Osprzęt komunikacyjny

Do budowy sieci przemysłowych niezbędny jest osprzęt komunikacyjny dedykowany do zastosowań w przemyśle. Komponentów z tej kategorii na rynku automatyki nie brakuje. Producenci i dystrybutorzy działający na rynku posiadają ich bogatą gamę.

Konwersja

Jedną z głównych grup produktowych zaliczających się do osprzętu komunikacyjnego są różnorodne konwertery transmisji. Wspomniane komponenty umożliwiają konwersję protokołów przesyłu danych. Tym samym mogą stanowić spoiwo między podsieciami i umożliwiać łączenie podsystemów w jeden scentralizowany system sterujący układem automatyki. Każde urządzenie działające w systemie może wysyłać informacje w sposób różnorodny, np. z użyciem sygnałów cyfrowych, analogowych lub wykorzystując wybrany protokół komunikacyjny. To konwerter zadba o odpowiednią obróbkę i wzmocnienie, tak aby nadrzędny sterownik mógł zrozumieć odbieraną informację. Podobnie sterownik, wykorzystując dane medium transmisyjne, może dzięki konwerterom przekazywać dane do wszystkich podłączonych do sieci urządzeń pracujących z użyciem różnych protokołów. W przeglądzie konwerterów zwrócono szczególną uwagę na komponenty do konwersji protokołów sieciowych oraz takie, w których protokoły sieciowe występują jako nośniki danych wejściowych lub wyjściowych z konwertera.

Jednym z głównych producentów konwerterów jest firma Moxa, której autoryzowanym przedstawicielem w Polsce jest firma Elmark Automatyka. Przykładowym komponentem odpowiedzialnym za konwersję transmisji z użyciem Modbus RTU, realizowaną przez port szeregowy RS-485 na transmisję EtherNet/IP, jest konwerter MGate 5105-MB-EIP. Konfiguracja urządzenia polega na zadeklarowaniu go jako Modbus master lub slave. Port Modbus jest wyposażony w optyczną bramę 2 kV. Stan urządzenia można diagnozować za pomocą kontrolek LED, obudowa jest wykonana z metalu, komponent jest wyposażany w kartę microSD.

Pomost między interfejsem szeregowym a siecią Ethernet może stanowić inne urządzenie firmy Moxa. Chodzi o konwerter NPort 5150, który umożliwia podłączenie do sieci urządzeń z interfejsem RS-232/422/485. Opisywany komponent charakteryzuje się możliwością automatycznego odzyskiwania połączenia z siecią, zabezpieczeniem przeciwprzepięciowym, dedykowanym oprogramowaniem NPort Administrator, możliwością konfiguracji przez konsolę web. Konwerter jest zasilany napięciem z zakresu 12–48 V DC i ma aluminiową obudowę.

Przykładem konwertera sieci Ethernet na transmisję używającą RS-232 może być model ADA-13110MG znajdujący się w ofercie firmy CEL-MAR. Urządzenia wyposażone w interfejs RS-232 mogą transmitować dane przez sieć Ethernet. Dzięki wbudowanemu serwerowi WWW możliwa staje się zdalna konfiguracja konwertera oraz zarządzanie z użyciem przeglądarki internetowej. Konwerter jest wyposażony w szereg zabezpieczeń, np. przed odwrotnym podłączeniem zasilania, jest izolowane galwanicznie między zasilaniem a interfejsami Ethernet oraz RS-232.

W przypadku zwiększenia zasięgu komunikacji konieczne może być skorzystanie z dobrodziejstw, które oferuje światłowód. Oprócz znacznego zwiększenia zasięgu, zapewnia on również ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi, na co w warunkach przemysłowych należy zwrócić szczególną uwagę. Konwersję między siecią Ethernet a światłowodem może zapewnić urządzenie firmy Moxa dostępne w ofercie firmy Elmark Automatyka. Chodzi o IMC-101-S-SC-80-T. Dzięki niemu sygnał Ethernet może być wysyłany przez światłowód na odległość sięgającą 80 km bez używania wzmacniaczy. Omawiany konwerter może więc znaleźć zastosowanie w zakładach przemysłowych o dużej powierzchni produkcji. Urządzenie ma złącze RJ45 do przyłączenia sieci Ethernet oraz złącze SC przeznaczone do jednomodowego światłowodu. 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. Pewność ciągłości pracy zapewnia redundantne zasilanie, dzięki któremu w przypadku awarii zasilania głównego urządzenie zaczyna być zasilane z alternatywnego źródła zasilania podłączonego do drugiego z wejść zasilających. Komponent ma przekaźnik alarmowy, może być montowany na szynie DIN lub po zastosowaniu dodatkowych uchwytów na ścianie. Urządzenie jest odporne na wstrząsy i wibracje, a jego stopień ochrony wynosi IP30.

