Podłączenie do sieci Ethernet starszych urządzeń, pracujących w takich standardach komunikacyjnych, jak HART, RS-232, RS-485 czy Modbus RTU, pozwala nie tylko w pełni wykorzystać ich potencjał, ale stwarza również nowe możliwości ich zastosowania, m.in. dzięki udostępnieniu w sieci danych procesowych i diagnostycznych, które do tej pory były dostępne jedynie lokalnie, często nie wychodząc poza obręb urządzenia, w którym powstały.
Rynkowe urządzenia cyfrowe są okresowo modernizowane poprzez modyfikacje ich oprogramowania sprzętowego. W podobny sposób unowocześnia się urządzenia przemysłowe pracujące w instalacjach produkcyjnych, dodając nową funkcjonalność.
Przykładowo, wyposażając urządzenia w technologie monitorowania ich stanu technicznego, można znacząco poprawić wskaźnik OEE (Overal Equipment Effectivness) – całkowitej efektywności wyposażenia. Zdalna kalibracja i konfiguracja urządzeń pozwalają na oszczędności czasu i zasobów, obniżając znacząco koszty.
Warunkiem wprowadzenia tych rozwiązań jest posiadanie urządzeń połączonych w sieć komunikacyjną za pomocą Ethernetu. Jednak droga do upowszechnienia Ethernetu nie jest prosta. Nikt nie chce zakłócać funkcjonującego systemu lub wymieniać pracujących urządzeń. Kierownictwo nie chce zatrzymywać pracujących linii produkcyjnych w celu dokonania gruntownej modernizacji. I wreszcie, niektóre urządzenia nie mogą komunikować się w standardzie Ethernetu.
Wydobyć jak najwięcej
Jako przykład weźmy komunikację HART. Jest to międzynarodowy protokół komunikacyjny transmisji danych cyfrowych z użyciem pętli prądowych 4–20 mA (w przeszłości ten rodzaj zasilania był najbardziej rozpowszechnioną formą połączenia urządzeń obiektowych z systemami rozproszonymi DCS). Szacuje się, że na świecie zainstalowanych jest ponad 40 milionów urządzeń pracujących w standardzie HART. Badania rynkowe pokazują jednak, że mniej niż 10% z nich wykorzystuje w pełni swój potencjał.
Urządzenia typu HART mogą być zdalnie kalibrowane i konfigurowane oraz mają możliwość diagnostyki indywidualnej. Zaleta tych urządzeń polega na tym, że zawór może zgłosić swoje zablokowanie, a przepływomierz podaje warunki ciśnienia i temperatury, jakie panują w czasie pomiaru. Niestety, większość zainstalowanych sterowników PLC i systemów DCS nie ma funkcjonalności HART. Istnieje zatem potrzeba przesyłania informacji w standardzie HART poprzez sieć Ethernet bez zakłócenia pracujących systemów sterowania.
Zastosowanie multiplexera Ethernet HART jest prostą drogą do konfigurowania i monitorowania urządzeń typu HART poprzez sieci HART IP, Profinet, Modbus TCP i FDT/DTM w celu integracji z niemal każdym rodzajem systemu sterowania. Jest to nowoczesna alternatywa w stosunku do tradycyjnego rozwiązania, jakim jest multiplexer RS-485/HART.
Modułowa budowa multiplexerów Ethernet HART pozwala na skalowalność i stopniowe modernizacje istniejących systemów DCS. Moduł podstawowy multiplexera wraz z jego rozszerzeniami typu HART może spełniać wiele potrzeb aplikacyjnych. Również cenne jest rozwiązanie 1 x 1 HART Master, które oznacza jeden HART master dla każdego kanału. Umożliwia to użytkownikowi przyspieszenie procedur serwisowych przez obsługę wielu urządzeń w tym samym czasie. Moduł podstawowy zawiera osadzony serwer, umożliwiający łatwą konfigurację sprzętu. Dodatkowo interfejs CommDTM może współpracować z urządzeniami pracującymi w technologii FDT, tak samo jak interfejs PACTware oraz wiele podobnych aplikacji do zarządzania sprzętem, oferowanych przez dostawców systemów sterowania.
