Niezawodna komunikacja przemysłowa – podstawa Przemysłu 4.0

Szerokie zastosowanie sterowników PLC, oprogramowania przemysłowego (SCADA, ERP, MES) oraz robotów przemysłowych, daje pełną kontrolę przebiegu procesu produkcji w zakładzie… ale to jeszcze nie Przemysł 4.0.

Abyśmy mogli powiedzieć o Przemyśle 4.0, niezbędny jest globalny dostęp do danych oraz maszyn – a także „inteligencja maszynowa”, czyli pełna autonomizacja procesów produkcyjnych, wliczając w to organizację produkcji oraz reakcję na zmiany zapotrzebowania rynku na produkt o konkretnych parametrach. Jednak taka „inteligencja” produktów, budynków, logistyki czy pojazdów wymaga stabilnej i pewnej komunikacji na wielu poziomach i na dowolną odległość.

Przemysł 4.0 jest wyzwaniem, które często wymusza dopracowanie i powiększenie sieci istniejących ścieżek komunikacyjnych przedsiębiorstwa. Setki nowych urządzeń posiadających możliwości mikro komunikacji znacznie zmienia sposób myślenia o produkcji. Żeby jednak wszystkie możliwości zostały poprawnie wykorzystane, to szkielet sieciowy, poczynając od najmniejszych switchy poprzez urządzenia komunikacji bezprzewodowej, a na urządzeniach routujących kończąc, musi być wydajny i co nie mniej ważne, bezpieczny.

„Kluczowa będzie wymiana danych na poziomie urządzeń pracujących w ramach podstawowej sieci ethernetowej – niezależnie od szybkości połączeń (10/100/1000MB), najważniejszy będzie przesył ramek wszystkich rodzajów protokołów w sposób niezależny od nawet chwilowych zakłóceń sieci. Zasilanie awaryjne switchy, sygnał alarmowy (np. włączenie sygnalizacji świetlnej) stosowanie topologii typu Ring i kompatybilność z wieloma standardami odtwarzania połączenia po zerwaniu jednego z ogniw komunikacji leży u podstaw budowy odpornej i wydajnej komunikacji przemysłowej”
– komentuje Wojciech Pawełczyk, specjalista ds. komunikacji przemysłowej, menedżer produktów Korenix w ASTOR.

Switche niezarządzalne posiadają podstawowe właściwości niezbędne do zapewnienia ich nieprzerwanej pracy – natomiast serie zarządzalne bez trudu stworzą sieć odporną na zerwanie pojedynczego ogniwa (połączenia lub urządzenia), ale także ich otwartość pozwoli na stosowanie jako elementów topologii Ring innych producentów oraz oczywiście współpracę kilku „ringów” ze sobą – co wydatnie zwiększa czas nieprzerwanej pracy systemu. Takie sieci często będą rozproszone, a wówczas odległość połączeń miedzianych (100 m) może nie wystarczyć. W takiej sytuacji możemy użyć coraz popularniejszy przewód światłowodowy i urządzenia z wbudowanymi sprzęgami światłowodowymi lub z miejscami na odpowiednie dla danej sytuacji wkładki SFP, gdzie będziemy mogli użyć zarówno połączenia wielomodowego MM, jak i jednomodowego SM w wielu odmianach a połączenie będzie możliwe na wiele setek metrów a nawet kilometrów (80–100 km).

Zastosowanie niezarządzalnych switchy lub zarządzalnych dla aplikacji wymagających dokładniejszej konfiguracji parametrów nie wyczerpuje „tradycyjnych” zastosowań komunikacji. Nowoczesne systemy produkcyjne oraz znacznie częściej systemy bezpieczeństwa stosują najczęściej kamery i inne urządzenia, których lokalizacja utrudnia doprowadzenie zasilania. W takich przypadkach możemy użyć wygodnej funkcji PoE (Power over Ethernet), dzięki czemu zasilanie będzie doprowadzone do urządzenia za pomocą miedzianego przewodu ethernetowego. Switche PoE pozwolą na zasilenie mocą 15 W, a nawet 30 W kamery i ewentualnie jej osprzętu. Zarządzanie PoE sprowadza się do ustalenia grafiku zasilania (godziny, dni pracy). Zastosowanie PoE w urządzeniach mobilnych (przemysłowe wózki autonomiczne, komunikacja zbiorowa) często będzie wymagało zwiększenia pewności połączeń okablowania – stąd zastosowanie zakręcanych złącz M12.

