S rozmachem Průmyslu 4.0 jde ruku v ruce ethernet

Pokud se přeneseme zpátky do sedmdesátých let, „Průmysl 3.0“ označoval posun ve výrobě, který za účelem podpory automatizace a zvyšování produktivity, přesnosti či flexibility vložil důvěru v informační technologie.

Průmysl 4.0 dospívá a k dispozici je tak rozsáhlá automatizace celé oblasti využívající chytré technologie, komunikaci M2M (machine-to-machine) nebo strojové učení (ML). Základní rozdíl mezi oběma přístupy spočívá v tom, že zatímco Průmysl 3.0 poskytoval informace lidem, kteří se pak mohli lépe rozhodovat, Průmysl 4.0 využije digitální informace k optimalizaci procesů probíhajících do značné míry bez našeho zásahu.

Ale nejen to, Průmysl 4.0 dokáže nyní vytvořit spojení mezi konstrukčním oddělením daného závodu a jeho výrobou. CAD (computer-aided design) může proto díky komunikaci M2M „jednat“ s obráběcími stroji a při výrobě součástek je také rovnou programovat. Obráběcí stroje dokážou zase „hovořit“ s CAD a informovat v rámci svého procesu o náročných úkolech, třeba když lze dané předměty modifikovat a snadněji je proto i vyrábět.

Platformou, na jejímž základě velkovýrobce vystaví svá řešení odpovídající Průmyslu 4.0, se stává průmyslový internet věcí (IIoT). Důležitá role sítě zde přitom spočívá ve vytvoření smyček zpětné vazby, takže snímače monitorují procesy a jejich data se použijí k řízení a dalšímu zkvalitnění chodu stroje.

Zavádění IIoT není vůbec jednoduché, nicméně největší výzvou se zřejmě stávají náklady spojené s investicí. Smyslem takové investice mohou být finanční úspory plynoucí z lepší koncepce a také samotné výroby, rostoucí produktivity nebo i menšího počtu selhání. Zavedení Průmyslu 4.0 však uspíší vše, co pomůže zmírnit odliv kapitálu. Jeden ze způsobů, jak toho dosáhnout, spočívá ve vystavění tovární sítě IIoT na osvědčené, dostupné a poměrně i levné technologii ethernetové komunikace.

Obr. 1  Výběr správných způsobů připojení je pro vývojáře průmyslových systémů předpokladem k úspěchu v případě jakéhokoli projektu (zdroj: Mouser Electronics)

Ethernet v průmyslu

Podobně jako většina obecně používaných možností, pokud jde o sítě používající po celém světě fyzické vedení, přináší též ethernet kvalitní podporu či interoperabilitu (IP). Po jednom kabelu kromě toho dokážete vyřešit data, stejně jako napájení připojených čidel, akčních členů nebo kamer.

„Průmyslový ethernet“ se svými odolnými konektory a kabeláží staví na své spotřební verzi a pro účely průmyslové automatizace zajišťuje vyspělou a osvědčenou technologii. Slouží nejen k přenosu nezbytných informací, ale rovněž umožňuje vzdálený dohled, při kterém lze ve výrobních prostorách snadno přistupovat ke strojům, PLC či kontrolérům.

Standardní ethernetový protokol je ale náchylný ke ztrátě paketů, takže nám vzroste zpoždění. To však není možné v případě synchronizovaných a rychle se pohybujících montážních linek. Abychom tedy zmíněné nedostatky standardního protokolu překonali, máme hardware průmyslového ethernetu spojený s deterministickými průmyslovými protokoly a jejich nízkou prodlevou (Ethernet/ IP, ModbusTCP a PROFINET).

Při realizaci systémů průmyslového ethernetu se použijí odolné verze kabelů – CAT 5e u standardních produktů a v případě certifikovaného gigabitového ethernetu pak CAT 6.

Kabel CAT 5e bude kupříkladu obsahovat osm vodičů ve formě čtyř kroucených párů. Kroucení zde omezuje rušení signálu, resp. „přeslechy“ mezi každým párem vodičů, přičemž k dispozici jsou i obě strany duplexního spojení. U vysokorychlostních systémů, jako je gigabitový ethernet, se dále k přenosu dat použijí všechny čtyři páry. Systémy s nižšími požadavky na propustnost (až do 100 megabitů za sekundu) mohou používat jen dva kroucené páry a volné ponechat např. pro napájení či běžné telefonní služby.

Obr. 2  Ethernetové switche k osazení do stojanu s kabely složenými z osmi vodičů (zdroj: asharkyu/shutterstock.com)

Mezeru vyplní proprietární řešení

Nevýhodou při použití kabelu CAT 5e se při nasazování IIoT stává skutečnost, že byl velkoryse navržen pro mnoho úkolů. Pokud nám k programování obráběcích strojů slouží CAD, je všechno v pořádku a jak má být, jenže při hlášení rychlosti běžícího pásu u souvisejícího snímače vysokorychlostní ethernet sotva využijeme. Řada systémů IIoT založených na ethernetu navíc při optimalizaci výrobního procesu nepotřebuje shromažďovat příliš velké množství informací ze senzorů.

