Egy helyisín-kábel használata egyidejűleg több Ethernet protokollhoz

Az Ipar 4.0 és az ipari dolgok internete (IIoT, Industrial Internet of Things) felé való egyre gyorsabb elmozdulás magában hordozza az adatgyűjtés és a csatlakoztathatóság iránti igényt, hogy lehetővé váljanak a termelékenység növelését és a biztonság javítását célzó elemzések. Az egész gyárban végzett horizontális és vertikális adatgyűjtés és adatátvitel azonban összetett és költséges lehet, különösen ha több hálózatról és zord környezetről van szó. A tervezőknek módot kell találniuk arra, hogy hatékonyan tervezzenek, építsenek ki és kezeljenek olyan ipari hálózatokat, amelyek minimális kábelezést igényelnek, és különböző gyártók több programozható logikai vezérlőjével (PLC, programmable logic controller), érzékelőjével és működtetőelemével képesek adatokat cserélni úgy is, hogy azok különböző protokollokat használnak.

Ez egy egyesített és optimalizált elosztott be- és kimeneti (I/O) platformmal valósítható meg, amely egyetlen Ethernet-kábelen keresztül több protokollt is képes kezelni. Egy ilyen rendszer lehetővé teszi az ipari hálózatok üzemeltetői számára azt is, hogy egyszerűsítsék a szervizelési követelményeket és csökkentsék a pótalkatrész-készletet azáltal, hogy a használt PLC-től függetlenül egyetlen be- és kimeneti platformra szabványosítanak.

Ez a cikk röviden áttekinti az Ipar 4.0-s hálózatokat. Ezután ismerteti a Siemens egyik olyan be- és kimeneti platformját, amely alkalmas több Ethernet helyi sín egyetlen kábelen történő használatára zord környezetben, és bemutatja, hogyan lehet ezt az Ipar 4.0 tervezői igényeinek kielégítésére használni.

Ethernet-protokollok

Az Ipar 4.0 kiépítése sokféle kommunikációs megoldást igényel. A három fő helyisín-protokoll, a PROFINET, az EtherNet/IP és a Modbus TCP mindegyike másfajta felhasználási módot támogat, a gyári üzemeltetési technikától (OT, operational technology) az informatikáig (IT, information technology).

PROFINET: A PROFINET egy determinisztikus, nagy teljesítményű protokoll, amelyet a PLC-khez hasonló vezérlőegységek és az eszközök közötti adatcserére használnak. Alkalmas valós idejű és a biztonság szempontjából kritikus funkciókhoz, többek közt nagy sebességű mozgásvezérlő berendezésekhez. Használják az üzemeltetési technika és az informatika funkcióinak egyesítésére is.

EtherNet/IP: Az EtherNet/IP a szabványos Ethernet protokollt használja, így könnyen építhető ki ethernetes eszközökkel. A CIP (Common Industrial Protocol , közös ipari protokoll) ipari automatizálási területekhez van optimalizálva, és támogatja a hálózatkezelő technikákat, többek közt az EtherNet/IP-t is. Az EtherNet/IP a helyi szint és az informatikai rendszerek közötti adatcserére is használható.

Modbus TCP: A Modbus TCP egy TCP/IP-alapú protokoll, amely olyan funkciókhoz hasznos, ahol nem létfontosságú az időtényező. Ilyenek például a környezeti és a fogyasztásra vonatkozó adatok gyűjtése, valamint a helyi szint és az informatikai rendszerek közötti adatcsere.

Mivel mindhárom helyi sínnek más-más a rendeltetése, mindháromra szükség van. Ez a kommunikációval kapcsolatos összetett kihívásokat teremt, és itt jönnek a képbe a több sínrendszerhez használható MultiFieldbus rendszerek. A MultiFieldbus kommunikációs vezérlőegység a helyi és a vezérlési szint között helyezkedik el, és egyidejűleg, egyetlen hálózati kábelen keresztül kommunikál több, különböző protokollokat használó vezérlőegységgel (1. ábra). A MultiFieldbus-eszközök számos környezetben megtalálhatók, a védett vezérlőszekrények belsejében, a gyár területén és a távolban, kültéren kiépített rendszerekben is.