Komunikacja szeregowa z podwyższonym poziomem bezpieczeństwa
Spójrzmy na urządzenia z komunikacją szeregową. Jest ich całkiem dużo na obiektach – skanery kodów kreskowych, wagi przemysłowe, czytniki tagów RFID i inne. Urządzenia te wyposażone są w porty RS-232 lub RS-485 i posługują się kodem ASCII w postaci ciągu znaków. Podłączenie tych przestarzałych urządzeń do Ethernetu daje im drugie życie. Nawet stare urządzenia, jeżeli są dobrze skonfigurowane, mogą transmitować dane do sieci, do czego nie były nigdy przeznaczone. Ta przemiana nie jest naciąganiem rzeczywistości, a serwery komunikacji szeregowej są dostępne od lat. Trzeba mieć jednak na względzie fakt, że serwery te łatwo mogą paść ofiarą hakerów, dlatego należy zastosować odpowiednie sposoby szyfrowania informacji i uwierzytelniania odbiorcy.
Serwery z komunikacją szeregową
stanowią dobry sposób na przejście z urządzeń szeregowych na nowoczesną komunikację ethernetową. Na rynku dostępne są urządzenia wyposażone w uniwersalne porty RS-232/485, z jednym, dwoma lub czterema portami szeregowymi i z jednym lub dwoma portami Ethernet. Serwery urządzeń mogą pełnić rolę „wirtualnego portu COM” oraz jako naturalne urządzenie Ethernet TCP lub UDP. Oprogramowanie COM Port Redirector, a także sterowniki Microsoft Windows są dostępne dla integracji w aplikacjach PC.
Konwersja ASCII do Ethernetu
Osadzone serwery WWW umożliwiają prostą konfigurację i uruchomienie. Aby zapewnić bezpieczeństwo komunikacji, należy wziąć pod uwagę urządzenia z 256-bitowym szyfrowaniem AES i możliwością zainstalowania własnych certyfikatów autentyczności. Urządzenia o dużej amplitudzie temperatury pracy (–40°C do +70°C) i w wykonaniach dla obszarów zagrożonych wybuchem są odpowiednie do zastosowań przemysłowych. Idąc dalej, zintegrujmy te stare urządzenia szeregowe w nowoczesną sieć przemysłową.
Gdy stary skaner kodów kreskowych jest zmodernizowany do obsługi komunikacji Modbus TCP lub Ethernet/IP, pojawiają się nowe możliwości. Kod kreskowy może być zeskanowany i użyty do kierowania montowanym pojazdem w fabryce samochodów lub umieszczenia podzespołu na taśmie transportowej skierowanej do magazynu. Można zaplanować więcej działań na bazie istniejącego wyposażenia. Moduł konwersji kodu ASCII może zamienić ciąg znaków ASCII z takich urządzeń, jak skaner kodów kreskowych, waga przemysłowa lub tag RFID w protokół komunikacyjny Modbus TCP, lub Ethernet/IP. Jak wspomniano wcześniej, jedno-, dwu- lub czteroportowe urządzenia szeregowe z jednym lub dwoma portami Ethernet są dostępne na rynku.
Na koniec nie zapominajmy o starych regulatorach, sterownikach PLC i zdalnych terminalach, których wiele wciąż pracuje na naszych obiektach. Wbrew obiegowej opinii, że nic się już nie da z nimi zrobić, są one nadal sprawne, ale wymagają okresowych przeglądów. Urządzenia te prawdopodobnie komunikują się po starych protokołach komunikacyjnych, takich jak Modbus RTU, które nie są kompatybilne z błyszczącymi nowością sieciami Ethernet, zainstalowanymi po ostatnich modernizacjach w obiekcie.
