Osprzęt sieciowy i komunikacyjny

Kwestia osprzętu sieciowego i komunikacyjnego stanowi bardzo szerokie zagadnienie. Znacznie je zawężając warto krótko przybliżyć kwestie dotyczące urządzeń, takich jak konwertery transmisji, technologia światłowodowa, przewody i kable komunikacyjne, moduły I/O oraz technologia Ethernet.

Konwertery transmisji

Dzięki konwerterom transmisji zyskuje się możliwość przetworzenia jednego standardu komunikacyjnego na inny. Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na konwertery przetwarzające sygnały na standard Ethernet. Stąd też po stronie pierwotnej konwertera, w zależności od wersji, może być podawany np. sygnał RS-232, RS-485, pętla prądowa (4–20 mA), pętla napięciowa (0–10 V). Przetwarzanie sygnałów odbywa się bez ingerencji w format informacji. Praca w sieci wykorzystuje port szeregowy, most szeregowy TCP oraz most UDP. Istotną rolę odgrywa ochrona wejść i wyjść.

Na rynku nie brakuje urządzeń służących do konwertowania na sygnał światłowodowy. Ważna jest przy tym izolacja między podłączonymi urządzeniami oraz wysoki poziom odporności na zakłócenia. Komunikowanie bazuje na linii składającej się z dwóch włókien. W przypadku sygnałów RS-232 jednym włóknem przekazywany jest sygnał Tx, zaś drugim Rx. Ważna jest ochrona przeciwprzepięciowa. Prędkość transmisji danych osiąga do 38,4 kbps, a przewody światłowodowe łączone są za pomocą złącz typu ST lub SC. Niektóre modele konwerterów pozwalają na połączenie za pomocą linii światłowodowej wielomodowej (multimode). Bardzo często zastosowanie znajdują sieci światłowodowe łączące elementy znacznie oddalone od siebie. Niektóre urządzenia realizują również funkcje repeatera światłowodowego a zastosowanie kolejnego konwertera pozwala na przedłużenie linii o kolejne 2500 m. Konwertery RS-232 na światłowód dostępne są również w wersji cyfrowej. W takim przypadku przenoszone są sygnały Tx, Rx, RTS, CTS, DTR, DSR. Za pomocą światłowodu dodatkowo przekazywane są informacje dotyczące stanu linii interfejsu. Istotna jest tu konfiguracja prędkości transmisji, liczby bitów danych, kontroli parzystości lub jej braku, liczby bitów stopu.

Konwerter firmy Moxa pozwala na łączenie sieci Ethernet z portem RS-232. Konwerter umożliwia komunikację z urządzeniami w standardzie RS-232 przez sieć Ethernet. Mogą to być m.in. wagi, czytniki kodów kreskowych, centrale telefoniczne, czytniki kart magnetycznych. Konwerter w zależności od potrzeb może pracować w różnych trybach. Wraz z serwerem NPort dostarczany jest sterownik umożliwiający utworzenie w systemie operacyjnym wirtualnych portów COM/TTY. Serwer 5110 może zostać również ustawiony w tryb Pair-Connection Mode, czyli potrafi przesłać przez sieć Ethernet dane między dwoma urządzeniami RS-232.

ADA-1040PC4 firmy Cel-Mar to konwerter protokołów AquaMatic/SP100 na Modbus-RTU. ADA-1040PC4  służy do podłączania central deszczowych AquaMatic Industrial wyposażonych w interfejs RS-232 i komunikujących się protokołem AquaMatic do wielopunktowej (multipoint) magistrali RS-485, z którą podłączone urządzenia komunikują się protokołem MODBUS-RTU.

Z oferty firmy RS Components wybrać można m.in. kartę szeregową PCI/RS-232. Stanowi ona gniazdo wejść/wyjść w każdym komputerze stacjonarnym Pentium, Pentium (II) i Pentium Pro PC. Karta PCI optymalizuje wydajność wszystkich uruchomionych aplikacji, zwalniając procesor. Płyty PCI są automatycznie wykrywane i konfigurowane przez komputer PC, unikając konfliktów adresów i przerwań.