1. ábra: A MultiFieldbus kommunikációs vezérlőegység a helyi szint és a vezérlési szint között helyezkedik el, megkönnyítve az átfogó Ipar 4.0-s csatlakoztathatóságot és kommunikációt (ábra: Siemens)

Különböző környezetek

A környezeti sokféleség különböző (IP20 – IP67 közötti) IP védettségi osztályú eszközöket igényel. Az IP besorolási rendszert a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC, International Electrotechnical Commission) 60529-es szabványa határozza meg. Az IP besorolási rendszer az eszközöket aszerint értékeli, hogy a burkolatuk mennyire képes védelmet nyújtani a por és a folyadékok behatolása ellen, valamint hogy a burkolt rendszer veszélyes részeihez mennyire könnyen lehet hozzáférni ujjal, szerszámokkal vagy különböző méretű szilárd tárgyakkal. Az IP-kódok két számjegyből állnak. Az első a szilárd tárgyakkal szembeni védelmet jelzi, és a számok 0-tól (nem védett) 6-ig (teljesen porvédett) terjednek. A második számjegy a folyadékok elleni védelmet mutatja, és 0-tól (nem védett) 9-ig (védett a különböző szögekből érkező nagynyomású forró vízzel szemben) terjed.

Az IP20 védettségű eszközök például vezérlőszekrényekben és más hasonló környezetben hasznosak. A 2 a 12,5 mm-nél nagyobb objektumokkal, például ujjakkal és hasonló méretű tárgyakkal szembeni védelmet jelzi, a 0 pedig a víz behatolása elleni védelem hiányát.

A nagyobb kihívást jelentő környezetekben a jellemező IP-besorolások az IP65, IP67 és IP69K, ahol a 6 a zárt és teljesen porvédett burkolatot jelzi. Ezek az IP-besorolások a vízzel szemben különböző védelmet nyújtanak.

• Az IP65 azt jelzi, hogy a (6,3 mm átmérőjű) fúvókából bármilyen irányból a burkolatot érő víznek nem lehet káros hatása.
• Az IP67 azt jelzi, hogy az eszközt legfeljebb 1 méter mélyen vízbe merítve nem juthat be káros mennyiségű víz a burkolaton belülre.
• Az IP69K a közúti járművekben használt berendezésekre vonatkozik, és nagynyomású, magas hőmérsékletű vízzel történő lemosásokkal szembeni védettséget jelzi.

A MultiFieldbus platform

A Siemens SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus platformja és csatlakozómoduljai egyidejűleg, ugyanazon a kábelen keresztül képesek adatot cserélni több, PROFINET, EtherNet/IP és Modbus TCP protokollt használó vezérlőegységgel. A kommunikációs protokollok mindegyike szoftveresen állítható be, a hardver módosítása nélkül. A MultiFieldbus rendszerű teljes SIMATIC ET 200 be- és kimeneti platform tartalmaz IP20 védettségű modulokat vezérlőszekrényben való használatra, IP65 és IP67 védettségű modulokat a gépeken való beltéri használatra, valamint IP69K védettségű modulokat kültéri használatra (2. ábra).

2. ábra: A SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus be- és kimeneti platform több eszközcsaládot tartalmaz, és támogatja az Ipar 4.0-s rendszerek kiépítését vezérlőszekrényekben, beltéri gépeken és kültéren (ábra: Siemens)

A rendszer akár hat PLC-vel is képes egyidejűleg kommunikálni, különböző helyisín-protokollokat használva. Ezenkívül a termékcsaládban vannak még modulok a következőkhöz: IO-Link, Profibus, PtP (két pont közötti átvitel, point-to-point), CAN (controller area network, vezérlőhálózat ), Asi (actuator sensor interface, működtetőelem–érzékelő illesztő), DALI (digital addressable lighting interface, digitálisan címezhető világítástechnikai illesztő) és DMX512 digitális multiplexer. A szabványos és hibatűrő be- és kimenet egyetlen állomáson belül is használható vegyesen is.

