Cum să utilizați un singur cablu Fieldbus pentru mai multe protocoale Ethernet simultane

Trecerea accelerată la Industria 4.0 și la Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) aduce cu sine nevoia de colectare de date și de conectivitate, oferind posibilitatea de a realiza analize pentru îmbunătățirea productivității și a siguranței. Cu toate acestea, colectarea și transferul de date pe orizontală și pe verticală în întreaga fabrică pot fi complexe și costisitoare, în special atunci când sunt implicate mai multe rețele și medii dificile. Proiectanții au nevoie de o modalitate de a proiecta, implementa și gestiona în mod eficient rețelele industriale care pot face schimb de date cu mai multe controlere logice programabile (PLC), senzori și actuatoare de la diferiți furnizori, utilizând în același timp diferite protocoale și cablaje minime.

Acest lucru poate fi realizat cu ajutorul unei platforme integrate și optimizate de intrare/ieșire (I/O) distribuite, care poate gestiona mai multe protocoale prin intermediul unui singur cablu Ethernet. În plus, un astfel de sistem permite operatorilor de rețele industriale să simplifice nevoia de service și să reducă stocul de piese de schimb prin standardizarea pe o singură platformă de I/O, indiferent de PLC-ul utilizat.

Acest articol oferă o scurtă trecere în revistă a rețelelor Industriei 4.0. În continuare, este prezentată o platformă I/O de la Siemens care găzduiește mai multe fieldbus-uri Ethernet pe un singur cablu în medii dificile și arată cum poate fi aceasta utilizată pentru a îndeplini cerințele proiectanților pentru Industria 4.0.

Protocoale Ethernet

Implementarea Industriei 4.0 vine cu o varietate de cerințe de comunicare. Fiecare dintre cele trei protocoale principale de fieldbus, PROFINET, EtherNet/IP și Modbus TCP, acceptă diferite cazuri de utilizare, de la tehnologia de operare (OT) în fabrică până la tehnologia informației (IT).

PROFINET: acesta este un protocol determinist de înaltă performanță utilizat pentru schimbul de date între controlere, cum ar fi PLC-urile și dispozitivele. Este potrivit pentru funcții în timp real și funcții critice de siguranță care includ aplicații de control al mișcării de mare viteză. De asemenea, este utilizat pentru integrarea funcțiilor OT/IT.

EtherNet/IP: utilizează protocolul Ethernet standard, ceea ce facilitează implementarea cu dispozitive Ethernet. Protocolul industrial comun (CIP) este optimizat pentru aplicațiile de automatizare industrială și acceptă tehnologii de rețea, inclusiv EtherNet/IP. De asemenea, EtherNet/IP poate fi utilizat pentru schimbul de date de la nivelul de câmp către sistemele IT.

Modbus TCP: acesta este un protocol bazat pe TCP/IP care este util pentru funcțiile care nu sunt critice din punctul de vedere al timpului, cum ar fi consumul de energie și colectarea datelor de mediu, precum și pentru schimburile de date între nivelul de teren și sistemele IT.

Având în vedere că fiecare dintre cele trei fieldbus-uri are un scop specific, toate trei sunt necesare. Acest lucru creează provocări complexe în ceea ce privește comunicațiile, iar aici intervin sistemele MultiFieldbus. Controlerul de comunicații MultiFieldbus se află între nivelul de câmp și nivelul de control, comunicând simultan cu mai multe controlere care utilizează protocoale diferite prin intermediul unui singur cablu de rețea (Figura 1). Dispozitivele MultiFieldbus pot fi găsite într-o gamă largă de medii, de la interiorul unui dulap de control protejat, la exteriorul fabricii și până la instalații exterioare la distanță.

Figura 1: Un controler de comunicații MultiFieldbus se află între nivelul de câmp și nivelul de control, facilitând conectivitatea și comunicarea complexă a Industriei 4.0. (Sursa imaginii: Siemens)

Medii diverse

Diversitatea mediului înconjurător necesită dispozitive cu o varietate de grade de protecție împotriva pătrunderii (IP) de la IP20 la IP67. Sistemul de clasificare IP este inclus în standardul 60529 al Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC) și clasifică dispozitivele în funcție de capacitatea carcasei lor de a oferi protecție împotriva pătrunderii prafului și a lichidelor și în funcție de ușurința cu care părțile periculoase ale sistemului închis pot fi accesate cu degetele, uneltele sau obiectele solide de diferite dimensiuni. Codurile IP sunt formate din două cifre. Primul indică protecția împotriva obiectelor solide și este evaluat pe o scară de la 0 (fără protecție) la 6 (fără pătrundere de praf). A doua cifră indică protecția împotriva lichidelor și este clasificată de la 0 (fără protecție) la 9 (protecție împotriva apei fierbinți la presiune ridicată din diferite unghiuri).

