Összekapcsolhatóság – a fenntarthatóságot segítő automatizálás gerince

Az olyan technikák, mint az SPE, a PoDL és az Ethernet APL legyőzik az ipari kommunikáció hagyományos korlátait. A jelek, az adatok és a villamos energia átvitelére szolgáló korszerű csatlakozók alapvető fontosságúak: segítenek az automatizálási szolgáltatóknak erőforrásokat és költségeket megtakarítani a termelőberendezések hálózatba kapcsolásakor.

(Kép: PeopleImages, a Getty Images képtárából)

A digitalizáció és a vállalati folyamatokat egészen a termelés helyi szintjéig átható problémamentes adathálózatok az automatizálási technika tartós trendjét jelentik. Céljuk, hogy rendkívül rugalmas termelési környezeteket hozzanak létre, amelyek testreszabhatóak, hogy soha nem látott mértékű változatosságot és termelékenységet érjenek el. Ennek érdekében a feldolgozóipar az Ipar 4.0 égisze alatt hatalmas átalakuláson megy keresztül, amelynek egyik legfontosabb szempontja az összes rendelkezésre álló erőforrás fenntarthatóságot segítő felhasználása.

A helyszínről a felhőbe problémamentesen

Ezt az átalakulást, amely kezdi tömegesen áthágni az üzemeltetéshez szükséges technika (OT) és az informatika (IT) közötti hagyományos határokat, a gépek, a termékek és – végső soron – az emberek közötti problémamentes összekapcsolhatóság jellemzi. Az ipari Ethernet révén ma már olyan technika áll rendelkezésünkre, amely a TCP/IP-n keresztül képes akár a helyi eszközöket is problémamentesen, széles sávon és költségtakarékos módon összekapcsolni a vállalatok felhőalapú adatinfrastruktúráival. A Fieldbus sínrendszerekkel ellentétben az ipari Ethernet az automatizálás minden szintjén átível – végponttól végpontig, a helyi eszközöktől a felhőig. A gyárak és üzemek üzemeltetői így valós időben hozzáférhetnek a készülékek adataihoz, és felhasználhatják azokat a gyártástervezéshez, folyamatirányításhoz és adatelemzéshez.

Az ipari Ethernet lehetővé teszi például az érzékelők, tápegységek és meghajtók adatainak valós idejű gyűjtését és elemzését. A hőmérséklet-változásra vagy a kritikus pontokon fellépő rezgésekre vonatkozó adatok, valamint a terhelési profilok lehetővé teszik a folyamatparaméterek optimalizálására vonatkozó következtetések levonását. Jelzik, ha túlterhelési eseményekre kell számítani, és idejekorán jelzik a karbantartás szükségességét. A megelőző karbantartás itt különösen fontos, mivel segít az üzemeltetőknek javítani a berendezések és gépek rendelkezésre állását, valamint minimálisra csökkenteni a fogyasztást és az erőforrás-felhasználást, ami egyrészt csökkenti az üzemeltetési költségeket, másrészt pedig döntően hozzájárul a folyamatok és a gyárüzemek fenntarthatóságot segítővé tételéhez.

Az RJ45 csatlakozó strapabíró helyettesítője

Ezen hálózatok, különösen az ipari Ethernet fizikai gerince a nagy teljesítményű összekapcsolási technika, amely lehetővé teszi a jelek és adatok megbízható átvitelét az automatizálási hálózatok különböző csomópontjai között. Az ipari felhasználás során megkövetelt fizikai tűrőképességen túlmenően az ilyen megoldásoknak ma már számos új kihívással kell szembenézniük, amelyek többek között a hálózati csomópontok puszta mennyiségéből, azok miniatürizálásából és a nagy átviteli sávszélességből adódnak. Ezek közé tartozik elsősorban a kis méret, a csökkentett kiépítési és kábelezési energiaráfordítás, a kiváló jelépség – azaz az elektromágneses zavarással szembeni kifinomult árnyékolás – és a nagy átviteli távolságok esetén is nagy megbízhatóság. Ez utóbbi különösen fontos a nagy területen elterülő gyárak esetében. Egyre inkább szükség van az adatcsatlakozókat használó eszközök áramellátására is.