Technologia światłowodowa

Przemysłowe systemy komunikacyjne nie obejdą się bez techniki światłowodowej. W praktyce zastosowanie znajduje kilka rodzajów kabli światłowodów. W instalacjach pracujących wewnątrz budynków wykorzystywane są kable wewnętrzne o cieńszej warstwie ochronnej, co przekłada się na mniejszą odporność mechaniczną. Z kolei w kablach zewnętrznych wytrzymałość mechaniczna jest większa. Wynika to z zastosowania włókien w luźnych tubach wypełnionych żelem. Kable światłowodowe w zależności od wersji bazują na jednym lub kilku włóknach z oplotem i polietylenową koszulką zewnętrzną. Światłowody jednomodowe są mogą transmitować dane do 100 km bez konieczności zastosowania wzmacniacza.

Niejednokrotnie zastosowanie znajdują światłowody wielomodowe, które mogą przesyłać wiele modów (fal) o różnej długości. Jako wady takiego rozwiązania wymienia się możliwość rozmycia impulsu wyjściowego przy ograniczonej szybkości i odległości przesyłu danych. Bardzo często używa się kabli uniwersalnych przeznaczonych zarówno do wewnątrz jak i na zewnętrz pomieszczeń.

Kable światłowodowe łączy się za pomocą specjalnych spawarek umożliwiających łączenie włókien światłowodowych. Wykorzystuje się przy tym zgrzewanie odpowiednio obrobionych końcówek za pomocą łuku elektrycznego.

Kabel światłowodowy Strong ZKS-XOTKtsFf charakteryzuje się podwyższoną wytrzymałością mechaniczną. W kablu przewidziano włókna jednomodowe typu SM9/125 G652D. Włókien jest 48. Kabel stosuje się w aplikacjach zewnętrznych. Z kolei kabel DRAKA U-DQ(ZN)BH 8G zawiera osiem włókien wielomodowych (J-Fibre). Kolorystyka włókien w kablu jest zgodna ze standardem TIA/EIA-568-B. Powłoka zewnętrzna została wykonana z materiału LSZH (powłoka nierozprzestrzeniająca płomienia i niewydzielająca substancji toksycznych). Zastosowane włókna są przystosowane do połączeń 1 Gb/s na dystansie do 2 km oraz 10 Gb/s na dystansie do 82 m.

Uniwersalny kabel światłowodowy z oferty firmy Atel Electronics składa się z tuby centralnej wypełnionej żelem włókna szklanego stanowiącego wzmocnienie i ochronę przeciwgryzoniową, a także z płaszcza bezhalogenowego oraz płaszcza niepalnego LSZH (w przypadku kabli uniwersalnych zgodnie z normą IEC 61034 i EN 50268).

W zakresie osprzętu światłowodowego warto zwrócić uwagę na przemysłowy switch EKI-2525M-ST firmy Advantech bazujący na wielomodowym porcie światłowodowym 100Base-FX. Urządzenie ma cztery porty 10/100Base-TX przeznaczone do podłączenia standardowego złącza typu skrętka. Jest możliwy przesył danych na odległość do 2 km przy zapewnieniu ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi.

Przewody i kable komunikacyjne

Podstawę w układach sterowania stanowią przewody sterownicze elastyczne. Ich spektrum wykorzystania jest bardzo szerokie, bowiem obejmuje m.in. technikę pomiarową, systemy kontroli, obwody sygnalizacji oraz inne aplikacje wymagające przesyłu sygnałów cyfrowych i analogowych. Zastosowanie obejmuje zarówno aplikacje stałe jak i ruchome. Żyły są skręcone równolegle, aby uzyskać odpowiednie parametry w zakresie tłumienności asymetrii. Przewody ekranowane montuje się w miejscach, gdzie występują znaczne zakłócenia elektromagnetyczne. Odporność na zakłócenia dodatkowo zwiększa się dzięki warstwie aluminium pod ekranem oraz żyle uziemiającej. Kable elastyczne są dostępne w wersji z podwójnym ekranem. Ważny jest również oplot wykonany ze stalowych drutów ocynkowanych. Tym sposobem poprawia się odporność na uszkodzenia mechaniczne przy zachowaniu wysokiej elastyczności kabla.

