Yhden ainoan kenttäväyläkaapelin käyttö useita samanaikaisia Ethernet-protokollia varten

Kiihtyvä muutos Teollisuus 4.0 -ympäristön ja esineiden teollisen internetin (IIoT) suuntaan tuo mukanaan tiedonkeruun ja tiedonsiirtoyhteyksien tarpeen, mikä mahdollistaa tuottavuutta ja turvallisuutta parantavan analytiikan. Horisontaalinen ja vertikaalinen tiedonkeruu ja -siirto koko tehtaassa voi kuitenkin olla kompleksista ja kallista, etenkin jos siihen kuuluu useita verkkoja ja haastavia ympäristöjä. Suunnittelijat tarvitsevat tehokkaan tavan suunnitella, ottaa käyttöön ja hallita teollisuusverkkoja, jotka voivat vaihtaa dataa useiden eri toimittajien ohjelmoitavien logiikkaohjaimien (PLC), antureiden ja aktuaattoreiden kanssa käyttäen samanaikaisesti eri protokollia ja minimaalista johdotusta.

Tämä voidaan toteuttaa käyttämällä integroitua ja optimoitua hajautettua tulo/lähtö (I/O) -alustaa, joka pystyy käsittelemään useita protokollia yhden ainoan Ethernet-kaapelin kautta. Tällaisen järjestelmän avulla teollisuusverkko-operaattorit voivat myös yksinkertaistaa huoltovaatimuksia ja pienentää varaosavarastoja standardisoimalla yhden ainoan I/O-alustan käytettävästä PLC-ohjaimesta riippumatta.

Tämä artikkeli tarjoaa lyhyen katsauksen Teollisuus 4.0 -verkkoihin. Se esittelee sen jälkeen Siemensin I/O-alustan, joka tukee useita Ethernet-kenttäväyliä yhdellä kaapelilla vaativissa ympäristöissä. Artikkeli kertoo, miten tätä alustaa käyttämällä voidaan täyttää Teollisuus 4.0 -suunnittelijoiden tarpeet.

Ethernet-protokollat

Teollisuus 4.0 -kohteisiin liittyy monenlaisia kommunikaatiotarpeita. Jokainen kolmesta tärkeimmästä kenttäväyläprotokollasta, PROFINET, EtherNet/IP ja Modbus TCP, tukee erilaisia käyttötapauksia tehdasympäristön operatiivisesta teknologiasta (OT) tietotekniikkaan (IT).

PROFINET: Tämä on deterministinen korkeatehoinen protokolla, jota käytetään esimerkiksi PLC-ohjaimien ja laitteiden väliseen tiedonvaihtoon. Se soveltuu reaaliaikaisiin ja turvallisuuskriittisiin toimintoihin, joihin kuuluvat huippunopeat liikeohjaussovellukset. Sitä käytetään myös OT/IT-toimintojen integrointiin.

EtherNet/IP: Tämä käyttää Ethernet-vakioprotokollaa, joten se on helppo toteuttaa Ethernet-laitteiden kanssa. Common Industrial Protocol (CIP) on optimoitu teollisuusautomaatiosovelluksiin ja se tukee sellaisia verkkoteknologioita kuten EtherNet/IP. EtherNet/IP-protokollaa voidaan käyttää myös tiedonsiirtoon kenttätasolta IT-järjestelmiin.

Modbus TCP: Tämä on TCP/IP-pohjainen protokolla, joka on hyödyllinen ei-aikakriittisissä toiminnoissa, kuten energiankulutus- ja ympäristötietojen keruussa, sekä tiedonsiirrossa kenttätasolta ja IT-järjestelmiin.

Koska kullakin kolmesta kenttäväylästä on oma erityinen käyttötarkoituksensa, kaikkia niitä tarvitaan. Tämä luo kompleksisia kommunikaatiohaasteita, jolloin MultiFieldbus -järjestelmät astuvat kuvaan mukaan. MultiFieldbus-tietoliikenneohjain sijaitsee kenttä- ja ohjaustason välissä ja kommunikoi samanaikaisesti useiden eri protokollia käyttävien ohjainten kanssa yhden ainoan verkkokaapelin kautta (kuva 1). MultiFieldbus-laitteita voidaan käyttää monenlaisissa ympäristöissä aina suojatun ohjauskaapin sisältä tehdasympäristöön ja etäisiin ulkojärjestelmiin.

