Verkkoyhteydet – kestävän automaation selkäranka

Teollisen tiedonsiirron perinteisiä rajoitteita voidaan ratkaista sellaisilla tekniikoilla kuten SPE, PoDL ja Ethernet APL. Edistyneet rajapinnat signaalien, tietojen ja sähkövirran kuljettamiseksi ovat tässä olennaisia: ne auttavat automaatiopalveluiden tarjoajia säästämään resursseja ja kustannuksia tuotantolaitteistojen verkkoyhteyksissä.

(Kuvan lähde: PeopleImages ja Getty Images)

Digitalisaatio ja saumattomat tietoverkot tekevät tuloaan yritysten tuotantoprosessien kenttätasolle. Tämä on automaatiotekniikan jatkuva trendi. Tavoitteena on luoda huippujoustavat tuotantoympäristöt, joita voi mukauttaa ennennäkemättömällä tavalla monipuolistamisen ja tuottavuuden tehostamiseksi. Siksi tuotantoteollisuudessa käydään nyt läpi muodonmuutosta, jota kutsutaan nimellä Teollisuus 4.0. Yksi sen tärkeimmistä tavoitteista on kaikkien saatavilla olevien resurssien kestävä käyttö.

Kentältä pilveen saumatta

Koneiden, tuotteiden ja ihmisten välinen saumaton yhteys on olennainen osa tätä muodonmuutosta, joka hämärtää operatiivisen teknologian (Operational Technology, OT) ja tietotekniikan (Information Technology, IT) välisiä rajoja. Nyt saatavilla oleva teollinen Ethernet-tekniikka mahdollistaa kenttälaitteiden saumattoman yhdistämisen TCP/IP-protokollalla yrityksen pilvipohjaiseen infrastruktuuriin laajalla kaistanleveydellä ja kustannustehokkaasti. Toisin kuin kenttäväyliä, teollista Ethernetiä käytetään osana kaikkia automaatiotasoja päästä päähän aina kenttälaitteista pilveen saakka. Tehtaiden ja laitosten operaattorit saavat näin pääsyn laitteiden tietoihin reaaliajassa ja voivat käyttää niitä tuotannon suunnitteluun, prosessien ohjaukseen ja tietojen analyysiin.

Teollinen Ethernet mahdollistaa esimerkiksi antureiden, virtalähteiden ja käyttölaitteiden tietojen reaaliaikaisen keruun ja analyysin. Laitteiston kriittisten sijaintien lämpötilamuutos- ja tärinätiedot sekä kuormitusprofiilit mahdollistavat johtopäätösten tekemisen prosessiparametrien optimointia varten. Näin voidaan ennakoida ylikuormitustilanteita ja laitteet ilmoittavat huoltotarpeesta varhaisessa vaiheessa. Ennakoiva huolto on erityisen tärkeää tässä, sillä se auttaa operaattoreita parantamaan laitostensa ja koneidensa käyttöastetta sekä minimoimaan energian ja resurssien kulutuksen. Tämä laskee käyttökustannuksia ja tehostaa merkittävästi sekä prosessi- että tehdaslaitosten kestävää käyttöä.

Lujatekoinen vaihtoehto RJ45-liittimelle

Näiden verkkojen fyysinen perusta on suorituskykyinen liitäntätekniikka, ensisijassa teollinen Ethernet, jonka avulla signaalit ja tiedot voidaan siirtää luotettavasti automaatioverkkojen eri solmukohtien välillä. Verkkojen pitää nykypäivän teollisessa käytössä vastata fyysisen lujatekoisuuden ohella muihinkin vaatimuksiin, kuten verkkosolmujen suuren määrän vaatima miniatyrisointi ja suuri kaistanleveys. Tämä merkitsee pääasiassa kompakteja laitemuotoja, vaivattomampaa asennusta ja kaapelointia, korkeaa signaalien eheyttä (sofistikoitunut suojaus sähkömagneettisia häiriöitä vastaan) sekä luotettavuutta pitkillä tiedonsiirtoetäisyyksillä. Tämä on erityisen tärkeää laitoksen sijaitessa laajalla alueella. Enenevissä määrin vaaditaan myös laitteiden virransyöttöä tietoliitäntöjen kautta.