Inny konwerter zapewniający konwersję z sieci Ethernet na sygnał światłowodowy znajduje się w portfolio firmy Astor. Chodzi o urządzenie Astraada JET-CON-1301-M. Konwerter zwiększ zasięg zasięg komunikacji przemysłowej nawet do 30 km. Ten kompaktowy komponent ma szereg zabezpieczeń, np. przeciwprzepięciowe 1,5 kV czy funkcję automatycznego przekazywania informacji o utracie połączenia wspomagającą wykrywanie awarii połączenia miedzianego.

Również w ofercie RS Group można znaleźć konwertery Ethernet – światłowód. Przykładem może być konwerter RS Pro działający przy zasilaniu z zakresu 100–240 V AC. Podobnie jak wcześniej wspominane urządzenia realizujące te same funkcjonalności, komponent ma funkcje autonegocjacji oraz autocrossingu umożliwiające odpowiednio automatyczny dobór optymalnej prędkości oraz używanie kabli prostych i crossowych. Omawiany konwerter zapewnia transmisję danych na odległość sięgającą 2 km.

Moduły I/O

Wśród komponentów sieciowych używanych do budowy sieci przemysłowych można wyróżnić moduły I/O. Najczęściej są one montowane blisko sterownika nadrzędnego i służą do jego komunikowania się z urządzeniami wykonawczymi oraz czujnikami zbierającymi informacje z otoczenia. Większość modułów dostępnych na rynku umożliwia elastyczne konfigurowanie portów i decydowanie o ich przeznaczeniu. Jednym z wyróżników każdego z modułów jest kompatybilność z określonymi protokołami sieciowymi opartymi na technologii Ethernet, tj. EtherCAT, EtherNet/IP, Profinet czy Modbus/TCP. Moduły częstokroć umożliwiają korzystanie z funkcjonalności PoE (Power over Ethernet), tym samym urządzenia podłączone do nich są zasilane i zarządzane z użyciem jednego kabla. Ze względu na swój charakter moduły mają wysoki stopień ochrony IP oraz są wykonane z odpornych na uszkodzenia materiałów.

W tabeli zestawiono przykładowe moduły I/O różnych producentów i dystrybutorów, tym samym przedstawiono charakteryzujące je podstawowe parametry i właściwości. Najważniejsze z nich to liczba dostępnych portów oraz wspierane protokoły sieciowe.

Switch – łącznik sieciowy

Dla zapewnienia bezkolizyjnego i płynnego przesyłu informacji między urządzeniami zastosowanie znajdują switche przemysłowe. Dokonują one segmentacji całej sieci połączeń. Urządzenie podłączone do switcha ma zapewnioną komunikację z innym, wybranym urządzeniem podłączonym do innego portu tego urządzenia. Jednocześnie nie ingeruje w pozostałe połączenia i nie obciąża ich. Można więc stwierdzić, że switch jest doskonałym, bezkolizyjnym skrzyżowaniem wielu połączeń między urządzeniami, których liczba rośnie wraz ze stopniem rozbudowy systemu automatyki. Nie ulega więc wątpliwości, że switche są bardzo powszechnie używanymi komponentami w sieciach przemysłowych dla usprawnienia ich działania oraz zapewnienia bezkolizyjnego przesyłania informacji między dużą liczbą urządzeń. Dzięki switchom możliwe jest centralne sterowanie wieloma urządzeniami wykonawczymi, które funkcjonują w jednej, wielkiej sieci przemysłowej. Użytecznymi funkcjonalnościami, którymi charakteryzuje się niemal każdy switch wykorzystywany w przemyśle jest autonegocjacja i autocrossing, czyli odpowiednio automatyczne dostosowywanie prędkości transmisji oraz automatyczne przyporządkowanie par połączeń przy złączu RJ45. Istotnymi parametrami każdego switcha jest liczba obsługiwanych portów, obsługiwana przez komponent prędkość transmisji, typ przewodów, które mogą być podłączane do urządzenia oraz ich maksymalna dopuszczalna długość. Ważne przy doborze konkretnego modelu jest zwrócenie uwagi na możliwości diagnostyczne z użyciem dedykowanych diod.

