Cum să conectați sistemele vechi de automatizare a fabricilor la Industria 4.0 fără întreruperi

Fabricile se transformă pe măsură ce Industria 4.0 și Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) iau amploare. Printre alte funcții de automatizare la scară largă, Industria 4.0 aduce comunicarea de la mașină la mașină (M2M) pe scară largă în atelier. Acest lucru creează oportunitatea de a colecta și analiza mai multe date pentru a crește productivitatea și a îmbunătăți eficiența.

În timp ce comunicarea M2M s-a accelerat în ultimii ani, aceasta nu este o noutate, fiind parte a digitalizării fabricilor de zeci de ani. Tehnologiile M2M moderne cu fir și fără fir, cum ar fi Ethernet industrial și Wi-Fi, sunt raționalizate și eficiente, dar această istorie îndelungată înseamnă că există multe rețele vechi. Astfel de rețele utilizează tehnologii mai vechi, cum ar fi controlerele logice programabile (PLC), care transferă date prin rețele cu fir utilizând tehnologii de date seriale, precum RS-232 și RS-485.

Acest lucru pune managerii de fabrici în fața unei dileme. Păstrarea sistemelor de comunicații mai vechi înseamnă omiterea beneficiilor de productivitate aduse de Industria 4.0, dar modernizarea fabricilor pentru a introduce Ethernet industrial este costisitoare și perturbatoare. Mai rău, multe utilaje mai vechi sunt controlate, de obicei, de o generație de PLC-uri care nu sunt compatibile cu protocoalele Ethernet industriale mai noi, cum ar fi Ethernet/IP și ModbusTCP. Cu toate acestea, aceste utilaje ar putea fi utile încă mulți ani. Un gateway industrial poate oferi o soluție provizorie rentabilă prin crearea unei punți de legătură între infrastructura existentă și o magistrală Ethernet, pe măsură ce aceasta este introdusă treptat.

Acest articol descrie pe scurt beneficiile unei rețele Ethernet industriale și ale protocoalelor industriale moderne pentru îmbunătățirea productivității și eficienței fabricilor. În continuare, se abordează modul în care un gateway industrial poate oferi o soluție rapidă și ușoară pentru a face legătura între infrastructura veche și magistrala Ethernet. Articolul va prezenta două exemple de gateway-uri industriale de la Weidmüller și va descrie modul în care acestea pot fi utilizate pentru a conecta un PLC care utilizează o tehnologie de date seriale RS-232/RS-485 la o magistrală Ethernet/IP.

O scurtă istorie a automatizării industriale

Digitalizarea fabricilor a început cu adevărat odată cu inventarea PLC-ului în 1969. Un PLC este un tip specializat de computer care execută în mod continuu un singur program. Un avantaj cheie al unui PLC este execuția programului în timp real și cu un grad ridicat de repetabilitate. De asemenea, acestea sunt relativ ieftine, fiabile și robuste. Un bun exemplu este unitatea Siemens SIPLUS , care dispune de o interfață serială RS-485 (Figura 1).

Figura 1: PLC-urile reprezintă pilonul principal al automatizării fabricilor și sunt ieftine, fiabile și robuste. (Sursa imaginii: Siemens)

La începuturile automatizării fabricilor, producătorii își conectau PLC-urile la un sistem central de supervizare folosind RS-232. Aceasta era o legătură de date serială, prin cablu, cu un debit maxim de câteva sute de kilobiți pe secundă (Kbit/s) în cel mai bun caz. Folosea tensiunea de masă pentru a reprezenta „0” digital și de la ±3 până la 15 volți pentru a reprezenta „1” digital. Mai târziu, RS-422 și RS-485 au dus comunicațiile prin cablu la un nivel mai avansat, folosind semnalizarea diferențială pe un cablu cu perechi torsadate. Sistemele permiteau unui controler să supravegheze până la 32 de PLC-uri și ofereau o viteză de transfer al datelor de până la 10 megabiți pe secundă (Mbit/s) pe o distanță de până la 1.200 de metri (m).

Este important de reținut că RS-232 și RS-485 sunt standarde care specifică nivelul fizic (PHY); acestea nu specifică protocolul de comunicare. În sectorul automatizărilor industriale, au fost dezvoltate mai multe protocoale pentru a funcționa pe RS-232 sau RS-485 PHY. Printre exemple se numără Modbus Remote Terminal Unit (RTU), Modbus American Standard Code for Information Interchange (ASCII), DF1-Common Industrial Protocol (CIP), DF1-Programmable Controller Communication Commands (PCCC), Point-to-Point Interface protocol (PPI), DirectNET, Coprocessing Communication Module (CCM) și HostLink. Protocoalele au fost dezvoltate și susținute de mulți producători de PLC.

