Jak wskazują liczne analizy rozwoju sieciowych systemów przemysłowych, coraz więcej działań sfery biznesowej w przedsiębiorstwach bazuje na integracji systemów sieciowych sfery produkcyjnej i biznesowej, wymuszając jej pogłębianie i funkcjonalny rozwój. Podniesienie wskaźników sprawności, optymalizacja i zwiększenie szybkości procesów produkcyjnych, wysoka jakość produktów i usług serwisowych dla klientów, to czynniki wymieniane najczęściej jako stymulujące wspomniany proces. Integracji sprzyja również globalna konkurencja, wymuszająca wdrażanie procesów usprawniających produkcję i nadzór nad nią, zwiększających wydajność, przy równoczesnej redukcji kosztów. W związku z tym obserwuje się w ostatnich latach burzliwy rozwój standardów sieciowych automatyki przemysłowej wraz z postępującym zastosowaniem w sferze automatyki standardu Ethernet, zarezerwowanego dotychczas dla sfery teleinformatycznej, ewentualnie jako łącza szkieletowego systemów sterowania.
Moduły sieciowe do systemów Ethernetu przemysłowego powinny być tak skonstruowane, by możliwy był ich montaż i poprawna praca w bardzo trudnych i wymagających warunkach środowiskowych, takich jak na tym zdjęciu – przy wysokiej temperaturze, wilgotności i wibracjach
Elementy architektury sieci zintegrowanych
Ujednolicenie systemów sieciowych w przedsiębiorstwie branży przemysłowej wymaga integracji na kilku poziomach: okablowania, zasad komunikacji, sterowników, przełączników i innych elementów systemowych oraz interfejsów programowych i przetwarzania danych między sferami produkcyjnymi i biznesowymi. Stopień korzyści wynikających z takiego ujednolicenia zależy w głównej mierze od strategii działań integracyjnych podejmowanych przez odpowiednie działy w zakładzie oraz sprawnej realizacji stawianych przed nimi zadań. Zwykle na poziomie produkcyjnym, przy bezpośredniej obsłudze czujników i urządzeń wykonawczych, powszechnie stosowane są różnego typu standardy sieci otwartych lub firmowych, wynikające z działań automatyzacyjnych ostatnich kilku lub kilkunastu lat. Współcześnie dominującą tendencją rozwoju przemysłowych systemów sterowania jest implementacja standardu Ethernet na poziomie komunikacji pomiędzy sterownikami obsługującymi bezpośrednio urządzenia na liniach produkcyjnych lub też wręcz bezpośrednie zejście tego standardu do czujników i elementów wykonawczych. Przy dobrze zaplanowanej i zorganizowanej architekturze takiego systemu sterowania i monitoringu, implementacja standardu Ethernet może przynieść znaczące korzyści:
- poszerzenie obszaru swobodnego dostępu do danych, a co za tym idzie zwiększenie zasobu wiedzy o sterowanym systemie na poziomie biznesowym,
- wzrost prędkości transmisji danych i szybszy przepływ informacji w systemie,
- zwiększona sprawność energetyczna i zarządzanie zasobami systemowymi,
- lepsze osiągi i parametry pracy urządzeń,
- koordynacja monitoringu i sterowania urządzeń w celu optymalizacji procesów produkcyjnych.
Integracja bazująca na standardzie Ethernet, zwłaszcza przy wykorzystaniu protokołów tzw. Ethernetu przemysłowego, pozwala na spełnienie wymogów transmisji w czasie rzeczywistym, przy zwiększonej niezawodności, bezpieczeństwie danych i uproszczeniu samych procesów integracyjnych. Stąd też obserwowany stały postęp w tym zakresie, zwłaszcza w większych przedsiębiorstwach przemysłowych branż przetwórczej i produkcyjnej.
Nowoczesne technologie i przemysł – marsz krok w krok?
