W latach 70. ubiegłego wieku „Przemysłem 3.0” nazwano zmianę paradygmatu produkcji poprzez wykorzystanie technologii informatycznych do rozwoju automatyzacji i zwiększenia produktywności, precyzji i elastyczności. W miarę rozwoju Przemysłu 4.0 wdrażana jest automatyzacja przemysłu na dużą skalę za pomocą inteligentnych technologii, komunikacji maszyna-maszyna (M2M) i uczenia maszynowego (ML). Kluczowa różnica między tymi dwoma modelami polega na tym, że Przemysł 3.0 dostarczał informacji pozwalających ludziom podejmować lepsze decyzje, natomiast Przemysł 4.0 wykorzystuje informacje cyfrowe do optymalizacji procesów w dużej mierze bez naszej interwencji.

Co więcej, Przemysł 4.0 pozwala połączyć biuro projektowe fabryki z halą produkcyjną. Oprogramowanie do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) może poprzez M2M komunikować się z obrabiarkami i bezpośrednio programować produkcję części. Z kolei obrabiarki mogą informować oprogramowanie CAD o trudnościach w procesie produkcji, pozwalając modyfikować elementy w celu ułatwienia ich wytwarzania.

Przemysłowy Internet rzeczy (IIoT) jest platformą, na której producenci budują rozwiązania dla Przemysłu 4.0. Ważną rolą sieci jest w nich tworzenie pętli informacji zwrotnej, w których czujniki monitorują procesy, a ich dane są wykorzystywane do sterowania i usprawniania pracy maszyn.

Wdrażanie IIoT nie jest proste, lecz największym chyba wyzwaniem są koszty inwestycji. Wprawdzie można je uzasadnić oszczędnościami wynikającymi z ulepszeń w projektowaniu i produkcji, wiodących do wzrostu produktywności i mniejszej liczby awarii produktów, lecz każda inicjatywa mogąca zmniejszyć wydatki kapitałowe ma szansę przyspieszyć przyjęcie się Przemysłu 4.0. Przykładem może być oparcie fabrycznej sieci IIoT na sprawdzonej, dostępnej i stosunkowo niedrogiej technologii Ethernet.

Ethernet dla przemysłu

Jako najpowszechniej na świecie używany standard sieci przewodowych, Ethernet zapewnia dobre wsparcie ze strony dostawców i interoperacyjność IP. Pozwala też przesyłać tym samym zestawem okablowania dane i energię do zasilania podłączonych czujników, siłowników i kamer.

Wykorzystujący wytrzymałe złącza i kable Industrial Ethernet, czyli Ethernet przemysłowy, bazuje na konsumenckiej wersji standardu, zapewniając sprawdzoną i dojrzałą technologię dla automatyki przemysłowej. Industrial Ethernet nie tylko umożliwia przesyłanie ważnych informacji, lecz również pozwala zdalnemu nadzorcy na łatwy dostęp do maszyn, sterowników PLC i kontrolerów w hali produkcyjnej.

Standardowy protokół Ethernet jest jednak podatny na utratę pakietów, co zwiększa jego opóźnienia i dyskwalifikuje go do stosowania w zsynchronizowanych i szybko poruszających się liniach montażowych. Aby obejść słabości standardowego protokołu, sprzęt Industrial Ethernet jest łączony z deterministycznymi protokołami przemysłowymi o niskich opóźnieniach, takimi jak EtherNet/IP, Modbus TCP i PROFINET. W instalacjach Industrial Ethernet stosowane są wzmocnione wersje standardowego kabla CAT 5e oraz, w certyfikowanych sieciach Gigabit Ethernet, kabla CAT 6.

Przykładowo kabel CAT 5e zawiera osiem żył zebranych w cztery skrętki. Skręcenie ogranicza zakłócenia sygnału (przesłuch) pomiędzy parami przewodów. Skręcona para zapewnia transmisję dwukierunkową. W szybkich systemach, takich jak Gigabit Ethernet, do przesyłania danych stosowane są wszystkie cztery skrętki. Systemom o niższej przepustowości (do 100 megabitów na sekundę) mogą wystarczyć dwie skrętki, przez co dwie pozostałe mogą posłużyć np. do zasilania lub tradycyjnej łączności telefonicznej.

Zastrzeżone rozwiązania firmowe zapełniają lukę

Jednym z mankamentów stosowania kabli CAT 5e w IIoT jest to, że do wielu zadań są one zbyt zaawansowane. Szybki Ethernet jest dobry np. do programowania narzędzi maszynowych z oprogramowania CAD, lecz zbędny w przypadku czujnika raportującego prędkość taśmy przenośnika. A oparty na sieci Ethernet IIoT w dużym stopniu służy do gromadzenia niewielkich ilości informacji z czujników do optymalizacji procesów produkcyjnych.