PLC-urile s-au dovedit a fi o modalitate robustă, fiabilă și flexibilă de a aduce automatizarea în atelier, iar RS-485 și protocoalele sale industriale asociate au oferit o tehnologie de rețea ieftină și simplu de instalat. În prezent, PLC-urile sunt utilizate în mod obișnuit pentru a controla linii întregi de asamblare, iar majoritatea automatizărilor industriale utilizează un anumit tip de PLC. Mii de instalații de automatizare a fabricilor se bazează pe venerabilele rețele RS-232 și RS-485.

Ethernet intră în fabrică

Cu toate acestea, de la începutul secolului, Ethernet a oferit cea mai accesibilă și dovedită soluție pentru o rețea modernă de fabrică. Este cea mai răspândită opțiune de rețea cu fir, cu un suport extins din partea furnizorilor. Ethernet utilizează în mod obișnuit TCP/IP (parte a suitei de protocoale Internet (IP)) pentru rutare și transport, asigurând interoperabilitatea cloud, o capacitate care depășește cu mult tehnologia RS-232 și RS-485.

„Ethernet industrial” descrie sistemele Ethernet adaptate pentru uz industrial. Astfel de sisteme sunt caracterizate de hardware robust și software standard industrial. Ethernet-ul industrial este o tehnologie dovedită și matură pentru automatizarea fabricilor, care permite unui supervizor de la distanță să acceseze cu ușurință unitățile, PLC-urile și dispozitivele I/O din zona de producție. Infrastructura utilizează de obicei topologii de linie sau în inel, deoarece acestea contribuie la scurtarea traseelor de cablu (atenuând impactul interferențelor electromagnetice (EMI)), reducând latența și introducând un anumit grad de redundanță.

Mecanismul de comunicare Ethernet standard este predispus la întreruperi și pachete pierdute, ceea ce mărește latența și îl face nepotrivit pentru cerințele aproape în timp real ale liniilor de producție cu mișcare rapidă și sincronizate. Un astfel de mediu necesită un protocol determinist pentru a se asigura că instrucțiunile utilajelor ajung la timp, de fiecare dată, indiferent de gradul de încărcare a rețelei.

Pentru a depăși această provocare, hardware-ul Ethernet industrial este completat de un software personalizat. Sunt disponibile mai multe protocoale Ethernet industriale dovedite, inclusiv Ethernet/IP, ModbusTCP și PROFINET. Fiecare dintre acestea este conceput pentru a asigura un nivel ridicat de determinism pentru aplicațiile de automatizare industrială.

Ethernet-ul standard cuprinde straturile PHY, legătură de date, rețea și transport (care utilizează fie TCP/IP, fie UDP/IP ca mijloc de transport) și poate fi vizualizat ca un mecanism de comunicare care aduce eficiență, viteză și versatilitate. În schimb, protocoalele Ethernet industrial, de exemplu, PROFINET, utilizează stratul de aplicație al stivei Ethernet industrial (Figura 2).

Figura 2: Este prezentată stiva de software Ethernet industrial. Protocoalele Ethernet industriale, cum ar fi PROFINET, funcționează în stratul de aplicație. (Sursa imaginii: PROFINET)

Pentru mai multe informații, consultați „Proiectare pentru aplicații IoT robuste utilizând rețele de date și alimentare bazate pe Ethernet industrial”.

Un gateway către Industria 4.0

Actualizarea sistemelor vechi de automatizare a fabricilor RS-232 și RS-485 la Ethernet industrial este o sarcină dificilă pentru proiectanți. Într-o fabrică mare pot exista mii de PLC-uri și zeci de kilometri de cabluri. Costurile și întreruperile cauzate de distrugerea sistemelor vechi pentru a le înlocui cu altele noi nu sunt viabile pentru multe companii. Cu toate acestea, în lipsa unei modernizări, o unitate de producție nu va putea profita de creșterile de productivitate promise de Ethernet industrial.

