Communicator, które łączą pojedyncze urządzenia z sieciami, służy do komunikacji pomiędzy dwiema niemal dowolnymi złożonymi strukturami sieciowymi. W ofercie jest też seria Wireless Bridge do realizacji połączeń bezprzewodowych, a nawet moduły i układy scalone do wbudowania w maszyny. Dla polskich klientów interesujące mogą okazać się produkty przeznaczone specjalnie do systemów automatyki budynkowej oraz do komunikacji z licznikami zużycia energii.

B&B Electronics

Ciekawe produkty ma specjalizująca się w sieciach firma B&B Electronics, której urządzenia również są dostępne u polskich dystrybutorów. Tworzy ona m.in. aktywne podzespoły sieciowe, cechujące się często zaskakująco małymi wymiarami. Dostarczane bramki sieciowe obejmują przede wszystkim Ethernet oraz Modbus, przy czym produkowane są także w wersjach ze złączami światłowodowymi oraz do podłączania interfejsów szeregowych.

Brainboxes

Firma Brainboxes to producent różnego rodzaju konwerterów portów i prostych bramek. Oferowane produkty obejmują przede wszystkim bramki do podłączania interfejsów szeregowych do Ethernetu, ale znaleźć można też konwertery przesyłające sygnał pomiędzy różnymi rodzajami interfejsów szeregowych.

ICP DAS

Niemałą ofertę bramek sieciowych ma firma ICP DAS, znana m.in. ze sterowników programowalnych. Produkowane przez nią bramki dostarczane są nie tylko w postaci gotowych produktów, ale też w postaci modułów do montażu wewnątrz urządzeń. ICP DAS produkuje bramki dla różnych sieci przewodowych oraz do interfejsów szeregowych. Dostarcza też aktywne elementy sieci bezprzewodowych. 

ifm elektronic

W oferowaniu bramek AS-I widzi swoje szanse także firma ifm elektronic, będąca bezpośrednim konkurentem firmy Turck. Produkowane przez nią czujniki są coraz częściej wyposażane w złącza do sieci AS-I i stąd pomysł, by dostarczać klientom bramki obsługujące właśnie ten, niezbyt jeszcze popularny standard sieciowy.

IXXAT

Oprócz wspomnianej wcześniej firmy Anybus, do koncernu HMS należy jeszcze jeden producent oferujący bramki sieciowe – firma IXXAT, znana z różnego rodzaju elementów komputerowych i sieciowych, stosowanych w przemyśle. IXXAT działa m.in. na polu instalacji automatyki przemysłowej oraz w motoryzacji i w ramach obu oferuje bramki sieciowe. Koncentruje się na protokole CAN.

Moxa

W niniejszym zestawieniu nie mogło zabraknąć firmy Moxa, która cieszy się bardzo dużą popularnością na polskim rynku. Specjalizuje się w sieciach, w związku z czym przygotowała pokaźną ofertę bramek dla różnych interfejsów.

Murrelektronik

Firma Murrelektronik także oferuje niemało różnego rodzaju systemów komunikacyjnych, ale w odróżnieniu od pozostałych producentów, w przypadku bramek sieciowych koncentruje się na interfejsie AS-I. To właśnie w tym zakresie ostatnio rozbudowała ofertę bramek MASI.

ORing

Na polskim rynku znaleźć można produkty firmy ORing, specjalizującej się w ethernetowych sieciach przemysłowych. Ma ona w swojej ofercie szereg urządzeń umożliwiających realizację komunikacji w sieciach pomiędzy różnorodnymi urządzeniami. Wśród dostępnych bramek są m.in. punkty dostępowe, modemy komórkowe i konwertery sygnałów (mediów), pozwalające na przesyłanie danych pomiędzy sieciami ethernetowymi opartymi na kablach miedzianych i światłowodach oraz bramki do interfejsów szeregowych.

Phoenix Contact

Producent ten jest jednym z głównych promotorów sieci Profinet, co znajduje odzwierciedlenie także w jego ofercie bramek sieciowych. Zostały one zaprojektowane przede wszystkim z myślą o umożliwieniu podłączania komponentów pracujących z użyciem starszych magistral polowych do sieci Profinet.

Turck

Pewien wybór bramek sieciowych ma również firma Turck, specjalizująca się w budowie czujników i systemów komunikacyjnych. Bramki wchodzą w skład tej drugiej części oferty, ułatwiając komunikację oferowanych sensorów z urządzeniami sterującymi. Turck koncentruje się na bramkach do zabudowy panelowej, pełniących dodatkowe funkcje oraz przystosowanych do pracy z różnymi sieciami, dla których oferuje czujniki. 