Může to tedy znamenat i spoustu výdajů svázaných s kilometry kabelů a také jejich předpoklady, které ovšem nikdy nevyužijeme. V průmyslovém sektoru, který si potřebuje hlídat cenu, lze podobnému plýtvání obecně zabránit přechodem na levnější varianty. Místo toho, aby utápěli své prostředky v drahé kabeláži, přešli výrobci na výrazně lacinější proprietární alternativy pro připojení senzorů a systémů, které nevyužijí veškerou kapacitu ethernetu. Takové sběrnice (fieldbus) jsou zpravidla použity pro aplikace typu průmyslových měřicích zařízení či vzdálených I/O, kde nabízí délku kabelu až jeden kilometr a propustnost surových dat až deset megabitů za sekundu. Řada z těchto alternativ, např. HART, PROFIBUS PA či 4−20 mA, používá docela levný kabel s jedním krouceným párem.

Provozy, které dnes zavádí Průmysl 4.0, použijí standardní ethernet pro záležitosti, jako jsou ERP (enterprise resource planning) či CAD, průmyslový ethernet pro technologické operace nebo správu majetku a proprietární sběrnice fieldbus v případě měřicích zařízení a dálkových I/O.

To však není ideální. První dva systémy dohromady sice hezky fungují, nicméně posledně zmiňovaný s nimi nedokáže spolupracovat.

IEEE 802.3cg, nedávný doplněk v ethernetové specifikaci, je navržený tak, aby oslovil průmyslové aplikace, které máme nyní obsluhovány sběrnicemi fieldbus bez ethernetu. Zmíněné vylepšení nabírá na obrátkách, protože u všech provozních činností umožní v rámci Průmyslu 4.0 použít ethernetovou platformu. Veškerá vybavení, od hlavního cloudového serveru přes odlehlé terminály až po nejposlednější teplotní senzor, najdou díky jedinému protokolu založenému na standardech společnou řeč.

Klíčovou součástí takové specifikace se stává kabel SPE (Single Pair Ethernet) kde, jak již název napovídá, data přenáší pouze jediný kroucený pár a ne jejich větší počet jako u tradičního průmyslového ethernetu a vedení s CAT 5e.

Pro vlastníky továren to znamená požehnání, protože se v budovách u komunikačního vedení často výrazně snižují náklady, ale i jeho objem. Dřívější kabeláž (fieldbus) s jedním krouceným párem, třebaže s novými ethernetovými konektory, lze spíše znovu využít pro účely SPE, aniž by se musely vytrhat kilometry starých vodičů a nahradit je novými.

IEEE 802.3cg rovněž přináší dvě nové fyzické vrstvy (PHY) vyhovující průmyslovým aplikacím, pro které udržují nízké náklady. První je určena pro aplikace s krátkým dosahem (do 15 metrů), zatímco druhá nabídne až 1 km. Řešení zde zahrnuje volitelně zesílenou přenosovou úroveň pro zvýšenou odolnost vůči rušení nebo nízkopříkonový režim Idle šetřící energii.

Jak důležité je „napoprvé a správně“

Moderní výroba si žádá přesnost a opakovatelnost. Součástka nebo montážní podskupina musí být vyrobena s dostatečně nízkými tolerancemi, takže lze použít v jakémkoli z tisíců různých příkladů koncového produktu a stále bude léta dokonale fungovat. Věci se zmenšují a stávají složitějšími, což znamená i vyšší nároky na přesnost. Představte si např. trvalou výrobu špičkových mechanických hodinek či nejnovějšího smartphonu.

IIoT dokáže takovou přesnost zajistit na základě řízení v reálném čase a vyhledávání odchylek ještě dříve, než se vymknou kontrole. Pokud zajistíme správné produkty hned napoprvé, omezíme na straně spotřebitele riziko selhání, včetně nekonečných reklamací. Snižují se rovněž náklady, a co je snad ještě důležitější, získáme udržitelnější řešení, protože vyrábět věci správně již napoprvé šetří energii, snižuje emise a uspoří drahocenné materiály.

Závěr

Single Pair Ethernet umožní vývojářům těžit z průmyslového ethernetu v celém provozu, dokonce i ve spojení s tím nejposlednějším senzorem. Lze tak snadněji získat i analyzovat hluboká data potřebná ke zlepšování výrobních činností a také posilování vlivu nových technologií typu ML či AI.

Titulní obrázek − zdroj: BluePlanetStudio/Shutterstock.com

www.mouser.com