Przemysł 4.0 - sieci komunikacyjne

Przemysł 4.0 to koncepcja opisująca złożony proces przemiany technologicznej i organizacyjnej przedsiębiorstw, który obejmuje integrację łańcucha wartości, wprowadzanie nowych modeli biznesowych oraz cyfryzację produktów i usług. Wdrażanie tych rozwiązań możliwe jest dzięki wykorzystaniu technologii sieci cyfrowych, zwłaszcza sieci opartych o Ethernet. Sieć Ethernet umożliwia gromadzenie zasobów danych oraz zapewnienia komunikację w sieci współpracujących maszyn, urządzeń i ludzi. Czynnikiem napędzającym przemiany w kierunku przemysłu 4.0 są coraz bardziej zindywidualizowane potrzeby klientów i narastający trend personalizacji produktów i usług.

Siłą napędową jest zwiększenie elastyczności, wydajności i produktywności. Te trendy, zawsze przenikały automatykę przemysłową. Urządzenia przyszłości zostaną połączone. I to jest dokładnie to, co robi Zamak Mercator projektując urządzenia. Przemysłowy Internet Rzeczy (IoT) oznacza podłączanie urządzeń przemysłowych do systemów sterowania i Internetu. Ten trend zwiększonej łączności nadaje Klientom Zamak Mercator rozpęd, umożliwia gromadzenie danych z podłączonych urządzeń badawczych, przemysłowych i wprowadzanie ich do systemów informatycznych, gdzie można je analizować i prezentować. Zapewnia naukowcom, operatorom i decydentom natychmiastowy wgląd w procesy badawcze i przemysłowe, umożliwiając im zapewnienie, że systemy działają zgodnie z przeznaczeniem, są prawidłowo dostosowane i że zasoby są optymalnie wykorzystywane. Zamak Mercator oferuje produkty i rozwiązania, które łączą urządzenia z sieciami i zapewniają bezpieczny dostęp do ważnych danych.

Analiza rynku sieci przemysłowych wskazuje, że segment Ethernetu przemysłowego zyskiwał na znaczeniu szybciej niż w latach ubiegłych - jego roczny wzrost zwiększył się z 20% do 22%, natomiast udział w całkowitym rynku sieci przemysłowych wyniósł 65%, (rys. 1).

Zamak Mercator dostosowuje produkowane urządzenia do zmieniających się oczekiwań klientów. Ograniczamy stosowanie w naszych urządzeniach sieci przemysłowych opartych na protokołach fieldbus na rzecz sieci Ethernetu przemysłowego.

Sieci Fieldbus takie jak Profibus-DP, DeviceNet, CANopen czy Modbus-RTU stosujemy jako pomocnicze służące głownie do integracji naszych systemów z systemami innych producentów, którzy jeszcze je stosują lub do integracji z urządzeniami wyprodukowanymi przed laty.

Przemysł 4.0, IoT - koncepcja gromadzenia, przetwarzania i wymiany danych poprzez sieć, infrastruktury chmurowe wymagają znacznie szerszego dostępu do informacji. Takie możliwości daje przemysłowy standard Ethernet. Na jego bazie rozwinęły się takie protokoły jak Profinet-IO, Ethernet Powerlink, Ethernet/IP czy Modbus-TCP. Dzięki poprawie parametrów oraz unifikacji topologii sieci, jakie niesie za sobą jego stosowanie, przemysłowy Ethernet stał się dominującą technologią sieci przemysłowych. Obecnie coraz trudniej znaleźć na rynku urządzenia nie wspierające tego standardu. Przemysłowe sieci oparte o Ethernet ułatwiają integracje systemów pracujących w różnych miejscach ośrodków badawczych oraz zakładów przemysłowych. Jako producent widzimy potencjał, jaki drzemie w integracji urządzeń na bazie Ethernetu. Obszar możliwych zastosowań rozwiązań Fieldbus przesuwa się w kierunku aplikacji niszowych, a przemysłowy Ethernet jawi się jako podstawowy sposób komunikacji w automatyce.

Sieci przemysłowe oparte o standard Ethernet

ETHERNET POWERLINK
POWERLINK został opracowany w 2001 roku przez firmę B&R, a obecnie jego rozwojem zajmuje się organizacja Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG). W zakresie kontroli dostępu do łącza jest w nim wykorzystywany mechanizm szczelin czasowych (timeslots), które są przyporządkowywane poszczególnym stacjom oraz procedura odpytywania (polling).

PROFINET
Profinet został opracowany w 2003 przez firmę Siemens wspólnie z organizacją PNO (Profibus User Organization). Występuje w kilku wersjach przeznaczonych do realizacji zadań, które różnią się wymaganiami czasowymi transmisji. Ponadto każda z odmian Profinetu jest zaliczana do innej kategorii w zależności od tego, w jakim stopniu jest zgodna ze standardem Ethernet TCP/IP.

ETHERNET/IP
Protokół EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol, EIP) został opracowany w 2000 roku przez firmę Rockwell Automation, obecnie zaś jego rozwojem zajmuje się m.in. organizacja ODVA (Open DeviceNet Vendors Association). Opiera się on na protokole CIP (Common Industrial Protocol), który definiuje profile różnych urządzeń przemysłowych. Charakteryzują one ich właściwości i metody komunikowania się urządzeń.

Sieci przemysłowe Fieldbus

CAN/CANOPEN, DEVICENET
Specyfikacja CAN (Control Area Network) została opracowana w latach 80. zeszłego wieku przez firmę Bosch na potrzeby branży samochodowej. W związku z tym, że w oparciu na sieciach tego typu zamierzano zorganizować systemy sterowania w samochodach, musiały one spełniać określone wymagania. Najważniejsze z nich to: duża szybkość transmisji danych, odporność na zakłócenia i elastyczność w zakresie liczby węzłów sieci. Sprawiło to, że magistralą CAN zainteresował się przemysł. Wkrótce też powstała organizacja CAN in Automation, która do dzisiaj zajmuje się rozwojem oraz promocją sieci tego typu.

PROFIBUS DP
Profibus (Process Field Bus), został opracowany w Niemczech w 1989 roku. Na rynek wprowadziła go firma Siemens, zaś protokół został zestandaryzowany i opisany w normie DIN 19245 w 1991 roku. Podobnie jak i inne przemysłowe protokoły komunikacyjne, Profibus jest zgodny z dwoma normami: IEC 61158 oraz IEC 61784. W pierwszej z nich zebrano wytyczne w zakresie cyfrowej komunikacji danych w sieciach polowych, pomiarowych i sterujących w przemysłowych systemach sterujących, natomiast w drugiej opisano profile dla protokołów komunikacyjnych opartych na normie IEC 61158

MODBUS
Protokół Modbus został opracowany przez firmę Modicon w 1979 roku, jest to zatem jeden z najdłużej użytkowanych protokołów komunikacji przemysłowej. Obecnie za jego promocję i rozwój odpowiada Modbus Organization. Bazuje on na modelu komunikacji master-slave. Węzeł nadrzędny, aby połączyć się z węzłem podrzędnym wysyła komunikat składający się z: adresu odbiorcy, treści wiadomości oraz sumy kontrolnej, której sprawdzenie pozwala wykryć ewentualne błędy transmisji. Komunikat jest widoczny dla wszystkich węzłów sieci, jednak odbiera go, interpretuje i odpowiada na niego wyłącznie węzeł o wskazanym adresie sieciowym. Węzły slave nie mogą inicjować transmisji, jedynie odpowiadają na zapytania węzłów master.