Jeszcze w nie tak odległych czasach parametry pracy urządzeń i wskaźniki efektywności produkcji postrzegane były jako elementy istotne wyłącznie z punktu widzenia poziomu produkcyjnego, niemające większego wpływu na przykład na ogólnozakładowy plan produkcyjny. Obecnie forsuje się je jako bardzo istotne elementy strategii biznesowej przedsiębiorstw, które w sposób znaczący mogą przyczynić się do redukcji wydatków i optymalizacji czasu bezawaryjnego funkcjonowania urządzeń i całych procesów produkcyjnych. Współczesny postęp technologiczny w przemyśle to w zasadzie zbiór pewnych kroków, narzędzi komunikacji, pomocnych w sprawnym łączeniu procesów maszynowych, systemów sterowania i monitoringu, ułatwiających komunikację i nadzór nad zasobami przedsiębiorstwa oraz przebiegającymi w nim procesami produkcyjnymi, przy równoczesnym wzroście funkcjonalności i elastyczności. Jednak trzeba pamiętać, że rozwój nowoczesnych technologii rzadko postępuje krok w krok z rozwojem samej branży przemysłowej i choć w opiniach i analizach specjalistów pojawiają się głosy zwiastujące bardzo szybki postęp integracji i ujednolicenia przemysłowych systemów sieciowych, to jednak rzeczywistość jest bardziej brutalna. Przede wszystkim decydują o tym względy ekonomiczne i ogólna stagnacja we współczesnej gospodarce, a wraz z nią redukcja wydatków na nowe technologie, na modernizację zakładów.
Jednakże faktem niezbitym jest, że zakłady przemysłowe w coraz większym stopniu odchodzą od stosowania firmowych protokołów sieciowych, na rzecz systemów o strukturze i protokołach otwartych, niejednokrotnie w znacznej mierze bazujących na standardzie TCP/IP i popularnym w sieciach teleinformatycznych Ethernecie. Współczesne sieci Ethernetu przemysłowego korzystają z takich mediów transmisyjnych, jak: para skręcona, światłowody, transmisja bezprzewodowa WiFi, a w nieodległej przyszłości prawdopodobnie powszechnym medium będzie sieć energetyczna z sygnałem nośnym (Power Line). Z kolei standardy typowe dla współczesnych sieci automatyki przemysłowej – Profinet, DeviceNet, Modbus i inne, to narzędzia już wypróbowane w zarządzaniu niezliczonymi wprost scenariuszami sterowania i automatyki z wymogiem tzw. czasu rzeczywistego i obsługi wielu kanałów komunikacyjnych w tej samej sieci.
Protokół TCP/IP opracowywany dla komputerów klasy PC w celu wymiany informacji i współdzielenia zwykle dużych zasobów danych, znalazł z powodzeniem zastosowanie w aplikacjach komercyjnych i biznesowych, jako standard transmisji danych pomiędzy komputerami oraz pomiędzy komputerami i serwerami danych. W efekcie w jednej sieci lokalnej może być włączonych i połączonych kilka lub kilkanaście komputerów PC, z routerem i odpowiednim adresem IP, umożliwiającym dostęp do globalnej sieci Internet. Optymalizacja protokołów TCP/IP pod zastosowania w sieciach automatyki przemysłowej daje możliwość ich integracji z obszarami aplikacji biznesowych i biurowych.
Zróżnicowanie systemów w aplikacjach przemysłowych
W wielu aplikacjach konieczne jest chociażby systemowe rozgraniczenie sieci poziomu biznesowego i produkcyjnego. Na poziomie produkcyjnym bowiem zwykle obowiązują bardziej kategoryczne uwarunkowania dotyczące szybkości i pewności transmisji oraz determinizmu czasowego. Dlatego też, decydując się na aplikację standardu Ethernetu, pamiętać należy o implementacji jego przemysłowej odmiany, optymalizowanej przede wszystkim właśnie pod kątem obsługi transmisji w czasie rzeczywistym i przekazu niewielkich pakietów danych. Standard Ethernet pozwala również na zwiększenie odległości pomiędzy modułami sieciowymi oraz współpracę ze znacznie szerszym spektrum urządzeń, bez wpływu na wydajność sieci oraz zmiany jej parametrów.
