Conectivitatea – Elementul fundamental al automatizării sustenabile

Tehnologii precum SPE, PoDL și Ethernet APL depășesc limitările tradiționale ale comunicațiilor industriale. Interfețele avansate pentru semnale, date și energie electrică sunt esențiale în acest caz: acestea ajută furnizorii de automatizare să economisească resurse și costuri atunci când conectează în rețea echipamentele de producție.

(Sursa imaginii: PeopleImages via Getty Images)

Digitalizarea și rețelele de date fără întreruperi care pătrund în procesele corporative până la nivelul de producție pe teren reprezintă o tendință de durată în tehnologia de automatizare. Scopul lor este de a crea medii de producție extrem de flexibile, care pot fi personalizate pentru a atinge un nivel de diversificare și productivitate fără precedent. În acest scop, industria de producție se confruntă cu o transformare disruptivă sub umbrela „Industriei 4.0”, utilizarea sustenabilă a tuturor resurselor disponibile fiind unul dintre cele mai importante aspecte.

De la teren la cloud fără întreruperi

Conectivitatea perfectă între dispozitive, produse și – în ultimă instanță – oameni este caracteristică acestei transformări, care începe să depășească masiv granițele tradiționale dintre tehnologia operațională (OT) și tehnologia informației (IT). Cu ajutorul Ethernetului industrial, astăzi este disponibilă o tehnologie care poate interconecta fără probleme chiar și dispozitivele de teren prin TCP/IP la infrastructurile de date bazate pe cloud ale companiilor, în bandă largă și într-un mod rentabil. Spre deosebire de magistralele de teren, Ethernet industrial traversează toate nivelurile de automatizare – de la un capăt la altul, de la dispozitivul de teren la cloud. Astfel, operatorii din fabrici și uzine pot accesa datele dispozitivelor în timp real și le pot utiliza pentru planificarea producției, controlul proceselor și analiza datelor.

De exemplu, Ethernetul industrial permite achiziția și analiza în timp real a datelor de la senzori, surse de alimentare sau mecanisme de acționare. Informațiile privind schimbările de temperatură sau vibrațiile în punctele critice, precum și profilurile de sarcină permit formularea de concluzii pentru optimizarea parametrilor de proces. Acestea anunță situațiile de suprasarcină și semnalează din timp necesitatea de întreținere. Întreținerea predictivă are o importanță deosebită în acest sens, deoarece îi ajută pe operatori să îmbunătățească disponibilitatea instalațiilor și utilajelor lor, precum și să reducă la minimum consumul de energie și utilizarea resurselor – ceea ce, pe de o parte, reduce costurile de exploatare, dar, pe de altă parte, contribuie în mod decisiv la sustenabilitatea instalațiilor de proces și a fabricilor.

Alternativă robustă la RJ45

Elementul fundamental fizic al acestor rețele, în special al Ethernetului industrial, este o tehnologie de interconectare de înaltă performanță care permite transmiterea sigură a semnalelor și datelor între diferitele noduri ale rețelelor de automatizare. Pe lângă robustețea fizică pe care o necesită în utilizarea industrială, astfel de soluții se confruntă astăzi cu o serie de noi provocări, care rezultă, de exemplu, din numărul mare de noduri de rețea, miniaturizarea acestora sau lățimea de bandă de transmisie ridicată. Acestea includ, în special, factori de formă compacți, efort redus de instalare și cablare, integritate ridicată a semnalului – adică ecranare sofisticată împotriva interferențelor electromagnetice – și fiabilitate pe distanțe lungi de transmisie. Aceasta din urmă este deosebit de relevantă în cazul terenurilor extinse ale fabricilor. Din ce în ce mai mult, este necesară și alimentarea cu energie a dispozitivelor care utilizează conectori de date.

Interfața standard pentru comunicarea Ethernet este conectorul RJ45, utilizat pe scară largă. Utilizatorii raportează frecvent probleme cu contactele sau elemente de blocare rupte; de asemenea, RJ45 limitează miniaturizarea datorită dimensiunilor sale. În schimb, alternative precum interfața ix Industrial de la furnizorul german HARTING (Figura 1) sunt substanțial mai mici și mult mai robuste, rezistente în special la șocuri și vibrații. Potrivit producătorului, este posibilă o economie de spațiu de până la 70% pe placa de circuite în comparație cu RJ45 standard. Conectorul ecranat la 360° este proiectat pentru comunicații Ethernet de 10 Gbit/s și este compatibil cu PoE (Power-over-Ethernet), precum și cu PoE+ pentru transmiterea energiei.