Dodatkowe funkcje

Biorąc pod uwagę fakt, że bramki stanowią często tylko uzupełnienie oferty, nie ma co się dziwić, że firmy nierzadko starają się zaimplementować w nich dodatkowe funkcje, bazując na swoim potencjale i doświadczeniu z nieco innych dziedzin. Bywa np. tak, że bramki pełnią jednocześnie funkcje rejestratorów, zapisujących przesyłane przez nie dane. Mogą też – dzięki wbudowanym interfejsom – pracować jako wirtualne stacje HMI, co pozwala ograniczyć koszty wdrażania samodzielnych rozwiązań tego typu.

Niektóre z bramek mają także możliwość wykonywania prostych algorytmów sterowania, co również pozwala zmniejszyć koszty instalacji. Bardzo przydatne bywają też funkcje diagnostyczne, które ułatwiają wykrywanie problemów w transmisji danych pomiędzy poszczególnymi urządzeniami, należącymi do dwóch różnych sieci.

W niektórych modelach bramek pojawia się też opcja zapisania wprowadzonych ustawień na nośnikach pamięci – np. na kartach SD. Dzięki temu, w razie wystąpienia awarii lub w przypadku wprowadzania zmian czy aktualizacji firmware’u, można w łatwy sposób odtworzyć dotychczasową konfigurację. 

Samą konfigurację bramek także można wykonywać w różny sposób. Standardowe połączenie przez interfejs szeregowy i wpisywanie komend przez konsolę nie jest porzucane, ale jest rozbudowywane o możliwość konfiguracji z użyciem oprogramowania komputerowego, łączącego się z bramką przez interfejs USB. Rosnącą popularnością, szczególnie w przypadku bramek z interfejsami ethernetowymi, cieszą się proste, wbudowane webserwery, które umożliwiają wprowadzanie ustawień za pomocą kliknięć, w graficznym środowisku prezentowanym w przeglądarce internetowej.

Perspektywy rozwoju rynku

Rynek bramek sieciowych trudno nazwać ciekawym, choć niewątpliwie się rozwija. Ponieważ są to urządzenia, które stosuje się przede wszystkim wtedy, gdy zachodzi taka konieczność, tj. gdy nie udaje się wdrożyć jednolitej instalacji sieciowej, kluczowymi cechami poszukiwanymi przez nabywców bramek są niezawodność i niska cena. Ważna jest więc długość gwarancji producenta oraz przewidywany czas bezawaryjnej pracy – bramki mają przede wszystkim nie przeszkadzać w sprawnej komunikacji i nierzadko oczekuje się od nich, że będą transparentne. Niemniej, w razie wystąpienia jakichkolwiek problemów, ich funkcje diagnostyczne mogą być pomocne, dlatego warto mieć na uwadze ich przydatność. 

Można również zastanowić się nad prognozami dotyczącymi przyszłości tego rynku. Aktualne trendy w sieciach przemysłowych to rozwój interfejsów ethernetowych oraz stopniowo rosnąca popularność komunikacji bezprzewodowej. Teoretycznie postępująca dominacja Ethernetu mogłaby sprawiać, że bramki z czasem stawałyby się coraz mniej potrzebne, ale w praktyce niewiele zakładów przemysłowych przechodzi tak gruntowne modernizacje, że całkowicie wymienia się w nich stare instalacje sieciowe na nowe. W efekcie wdrażanie dowolnych form Ethernetu przemysłowego zazwyczaj wymaga zastosowania bramek.

Zapotrzebowanie na bramki w nowych instalacjach będzie jednak mniejsze niż dawniej. Widoczna jest bowiem tendencja do wyposażania nawet prostych podzespołów automatyki w obwody logiczne lub nieskomplikowane procesory, umożliwiające wstępne przetwarzanie zbieranych czy otrzymywanych informacji. W ten sposób powstają np. tzw. inteligentne czujniki, które od wykorzystywanych przez nie interfejsów komunikacyjnych wymagają nieco innych parametrów niż klasyczne komponenty. Sensory tego typu nierzadko przesyłają informacje o odczytywanych wartościach dopiero wtedy, gdy spełnione zostaną określone warunki, w związku z czym nie ma konieczności, by zewnętrzne urządzenia przetwarzały nadchodzące sygnały w czasie rzeczywistym. Jednocześnie zachodzi potrzeba zwiększania maksymalnej przepustowości sieci przemysłowych, zgodnie z tendencją do wyposażania fabryk w coraz to większą liczbę sensorów, monitorujących wszelkiego rodzaju parametry procesowe.

Wskutek powyższych trendów klasyczne sieci polowe i interfejsy szeregowe coraz częściej zastępowane są sieciami ethernetowymi, które w dobrze zaplanowanych instalacjach prawie nie będą wymagały bramek. Niemniej nie należy się spodziewać, że proste interfejsy szeregowe zostaną całkowicie wyparte, gdyż pod względem kosztu ich wdrażania niewątpliwie wygrywają z dowolnymi sieciami ethernetowymi, a to oznacza, że zapotrzebowanie na bramki zawsze będzie istniało.

źródło: Automatyka 11/2015