De exemplu, dispozitivele clasificate IP20 sunt utile în interiorul dulapurilor de control sau în medii similare. Cifra 2 indică protecție împotriva particulelor mai mari de 12,5 milimetri (mm), cum ar fi degetele sau obiecte similare, iar 0 indică faptul că nu există protecție împotriva pătrunderii apei.

Pentru medii mai dificile, clasificările IP tipice includ IP65, IP67 și IP69K, unde 6 indică o carcasă sigilată și complet rezistentă la praf. Aceste clasificări IP asigură o protecție variabilă împotriva apei.

• IP65 indică faptul că apa proiectată de o duză (6,3 mm) spre o carcasă din orice direcție nu ar trebui să aibă efecte dăunătoare.
• IP67 indică faptul că nu este posibilă pătrunderea unei cantități dăunătoare de apă atunci când carcasa este scufundată în apă până la 1 metru (m).
• IP69K este destinat echipamentelor utilizate în vehiculele rutiere și se aplică pentru spălările de înaltă presiune și cu temperatură ridicată.

Platforma MultiFieldbus

Platforma SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus și modulele de interfață de la Siemens pot face schimb simultan de date cu mai multe controlere folosind protocoalele PROFINET, EtherNet/IP și Modbus TCP prin același cablu. Toate protocoalele de comunicare sunt configurabile prin intermediul software-ului, fără nicio modificare a hardware-ului. Platforma completă SIMATIC ET 200 I/O cu MultiFieldbus include, de asemenea, module cu clasa de protecție IP20 pentru utilizare în dulapuri de control, module cu clasele IP65 și IP67 pentru utilizare în interior pe utilaje și IP69K pentru utilizare în exterior (Figura 2).

Figura 2: Platforma SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus include mai multe familii de dispozitive și poate susține instalațiile Industriei 4.0 în dulapuri de control, în interiorul utilajelor și în aer liber. (Imagine: Siemens)

Sistemul poate accepta comunicarea simultană cu până la șase PLC-uri care utilizează diferite protocoale fieldbus. În plus, există module pentru IO-Link, Profibus, punct-la-punct (PtP), Controller Area Network (CAN), interfață pentru senzori de acționare (Asi), interfață de iluminat adresabilă digital (DALI) și multiplexor digital DMX512. Intrările/ieșirile standard și cu autoprotecție pot fi combinate pe o singură stație.

Arhitectura multifuncțională și modulară a sistemului susține personalizarea în masă, un semn distinctiv al fabricilor din Industria 4.0. Cablarea rapidă este susținută de terminalele cu apăsare, iar modulele sunt disponibile pentru o gamă largă de funcții, cum ar fi numărarea, monitorizarea energiei, demaroarele motoarelor, intrările de poziție, servoacționările, detectarea temperaturii, I/O bazate pe timp și chiar încărcarea vehiculelor electrice. Multe dintre module sunt compatibile cu PROFIenergy, un profil al protocolului de comunicații PROFINET care permite gestionarea energiei în dispozitivele de automatizare industrială.

SIMATIC ET 200SP este un sistem I/O distribuit multifuncțional și scalabil cu o mare varietate de module. De exemplu, modelul 6ES71556MU000CN0 este un modul de interfață cu două porturi pentru utilizare în interiorul dulapurilor de control (Figura 3), iar modelul 6ES71936BP000BA0 este o unitate de bază SIMATIC ET 200SP cu o amprentă deosebit de mică, concepută pentru instalarea în cutii de control mici lângă utilaje. Ambele au un grad de protecție IP20 și un interval al temperaturii de funcționare cuprins între -30 °C și +60 °C.

Figura 3: 6ES71556MU000CN0 este un modul de interfață cu două porturi pentru utilizare în interiorul dulapurilor de control. (Sursa imaginii: Siemens)

Module tolerante la vibrații pentru liniile de asamblare

SIMATIC ET 200AL a fost optimizat pentru aplicații care implică mișcare, cum ar fi liniile de asamblare automate și semiautomate (Figura 4). Modulele pot suporta vibrații de până la 5 g în mod continuu, cu un maxim de 10 g. Acestea au un grad de protecție IP65/67 și o temperatură de funcționare de la -25 °C la +55 °C, iar designul lor compact și ușor se potrivește aplicațiilor de control distribuit pe utilaje. Acestea sunt disponibile cu lățimi ale modulelor de 30 mm sau 45 mm și acceptă până la 32 de module pe stație. Modulele permit integrarea senzorilor și a actuatoarelor cu ajutorul conectorilor M8 sau M12, în funcție de modul. De asemenea, acestea dispun de funcționalitatea PROFIenergy.