Szereg rozwiązań w zakresie przewodów jest oferowanych z myślą o konkretnych standardach komunikacyjnych. Trzeba pamiętać, że stosowanie dedykowanych przewodów to gwarancja uzyskania optymalnych parametrów konkretnego systemu wymiany danych. Przewody przeznaczone do pracy w interfejsie Profibus mają budowę symetryczną bazującą na żyłach miedzianych jednodrutowych i cienkiej zewnętrznej warstwie polietylenu litego. Ważny jest wspólny ekran w postaci taśmy poliestrowej pokrytej aluminium. Istotną rolę odgrywa drugi ekran będący oplotem wykonanym z pasemek miedzianych. Konstrukcja parowa zapewnia dobre właściwości w zakresie symetrii względem ziemi.

Specjalne przewody oferowane są z myślą o połączeniu falownika z silnikiem elektrycznym. Na wybór konkretnego rozwiązania wpływa przede wszystkim modulacja szerokości impulsu (PWM). W efekcie dochodzi do występowania w widmie harmonicznych napięcia, które zasila silnik poza pierwszą harmoniczną o regulowanej częstotliwości pasm wyższych harmonicznych stanowiących wielokrotność podstawowej częstotliwości modulacji. Zatem na etapie wyboru przewodu do falownika należy rozważyć zarówno jakość, jak i budowę żył przewodzących kabla, wpływ rodzaju kabla na wypadkowe obciążenie falownika oraz kompatybilność elektromagnetyczną kabla. Istotną rolę odgrywa również odpowiednia odporność izolacji na oddziaływanie impulsów o stromych zboczach.

Firma Lapp Kabel oferuje przewód ÖLFLEX Servo 709 CY. Znajduje on zastosowanie jako przewód połączeniowy między przetwornikiem częstotliwości (falownikiem) a silnikiem oraz w instalacjach wymagających połączenia serwosterownika z silnikiem. Stąd też bardzo często jest aplikowany między innymi w obrabiarkach czy też maszynach drukarskich.

Giętkie kable TECHNOFLEKS LiY11Y-Nr 0,6/1 kV oraz TECHNOFLEKS LiY11Yżo-Nr 0,6/1 kV z oferty firmy Technokabel są przeznaczone do pracy w pomieszczeniach suchych i wilgotnych w energetycznych systemach kontrolnych, zabezpieczeniowych, sterowniczych i do zasilania w energię elektryczną. Budowa kabli tego typu bazuje na żyłach giętkich, wielodrutowych, skręconych z miękkich drutów miedzianych. Na specjalne zamówienie nabyć można druty ocynkowane.

Kable IB-BIT 500 z oferty firmy Bitner to elastyczne przewody sterownicze przeznaczone do systemów iskrobezpiecznych. Przewidziano w nich żyły numerowane oraz izolację i powłokę wykonaną z PVC. Napięcie pracy w przewodach tego typu wynosi U0/U = 300/500 V przy napięciu testu 50 Hz: 3000 V.

Moduły I/O

Nowoczesne moduły I/O cechuje elastyczność konfiguracyjna punktów analogowych i dyskretnych. Istotną rolę odgrywa możliwość integrowania rozległych instalacji pomiarowych przy wykorzystaniu sieci Ethernet. Niejednokrotnie wykorzystywana jest funkcja P2P (Peer To Peer), dzięki czemu nie trzeba wykorzystywać dodatkowego urządzenia typu Master. Urządzenia, które pracują w trybie Basic, umożliwiają współpracę tylko pary modułów. Tym sposobem moduł z wejściami cyfrowymi lub analogowymi wykonuje próbkowanie o charakterze ciągłym. Za pomocą komend ustalających dane są wysyłane do modułu wyjściowego. Z kolei moduły pracujące w trybie Advancer pozwalają ustalić oddzielny adres IP dla każdego wyjścia. Ustalany jest przy tym numer kanału modułu wyjściowego.