A rendszer többfunkciós és modulrendszerű felépítése lehetővé teszi a tömeges testreszabást, ami az Ipar 4.0-s gyárak egyik jellemzője. A gyors kábelezést dugaszolható csatlakozók segítik, és számos funkcióhoz, például a számláláshoz, az energiagazdálkodáshoz, a villanymotor-indító kapcsolókhoz, a helyzetjelzőktől kapott bemenőjelekhez, a szervohajtásokhoz, a hőmérséklet-érzékeléshez, az időalapú be- és kimenetekhez, sőt még a villanyjárművek töltéséhez is kaphatóak modulok. A modulok közül sok támogatja a PROFIenergy protokollt, a PROFINET kommunikációs protokoll egy olyan profilját, amely az ipari automatizálási eszközök energiagazdálkodását teszi lehetővé.

A SIMATIC ET 200SP egy többfunkciós és méretezhető elosztott be- és kimeneti rendszer, amelyben sokféle modul megtalálható. A 6ES71556MU000CN0 jelű típus például egy kétportos csatlakozómodul, amely beltéri vezérlőszekrényekben használható (3. ábra), a 6ES71936BP000BA0 jelű típus pedig egy alapszintű SIMATIC ET 200SP egység, amely különösen kis méretű, és a gépek melletti kis vezérlődobozokba való beépítésre készült. Mindkettő IP20 védettségű, és –30 °C és +60 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartományban működik.

3. ábra: A 6ES71556MU000CN0 egy kétportos csatlakozómodul beltéri vezérlőszekrényekben való használatra (kép: Siemens)

Rázkódásálló modulok szerelősorokhoz

A SIMATIC ET 200AL modul mozgással járó felhasználási területekhez, például automatizált és félautomatizált szerelősorokhoz van optimalizálva (4. ábra). A modulok folyamatosan 5 G-ig terjedő, maximum 10 G-s rezgéseket viselnek el. IP65 vagy IP67 védettségűek, üzemi hőmérséklet-tartományuk –25 °C és +55 °C között van, kis méretük és tömegük miatt pedig alkalmasak a gépeken elhelyezett elosztott vezérlőberendezésekben való használatra. 30 mm-es és 45 mm-es modulszélességgel kaphatóak, és állomásonként maximum 32 modul is használható. Modultól függően M8-as vagy M12-es csatlakozókkal segítik az érzékelők és működtetőelemek rendszerbe építését. PROFIenergy funkciókra is alkalmasak.

4. ábra: Az ET 200AL modulok (jobb alsó sarok) mozgással járó felhasználási területekre vannak optimalizálva, és akár 5 G folyamatos rezgést is elviselnek (kép: Siemens)

Példák az ET 200AL modulokra:

• A 6ES71415BF000BA0 modulon nyolc digitális bemenet és M8 aljzat található közelségérzékelők és kapcsolók csatlakoztatására. Mérete 30 mm × 159 mm.
• A 6ES71445KD500BA0 modulon nyolc analóg bemenet és M12 aljzat található különféle eszközök csatlakoztatására. Mindegyik csatornára különféle mérési típusok programozhatók, beleértve a feszültség, áramerősség (2 és 4 vezetékes jelátalakítók) és ellenállás (2- és 3 vezetékes jelátalakítók) mérését és az ellenállásos hőérzékelők jeleinek fogadását (2 és 3 vezetékes csatlakozások). Felbontása 16 bites, mérete 30 mm × 159 mm.

IP65 és IP67 védettségű modulok gépbe építésre

A SIMATIC ET 200pro modulok IP65 vagy IP67 védettségűek, és vezérlőszekrényen kívüli, közvetlenül a gépre történő felszerelésre lettek tervezve. A vezeték nélküli kapcsolatnak köszönhetően ezek a modulok jól használhatók olyan felhasználási területeken, mint az automatizált irányított járműrendszerek, az épületfelügyelet, a raktárlogisztika és az egysínű villanyvasúti rendszerek. A termékcsalád kikapcsolás nélküli cserére (hot swap) alkalmas, és tartalmaz központi feldolgozóegység (CPU) modulokat, csatlakozómodulokat, be- és kimeneti modulokat és adott funkciókat ellátó modulokat is.