Az Ethernet-kommunikáció szabványos csatlakozója a széles körben használt RJ45 csatlakozó. A felhasználók gyakran számolnak be az érintkezőkkel kapcsolatos problémákról vagy törött reteszelőelemekről, és az RJ45 a mérete miatt korlátozza a miniatürizálást is. Ezzel szemben az ennek kiváltására alkalmas olyan helyettesítő lehetőségek, mint például a német HARTING cég ix Industrial csatlakozója (1. ábra), lényegesen kisebbek és sokkal tűrőképesebbek, különösen az ütéseknek és a rezgéseknek állnak ellen. A gyártó szerint a szabványos RJ45 csatlakozókhoz képest akár 70%-os helymegtakarítás is elérhető velük a nyomtatott áramköri lapon. A 360°-os árnyékolású csatlakozót 10 Gb/s sebességű Ethernet-kommunikációra tervezték, és kompatibilis a PoE (ethernetes áramellátás, power over Ethernet), valamint a PoE+ energiaátvitellel.

1. ábra: Jelentősen kisebb és tűrőképesebb, mint a szabványos RJ45 csatlakozók: a HARTING ix Industrial ipari Ethernet-csatlakozója (kép: HARTING)

Az ix Industrial a HARTING és a japán Hirose csatlakozóspecialista együttműködésével közösen kifejlesztett csatlakozó. Méretei, villamos tulajdonságai és kódolása megfelelnek az IEC 61076-3-124 szabványnak. Más gyártók, mint például az amerikai Amphenol Communications Solutions, szintén kínálnak hasonló tulajdonságokkal rendelkező termékeket, amelyek összevethetőek az ix Industrial csatlakozóval: például önreteszelő csatlakozókat zord környezetbe IP65/66/67 védettséggel, beépített mágneseket tartalmazó ix Mag csatlakozókat (2. ábra) és Ethernet-RJ45 kábeleket ferde RJ45 csatlakozókkal, amelyek 10 Gb/s sebességű Ethernetet és PoE/PoE+ funkciókat is kínálnak.

2. ábra: Az ethernetes kommunikációra szolgáló Amphenol ix Mag csatlakozó akár 10 Gb/s sebességig használható, 360°-os árnyékolású és a PoE++ protokollt használva akár 90 W teljesítmény kezelésére is képes (kép: Amphenol Communications Solutions)

Felhasználási példák az ix Industrial csatlakozóra

A következő példa jól szemlélteti az Ipar 4.0-s felhasználási területeken a nagy teljesítményű, miniatürizált Ethernet-csatlakozókban rejlő hatalmas lehetőségeket:

Az automatizálási specialista, a Beckhoff XTS lineáris szállítórendszere egy mágneses hajtású továbbítóelemeket használó hajtási megoldás. Ezek a továbbítóelemek teljes mértékben beépített villanymotormodulokból álló pályán haladnak. A Beckhoff szerint az egyedi mozgásprofilokat lehetővé tevő független vezérlésük olyan új géptervezetek (vagy tanulmánygépek) kiindulópontja lehet, amelyek rugalmasabb gyártási folyamatokat tesznek lehetővé rövidebb állásidőkkel, például szerszámváltási idővel.

Ahhoz, hogy a mozgatószervek követni tudják a mozgásmintát, egy számítógépnek folyamatosan ki kell számolnia az adott motormodulok kapcsolását és áramellátását. Ebből a célból összesen három számítógépes kártya kombinálható, amelyek mindegyike korábban portként négy RJ45 aljzattal volt ellátva. Annak érdekében, hogy az XTS rendszer legújabb nemzedékében több továbbítóelemet lehessen működtetni anélkül, hogy a rendszer méreteit módosítani kellene, az RJ45 aljzatokat a HARTING cég ix Industrial csatlakozóira cserélték. Itt a megbízható árnyékolás és a nagy adatátviteli sebesség volt a fő követelmény. Az RJ45 csatlakozóval ellentétben minden ix Industrial csatlakozó két 100 Mb/s-es Ethernet-kapcsolatot tesz lehetővé. Így négy helyett nyolc portot lehet ugyanarra a kártyára szerelni, és portonként egy helyett két Ethernet-csatornát lehet kiépíteni.