W przypadku protokołów sieci rozproszonych wykorzystujących sieć Ethernet niemal standardem stała się technologia PoE (Power over Ethernet). Dzięki zdalnym serwerom można konfigurować i monitorować podłączone urządzenia z poziomu przeglądarki internetowej.

Przydatnym rozwiązaniem jest funkcja umożliwiająca przeprowadzenie diagnostyki pojedynczego portu. Tym sposobem wykrywane są zwarcia, przerwy i przeciążenia. Bardzo często moduły I/O mają wejścia cyfrowe z konfiguracją liczników. Pojemność z reguły wynosi 32 bity z częstotliwością 1 kHz oraz minimalną szerokością impulsu 0,5 ms.

W przemyśle bardzo często wykorzystuje się moduły na potrzeby systemów akwizycji oraz przetwarzania sygnałów wejściowych i wyjściowych bezpośrednio na maszynach przemysłowych. W takim rozwiązaniu zebrane dane pomiarowe mogą być grupowane w pakiety, które mają przypisane znaczniki czasowe. Niejednokrotnie przeprowadza się szereg operacji takich jak wyliczanie wartości szczytowych, interpolacja czy uśrednianie.

W przypadku systemów wymiany danych między modułami I/O a sterownikami PLC, moduły mogą być tak dobrane i skonfigurowane, aby zbierały wiele różnorodnych typów sygnałów w pojedynczym węźle sieciowym. Wejścia są zarówno analogowe i cyfrowe oraz przeznaczone do podłączenia czujników RTD i znaczników RFID. Obsługiwane są przy tym interfejsy Profibus, CANopen i DeviceNet.

Moduł I-87055W firmy ICP DAS oferuje osiem nieizolowanych kanałów wejścia cyfrowego i osiem nieizolowanych wyjść cyfrowych. Wszystkie cyfrowe kanały wejściowe mogą być również używane jako 16-bitowe liczniki. I-87055W obsługuje wyjście cyfrowe typu „sink” i wejście cyfrowe beznapięciowe. Urządzenie zawiera 16 wskaźników LED, które można wykorzystać do monitorowania stanu kanałów wejścia cyfrowego i wyjścia cyfrowego.

Moduł I/O DNSL-IO bazuje na ośmiu wejściach cyfrowych pozwalających na obsługę funkcji takich jak m.in. zatrzymanie awaryjne czy sterowanie osłoną zabezpieczającą. Ponadto obsługiwane mogą być inne funkcje bezpieczeństwa i nie tylko. Oprócz tego w urządzeniu przewidziano osiem wyjść przełączających (positive) dla funkcji bezpieczeństwa.

Moduł I/O TBEN-S z oferty firmy Turck umożliwia korzystanie z funkcji webserwera. W efekcie parametryzacja i diagnostyka może być realizowana indywidualnie dla każdego modułu. Webserwer wizualizuje dane diagnostyczne w postaci tekstu. Bufor diagnostyczny umożliwia użytkownikowi otrzymywanie wiadomości diagnostycznych z pewnym opóźnieniem. Oba porty ethernetowe mają licznik błędów, który może być monitorowany przez webserwer. Wspomniane funkcje są przydatne dla użytkowników protokołów EtherNet/IP i Modbus TCP.

Moduły I/O z AS-Interface firmy Pepperl+Fuchs wykrywają przerwania przewodu oraz umożliwiają filtrowanie portów wejściowych. Urządzenia mają stopień ochrony IP69K, co umożliwia pracę w trudnych warunkach. Innowacyjne moduły z serii G11 są dostępne ze złączami M12 lub płaskimi złączami kablowymi interfejsu AS-interface. Moduły I/O można również montować w szafach.

Urządzenie CX408 firmy B&R to moduł rozproszonych we/wy po sieci CAN. Cechuje się on zabudowanym kontrolerem. Jest możliwe stosowanie w sterownikach serii 2003, 2005, 2010, Power Panel 15/21/41/100/200 oraz w komputerach przemysłowych.