Az ET 200pro sorozat sokféle funkcióval el van látva, ilyen például az IO-Link és az RFID (rádiófrekvenciás azonosítás). A villanymotor-indító kapcsolómodulok villanymotorok és terhelések indítására és védelmére használhatók 5,5 kW teljesítményig. Kaphatóak hibatűrő, SIL 3 biztonságjósági szintű változatok is. A frekvenciaváltó modul indukciós motorok nyílt vagy zárt hurkú vezérlésére használható. A 6ES71444JF000AB0 hőmérsékletmérő modul rendkívül rugalmas, és számos ellenállásos hőmérséklet-érzékelővel (RTD, resistance temperature detector) – többek közt Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 és NI1000 – való használatára programozható, és a hőmérsékletet Celsius- és Fahrenheit-fokban is ki tudja jelezni.

Gépbe szerelhető modulok kültérre és veszélyes területekre

A SIMATIC ET 200eco PN modulok kis méretű be- és kimeneti blokkok IP65 vagy IP67 védettséggel, és alkalmasak kapcsolószekrény nélkül, közvetlenül a gépbe történő beépítésre. Mint minden ET 200 modul, ezek is támogatják a PROFINET, az Ethernet/IP és a Modbus TCP szabványt. Ezek a modulok teljesen lezárt cinköntvény házban vannak, és ellenállnak a rezgésnek, a pornak, az olajnak és a nedvességnek, így kültéri használatra is alkalmasak. Üzemi hőmérséklet-tartományuk –40 °C és +60°C közötti. Az ET 200eco PN sorozat az Európai Unió (EU) robbanásveszélyes környezetről szóló (ATEX) irányelve szerinti minősítésű, és a 2. zónáig terjedő veszélyes területeken használható.

Az IO-Link V1.1 előírásoknak megfelelő eszközök esetében a paraméterek az eszköz és a központi egység között az autostart funkció segítségével minden előzetes beállítás nélkül automatikusan átvihetőek, amikor valamelyik készüléket cserélni kell. A 6ES71486JG000BB0 modul például használható IO-Link V1.1 központi egységként, és 4 A és 4 B osztályú IO-Link portokkal van felszerelve (5. ábra). A portok a paraméterek hozzárendelésétől függően működhetnek digitális bemenetként vagy digitális kimenetként. Az eszköz IP67 vagy IP69K védettségű, és három átviteli sebességet támogat: 4,8 kBd (kilobaud) a COM1, 38,4 kBd a COM2 és 230,4 kBd a COM3 porton.

5. ábra: A SIMATIC ET 200eco PN modul (balra) képe és egy jellegzetes kiépítést mutató közeli kép (jobbra) (kép: Siemens)

Összegzés

Az Ipar 4.0-s hálózatok kiépítése összetett feladat, amelynek során több kommunikációs protokollt és eltérő működési környezetet kell figyelembe venni. A gyári hálózatok észszerűsítése érdekében a tervezők használhatják a Siemens SIMATIC ET 200 MultiFieldbus platformját az egyazon kábelen keresztül akár hat PLC-vel történő egyidejű, PROFINET, EtherNet/IP és Modbus TCP protokollt használó adatcserére.

Ajánlott olvasnivaló

1. Supporting Mass Customization, High Quality, and Sustainable Operations in Industry 4.0 Factories (A tömeges testreszabás, a kiváló minőség és a fenntarthatóságot segítő működés támogatása az Ipar 4.0-s gyárakban)
2. How to Connect Legacy Factory Automation Systems to Industry 4.0 without Disruption (Régebbi gyárautomatizálási rendszerek csatlakoztatása Ipar 4.0-s hálózatokhoz a termelés megszakítása nélkül)