Ethernet-tiedonsiirron vakiorajapinta on laajalti käytetty RJ45-liitin. Käyttäjillä on säännöllisesti ongelmia näiden liitinten ja niiden hajoavien kiinnikkeiden kanssa, ja RJ45-liittimen koko rajoittaa miniatyrisointia. Sen sijaan esimerkiksi saksalaisen HARTING-yhtiön valmistama ix Industrial ‑rajapinta (kuva 1) on huomattavasti pienempi ja lujatekoisempi ratkaisu, joka kestää myös paremmin iskuja ja tärinää. Valmistajan mukaan piirilevyllä voidaan säästää tilaa jopa 70 % vakiomuotoiseen RJ45-liittimeen verrattuna. Liittimessä on 360 asteen suojaus, ja se on suunniteltu 10 Gbps:n Ethernet-tiedonsiirtoon. Se tukee myös virransiirron PoE- (Power-over-Ethernet) ja PoE+ -protokollia.

Kuva 1: HARTINGin teollisen Ethernetin ix Industrial ‑rajapinta on huomattavasti pienempi ja kestävämpi kuin vakiomuotoiset RJ45-liittimet. (Kuvan lähde: HARTING)

HARTING on kehittänyt ix Industrial ‑rajapinnan yhdessä japanilaisen liitinten asiantuntijayritys Hirosen kanssa. Sen mitat, sähköiset ominaisuudet ja koodaus täyttävät IEC 61076-3-124 ‑standardin vaatimukset. Muut valmistajat, kuten yhdysvaltalainen Amphenol Communications Solutions, tarjoavat myös vertailukelpoisilla ominaisuuksilla varustettuja tuotteita, joita voidaan käyttää ix Industrial -liittimien kanssa, esimerkiksi IP65-/66-/67-suojaluokitellut ankariin olosuhteisiin sopivat push-pull-liittimet, integroiduilla magneeteilla varustetut ix Mag ‑liittimet (kuva 2) sekä kulmaliitäntää käyttävät Ethernet-RJ45-kaapelikokoonpanot, jotka tukevat 100 gigabitin Ethernetiä ja PoE/PoE+ -toimintoja.

Kuva 2: Amphenol ix Mag on varustettu 360 asteen suojauksella, ja se tukee jopa 10 Gbps:n Ethernet-tiedonsiirtoa ja 90 W:n PoE++ -virransiirtoa (kuvan lähde: Amphenol Communications Solutions)

Käyttötapaus ix Industrialille

Seuraavassa esimerkissä havainnollistetaan suorituskykyisten ja miniatyrisoitujen Ethernet-rajapintojen valtavaa potentiaalia Teollisuus 4.0 ‑sovelluksissa:

Automaatiospesialisti Beckhoffin XTS-lineaarikuljetinjärjestelmä hyödyntää magneettikäyttöisiä kuljettimia, jotka kulkevat täysin integroiduista moottorimoduuleista rakennetulla radalla. Beckhoffin mukaan yksittäiset liikeprofiilit mahdollistava itsenäinen ohjaus on lähtökohta uusille konekonsepteille, jotka mahdollistavat joustavammat valmistusmenetelmät lyhyemmillä käyttökatkoilla esimerkiksi uusimistöiden aikana.

Jotta kuljettimet voivat noudattaa ohjelmoitua liikettään, tietokoneen täytyy tehdä jatkuvasti laskutoimituksia tarvittavien moottorimoduuleiden kytkentää ja virransyöttöä varten. Tähän tarkoitukseen voidaan yhdistää kolme tietokonekorttia, joissa aiemmin oli kussakin neljä RJ45-porttia. Jotta uusimman sukupolven XTS-järjestelmässä voitaisiin käyttää useampia kuljettimia ilman järjestelmän mittojen muuttamista, RJ45-portit vaihdettiin HARTING ix Industrial ‑rajapintaan. Tämän käyttökohteen päävaatimuksia olivat luotettava suojaus ja korkea tiedonsiirtonopeus. Toisin kuin RJ45, kukin ix Industrial -liitin tukee kahta 100 Mbps:n Ethernet-yhteyttä. Näin ollen samaan korttiin voidaan asentaa neljän portin sijaan kahdeksan porttia. Kussakin portissa voi olla kaksi Ethernet-kanavaa, ei vain yhtä.