Technologia Ethernet

Oferowane na rynku switche przemysłowe pracujące w standardzie Ethernet to zaawansowane urządzenia, obsługujące QoS, VLAN, IGMP Snooping, SNMP i wiele innych. Czas rekonfiguracji połączeń w przypadku switchy przemysłowych to wielkości rzędu kilkunastu milisekund, podczas gdy w tradycyjnych standardach, takich jak RSTP, czas ten wynosi nawet kilka sekund.

Warto przypomnieć, że switche pozwalają na łączenie poszczególnych elementów sieci oraz na filtrowanie pakietów między nimi. W zależności od modelu poszczególne urządzenia różnią się między sobą liczbą portów. Dostępne na rynku switche produkowane są w wersjach przeznaczonych do współpracy zarówno z tradycyjnymi połączeniami jak i systemami światłowodowymi. W warunkach przemysłowych istotną kwestię stanowi zabezpieczenie ESD, które w zależności od modelu niejednokrotnie przekracza 4000 V DC. Dodatkowa ochrona obejmuje również źródło zasilania. Większość urządzeń tego typu pracować może zarówno w ujemnej jak i dodatniej temperaturze. Komfort pracy poprawia autonegocjacja prędkości oraz automatyczny wybór MDI/MDI-X.

Innym ważnym zagadnieniem jest ochrona danych. W switchach przemysłowych pojawiają się zintegrowane routery z funkcją firewall lub uwierzytelniania użytkowników.

Z kolei huby w sieciach przemysłowych znajdują zastosowanie przede wszystkim przy separowaniu i przedłużaniu określonego standardu transmisji. Przemysłowe huby produkowane są także w wersjach miniaturowych, dzięki czemu urządzenie może być instalowane w miejscach o ograniczonej ilości przestrzeni.

Switche Astraada Net z oferty firmy Astor mają zaimplementowany protokół diagnostyczny SNMP, który w połączeniu z dedykowanym oprogramowaniem JET-VIEW-PRO (manager SNMP) pozwala w sposób automatyczny wykrywać połączenia sieciowe między współpracującymi w systemie urządzeniami. Na podstawie tych danych budowana jest graficzna wizualizacja topologii całej sieci, co ułatwia zarządzanie i diagnostykę. Mechanizm tzw. „pułapek” informuje administratora sieci o wcześniej zdefiniowanych zdarzeniach (problemach komunikacyjnych, problemach z zasilaniem, użyciem błędnego hasła podczas logowania, restartem urządzenia itp.).

Z oferty firmy Red Lion Control wybrać można m.in. switch ethernetowy NT328G Layer 3 oferujący 28 szybkich portów komunikacyjnych (w zależności od konfiguracji do 24 × Gigabit Ethernet i 4 × 10 Gigabit Ethernet) oraz niezawodne przełączanie przy pełnej przepustowości. Urządzenie występuje w wersjach z różnymi konfiguracjami portów miedzianych i optycznych. Ponadto obsługuje routing w warstwie trzeciej, umożliwiając przesyłanie danych między sieciami VLAN i podsieciami.

Z oferty firmy Phoenix Contact wybrać można m.in. urządzenie typu industrial Ethernet Switch – FL SWITCH 1008N. Jest to wąski switch ethernetowy wyposażony w osiem portów RJ45 z szybkością 10/100 Mb/s we wszystkich portach. Urządzenie automatycznie rozpoznaje szybkości transmisji. Przydatna jest funkcja autokrosowania i QoS. Funkcja rozpoznawania Auto-Negotiation i Autocrossing ułatwia instalację i budowę. Dostępna jest wersja również Profinet z filtrem PTCP do komunikacji w sieciach Profinet.