Kuva 1: MultiFieldbus-tietoliikenneohjain sijaitsee kenttä- ja ohjaustason välissä ja mahdollistaa kattavat Teollisuus 4.0 -verkkoyhteydet ja -kommunikaation. (Kuvan lähde: Siemens)

Erilaiset ympäristöt

Erilaiset ympäristöolosuhteet vaativat laitteita, joilla on erilaisia IP-kotelointiluokkia IP20–IP67. IP-luokitusjärjestelmä sisältyy IEC (International Electrotechnical Commission) -standardiin 60529. Se luokittelee laitteet sen perusteella, millaisen suojauksen kotelo tarjoaa pölyn ja nesteiden tunkeutumista vastaan ja miten helposti suljetun järjestelmän vaaralliset osat voidaan saavuttaa sormin, työkaluin tai erikokoisilla kiinteillä esineillä. IP-koodit koostuvat kahdesta numerosta. Ensimmäinen ilmaisee suojauksen kiinteitä kappaleita vastaan, ja se luokitellaan asteikolla numerosta 0 (ei suojausta) numeroon 6 (pölytiivis). Toinen numero ilmaisee suojauksen nesteitä vastaan, ja se luokitellaan numerosta 0 (ei suojausta) numeroon 9 (kestää suurella paineella eri kulmista ruiskutettua kuumaa vettä).

Esimerkiksi IP20-luokitellut laitteet soveltuvat ohjauskaappeihin tai vastaaviin ympäristöihin. Numero 2 tarkoittaa suojausta yli 12,5 millimetrin (mm) kokoisia kappaleita, kuten sormia tai vastaavia esineitä, vastaan ja numero 0 tarkoittaa, ettei laitetta ole suojattu vedeltä.

Tyypillisiä IP-luokituksia haastavampiin ympäristöihin ovat IP65, IP67 ja IP69K, joissa numero 6 tarkoittaa suljettua ja täysin pölytiivistä koteloa. Nämä IP-luokitukset tarjoavat erilaisia suojauksia vettä vastaan.

• IP65 ilmaisee, ettei suuttimella (6,3 mm) suihkutetulla mistään suunnasta koteloon osuvalla vesisuihkulla ole haitallisia vaikutuksia.
• IP67 ilmaisee, ettei kotelon sisään voi päästä haitallista määrää vettä, kun se upotetaan veteen enintään 1 metrin (m) syvyyteen.
• IP69K on tarkoitettu tieajoneuvoissa käytettäville laitteille, ja se koskee korkeapaineista pesua korkeassa lämpötilassa.

MultiFieldbus-alusta

Siemensin SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus -alustalla ja rajapintamoduuleilla voidaan vaihtaa samanaikaisesti tietoja useiden ohjaimien kanssa PROFINET-, EtherNet/IP- ja Modbus TCP -protokollien kautta samaa kaapelia pitkin. Kaikki kommunikaatioprotokollat ovat konfiguroitavissa ohjelmistollisesti ilman että laitteistoa täytyisi muuttaa. Täydellinen MultiFieldbusilla varustettu SIMATIC ET 200 I/O -alusta sisältää myös moduuleja, joilla on IP20-luokitus ohjauskaappikäyttöön, sekä moduuleja, joilla on IP65- ja IP67-luokitus sisäkäyttöä varten koneissa sekä IP69K-luokitus ulkokäyttöön (kuva 2).

Kuva 2: SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus -alusta sisältää useita laiteperheitä ja sitä voidaan käyttää Teollisuus 4.0 -asennuskohteisiin ohjauskaapeissa, sisätiloissa olevissa koneissa sekä ulkotiloissa. (Kuva: Siemens)

Järjestelmä voi tukea samanaikaista kommunikaatiota jopa kuuden PLC-ohjaimen kanssa, jotka käyttävät eri kenttäväyläprotokollia. Lisäksi moduuleja on saatavana seuraavia protokollia varten: IO-Link, Profibus, PtP (Point-to-Point), CAN (Controller Area Network), Asi (Actuator sensor interface), DALI (Digital Addressable Lighting Interface) ja digitaalinen multiplekseri DMX512. Yhteen ainoaan asemaan voidaan yhdistää perus- ja vikasuojatut tulot/lähdöt (I/O).