Wiele wskazuje na to, że właśnie standard Ethernet będzie w przyszłości powszechnie stosowany w obsłudze aplikacji przemysłowych, gwarantując bezpieczeństwo danych, przy zwiększeniu ich dostępności i uproszczeniu struktur sieciowych. Aktualnie realizowane aplikacje systemowe w oparciu o ten właśnie standard bazują już na wieloletnim doświadczeniu z prób jego wdrażania w latach poprzednich w innych obszarach aplikacyjnych. Architektura sieci, kwestie bezpieczeństwa i zarządzania danymi muszą być zawsze dobrze przemyślane i dopracowane, niezależnie od stosowanego standardu komunikacji.
Budowany system ma bowiem działać efektywnie nie tylko w momencie jego uruchomienia, ale również stwarzać dobre perspektywy na przyszłość, umożliwiając łatwą rozbudowę i zachowanie lub nawet podniesienie parametrów pracy i funkcjonalności przy minimalnych kosztach integracji.
W środowisku automatyków i przedstawicieli przemysłu szeroko rozpowszechnione jest przekonanie, że otwartość systemu sieciowego to pojęcie równoznaczne z jego interoperacyjnością. Trzeba jednak pamiętać, że nawet te standardy otwarte nie zawsze są ze sobą kompatybilne. Oznaczenie modułu we/wy jako Ethernet I/O nie oznacza wcale, że wszystkie produkty z tym oznaczeniem są w pełni kompatybilne i korzystają z tych samych warstw protokołu. Interoperacyjność zatem powinna być oceniana bardzo ostrożnie i zawsze z dokładną weryfikacją procedur.
Dostęp do pożądanych informacji
Instalowane na poziomie produkcyjnym najrozmaitszego typu sterowniki (PLC, PAC, IPC) wysyłają i zbierają sygnały oraz dane z obsługiwanych maszyn i urządzeń na liniach produkcyjnych bądź przetwórczych. Dobrze zorganizowana sieć może w istotny sposób uprościć ich obsługę, pozwalając zarazem na jej zdalne prowadzenie, praktycznie z dowolnego miejsca w zakładzie, a nawet na świecie (Internet). W ten sposób może być realizowana komunikacja poziomu biznesowego z produkcyjnym.
W praktyce okazać się jednak może, że powszechny dostęp do danych, do dużej ilości danych, może wprowadzić chaos i zamieszanie. Dlatego też istotnym elementem integracji systemu sieciowego muszą być moduły filtrujące i zarządzające przesyłanymi komunikatami. Z pomocą przychodzą tu również niektóre aplikacje programowe dostępne w sieciach teleinformatycznych poziomu biznesowego, które umożliwiają selekcję danych, ich grupowanie, wstępną obróbkę i analizę i dopiero w takiej, przetworzonej już postaci ich prezentację użytkownikowi czy operatorowi.
Jak istotne znaczenie ma szybki przepływ danych?
W przeciwieństwie do opóźnień transmisji danych, jakich na co dzień można doświadczyć przy przeglądaniu stron WWW czy wysyłaniu dokumentów do drukarki, które w zasadzie nie wpływają znacząco na komfort i poprawność realizowanych zadań, w sieciach transmisyjnych między maszynami i urządzeniami przemysłowymi, opóźnienia takie są niedopuszczalne. Niezbędne jest zatem stosowanie szerokiego pasma transmisji. Trzeba jednak również pamiętać, że pojęcie prędkości transmisji danych w systemach sieciowych ma charakter względny. Wraz z rozwojem technologicznym można się spodziewać, że już w najbliższym czasie w systemach automatyki przemysłowej powszechnie stosowany będzie standard jednego lub kilku Gbit/sek. Ale sam wzrost poziomu przepustowości łączy sieciowych nie jest tożsamy z radykalnym przyspieszeniem przebiegu procesów sterowania; aby to było możliwe, konieczna jest również możliwość obsługi tak dużych prędkości transmisji danych przez interfejsy sieciowe przyłączanych urządzeń. Jeżeli moduły sieciowe będą dysponować wolniejszymi interfejsami, cała sieć będzie funkcjonować na niższych szybkościach transmisji, a nawet najnowocześniejsze medium transmisji nie będzie w pełni wykorzystane.