Figura 4: Modulele ET 200AL (colțul din dreapta jos) sunt optimizate pentru aplicații care implică mișcare și pot suporta vibrații de până la 5 g în mod continuu. (Sursa imaginii: Siemens)

Exemple de module ET 200AL includ:

• 6ES71415BF000BA0 cu opt intrări digitale și socluri M8 pentru conectarea senzorilor de proximitate și a comutatoarelor. Acesta măsoară 30 mm x 159 mm.
• Modelul 6ES71445KD500BA0 are opt intrări analogice și socluri M12 pentru conexiuni. Tipurile de măsurători pot fi programate pentru fiecare canal, inclusiv tensiune, curent (traductoare cu 2 și 4 fire), rezistență (traductoare cu 2 și 3 fire) și detectoare termometrice cu rezistență (conexiuni cu 2 și 3 fire). Are o rezoluție de 16 biți și măsoară 30 mm x 159 mm.

Module cu grad de protecție IP65/67 pentru montarea pe utilaje

Modulele SIMATIC ET 200pro sunt clasificate pentru IP65/67 și sunt proiectate pentru instalare în afara unui dulap de control, direct la un utilaj. Datorită conexiunii fără fir, aceste module sunt potrivite pentru utilizarea în aplicații precum sistemele de vehicule cu ghidaj automat, gestionarea clădirilor, logistica depozitelor și sistemele electrice cu o singură șină. Produsele din această familie pot fi schimbate la cald și includ module cu unitate centrală de procesare (CPU), module de interfață, module I/O și module funcționale.

Seria ET 200pro include o varietate de funcții precum IO-Link și identificarea prin radiofrecvență (RFID). Modulele pentru demaroarele motoarelor pot fi utilizate pentru pornirea și protejarea motoarelor și a sarcinilor de până la 5,5 kilowați (kW). Sunt disponibile versiuni cu autoprotecție care pot respecta nivelul de integritate a siguranței (SIL) 3. Modulul convertizorului de frecvență poate fi utilizat pentru controlul în buclă deschisă sau închisă al motoarelor cu inducție. Modulul de măsurare a temperaturii 6ES71444JF000AB0 este extrem de flexibil și poate fi programat pentru a utiliza o gamă de detectoare de temperatură de rezistență (RTD), inclusiv Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 și NI1000, și poate emite temperatura în grade Celsius sau Fahrenheit.

Module cu montare pe utilaj pentru exterior și zone periculoase

Modulele SIMATIC ET 200eco PN oferă un bloc compact de intrare/ieșire cu clasificări IP65 și IP67 și sunt potrivite pentru instalarea fără dulap, direct pe un utilaj. La fel ca toate modulele ET 200, acestea acceptă PROFINET, Ethernet/IP și Modbus TCP. Aceste module sunt furnizate într-o carcasă complet etanșată din zinc, turnată în matriță și sunt rezistente la vibrații, praf, ulei și umiditate, ceea ce le face potrivite pentru instalații în aer liber. Au o temperatură de funcționare cuprinsă între -40 °C și +60 °C. Seria ET 200eco PN este aprobată prin Directiva Uniunii Europene (UE) privind atmosferele explozive (ATEX) și poate fi utilizată în zone periculoase de până la nivelul 2.

În cazul dispozitivelor conforme cu specificația IO-Link V1.1, parametrii dispozitivului și ai masterului pot fi transferați automat cu ajutorul „funcției de pornire automată”, fără nicio configurație anterioară, în cazul în care un dispozitiv trebuie înlocuit. De exemplu, modulul 6ES71486JG000BB0 poate funcționa ca un dispozitiv IO-Link V1.1 master și include o combinație de 4 porturi IO-Link din clasa A și 4 porturi IO-Link din clasa B (Figura 5). Porturile pot funcționa ca intrări sau ieșiri digitale, în funcție de atribuirea parametrilor. Acesta este clasificat pentru IP67 și IP69K și acceptă trei viteze de transmisie: 4,8 kilobauzi (kBd) pe COM1, 38,4 kBd pe COM2 și 230,4 kBd pe COM3.

Figura 5: Modulul SIMATIC ET 200eco PN (stânga) și o imagine mărită a unei instalații tipice (dreapta) (Sursa imaginii: Siemens)

Concluzie

Implementarea rețelelor pentru Industria 4.0 este un efort complex în cadrul căruia trebuie să se țină cont de multiple interfețe de comunicare și de medii de operare diferite. Pentru a eficientiza rețelele din fabrică, proiectanții pot utiliza platforma SIMATIC ET 200 MultiFieldbus de la Siemens pentru a face schimb simultan de date cu până la șase PLC-uri, utilizând protocoalele PROFINET, EtherNet/IP și Modbus TCP prin același cablu.

Lectură recomandată

1. Susținerea personalizării în masă, a calității ridicate și a operațiunilor durabile în fabricile din Industria 4.0
2. Cum să conectați sistemele vechi de automatizare a fabricilor la Industria 4.0 fără întreruperi