Järjestelmän monitoiminen ja modulaarinen arkkitehtuuri tukee massaräätälöintiä, joka on Teollisuus 4.0 -tehtaiden tunnusmerkki. Nopeaa johdotusta tuetaan push-in-liittimillä, ja moduuleja on saatavilla monenlaisiin tehtäviin, kuten laskentaan, energianvalvontaan, moottorinkäynnistimiin, asentotuloihin, servokäyttöihin, lämpötilamittaukseen, aikapohjaisiin tuloihin/lähtöihin ja jopa sähköajoneuvojen lataukseen. Monet moduuleista tukevat PROFIenergy-toimintoa. Se on PROFINET-kommunikaatioprotokollan profiili, joka mahdollistaa tehonhallinnan teollisuusautomaatiolaitteissa.

SIMATIC ET 200SP on monikäyttöinen ja skaalautuva hajautettu I/O-järjestelmä, joka tarjoaa laajan valikoiman moduuleja. Esimerkiksi malli 6ES71556MU000CN0 on kaksiporttinen, ohjauskaappikäyttöön tarkoitettu rajapintamoduuli (kuva 3) ja malli 6ES71936BP000BA0 on erittäin pienikokoinen SIMATIC ET 200SP -perusyksikkö, joka on suunniteltu asennettavaksi pieniin ohjauskaappeihin koneiden viereen. Molemmilla on IP20-luokitus ja käyttölämpötila-alue −30 °C ...+60 °C.

Kuva 3: 6ES71556MU000CN0 on kaksiporttinen, ohjauskaappikäyttöön tarkoitettu rajapintamoduuli. (Kuvan lähde: Siemens)

Tärinäsietoiset moduulit kokoonpanolinjoille

SIMATIC ET 200AL on optimoitu liikesovelluksiin, kuten automaattisille ja puoliautomaattisille kokoonpanolinjoille (kuva 4). Nämä moduulit kestävät jatkuvasti jopa 5 g:n tärinää ja enintään 10 g:n tärinää. Ne ovat IP65/67-luokiteltuja ja niiden käyttölämpötila-alue on −25 °C ... +55 °C. Moduulien kompakti ja kevyt rakenne sopii koneiden hajautettuihin ohjaussovelluksiin. Niitä on saatavana moduulileveyksillä 30 mm tai 45 mm, ja ne mahdollistavat jopa 32 moduulia asemaa kohti. Moduulit tukevat antureiden ja aktuaattoreiden integrointia moduulista riippuen joko M8- tai M12-liittimillä. Ne tarjoavat myös PROFIenergy-toiminnon.

Kuva 4: ET 200AL -moduulit (oikeassa alakulmassa) on optimoitu liikesovelluksiin, ja ne kestävät jopa 5 g:n jatkuvaa tärinää. (Kuvan lähde: Siemens)

Esimerkkejä ET 200AL -moduuleista:

• 6ES71415BF000BA0 tarjoaa kahdeksan digitaalista tuloa ja M8-liittimet lähestymisantureiden ja kytkimien liittämistä varten. Sen mitat ovat 30 mm x 159 mm.
• 6ES71445KD500BA0 tarjoaa kahdeksan analogista tuloa ja M12-liittimet liitäntöjä varten. Kullekin kanavalle voidaan ohjelmoida mittaustyyppejä, mukaan lukien jännite, virta (2- ja 4-johtimiset muuntimet), vastus (2- ja 3-johtimiset muuntimet) ja vastuslämpömittarin anturit (2- ja 3-johtimiset liitännät). Moduulin resoluutio on 16 bittiä, ja sen mitat ovat 30 mm x 159 mm.

IP65/67-luokitellut moduulit koneasennukseen

SIMATIC ET 200pro -moduulit ovat IP65/67-luokiteltuja ja ne on suunniteltu asennettavaksi ohjauskaapin ulkopuolelle suoraan koneeseen. Nämä moduulit soveltuvat langattoman yhteyden ansiosta hyvin esimerkiksi automaattisesti ohjattaviin ajoneuvojärjestelmiin, kiinteistöhallintaan, varastologistiikkaan ja sähköisiin monorail-järjestelmiin. Tämä tuoteperhe on vaihdettavissa käytön aikana (Hot-Swap), ja siihen kuuluu keskusyksikkömoduuleja (CPU), rajapintamoduuleja, I/O-moduuleja ja toimintomoduuleja.

