Rozwój interfejsów komunikacyjnych w przemysłowych systemach pomiaru masy

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

źródło: Automatyka 10/2018