Kolmella tietokonekortilla voitiin siis toteuttaa 48 porttia kahdentoista sijaan. Uusin XTS-sukupolvi tukee näin ollen 48 XTS-linjaa yksikköä kohden kahdentoista sijaan, joten kuljetinjärjestelmän suorituskyky on kasvanut aiempaan nähden jopa 400 %.

Kaksi johdinta – ei neljä tai kahdeksan

Yksi nykypäivän teollisen automaatioteknologian merkittävistä ominaisuuksista on siirtyminen hierarkkisesta arkkitehtuurista hajautettuun. Tämä nähdään edistyksellisenä ja tuottoisana vaihtoehtona, joka lisäksi parantaa verkon tietoturvaa. Koska älykkäät solmut, kuten älyanturit ja reunatietokoneet, voivat suorittaa tiettyjä tiedonkäsittelytehtäviä itsenäisesti, reunan ja pilven välinen sensitiivinen tietoliikenne vähenee. Hajauttamisen hyödyt ovat ilmeisiä, mutta kentällä olevien liitettyjen laitteiden lukumäärä kasvaa valtavasti, joten samoin kasvaa myös kaapelointiin ja yhteyksiin käytetty vaiva. Näiden taloudellinen käyttö materiaalien, asennustoimenpiteiden ja energiankulutuksen suhteen on entistä tärkeämpi kestävyyskriteeri valmistuslaitoksissa.

Yhden parikaapelin Ethernetiä (Single-Pair Ethernet, SPE) pidetään tehokkuuden ja kustannussäästöjen läpimurtona. Tämä tiedonsiirtoteknologia määritellään IEEE 802.3 ‑standardissa ja siinä käytettävät liittimet määritellään IEC 63171-x -sarjan standardeissa. Teknologia mahdollistaa kenttäkomponenttien kytkemisen yhdellä parikaapelilla eli kahdella johtimella aiemman neljän tai kahdeksan sijaan, mikä säästää kustannuksia, resursseja ja luontoa. Alun perin autoteollisuuden elektroniikkaan kehitetty SPE täyttää lukuisten automaatiovalmistajien vaatimukset: Ethernet-verkkoihin voidaan integroida yhdellä parikaapelilla lukuisia instrumentteja, ohjaimia ja muita laitteita gigabitin tiedonsiirtonopeuksilla (kuva 3).

Kuva 3. Yhden parikaapelin Ethernet tarjoaa resurssi- ja kustannussäästöjä integroimalla kenttätason tiedonsiirron laajakaistaiseen Ethernetiin. (Kuvan lähde: SPE Industrial Partner Network)

Toinen hyöty: PoDL-tuen (Power-over-Data-Line, IEEE P802.3bu) ansiosta samalla johdinparilla voi siirtää kenttälaitteille sekä tietoja että virtaa. Aiemman PoE-standardin tukemien toimilaitteiden ja anturien ohella PoDL mahdollistaa esimerkiksi kamerapohjaisten järjestelmien kytkennän ja virransyötön.

SPE-tuotteita

HARTING tarjoaa SPE-tuotesegmenttiin T1-liittimen, jossa on lukitus ja 360 asteen EMI-suojaus (kuva 4). PoDL-tekniikkaa tukeva T1 on saatavilla myös pyöreinä malleina, kuten M8 ja M12. Tuotevalikoiman suojausluokitus on IP20–IP67, ja valmistajan mukaan myös vastaavat liitinvastakappaleet on suunniteltu täyttämään nämä suojausluokat sekä varmistamaan yhteentoimivuus.