ET 200pro -sarja tarjoaa mm. sellaisia toimintoja kuten IO-Link ja RFID (Radio Frequency IDentification). Moottorinkäynnistinmoduuleja voidaan käyttää moottoreiden ja kuormien käynnistämiseen ja suojaamiseen aina 5,5 kilowattiin (kW) asti. Saatavana on vikaturvallisia versioita, jotka voivat tukea SIL (Safety Integrity Level) -tasoa 3. Taajuusmuuttajamoduulia voidaan käyttää induktiomoottorien ohjaukseen avoimessa tai suljetussa silmukassa. Lämpötilan mittausmoduuli 6ES71444JF000AB0 on erittäin joustava: se voidaan ohjelmoida käyttämään erilaisia vastuslämpötila-antureita (RTD), kuten PT100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 ja NI1000, ja se voi ilmaista lämpötilan Celsius- tai Fahrenheit-muodossa.

Ulkotiloihin ja räjähdysvaarallisiin tiloihin tarkoitetut koneasennusmoduulit

SIMATIC ET 200eco PN -moduulit tarjoavat kompaktin I/O-lohkon IP65- ja IP67-luokituksilla ja soveltuvat asennukseen suoraan koneeseen ilman kaappia. Ne tukevat PROFINET-, Ethernet/IP- ja Modbus TCP -protokollia, kuten kaikki ET 200 -moduulit. Nämä moduulit toimitetaan täysin suljetussa sinkkivalukotelossa. Ne kestävät tärinää, pölyä, öljyä ja kosteutta sekä sopivat ulkoasennuksiin. Niiden käyttölämpötila-alue on −40 °C ... +60 °C. ET 200eco PN -sarja on hyväksytty Euroopan unionin (EU) räjähdysvaarallisia tiloja koskevan ATEX-direktiivin mukaisesti, ja sitä voidaan käyttää räjähdysvaarallisissa tiloissa aina vyöhykkeeseen 2 asti.

Jos laitteet noudattavat IO-Link V1.1 -spesifikaatiota, laite- ja master-parametrit voidaan siirtää automaattisesti ”autostart-toiminnolla” ilman aikaisempaa konfigurointia, jos jokin laitteista täytyy vaihtaa. Esimerkiksi moduuli 6ES71486JG000BB0 voi toimia IO-Link V1.1 -master-laitteena, ja se sisältää 4 A- ja 4 B-luokan IO-Link-porttia (kuva 5). Portit voivat toimia digitaalisina tuloina tai lähtöinä parametrimääritysten mukaan. Moduuli on IP67- ja IP69K-luokiteltu ja se tukee kolmea siirtonopeutta: 4,8 kilobaudia (kBd) COM1-portissa, 38,4 kBd COM2-portissa ja 230,4 kBd COM3-portissa.

Kuva 5: SIMATIC ET 200eco PN -moduuli (vasemmalla) ja lähikuva tyypillisestä asennuksesta (oikealla) (kuvan lähde: Siemens)

Yhteenveto

Teollisuus 4.0 -verkkojen käyttöönotto on kompleksinen tehtävä, jossa on otettava huomioon monia kommunikaatiorajapintoja ja erilaisia käyttöympäristöjä. Suunnittelijat voivat käyttää tehdasverkkojen virtaviivaistamiseen Siemensin SIMATIC ET 200 MultiFieldbus -alustaa, jolla voidaan vaihtaa samanaikaisesti tietoja jopa kuuden PLC-ohjaimen kanssa. Tämä mahdollistaa PROFINET-, EtherNet/IP- ja Modbus TCP -protokollien samanaikaisen käytön saman kaapelin kautta.

Suositeltavaa luettavaa

1. Massaräätälöinnin, korkean laadun ja kestävän kehityksen tukeminen Teollisuus 4.0 ‑tehtaissa
2. Miten vanhat tehdasautomaatiojärjestelmät liitetään Teollisuus 4.0 -ympäristöön ilman seisokkeja