Aplikacjami tradycyjnie wymagającymi najwyższych szybkości transmisji danych w łączach sieciowych są układy napędowe, precyzyjnego sterowania ruchem ramion robotów itp., przede wszystkim ze względu na konieczność sprawnej realizacji skomplikowanych algorytmów sterowania oraz obsługę sygnałów w tzw. czasie rzeczywistym. Sieci w standardzie podstawowym Ethernetu przemysłowego (10–100 Mbit/s) są zwykle rozwiązaniem wystarczającym dla większości popularnych aplikacji w procesach produkcyjnych. Jednak w dzisiejszych warunkach gospodarczych firmy stawiają na wzrost wydajności tych procesów, stąd główny nacisk położony jest na zwiększenie przepustowości sieci, nie zaś na samą dopuszczalną w nich prędkość transmisji. We współczesnym zakładzie przemysłowym sieć powinna zatem gwarantować sprawną komunikację danych i możliwie szybką realizację coraz bardziej skomplikowanych funkcjonalnie i parametrycznie algorytmów sterowania i monitoringu.
Kwestie do rozważenia
W praktyce dane bezpośrednio wykorzystywane w sterowaniu i monitorowaniu maszyn na poziomie produkcyjnym, które wymagają transmisji w czasie rzeczywistym, nigdy nie docierają bezpośrednio do systemów poziomu biznesowego, co więcej w podstawowej swej formie są tam w zasadzie niepotrzebne. Dlatego też tworzone w poprzednich latach systemy sieciowe tych dwóch poziomów traktowane były i rozwijane zupełnie oddzielnie. Jednak integracja sfery produkcyjnej i biznesowej w jednolity system transmisji danych pozwala o wiele szybciej przetwarzać dane z poziomu produkcji, tworzyć na ich podstawie analizy czy raporty, które w sferze biznesowej stanowią istotny element procesów decyzyjnych, dotyczących strategii produkcyjnej, planowania produkcji i remontów czy w praktyce zarządzania całym przedsiębiorstwem. Ponadto przetworzone dane mogą być wykorzystane jako element zaawansowanej diagnostyki, monitoringu i sterowania już na samym poziomie produkcyjnym, w panelach sterowniczych czy komputerach przemysłowych obsługi.
Ilość danych procesowych, jakie mogą być transmitowane w pojedynczych komunikatach standardu Ethernet, czyni go idealnym narzędziem w tego typu zastosowaniach. Konieczność prowadzenia zaawansowanego monitoringu i diagnostyki w nowoczesnych systemach sterowania napędza rozwój takich sieci i sprzyja zwiększeniu ich funkcjonalności. Właśnie standard Ethernet zyskał sobie uznanie jako system otwarty i stosunkowo tani. Teoretycznie trudno się z tym poglądem nie zgodzić. Jednakże moduły sieciowe tego standardu dla aplikacji przemysłowych projektowane są i powinny być do pracy w specjalnych warunkach środowiskowych, przy wysokich temperaturach czy wilgotności, w dużym zapyleniu itp. Dlatego też ich obudowy mają zwykle specjalne wykonanie, co przenosi się bezpośrednio na wyższy koszt zakupu, w stosunku do modułów powszechnie dostępnych dla sieci komercyjnych. Stąd możliwość poniesienia wyższych kosztów początkowych przy realizacji systemu, ale jednocześnie, biorąc pod uwagę ich zwiększoną trwałość i żywotność, w rezultacie niższe koszty utrzymania i serwisowania oraz długi okres pracy bezawaryjnej.