Warto jednak zastanowić się nad różnicą między standardowym switchem, który funkcjonuje chociażby w sieciach domowych a switchem przemysłowym dostępnym w ofercie wielu dostawców automatyki. Switch przemysłowy wyróżnia się przede wszystkim obudową, która jest wykonana z materiału niepodatnego na uszkodzenia. Obudowy mają wysokie klasy ochrony IP przed zapyleniem oraz wilgocią. Dodatkowo przemysłowe wykonanie zapewnia szerszy zakres temperaturowy, w którym może pracować switch oraz zwiększoną odporność na wibracje pochodzące od pracujących maszyn i urządzeń. Ponadto w większości przypadków, switche przemysłowe umożliwiają montaż na szynie DIN, co pozwala na łatwe umieszczenie komponentu wśród innych elementów automatyki w szafie sterującej. Umożliwia to łatwiejsze zaplanowanie okablowania systemu i jednoczesne jego uproszczenie. Z praktycznego punktu widzenia istotne jest również dopuszczalne napięcie zasilania urządzenia, które jest dostosowane do tego, które można spotkać w szafach sterowniczych. Najczęściej spotykane jest napięcie wynoszące 24 V. Przemysłowe wykonanie switcha zapewnia możliwość zasilania redundantnego. Dzięki podpięciu dwóch niezależnych źródeł zasilania, w razie problemów z jednym z nich, nie dochodzi do przerwania komunikacji. Jest to niezwykle pożądana funkcjonalność, dzięki której redukowane jest ryzyko awarii systemu automatyki.

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 ma jednak możliwości jakiejkolwiek konfiguracji. Tę zapewniają switche zarządzalne. Ich zasada działania jest taka sama, z tą różnicą, że możliwe jest ich dostosowanie do indywidualnych potrzeb infrastruktury. Przykładowo można utworzyć redundantne połączenia, które są kluczowe dla działania całego systemu automatyki. W razie awarii jednego z nich może to zapobiec przestojom. 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. W przypadku urządzeń wykorzystujących technologię PoE, która umożliwia zasilanie komponentów podłączonych do switcha bezpośrednio przez kabel ethernetowy, możliwe jest regulowanie mocy dostarczanych do urządzeń oraz sterowanie nimi. Zarządzalność umożliwia również wybór przez switch z dostępnej gamy protokołów komunikacyjnych tego, który jest używany w danym systemie automatyki. Na etapie projektowania należy rozważyć, czy w danym systemie istnieje konieczność korzystania z funkcjonalności oferowanej przez switche zarządzalne. Warto bowiem pamiętać o znacznej różnicy cenowej między wersjami zarządzalnymi oraz niezarządzalnymi switchów.

Przykładowe switche różnych producentów i dystrybutorów zestawiono w tabeli porównawczej, która obrazuje mnogość i różnorodność tego rodzaju komponentów na rynku automatyki.

Połączenie bezprzewodowe

Urządzenia działające na bazie Ethernet wymagają podłączenia do sieci przemysłowej. Gdy nie ma możliwości dokonania tego w tradycyjny sposób, czyli przez odpowiednie okablowanie, należy użyć metod bezprzewodowych. Tym samym możliwe jest komunikowanie się między urządzeniami fizycznie niepołączonymi ze sobą.

Automatyzacja maszyn, urządzeń oraz linii technologicznych ma za zadanie usprawnianie działania procesu i jego przyspieszenie. Niepożądane są wszelkie przestoje, w szczególności te niezaplanowane. Szybka inspekcja systemu oraz lokalizacja przyczyny nieprawidłowości w jego działaniu znacząco skraca czas przestoju. Realizację tego zadania może ułatwić zdalna diagnostyka, dzięki której obsługa i serwis mogą zbadać stan systemu automatyki w poszczególnych punktach. Ponadto możliwe staje się wprowadzenie niezbędnych modyfikacji w oprogramowaniu sterującym, które mogą zabezpieczyć przed ponownym wystąpieniem problemu w przyszłości. Typowymi urządzeniami, w przypadku których wykorzystywany jest zdalny dostęp to sterowniki maszyn i urządzeń danego systemu automatyki oraz kamery IP.

Aby umożliwić połączenie bezprzewodowe, w tym zdalny dostęp do urządzeń, niezbędne jest wyposażanie ich w dedykowane do tego celu komponenty. Są to routery i modemy GSM, które pełnią rolę węzłów komunikacyjnych. Routery pozwalają na łączenie różnych w sensie informatycznym sieci komputerowych.

