Промышленные коммуникации

Создание M2M коммуникаций для промышленных сетей

Почему для промышленных сетей требуются разные протоколы соединения?

Концепция Индустрии 4.0 в настоящий момент является горячей темой для обсуждения, однако еще до этой концепции на протяжении десятилетий машины взаимодействовали между собой в промышленных условиях. Межмашинное взаимодействие (M2M) значительно повышает эффективность и надежность работы, особенно в области контроля технологических процессов, производства автомобилей, робототехники или производства продуктов питания.

При создании комплексного решения для процесса производства важно понимать, как работают машины, и обеспечить взаимодействие между ними. Это может значительно повысить эффективность и уровень системной интеграции.

  • Высокая скорость – машины коммуницируют между собой намного быстрее, чем люди. Знание принципов работы, уровня нагрузки, скорости работы оборудования, задействованного в технологическом процессе, позволяет существенно увеличить производительность. За счет работы детерминированных сетей в реальном времени и системного анализа вся система работает как единое целое.
  • Качество и контроль – сеть датчиков на каждом этапе технологического процесса обеспечивает контроль каждого элемента технологической линии. С повышением чувствительности датчиков и остроты "машинного зрения" стало возможным поддерживать стабильную температуру в печах, организовывать точную работу роботизированных рук, а также более эффективно обнаруживать и устранять дефекты в оборудовании.
  • Профилактическое обслуживание – теперь машины, как и ваш автомобиль, сообщают о необходимости проведения технического обслуживания. С помощью реле, настроенных на отслеживание отработанных часов, или с помощью контроллеров, сигнализирующих о поломках электронных компонентов, вы сможете значительно уменьшить длительность простоя или существенно сэкономить средства на срочный ремонт в случае аварии.

Раньше создание такого уровня связей между машинами на производстве требовало сложных, стационарных и дорогостоящих внешних решений. Системы автоматизации стремительно развиваются, и сейчас межмашинные взаимодействия становятся нормой, при этом все большее значение приобретает интеграция электроники в технологическое оборудование. Коммуникации между программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), конвейерными лентами и периферийными устройствами промышленного применения в режиме реального времени становятся инновационными, а решения уменьшаются в размерах и становятся более гибкими и надежными.

При разработке решений для промышленных сетей, особенно работающих в тяжелых условиях или агрессивной среде, существует несколько условий и ограничений, которые необходимо учитывать. Особенно это касается беспроводных коммуникаций.

  • Установка на месте – для любых элементов, подключенных к сети, требуется обеспечить возможность «горячей» замены, чтобы сократить время простоя оборудования, провести техническое обслуживание или ремонт. Это означает, что должна быть возможность их подключения к сети или отключения от нее во время работы системы, а также нужно принимать во внимание, что все взаимодействия требуют определенного уровня согласования параметров соединения. При этом нужно квитировать установление связи и сохранить приоритет сообщений.
  • Высокая надежность – в критических системах или в системах производственной безопасности требуется обеспечить надежность, своевременность передачи данных, предотвратить прерывания связи и гарантировать доставку сообщений. Любые возникающие сбои в системе не должны приводить к угрозе безопасности на производстве.
  • Устойчивость – промышленное оборудование часто функционирует в неблагоприятных условиях внешней среды. Это могут быть пыль, влага, высокие температуры, высокое давление или высокое напряжение. Необходимо применять разъемы и корпуса с высоким уровнем защиты от внешних воздействий (ingress protection, IP), вплоть до IP69. Для защиты от воздействия высоких напряжений, скачков и перебоев, следует применять изоляцию в каналах связи с электрической прочностью изоляции от 5 кВ с.к.з. и выше.
  • Защита от помех – электромагнитные помехи могут быть индуктивными, кондуктивными, их источниками могут быть электромоторы, движение потоков жидкостей, промышленные печи. Помехи могут наводиться в близкорасположенных кабелях, при коммутации нагрузок и т.д. Электромагнитные помехи приводят к прерыванию сигналов, получению ошибочных сообщений. В такой сложной помеховой обстановке лучше отказать от беспроводных каналов связи и передавать информацию по экранированным или оптическим линиям.

Коммуникационный протокол HART

Протокол HART (магистральный адресуемый удаленный преобразователь) был реализован как открытый протокол в 1986 году. И сейчас, в эпоху развития промышленного Интернета вещей и Индустрии 4.0, он сохраняет свою актуальность.