O strategie de limitare a costurilor și a întreruperilor este de a se trece la o magistrală Ethernet industrial, păstrând în același timp magistralele seriale, PLC-urile și utilajele tradiționale. Apoi, atunci când utilajele sunt înlocuite sau când se adaugă noi utilaje în fabrică, acestea pot fi specificate astfel încât să fie interoperabile cu magistrala Ethernet. Acest lucru permite actualizarea treptată a fabricii la cele mai recente standarde de comunicații fără întreruperi ale producției sau probleme majore de lichidități.

Cu toate acestea, o astfel de strategie creează o discontinuitate între rețelele RS-232/RS-485 și Ethernet industrial. Această discontinuitate poate fi compensată cu un dispozitiv de comunicare de tip gateway industrial, cum ar fi 7940124932 sau 7940124933 (Figura 3) de la Weidmüller. Fiecare gateway este o soluție unică care oferă o modalitate rentabilă de a transfera date între PLC-uri și dispozitivele periferice, folosind diferite protocoale și fără a fi necesară adăugarea de cabluri sau mai multe gateway-uri.

Aceste gateway-uri Weidmüller oferă două porturi Ethernet și fie două (în modelul 7940124932), fie patru porturi seriale (7940124933). Acestea acceptă EtherNet/IP, EtherNet/IP-PCCC, ModbusTCP și S7comm (un protocol Ethernet industrial Siemens) la o viteză de până la 10 Mbit/s. Porturile Ethernet acceptă un conector RJ45 cu 8 pini. Pe partea serială, gateway-urile pot gestiona protocoalele seriale Modbus RTU, Modbus ASCII, DF1-CIP, DF1-PCCC, PPI, DirectNET, CCM și HostLink. Rețineți că, în timp ce suportul serial este pentru standardele RS-232/RS-485, intrarea serială către gateway se face mai degrabă prin intermediul unui conector RJ45 cu 8 pini de tip Ethernet, decât prin intermediul unui conector de tip RS-232/RS-485. Gateway-urile sunt interoperabile cu PLC-uri de la Automation Direct, GE, Rockwell Automation, Schneider și Siemens. Gateway-urile pot fi montate pe șină DIN și funcționează într-un interval de temperatură cuprins între 0 ˚ și 55 ˚C, utilizând o intrare de 12-24 de volți.

Figura 3: Dispozitivul de comunicare cu gateway industrial 7940124933 face legătura între Ethernet industrial și până la patru rețele seriale RS-232/RS-485. Versiunea 7940124932 acceptă două porturi seriale. (Sursă imagine: Weidmüller)

Odată configurate prin intermediul unui browser, gateway-urile Weidmüller nu necesită niciun alt echipament pentru a transfera date seriale formatate pentru unul dintre protocoalele seriale RS-232/RS-485 acceptate într-unul dintre protocoalele Ethernet industriale acceptate sau invers. Datele pot fi transferate către și de la orice port în orice combinație, fără a fi nevoie să se editeze vreun cod PLC.

Noțiuni introductive privind gateway-urile industriale

Configurarea gateway-ului Weidmüller necesită pur și simplu conectarea dispozitivului la un comutator Ethernet și apoi conectarea unui PC la cealaltă parte a comutatorului (Figura 4). Odată ce s-a făcut acest lucru, gateway-ul poate fi conectat la sursa de alimentare de la 12 la 24 de volți. PC-ul poate fi apoi utilizat pentru a se conecta printr-o fereastră de browser în care apare dialogul principal al gateway-ului. Dialogurile simplifică apoi configurarea rețelei Ethernet industriale, precum și adăugarea de dispozitive de rețea Ethernet și seriale la gateway. În cele din urmă, porturile seriale ale gateway-ului sunt setate pentru a se potrivi cu configurația portului serial al controlerului conectat.

Figura 4: Configurarea gateway-ului industrial presupune conectarea dispozitivului la un comutator Ethernet și la o sursă de alimentare, apoi conectarea unui PC la comutator și configurarea gateway-ului prin intermediul unui browser. (Sursă imagine: Weidmüller)

Cheia pentru capacitatea gateway-ului de a comunica între dispozitivele care utilizează protocoale diferite este utilizarea datelor „etichetă”. Gateway-ul permite deplasarea datelor etichetei între diferite dispozitive conectate.

Etichetele sunt esențiale în programarea PLC-urilor moderne. Acestea sunt nume atribuite variabilelor de orice tip stocate în memoria PLC. Câteva exemple de nume de etichete sunt: „#DATETIME”, „HEARTBEAT” și „Switch_Group1_IP”. Etichetele sunt stocate în memoria PLC-ului într-o bază de date de etichete.