Figura 1: Mult mai mică și mai robustă decât conectorii RJ45 standard: Interfața ix Industrial pentru Ethernet industrial de la HARTING. (Sursa imaginii: HARTING)

ix Industrial este o interfață dezvoltată de HARTING în colaborare cu specialistul japonez în conectică, Hirose. Dimensiunile, proprietățile electrice și codificarea acesteia sunt conforme cu standardul IEC 61076-3-124. Alți producători, cum ar fi compania americană Amphenol Communications Solutions, oferă și produse cu proprietăți comparabile, care pot fi combinate cu ix Industrial: de exemplu, conectori în contratimp pentru medii dificile cu grade de protecție IP65/66/67, conectori ix Mag cu magneți integrați (Figura 2) sau ansambluri de cabluri Ethernet-to-RJ45 cu conectori RJ45 înclinați; acestea oferă atât funcționalitate Ethernet 100 Gbit, cât și PoE/PoE+.

Figura 2: Comunicare Amphenol ix  Mag: Ethernet de până la 10 Gbit/s, ecranare la 360° și PoE++ de până la 90 W (Sursa imaginii: Amphenol Communications Solutions)

Caz de utilizare ix Industrial

Exemplul următor ilustrează potențialul enorm al interfețelor Ethernet miniaturizate de înaltă performanță pentru aplicațiile din Industria 4.0:

Sistemul de transport liniar XTS de la specialistul în automatizare Beckhoff este o soluție de acționare care utilizează dispozitive de mișcare acționate magnetic care se deplasează de-a lungul unei piste de module motorizate complet integrate. Potrivit Beckhoff, controlul lor independent care permite profiluri de mișcare individuale este punctul de plecare al noilor concepte de utilaje care permit procese de producție mai flexibile cu timpi de oprire mai scurți, cum ar fi retehnologizarea.

Pentru ca dispozitivele de mișcare să își urmeze tiparul de deplasare, un computer trebuie să calculeze în mod constant comutarea și alimentarea cu curent a modulelor motorului respectiv. În acest scop, pot fi combinate în total trei plăci de computer, fiecare dintre acestea având anterior patru socluri RJ45 ca porturi. Pentru a permite operarea mai multor dispozitive de mișcare în ultima generație a sistemului XTS fără a fi nevoie să se modifice dimensiunile sistemului, soclurile RJ45 au fost înlocuite cu interfața ix Industrial de la HARTING. În acest caz, cerințele principale au fost o ecranare fiabilă și un debit mare de date. Spre deosebire de RJ45, fiecare conector ix Industrial permite două conexiuni Ethernet de 100 Mbit/s. Astfel, pe aceeași placă pot fi montate opt porturi în loc de patru, iar pe fiecare port pot fi instalate două canale Ethernet în loc de unul.

Drept urmare, au fost implementate 48 de porturi în loc de 12 pe cele trei plăci de computer. În consecință, cu cea mai recentă generație XTS, acum pot fi utilizate 48 de linii XTS în loc de 12 per unitate, ceea ce corespunde unei creșteri de 400% a performanței sistemului de transport.

Două fire – în loc de patru sau opt

Un atribut distinctiv al tehnologiei actuale de automatizare industrială este migrarea sa de la arhitecturi ierarhice la arhitecturi descentralizate. Acestea sunt considerate avansate și deosebit de productive și, în plus, promit o securitate sporită a rețelei. Acest lucru se datorează faptului că nodurile inteligente, cum ar fi senzorii inteligenți sau computerele periferice, care sunt capabile să efectueze anumite sarcini de procesare a datelor în mod autonom, reduc traficul de date sensibile între periferie și cloud. Avantajele descentralizării sunt evidente, dar numărul de dispozitive conectate pe teren crește enorm, la fel ca și eforturile de cablare și conectivitate. Utilizarea economică a acestora, atât în ceea ce privește efortul de instalare și materiale, cât și consumul de energie, devine un criteriu important pentru durabilitatea instalațiilor de producție.

Single-Pair Ethernet (SPE) este considerat un progres decisiv în ceea ce privește eficiența și rentabilitatea. Tehnologia de comunicare este definită de standardul IEEE 802.3; seria de standarde IEC 63171-x se aplică conectorilor respectivi. În esență, aceasta permite conectarea componentelor de teren prin intermediul unei singure perechi torsadate, adică două fire în loc de patru sau chiar opt: costuri reduse, eficiență a resurselor și, prin urmare, sustenabilitate foarte ridicată. Dezvoltat inițial pentru electronica auto, SPE îndeplinește cerințele multor furnizori de automatizare: o singură pereche de fire le permite acestora să integreze un număr mare de instrumente, controlere și alte dispozitive în rețele Ethernet la viteze de date de gigabit (Figura 3).