Kuva 4: Suojattu ja lukittava PoDL-tekniikkaa tukeva T1 on saatavilla suojausluokituksilla IP20–IP67. (Kuvan lähde: HARTING)

Phoenix Contact tarjoaa myös kattavan SPE-tuotevalikoiman kenttäkaapeloinnin toteuttamiseksi ohjauskaappien, antureiden, kytkinten ja yhdyskäytävien välillä. Tämän toimittajan tuotteisiin kuuluvat muun muassa kaapelikokoonpanojen korttiliitännät käytettäviksi teollisissa ympäristöissä, joissa vaaditaan suojausluokitusta IP20–IP67.

Avoimen lähdekoodin työkaluvalmistaja SparkFun Electronics tarjoaa SPE-toimintokorttia yhden parikaapelin Ethernet-sovellusten suunnitteluun (kuva 5). MicroMod COM-19038 ‑kortti sisältää Ethernetiä varten Analog Devices ADIN1110 -lähetin-vastaanottimen, Würth Elektronikin passiivisia komponentteja sekä HARTING T1 -liittimen. Integroitu MAC (Media Access Control) ‑rajapinta mahdollistaa sarjatiedonsiirron isäntäohjaimen kanssa 10 Mbps:n tiedonsiirtonopeudella kaksisuuntaisessa dupleksitilassa. Kortti tukee verkkosolmuja 1700 m pitkällä kaapelietäisyydellä, mutta sitä ei ole suunniteltu tarjoamaan solmuille virtaa samalla kaapelilla. SparkFunin teknologiajohtaja Kirk Benell esittelee kehitysalustaa videolla.

Kuva 5: Näytöllä varustettu esittelyversio ympäristöanturista. (Kuvan lähde: SparkFun Electronics)

Prosessiteknologian verkkoyhteydet päästä päähän

Yhden parikaapelin Ethernetin hyvät puolet kunnonvalvonnassa ja ennakoivassa huollossa ovat avuksi myös prosessiautomaatiossa. Ethernet-yhteydelle asetetaan kuitenkin erityisvaatimuksia. Kuten tuotantotiloissakin, vaatimuksiin sisältyy luotettava, reaaliaikainen ja laajakaistainen tiedonsiirto, mutta laajamittaisissa prosessilaitoksissa tarvitaan myös pitkän etäisyyden tiedonsiirtoa. Lisäksi automaatiokomponenttien on oltava luonnostaan turvallisia, jotta niitä voi käyttää räjähdysvaarallisissa tiloissa. Tähän tarjoaa apua Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet APL), joka määrittelee Ethernet-tiedonsiirrolle fyysisen kerroksen tiedonsiirtonopeudella 10 Mbps. Se tarjoaa SPE:n tavoin myös virransyötön yhdellä parikaapelilla ja jopa 1000 m:n etäisyyden. Kuten SPE, myös Ethernet APL sopii erinomaisesti yleiskäyttöiseen kenttäinstrumentaatioon erilaisissa sovelluksissa.

Yhteenveto

Teollinen Ethernet, erityisesti yhden parikaapelin Ethernet, tukee tuotantolaitteistojen laajakaistaista tiedonsiirtoa. Tämä mahdollistaa saumattoman viestinnän kenttälaitteiden ja pilvipalveluiden välillä sekä tarjoaa reaaliaikaisen pääsyn laitetietoihin tukien laitoksen operaattoreita ja prosessien optimointia. Hyödyt ovat ilmeisiä: alhaisemmat käyttökustannukset, parempi käytettävyysaste sekä energian ja muiden resurssien käytön optimointi. Edistyneet liitäntätekniikat, kuten ix Industrial sekä PoDL-ominaisuuksia tukevat SPE-liittimet, varmistavat luotettavan tiedon- ja virransiirron verkon kaikkien solmujen välillä. Siksi ne ovat niin tärkeitä komponentteja Teollisuus 4.0 -aloitteessa ja kestävien automaatiokonseptien mahdollistamisessa.