În această bază de date cu etichete, toate blocurile funcționale (de exemplu, relee, temporizatoare și contoare) și variabilele de program (de exemplu, o valoare de temporizator numită „Transmitter_ RF_ Mute_Timer”), precum și toate celelalte obiecte, sunt stocate ca variabile etichetate cu atribute precum valoare inițială, float, șir de caractere, număr întreg, Boolean (on/off), text ASCII, intrări discrete și ieșiri discrete. Utilizarea etichetelor este o abordare mai eficientă a programării cu un grad mai ridicat de complexitate, dar necesită (ca și în cazul altor limbaje de programare structurate) ca dezvoltatorul să atribuie etichetele variabilelor, precum și tipul de date înainte de utilizarea lor în program. Rețelele de date pot fi, de asemenea, definite în baza de date de etichete.

Pentru fiecare PLC conectat la gateway, dezvoltatorul trebuie să precizeze etichetele de la care vor fi citite datele și etichetele pe care vor fi scrise datele. Acest lucru necesită mai întâi ca etichetele de la fiecare PLC conectat la gateway să fie programate în gateway înainte ca acesta să le poată utiliza pentru comunicarea în rețea.

Acest lucru se face de la PC-ul conectat la gateway prin intermediul switch-ului Ethernet. Prin selectarea pictogramei „Add Tag” (Adăugare etichetă) în fereastra browserului de configurare, se activează o fereastră de dialog care permite dezvoltatorului să specifice numele etichetei, tipul de date, adresa și alte informații conexe, dacă este necesar. De asemenea, este posibil să se accelereze lucrurile prin importul de etichete dintr-un fișier .csv (Figura 5).

Figura 5: Dialog pentru programarea gateway-ului Weidmüller cu proprietățile etichetei PLC. Etichetele sunt nume atribuite variabilelor de orice tip stocate în memoria PLC. (Sursă imagine: Weidmüller)

După ce au fost introduse etichetele pentru toate dispozitivele conectate, următorul pas este crearea unei „hărți de etichete”. Harta de etichete permite gateway-ului să citească datele din registrele unui PLC sursă și să le scrie în dispozitivul de destinație corect. Datele din registre reprezintă efectiv sarcina utilă pentru comunicații. Sarcina utilă este extrasă din eticheta sursă utilizând protocolul PLC sursă, iar apoi este livrată în memoria gateway pentru a fi transmisă către eticheta destinație utilizând protocolul dispozitivului destinație. Nu este esențial ca etichetele sursă și destinație să aibă același tip de date.

Crearea hărții de etichete se realizează din nou de la PC-ul conectat la switch-ul Ethernet, prin intermediul pictogramei „Add Tag Map” (Adăugare hartă de etichete), care inițiază fereastra de dialog Tag Map Editor (Editor hartă de etichete) (Figura 6). Fiecare PLC conectat la rețea va avea nevoie de propria sa hartă de etichete. În fereastra de dialog, se selectează dispozitivul țintă, iar fiecare etichetă care urmează să fie utilizată ca sursă de date este „mapată” la o destinație de date. Procesul se repetă apoi pentru toate dispozitivele conectate.

Figura 6: Pentru fiecare PLC conectat, editorul de hărți de etichete permite ca fiecare sursă de date de etichete să fie mapată la o destinație de date. Procesul se repetă pentru toate dispozitivele conectate. (Sursă imagine: Weidmüller)

Etapa finală a procesului constă în activarea hărții de etichete pentru a iniția comunicarea între etichetele sursă și destinație găzduite pe dispozitivele din rețea. O vizualizare a hărții de etichete pe PC permite verificarea faptului că datele sursă corecte se îndreaptă către destinația corectă.

Concluzie

Industria 4.0 îmbunătățește productivitatea și eficiența producției. Cu toate acestea, este nevoie de o nouă infrastructură Ethernet industrială, a cărei instalare este costisitoare și necesită întreruperi. După cum s-a arătat, gateway-urile industriale permit o introducere etapizată a Industriei 4.0, făcând legătura între rețelele RS-232/RS-485 existente și introducerea treptată a infrastructurii Ethernet industrial. Cu ajutorul acestor soluții, echipamentele și rețelele pot fi modernizate treptat, pe parcursul a câtorva luni sau ani, cu întreruperi minime.