Ilustracja 2. Przełączniki ethernetowe montowane na stelażu z 8-żyłowymi kablami Ethernet (źródło: asharkyu/shutterstock.com)

Może to oznaczać spore wydatki na kilometry kabli o możliwościach technicznych, które nigdy nie zostaną wykorzystane. W przemyśle, w którym liczą się koszty, takiego marnotrawstwa unika się zazwyczaj poprzez stosowanie tańszych alternatyw. Zamiast trwonić pieniądze na drogie kable, producenci przeszli na znacznie tańsze alternatywne magistrale polowe (fieldbus) do łączenia czujników i systemów, które nie potrzebują pełnych możliwości sieci Ethernet. Do typowych zastosowań magistral polowych zaliczają się oprzyrządowanie przemysłowe i zdalne wejścia/wyjścia. Rozwiązania te oferują kable o długości do jednego kilometra i surową przepustowość do dziesięciu megabitów na sekundę. Wiele z zastrzeżonych standardów magistral polowych – na przykład HART, PROFIBUS PA i 4-20 mA – wykorzystuje stosunkowo niedrogą pojedynczą skrętkę.

Dziś zakłady wdrażające Przemysł 4.0 wykorzystują standardowy Ethernet do zadań takich jak planowanie zasobów przedsiębiorstwa (ERP) i projektowanie wspomagane komputerowo (CAD), Industrial Ethernet do operacji technicznych i zarządzania zasobami zakładu, a firmowe standardy magistral polowych do oprzyrządowania i zdalnych wejść/wyjść. Nie jest to rozwiązanie idealne, ponieważ pierwsze dwa systemy dobrze ze sobą współpracują, lecz trzecia kategoria nie jest z nimi interoperacyjna.

Najnowsza poprawka IEEE 802.3cg do specyfikacji Ethernet została stworzona z myślą o zastosowaniach przemysłowych, które są obecnie obsługiwane przez magistrale polowe inne niż Ethernet. Poprawka ta zyskuje na popularności, ponieważ umożliwia wszystkim fabrycznym operacjom Przemysłu 4.0 korzystanie z Ethernetu. Każde urządzenie – począwszy od głównego serwera chmury fabrycznej, poprzez zdalne terminale, aż po najprostsze monitory temperatury – będzie mogło komunikować się z innymi za pomocą pojedynczego protokołu opartego na standardach.

Kluczowym elementem zmiany specyfikacji jest jednoparowy kabel Ethernet (SPE, Single Pair Ethernet), w którym – jak sugeruje nazwa – dane są przesyłane za pomocą pojedynczej skrętki zamiast wieloparowego kabla CAT 5e konwencjonalnej sieci Industrial Ethernet.

Jest to duża korzyść dla właścicieli fabryk, ponieważ znacznie obniża koszty i objętość okablowania komunikacyjnego w budynkach. Co więcej, przy użyciu nowych złączy ethernetowych pojedyncze skrętki istniejących magistral polowych mogą zostać wykorzystane w SPE, bez potrzeby wymiany kilometrów starych kabli na nowe.

IEEE 802.3cg wprowadza również dwie nowe warstwy fizyczne (PHY) na potrzeby zastosowań przemysłowych i utrzymania kosztów pod kontrolą. Pierwsza jest przeznaczona dla krótkich zasięgów (do 15 metrów), natomiast druga oferuje zasięg do jednego kilometra i obejmuje opcjonalny wzmocniony poziom transmisji dla większej odporności na zakłócenia oraz tryb uśpienia o niskim zużyciu energii.

Znaczenie podejścia „Powodzenie za pierwszym razem”

Współczesna produkcja wymaga precyzji i powtarzalności. Komponent lub podzespół należy wykonać z zachowaniem na tyle niewielkich tolerancji, aby można go było użyć w dowolnym z tysięcy przykładów produktu końcowego, a mimo to aby działał bez zarzutu przez lata. Im mniejsze lub bardziej złożone produkty – jak choćby wysokiej klasy zegarki mechaniczne lub najnowsze smartfony – tym większej precyzji wymaga ich produkcja.

IIoT może zapewnić tę precyzję poprzez monitorowanie w czasie rzeczywistym i wykrywanie odchyleń, zanim wymkną się spod kontroli. Poprawne wykonanie produktu za pierwszym razem zmniejsza liczbę awarii konsumenckich i niekończących się roszczeń gwarancyjnych. Zmniejsza też koszty, a co być może ważniejsze, jest bardziej zrównoważone, ponieważ właściwe wytworzenie produktu za pierwszym razem pozwala zaoszczędzić energię, emisje i cenne materiały.

Podsumowanie

Jednoparowy Ethernet pozwala inżynierom zastosować sieć Industrial Ethernet w całej fabryce, nawet do obsługi najprostszych czujników. Ułatwia to gromadzenie i analizowanie głębokich danych potrzebnych zarówno do usprawnienia operacji produkcyjnych, jak i zmaksymalizowania wpływu nowych technologii, takich jak uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Mouser

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!