Ennek eredményeképpen a három számítógépes kártyán tizenkét port helyett 48 portot alakítottak ki, így a legújabb XTS-generációval egységenként 12 helyett már 48 XTS-vonal használható, ami a szállítórendszer teljesítményének 400%-os növekedését jelenti.

Két vezeték – négy vagy nyolc helyett

A mai ipari automatizálási technika egyik jellemzője a hierarchikus architektúráról a decentralizált architektúrára való áttérés. Ezek korszerűnek és különösen hatékonynak számítanak, ráadásul nagyobb hálózati biztonságot ígérnek. Ennek oka, hogy az intelligens csomópontok, például az intelligens érzékelők vagy a helyi számítógépek, amelyek képesek bizonyos adatfeldolgozási feladatok önálló elvégzésére, csökkentik az érzékeny adatforgalmat a helyi eszköz és a felhő között. A decentralizáció előnyei magától értetődőek, de a helyszínen lévő csatlakoztatott eszközök száma óriási mértékben növekszik, és ezzel együtt a kábelezéssel és a csatlakozásokkal kapcsolatos munkaerő-ráfordítás is. Gazdaságos felhasználásuk – mind az anyag- és kiépítési ráfordítások, mind a fogyasztás tekintetében – egyre inkább a gyártóüzemek fenntarthatóságot segítő jellegének egyik fontos kritériumává válik.

Az egy érpáros Ethernet (SPE, single-pair Ethernet) a hatásfok és a költségtakarékosság szempontjából döntő áttörésnek számít. A kommunikációs technikát az IEEE 802.3 szabvány határozza meg, míg a megfelelő csatlakozókra az IEC 63171-x szabványsorozat vonatkozik. Ezek a szabványok lényegében lehetővé teszik, hogy a helyi összetevőket egyetlen sodrott érpárral, azaz a korábbi négy vagy akár nyolc vezeték helyett két vezetékkel lehessen csatlakoztatni: ez olcsó, jó erőforrás-kihasználású, és ezért a fenntarthatóságot rendkívüli mértékben segíti. Az eredetileg a gépjárműipari elektronikákhoz kifejlesztett egy érpáros Ethernet számos automatizálási szolgáltató követelményeinek megfelel: az egyetlen érpár lehetővé teszi, hogy nagyszámú műszert, vezérlőegységet és egyéb eszközt használjanak gigabites adatátviteli sebességű Ethernet-hálózatokban (3. ábra).

3. ábra: Az egy érpáros Ethernet lehetővé teszi a helyi eszközök jó erőforrás-kihasználású és költségtakarékos beépítését a széles sávú Ethernet-kommunikációba (ábra: SPE Industrial Partner Network)

Egy másik előny: a PoDL-kompatibilitásnak (Power-over-Data-Line, áramellátás adatvonalon keresztül, IEEE P802.3bu) köszönhetően ugyanaz az érpár nemcsak az adatokat, hanem a villanyáramot is képes eljuttatni a helyi eszközökhöz. A korábbi ethernetes (PoE) áramellátás teljesítménytartományában a működtetőelemek és érzékelők mellett például kamerás műszerek is csatlakoztathatók és táplálhatók a PoDL-en keresztül.

Termékek egy érpáros Ethernethez

Az SPE szegmensben a HARTING a T1 csatlakozóval tette le a névjegyét. A csatlakozó reteszelést és 360°-os elektromágneses zavarszűrő árnyékolást is tartalmaz (4. ábra). A PoDL-kompatibilis T1 kör alakú kivitelben, többek között M8-as és M12-es méretben kapható. A védettség tekintetében a termék spektruma az IP20-tól az IP67-ig terjed, és a gyártó szerint a megfelelő csatlakozó-ellenpárokat úgy tervezték, hogy megfeleljenek a védelmi osztályoknak, és lehetővé tegyék az együttműködést más rendszerekkel.