Postępujące rozszerzanie standardu Ethernet od popularnych już zastosowań teleinformatycznych w sferze biznesowej, ku aplikacjom poziomu sterowania i bezpośredniej obsługi procesów, z punktu widzenia infrastruktury sieciowej wymaga stosowania złączy RJ-45 o podwyższonym poziomie bezpieczeństwa oraz kabli strukturalnych kategorii 5 (100 Mbit/s Fast Ethernet). Możliwe jest również wykorzystanie technologii bezprzewodowej WiFi, szczególnie w miejscach trudno dostępnych lub bez możliwości połączenia kablowego. Użycie takiego medium komunikacyjnego staje się już powoli normą, zwłaszcza w przedsiębiorstwach petrochemicznych. W najnowszych rozwiązaniach moduły bezprzewodowe montowane na zewnątrz wyposażane są dodatkowo w baterie słoneczne, zwiększające ich żywotność. Wiele firm i zakładów decyduje się również na wykorzystanie połączeń światłowodowych, szczególnie w środowiskach cechujących się wysokim poziomem zaburzeń elektromagnetycznych. Kable światłowodowe zapewniają bardzo dużą szybkość transmisji, szersze pasmo, możliwość łączenia na dużych odległościach i odporność na zaburzenia zewnętrzne. Jednakże czynnikiem wpływającym negatywnie jest wysoka cena tak zorganizowanej infrastruktury sieciowej oraz pojawiające się kłopoty ze współpracą ze starszymi podsystemami, dlatego też wydaje się, iż kable światłowodowe znajdą w praktyce większe zastosowanie dopiero w przyszłości.
Wówczas większa liczba przedsiębiorstw będzie posiadać nowocześniejsze rozwiązania systemowe, z łatwiejszą adaptacją do takiego medium transmisji. Na współczesnym rynku branży automatyki dostępnych jest już wiele rozwiązań systemowych bazujących na standardzie Ethernet: EtherNet/IP, EtherCAT, ModbusTCP, Powerlink czy Profinet. Niektóre z nich korzystają bezpośrednio z protokołu TCP/IP (EtherNet/IP) inne nie (Profinet). Wspomniane systemy są również znacznie zróżnicowane pod względem infrastruktury sprzętowej i wynikającej stąd architektury systemowej.
Okazuje się, że dla wielu użytkowników największym wyzwaniem przy implementacji standardu Ethernet jako kluczowego w integracji systemów sieciowych, jest dopasowanie do niego danych transmitowanych w dotychczas używanych podsystemach czy systemach sterowania. Jednym z możliwych rozważań tego problemu jest pozostawienie dotychczas używanych protokołów sieciowych automatyki przemysłowej na poziomie bezpośredniej obsługi urządzeń wykonawczych i czujników, a wejście ze standardem Ethernet na poziom komunikacji między sterownikami PLC, PAC i modułami we/wy z komputerami przemysłowymi. Na tym poziomie dostępne są już pewne narzędzia programowe (SAP czy ORACLE), które ułatwiają przetwarzanie danych i w ten sposób umożliwiają już dalszą integrację z wyższymi poziomami architektury systemu sieciowego. Dzięki zastosowaniu systemów bazujących na standardzie Ethernet uzyskuje się ich większą kompatybilność i niezawodność, przy stosunkowo niskich kosztach, tworząc szybkie łącze między dotychczas rozdzielonymi podsystemami – zarządzania i produkcji.
Z tych też względów na wdrożenie standardu Ethernet w systemach sterowania zdecydowało się już wiele większych przedsiębiorstw światowych, czerpiąc spore korzyści w zakresie elastyczności i swobody organizacji swoich aplikacji produkcyjnych. Ogólna znajomość standardu, stosunkowo niskie koszty eksploatacji i łatwość dostępu do danych to czynniki bez wątpienia sprzyjające dalszej ekspansji Ethernetu w zastosowaniach przemysłowych i nie tylko. Pamiętać jednak należy o konieczności dokładnego przeanalizowania potrzeb aplikacji i wymagań stawianych systemowi sieciowemu planowanemu do jej obsługi, a dopiero potem decydować się ostatecznie na wybór rozwiązania czy technologii sieciowej, która w sposób optymalny spełni te wymagania. Okazuje się, że nie zawsze i za wszelką cenę musi to być właśnie Ethernet.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza – AGH Kraków
Autor: Rick Griffin