Zarówno aplikacje mobilne, jak i potrzeby komunikacji człowieka powodują coraz częstsze stosowanie Ethernetu bezprzewodowego – WiFi. Dedykowane switche wyposażone w gigabitowe złącza RJ-45 lub M12 są punktami dostępowymi (AccessPoint) w standardach 2.4 G/5 G i pozwalają zbudować rozległą sieć bezprzewodową dla urządzeń mobilnych. Urządzenia takie będą także dbały o poprawne przełączanie się na ten AP, którego sygnał jest najmocniejszy, jeśli np. wózek autonomiczny będzie poruszał się w zasięgu pola kilku punktów dostępowych.

Ale nie tylko popularna sieć WiFi może zasilić danymi nasz system. Tam, gdzie jest możliwość użycia zwykłej sieci komórkowej (LTE, HSPA), możemy skorzystać z funkcjonalności łączenia sygnału pomiędzy tymi dwiema technologiami bezprzewodowej komunikacji. Wówczas możemy np. przesyłać informacje w standardzie OPC-UA do serwerów w dowolnej lokalizacji geograficznej. Urządzenia przemysłowe ze względu na miejsce lokalizacji są w wielu wypadkach wyposażone w obudowy spełniające wymogi norm IP65 lub IP67.

Jednak szeroko opisywana idea Przemysłu 4.0 stawia znacznie wyższe wymagania dla komunikacji. Dane muszą w sposób bezpieczny i szybki być przekazywane na częstokroć duże odległości z wykorzystaniem sieci ogólnodostępnych lub ethernetowych zbiorczych tzw. L3. O ile warstwy L1/L2 odpowiadają za komunikację sieci lokalnych LAN (Local Area Network), to warstwa L3 określa tzw. WAN (Wide Area Network), a więc rozległe infrastrukturalnie, ale też geograficznie sieci zawierające w sobie podsieci heterogeniczne.

Ze względu na wymagania komunikacji przemysłowej także tu mamy możliwość użycia urządzeń, które sprostają zagadnieniom budowy nie tylko zwykłej sieci, ale także tzw. routingowi (trasowaniu). Switche routujące to zarządzalne urządzenia w obudowach typu Rack 19”. Ze względu na ich funkcje, ilość złącz jest większa niż w standardowych urządzeniach – np. 24 lub 48 w różnych konfiguracjach (np. 8× RJ-45 + 16 × SFP + 4× SFP/GbE). Takie switche stanowią doskonałą bazę dla budowy centralnych dyspozytorni (tzw. Control Room’ów) gromadzących dane i informacje z wielu oddalonych źródeł. Takie centralne urządzenia routujące wymagają dużej przepustowości, dlatego też złącza 1 Gb są najczęściej spotykane, ale także możemy tu znaleźć złącza o prędkości 10 Gb. W jednym miejscu mamy mnogość złączy, zarządzanie siecią, budowę odpornych na zerwanie łączy tras komunikacji i współpracę z systemami IT dużej organizacji.

Urządzenia w obudowach dostosowanych do zabudowy w szafach informatycznych posiadają obudowę metalową, dla urządzeń z warstwy przemysłowej obudowę stanowi stop aluminium, który wraz z odpowiednim wyprofilowaniem stanowi radiator polepszający oddawanie ciepła, co przy urządzeniach pracujących w szerokim zakresie temperatur (-40 do +75 st.C) stanowi o ich niezawodności. Pięcioletnia gwarancja jest dowodem zapewnienia wysokiej jakości produktów będących podstawą cyfrowego krwioobiegu przedsiębiorstwa.

W najbliższym czasie możemy spodziewać się poszerzania wachlarza możliwości urządzeń komunikacyjnych o takie, które spełniają standardy niskoemisyjnych protokołów stosowanych w coraz większej ilości produktów IoT, co w połączeniu z doskonale dopracowanymi funkcjami zwiększającymi pewność przesyłu danych, a także dbałość o zagadnienia cyberbezpieczeństwa daje kompletne rozwiązanie dla zdecydowanej większości wyzwań dzisiejszej komunikacji przemysłowej.

Przemysł 4.0 jest wyzwaniem, które często wymusza dopracowanie i powiększenie sieci istniejących ścieżek komunikacyjnych przedsiębiorstwa. Setki nowych urządzeń posiadających możliwości mikro komunikacji znacznie zmienia sposób myślenia o produkcji. Żeby jednak wszystkie możliwości zostały poprawnie wykorzystane, to szkielet sieciowy, poczynając od najmniejszych switchy poprzez urządzenia komunikacji bezprzewodowej, a na urządzeniach routujących kończąc, musi być wydajny i co nie mniej ważne, bezpieczny.