4. ábra: Árnyékolt és reteszeléssel ellátott – a PoDL-kompatibilis T1 csatlakozó IP20 és IP67 közötti védettségi szintekkel kapható (kép: HARTING)

A Phoenix Contact kiterjedt SPE-termékválasztékot kínál a vezérlőszekrények, érzékelők, kapcsolók és átjárók helyszíni kábelezéséhez. A gyártó termékei közé tartoznak például az ipari környezetekben való használatra szánt, IP20 és IP67 közötti védettségű csatlakozók és kábelek.

A nyílt forráskódú eszközöket gyártó SparkFun Electronics egy SPE-funkciók ellenőrzésére alkalmas fejlesztőkártyát kínál az egy érpáros Ethernetet használó készülékeket tervező fejlesztők számára (5. ábra). A MicroMod COM-19038 nevű kártya tartalmaz egy Analog Devices által gyártott ADIN1110 ethernetes adó-vevőt, a Würth Elektronik által gyártott passzív alkatrészeket és egy HARTING T1 csatlakozót. A beépített MAC (Media Access Control, közeghozzáférés-szabályozó) csatlakozó lehetővé teszi a soros kommunikációt a fő vezérlőegységgel 10 Mb/s sebességgel, teljes duplex üzemmódban. A kártya maximum 1700 m hosszúságú kábelen keresztül kapcsolódik a hálózati csomópontokhoz, de nem arra tervezték, hogy ezen a kábelen keresztül árammal is ellássa a csomópontokat. Kirk Benell, a SparkFun műszaki igazgatója egy bemutatóvideóban be is mutatja a fejlesztőkártyát.

5. ábra: Kijelzővel ellátott környezeti érzékelőt szemléltető bemutatóeszköz (kép: SparkFun Electronics)

Végponttól végpontig történő hálózatépítés a feldolgozástechnikában

Az egy érpáros Ethernet műszaki előnyei, például az állapotfigyelés és a megelőző karbantartás elősegítése a folyamatautomatizálás terén is előnyösek. Itt azonban az Ethernet-kapcsolatokra vonatkozóan egy kibővített követelményprofil érvényes. A hatékony és széles sávú valós idejű kommunikáció mellett, mivel arra a gyártóüzemben is szükség van, a nagy kiterjedésű feldolgozóüzemek nagy távolságokra történő adatátvitelt igényelnek. Ezenkívül az automatizálási alkatrészeknek gyújtószikramenteseknek kell lenniük a robbanásveszélyes környezetben való használathoz. Itt lép be a képbe az úgynevezett Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet APL, Ethernet fejlett fizikai réteg): ez egy fizikai átviteli réteget határoz meg a 10 Mb/s sebességű Ethernet-kommunikációhoz, valamint az – SPE-hez hasonlóan – egy érpáron keresztül történő áramellátáshoz maximum 1000 m távolságig. Az SPE-hez hasonlóan az Ethernet APL is tökéletesen alkalmas univerzális, többcélú helyi műszerekhez való használatra.

Összegzés

Az ipari Ethernet és különösen az egy érpáros Ethernet támogatja a termelőberendezések széles sávú hálózatba kapcsolását. Ezek a protokollok lehetővé teszik a problémamentes kommunikációt a helyi szint és a felhő között, és valós idejű hozzáférést tesznek lehetővé az eszközadatokhoz, ami segít az üzemeltetőknek az üzem és a folyamatok optimalizálásában. Előnyeik egyértelműen megmutatkoznak a kisebb üzemeltetési költségekben, a nagyobb rendelkezésre állásban, valamint az energia- és az erőforrás-felhasználás optimalizálásának elősegítésében. A korszerű csatlakozófajták, például az ix Industrial csatlakozók, valamint és a PoDL-kompatibilis SPE-csatlakozók megbízható adat- és energiaátvitelt tesznek lehetővé valamennyi hálózati csomópont között, ezáltal az Ipar 4.0 kulcsfontosságú elemeinek számítanak, és a fenntarthatóságot segítő automatizálási elgondolások gerincét alkotják.