Ale adaptując te stare urządzenia do współpracy z nowymi rozwiązaniami, można utrzymać cały system w sprawności przez wiele najbliższych lat.
Przesiadka z Modbus RTU na Modbus TCP
Bramy sieciowe TCP/RTU przetwarzają szeregowy Modbus RTU (inaczej ASCII) na Modbus TCP. Urządzenia te są niezwykle wydajne i mogą zostać skonfigurowane do niemal każdej aplikacji systemu klient–serwer obsługiwanego przez Modbus, włącznie ze współdzieleniem pamięci, pozwalającym dwóm modbusowym serwerom master na wzajemną komunikację. Identyfikatory ID urządzeń są wykorzystywane do tworzenia „wirtualnego” Modbus ID dla urządzeń modbusowych nieobsługujących konfiguracji swoich adresów.
Przy minimalnych kosztach i niewielkim wysiłku można dokonać pierwszego kroku w kierunku Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT). Urządzenia i sprzęt mają wiele do przekazania, jeżeli znajdziemy sposób, aby je wysłuchać, a przy niewielkim zaangażowaniu nawet przestarzała infrastruktura może pozostać bardzo użyteczna.
Garrett Schmidt jest menedżerem ds. protokołów komunikacyjnych w Phoenix Contact.
Słownik skrótów i terminów użytych w artykule:
→ AES (Advanced Encryption Standard) – specyfikacja szyfrowania danych cyfrowych, opracowana przez National Institute of Standards and Technology (NIST) w Stanach Zjednoczonych. AES został przyjęty przez rząd USA i jest powszechnie używany na świecie. Algorytm przedstawiony w AES jest algorytmem z kluczem symetrycznym, co oznacza, że ten sam klucz jest używany do szyfrowania i deszyfrowania informacji.
→ ASCII (American Standard Code for Information Interchange) – kod bitowy reprezentujący tekst w komputerach i innych urządzeniach.
→ FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Manager) – międzynarodowy standard do zdalnej obsługi urządzeń obiektowych, utworzony w 2009 r. przez firmy ABB, Endress+Hauser, Invensys, Metso Automation i Siemens.
→ HART (Highway Addressable Remote Transducer) – hybrydowy, analogowo-cyfrowy przemysłowy protokół komunikacyjny. Największą jego zaletą jest możliwość komunikacji cyfrowej w pętli 4–20 mA zasilającej urządzenia obiektowe. Wykorzystuje jedną parę przewodów łączących system sterowania z urządzeniem obiektowym.
→ Modbus – protokół komunikacyjny w transmisji szeregowej, będący dziś w powszechnym użytku, łączący urządzenia cyfrowe na obiektach. Używany często do połączenia komputera nadrzędnego ze sterownikami PLC lub zdalnymi terminalami RTU.
→ Modbus TCP – wariant protokołu Modbus używany w sieciach TCP/IT.
→ OEE (Overal Equipment Effectiveness) – współczynnik określający efektywność wykorzystania maszyn i urządzeń.
→ Profinet (Process Field Net) – standard sieci przemysłowej dla komunikacji przez Internet przemysłowy. Jest siecią deterministyczną i dobrze się sprawdza przy transmisjach z dużymi obciążeniami.
→ RFID (Radio Frequency Identification) – użycie pola elektromagnetycznego do identyfikacji i śledzenia drogi urządzeń RFID (tagów) przypiętych do obserwowanych obiektów i zawierających pakiet stosownych informacji.
→ TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) – zestaw protokołów stosowanych w sieci Internet i innych podobnych sieciach komputerowych. Standard ten określa, jak przesyłane dane powinny być pakietowane, adresowane, transmitowane, kierowane i odbierane.
→ UDP (User Datagram Protocol) – protokół komunikacyjny alternatywny dla TCP. Używany wówczas, gdy wymagana jest szybka transmisja, nie ma jednak mechanizmów kontroli połączenia.