Figura 3. Single-Pair Ethernet permite integrarea eficientă din punctul de vedere al resurselor și al costurilor a dispozitivelor de teren în comunicațiile Ethernet în bandă largă. (Sursa imaginii: SPE Industrial Partner Network)

Un alt avantaj: datorită compatibilității PoDL (Power-over-Data-Line, IEEE P802.3bu), aceeași pereche de fire poate furniza nu numai date, ci și energie electrică dispozitivelor de teren. Pe lângă actuatoare și senzori, în gama de putere a sursei PoE anterioare, instrumentele bazate pe camere pot fi conectate și alimentate prin PoDL, de exemplu.

Produse pentru Single-Pair Ethernet

În segmentul SPE, HARTING se poziționează cu conectorul său T1, care include blocare și ecranare EMI la 360° (Figura 4). T1 cu compatibilitate PoDL este disponibil în modele circulare, inclusiv M8 și M12. În ceea ce privește gradele de protecție, gama de produse variază de la IP20 la IP67 și, potrivit producătorului, interfețele respective sunt proiectate pentru a respecta clasele de protecție și a asigura interoperabilitatea.

Figura 4: Funcționalitate de blocare ecranată și echipată – T1 compatibil cu PoDL este oferit pentru grade de protecție de la IP20 la IP67. (Sursa imaginii: HARTING)

Și Phoenix Contact oferă un portofoliu complet de SPE pentru cablarea pe teren către și de la dulapuri de control, senzori, switch-uri și gateway-uri. Produsele acestui furnizor includ, de exemplu, conectori de placă sau ansambluri de cabluri pentru utilizare în medii industriale de la IP20 până la IP67.

Furnizorul de instrumente open-source, SparkFun Electronics, oferă o placă funcțională SPE pentru a susține dezvoltatorii în proiectarea de aplicații cu Single-Pair Ethernet (Figura 5). Placa, denumită MicroMod COM-19038, include un emițător-receptor Ethernet ADIN1110 de la Analog Devices, componente pasive de la Würth Elektronik și un conector HARTING T1. O interfață MAC (Media Access Control) integrată permite comunicarea serială cu un controler gazdă la 10 Mbit/s în modul full duplex. Placa acceptă noduri de rețea prin intermediul unor cabluri de 1700 m, dar nu este proiectată pentru a alimenta nodurile prin acest cablu. Kirk Benell, CTO al SparkFun, prezintă placa de dezvoltare într-un videoclip demonstrativ.

Figura 5: Demonstrator pentru un senzor de mediu cu afișaj. (Sursa imaginii: SparkFun Electronics)

Rețea end-to-end în tehnologia de procesare

Avantajele tehnice ale Single-Pair Ethernet, de exemplu, în ceea ce privește monitorizarea stării și întreținerea predictivă, sunt, de asemenea, benefice pentru automatizarea proceselor. Cu toate acestea, aici se aplică un profil de cerințe extins pentru conectivitatea Ethernet. Pe lângă o comunicare în timp real robustă și în bandă largă, necesară și în atelier, instalațiile cu procese de mare amploare necesită transferul de date pe distanțe lungi. În plus, componentele de automatizare trebuie să aibă siguranță intrinsecă pentru a fi utilizate în medii potențial explozive. Aici intră în scenă așa-numitul strat fizic avansat (Advanced Physical Layer) Ethernet (Ethernet APL): acesta definește un strat fizic de transmisie pentru comunicarea Ethernet la 10 Mbit/s, precum și pentru alimentarea cu energie electrică printr-un singur fir dublu – ca în cazul SPE – pe distanțe de până la 1000 m. La fel ca SPE, Ethernet APL este perfect adaptat pentru instrumente de teren universale și multifuncționale.

Rezumat

Ethernet industrial și, în special, Single-Pair Ethernet, sprijină conectarea în bandă largă a echipamentelor de producție. Acestea permit o comunicare fără întreruperi de la nivelul terenului la cloud și permit accesul în timp real la datele dispozitivelor, ceea ce îi ajută pe operatori să optimizeze instalațiile și procesele. Beneficiile acestora sunt evidente, prin reducerea costurilor de operare, creșterea disponibilității și utilizarea optimizată a energiei și a resurselor. Tehnologiile avansate de conectare, cum ar fi interfețele ix Industrial și conectorii SPE cu compatibilitate PoDL, asigură o transmisie fiabilă a datelor și a energiei între toate nodurile rețelei. Acest lucru le face componente cheie ale Industriei 4.0 și un element fundamental al conceptelor de automatizare sustenabilă.