Niezwykle ważne w przypadku routerów jest dobre zabezpieczenie sieci przez ewentualnymi konsekwencjami ataków cybernetycznych oraz złośliwym oprogramowaniem. Warto bowiem uświadomić sobie, że routery stanowią okno na świat każdej sieci przemysłowej, a co się z tym wiąże są bardzo narażone na próby ataków z zewnątrz, mające na celu destabilizację pracy systemów automatyki. Zagrożenia cybernetyczne są również istotną kwestią ze względu na bezpieczeństwo pracy maszyn i urządzeń podpiętych do danej sieci przemysłowej. Użyteczne okazują się wbudowane funkcje VPN oraz zapory sieciowe.

Dobrą praktyką jest możliwość bieżącej kontroli zużycia danych. Dzięki temu można uniknąć naliczania dodatkowych opłat lub nagłego przerwania połączenia w przypadku przekroczenia dostępnego limitu. Warto, aby router zapewniał połączenie 2G, 3G oraz 4G, dzięki czemu połączenie będzie posiadało optymalne parametry niezależnie od umiejscowienia urządzenia i dostępności sieciowej w danej lokalizacji. Pożądaną funkcjonalnością może okazać się oprócz połączenia ethernetowego możliwość połączenia szeregowego. Znacząco rozszerza to spektrum urządzeń, które mogą pracować dzięki danemu routerowi. Podobnie użyteczne mogą okazać się wejścia i wyjścia cyfrowe wbudowane w router. Dzięki nim możliwe staje się zarządzanie funkcjonalnościami routera lub zdalne alarmowanie na podstawie stanu z wejścia cyfrowego. Ponadto można decydować o stanie urządzenia wykonawczego podłączonego do złącza skonfigurowanego jako wyjście cyfrowe. Aktualny stan wejść cyfrowych oraz zarządzanie wyjściami cyfrowymi jest możliwe chociażby z użyciem wiadomości SMS, jeżeli taka funkcjonalność jest w danym routerze udostępniona. Wiadomości SMS mogą umożliwiać również rekonfigurowanie routera, jego resetowanie, nadzór nad aktualnym stanem. Ponadto użytkownik może być informowany o występujących określonych alarmach i zdarzeniach. Oczywiście wszelki dostęp do konfiguracji routera oraz stanu bieżącego przez wiadomości SMS musi mieć zapewniony odpowiedni stopień bezpieczeństwa.

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 są wyposażone w interfejs WAN. W zależności od wybranego modelu dostępnych jest 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.

W ofercie firmy Wago można znaleźć bezprzewodowy punkt dostępowy, dzięki któremu możliwy jest zdalny dostęp do urządzenia lub systemu za pomocą łącza radiowego – WLAN, Bluetooth lub Bluetooth Low Energy. Możliwe staje się sterowanie za pomocą smartfona lub tabletu. Urządzenie może służyć jako zamiennik kabla, umożliwiając dostosowaną do warunków przemysłowych, bezprzewodową komunikację między dwoma urządzeniami automatyki. Opisywane urządzenie jest montowane w przepuście szafy sterowniczej, dzięki czemu fizyczne podłączenia znajdują się wewnątrz niej, natomiast wyeksponowana część komponentu ma zapewniony stopień ochrony IP67. Punkt dostępowy jest niewielkich rozmiarów – ma 75 mm wysokości, jest zasilany napięciem 19–36 V DC, a jego zasięg wynosi do 200 m.

Firma Elmark Automatyka w swojej ofercie posiada przemysłowy modem GSM Cinterion BGS2T. Umożliwia on przekazywanie przez sieć komórkową danych 2G oraz w postaci wiadomości SMS. Obsługiwane częstotliwości to: 850, 900, 1800 i 1900 MHz. Modem jest zasilany napięciem z zakresu 8–30 V DC i można zamontować go w zależności od istniejących potrzeb na ścianie lub na szynie DIN.

Podsumowanie

Przemysłowe sieci komunikacyjne rozwijają się wraz ze wzrostem stopnia automatyzacji przemysłu. Dlatego rozwój oferty osprzętu komunikacyjnego wydaje się naturalną konsekwencją. Producenci komponentów dedykowanych do sieci przemysłowych muszą nieustannie dostosowywać funkcjonalności tych urządzeń do postępu technologicznego związanego z sieciami komunikacyjnymi. Dzięki poszczególnym komponentom sieciowym możliwe jest łączenie podsystemów automatyki w jeden spójny system, który może być sterowany i diagnozowany w sposób scentralizowany.

źródło: Automatyka 11/2022