HART протокол использует частотно-манипулированный цифровой сигнал, накладывается на токовую аналоговой токовой петли 4—20 мА. HART осуществляет двунаправленную передачу цифрового сигнала по аналоговым каналам от датчиков и распределенных контрольно-измерительных приборов к центральной системе обработки информации или управляет процессами, безопасностью и ресурсами. Для обеспечения надежности связи важная информация от датчика передается с помощью аналогового сигнала 4-20 мА. Менее важная информация, например, диагностические данные или вторичные значения передаются с помощью цифрового сигнала, за счет чего формируется легко конфигурируемое устойчивое коммуникационное решение.

Протокол для автоматизации EtherCAT

Протокол EtherCAT построен на основе знакомого и схожего по названию стандарта Ethernet, в который добавлена передача в реальном времени и реализована большая гибкость в топологии. Скорость EtherCAT в значительной степени превышает скорость других коммуникационных технологий, используемых в промышленных сетях, например, синхронизация EtherCAT с точностью до наносекунды обеспечивает ему огромное преимущество в производительности по сравнению с другими протоколами. Скорость и точность протокола EtherCAT позволяют сократить время ожидания системы и время перехода, повышая эффективность работы системы в целом.

В отличие от Ethernet сети с использованием EtherCAT не требуют сетевых шлюзов или переключателей, а устройства автоматического обнаружения соединений могут добавляться или удаляться по мере необходимости. Это обеспечивает гибкость топологии и структуры сети. В приложениях с особыми требованиями к технической безопасности применяется специализированный профиль Safety over EtherCAT (FSoE), который соответствует требованиям к системам безопасности с уровнем SIL 3 и прошел проверку на сертифицированных TUV устройствах. EtherCAT обеспечивает быструю и надежную связь при приемлемой цене. Протокол не нуждаются в специальных интерфейсных платах EtherCAT, его можно быстро и легко реализовать на микроконтроллере или ПЛИС.

Протокол Profinet и Profibus

Как и EtherCAT, Profinet представляет собой модифицированный стандарт Ethernet для промышленного применения, но при этом он ближе к стандарту Ethernet, используемому в условиях дома или офиса. Благодаря этому сходству он может использоваться с сетевыми концентраторами, коммутаторами, а так же работать с беспроводными сетями или мобильными устройствами через WLAN или Bluetooth. Несмотря на имеющиеся ограничения для использования в традиционных сетевых конфигурациях, он достаточно гибок, чтобы взаимодействовать с другими стандартными устройствами. Это обеспечивает успех Profinet в качестве коммуникационной сети для промышленного применения: на конец 2014 года свыше 9,8 миллиона устройств были подключены к протоколу Profinet.

Безусловно, Profibus является самым распространенным в промышленных коммуникациях. Независимый от приложений сетевой протокол применяется для более 50 миллионов устройств, по состоянию на конец 2014 года. Как правило, Profibus осуществляет передачу данных по витой паре RS-485, что обеспечивает низкую стоимость внедрения, возможность использования на больших расстояниях и в условиях наличия электрических помех. Все это делает его отличным вариантом для промышленных сетей.

Протокол CAN

CAN-шина, как правило, используется в автомобилях и других транспортных средствах, чтобы обеспечить связь между устройствами без центрального контроллера. Этот протокол не обеспечивает коммуникацию в реальном времени, но является идеальным бюджетным вариантом для установки взаимосвязи между микроконтроллерами. Благодаря простоте, широкому распространению и устойчивости (в соответствии со строгими требованиями автомобильной промышленности) CAN занимает свое почетное место среди промышленных сетей.

Изоляция

Производственная среда характеризуется высоким уровнем электромагнитных помех вызванных работой оборудования, переходными процессами в цепях питания, высоковольтными импульсами. Для повышения уровня электромагнитной защищенности высокоскоростных цифровых интерфейсов и изоляции цифровых сигналов необходима гальваническая развязка.

Оптические и цифровые изоляторы создают надёжный физический барьер в линии передачи, они обеспечивают гальваническую развязку высокоскоростных интерфейсов с среднеквадратическим (действующим) значением изолируемого переменного напряжения до 10 кВ.