Sieci WLAN

Przemysłowe sieci oparte na technologii WLAN są bardzo często wykorzystywane w układach automatyki. Urządzenia tego typu to przede wszystkim możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur. Oprócz tego modemy cechują się najnowszymi standardami przesyłu danych (802.11n), które realizują prędkość transmisji do 300 Mb/s. Nie mniej istotne charakterystyki to również rozległe możliwości zarządzania, bezpieczeństwa sieci i Qos, łącznie z technologią VLAN. Warto zwrócić uwagę na fakt, że urządzenia te stanowią dobre rozwiązanie dla bezpiecznych i szybkich sieci radiowych o podwyższonych parametrach wytrzymałościowych. Rozbudowane modele należące do infrastruktury radiowej charakteryzują się bardzo uniwersalnymi systemami zasilania. Technologia PoE (np. model BAT300-Rail firmy Hirschman) pozwala na zasilanie przewodami transmisyjnymi lub za pomocą redundantnych zasilaczy 24 V DC lub dedykowanego zasilacza 12 V DC. Rozwiązania radiowe WLAN umożliwiają zaawansowane wsparcie dla wszystkich standaryzowanych rodzajów enkrypcji i autentykacji zgodnych z IEE801.11 i 802.1x. Zaawansowane modele cechują się zintegrowanym oprogramowaniem typu firewall oraz routerem i serwerem DüHCP. Najczęściej urządzenia te zarządzane są przez przeglądarkę internetową, telnet czy też dedykowane oprogramowanie.

Warto zwrócić uwagę na komputery przemysłowe cechujące się wbudowaną siecią WLAN. Urządzenia te mogą pracować z sieciami Ethernet opartymi na połączeniach kablowych. Oprócz tego dostępne są tryby „Ad-hoc”, „Infrastructure” i „Repeater”, natomiast komunikacja odbywa się także przy użyciu portów szeregowych.

Urządzenie IXrouter firmy IXON to bramka do zbierania danych do IXON Cloud. Stanowi połączenie przemysłowego routera VPN z bramą brzegową IoT. Zyskuje się możliwość połączenia sterowników maszyn, interfejsów użytkownika, robotów oraz wszystkich innych urządzeń przemysłowych zintegrowanych z maszyną od strony LAN do IXroutera.

Urządzenie RD-455 z oferty firmy Tekniska to przemysłowy router szerokopasmowy 2G/3G/4G LTE, który przy wykorzystaniu Internetu łączy różne systemy zapewniając komunikację między sterownikami, panelami, czujnikami, HMI itp. Kompaktowa konstrukcja, z wszystkimi interfejsami i diodami LED umieszczonymi z przodu powoduje, że urządzenie doskonale nadaje się do zastosowań przemysłowych. Pełna izolacja między zasilaniem, portem Ethernet i interfejsem szeregowym zabezpiecza urządzenie przed skutkami różnicy potencjałów uziemienia. Dzięki obsłudze dwóch kart SIM połączenie ze zdalnym obiektem nie jest zależne od jednego operatora i w przypadku awarii jednej sieci router może przełączyć się na drugą kartę SIM, innego operatora.

Urządzenie EBW-W100 to wysokiej jakości router Wi-Fi do zdalnego utrzymania i dostępu do aplikacji za pośrednictwem sieci lokalnej lub Internetu. EBW-W100 pozwala rozdzielić urządzenia produkcyjne ze zdalnym dostępem od pozostałych zasobów informatycznych przedsiębiorstwa. Router radzi sobie z wieloma podsieciami o identycznej lokalnej adresacji IP. Zapora sieciowa i zintegrowana sieć VPN (OpenVPN, IPsec) zapewniają bezpieczeństwo danych. EBW-W100 jest przygotowany do obsługi VPN przez platformę INSYS Connectivity Suite. Urządzenie można szybko i łatwo zintegrować z siecią VPN za pomocą kreatora szybkiego uruchomienia.

Podsumowanie

Oferta rynkowa w zakresie osprzętu sieciowego i komunikacyjnego jest bardzo bogata. Oprócz wymienionych producentów i dostawców warto wymienić firmy takie, jak Beckhoff, Conrad  Electronic, CSI, HARTING, LAB-EL, Multiprojekt, Pf-Electronic, Phoenix-Contact, TME, Weidmüller czy Rockwell Automation.

W praktyce stawia się na urządzenia pozwalające obsługiwać różne standardy komunikacyjne. Nie mniej ważna jest również stabilność transmisji danych w środowisku przemysłowym. Coraz więcej uwagi dotyczy wymagań w zakresie bezpieczeństwa.

*Tabele produktów dostępne są wydaniu drukowanym i PDF Automatyki 11/2020

źródło: Automatyka 11/2021