Optimalizovaná automatizace procesů s Ethernet-APL. Nahlédněte a jednejte

Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) stanovuje podrobnosti týkající se využití ethernetové komunikace u senzorů nebo akčních členů v oblasti řízení procesů – ke zveřejnění dojde v rámci IEC. Základem je nový standard fyzické vrstvy 10BASE-T1L (IEEE802.3cg-2019) ze 7. listopadu 2019 a specifikace pak zahrnuje provedení a možnosti ochrany proti výbuchu při nasazení v nebezpečných prostorách.

Přední firmy z oboru automatizace procesů pracují společně pod záštitou PROFIBUS and PROFINET International (PI), ODVA, Inc. a FieldComm Group®. Smyslem je využití Ethernet- APL napříč protokoly průmyslového ethernetu a zkrácení doby potřebné pro nasazení.

Proč je ale Ethernet-APL tak důležitý? Díky bezproblémovému připojení k zařízením s velkou šířkou pásma totiž dokáže změnit svět automatizace procesů. Řeší komplikace, které zde až dosud omezovaly rozmach ethernetu – otázky spojené s výkonem, šířkou pásma, kabeláží, vzdálenostmi i nasazením v nebezpečných prostorách, a to jak v případě modernizace stávajících, tak též instalace zcela nových systémů. Ethernet-APL umožňuje nahlížet na věc novými, dosud nevídanými způsoby, třeba při spojení proměnných, vedlejších parametrů či informací o kondici zařízení a jejich ucelené komunikaci pro účely řízení směrem výš. V návaznosti na sbližování sítě ethernet v terénu s cloudem to pak skýtá nové možnosti pro analýzu dat, celkový přehled i další zvyšování produktivity – viz obr. 1.

Abychom v oblasti automatizace procesů nahradili komunikaci prostřednictvím proudové smyčky 4 až 20 mA či sítí typu fieldbus (Foundation Fieldbus nebo PROFIBUS PA) s Ethernet- APL, potřebujeme pro snímače i akční členy zajistit napájení i data. Zásadní problém stávajících technologií fyzické vrstvy průmyslového ethernetu omezovaných sto metry spočíval právě ve vzdálenosti mezi zařízeními v terénu a příslušnými řídicími systémy. Když ale uvážíme požadavky na vzdálenosti až 1 km, společně s nízkou spotřebou a robustními zařízeními vhodnými pro práci v zóně 0 (bezpečně již ze své podstaty), vzniká zde potřeba přistupovat k technologii fyzické vrstvy ethernetu jiným způsobem. A tím není nic jiného než Ethernet-APL.

Ethernet-APL se odvíjí od možností fyzické vrstvy 10BASE-T1L, plně duplexní komunikace point-to-point s modulací PAM 3, rychlostí 7,5 MBd a kódováním 4B3T. Z hlediska amplitud podporuje režimy s 2,4 V (špička) u kabelů do 1000 m a 1,0 V (špička) v případě kratších vzdáleností. Posledně zmiňovaný mód s amplitudou 1,0 V pak znamená, že novou technologii fyzické vrstvy bude možné rovněž použít u systémů zajištěných proti riziku exploze (Ex) a vyhovět přitom přísným omezením z hlediska maximální spotřeby. 10BASE-T1L podporuje přenosy na delší vzdálenosti s využitím dvoudrátové technologie pro napájení a rovněž i data prostřednictvím stíněného kabelu s jedním krouceným párem.

Pokud jde o zajištění napájení pro zařízení v terénu, Ethernet- APL může aplikacím v zóně 0 dodat až 500 mW, což kontrastuje s cca 36 mW, které dnes poskytují systémy proudové smyčky 4 až 20 mA. V případě aplikací, které nemusí být bez rizika již ze své podstaty, pak s ohledem na použitou kabeláž uvažujeme až 60 W. Díky nepoměrně vyšším výkonům, které jsou nyní na okraji sítě k dispozici, lze v terénu provozovat nová zařízení s pokročilými vlastnostmi a také funkcemi. Výkonová omezení spojená s proudovou smyčkou či sítěmi typu fieldbus se již zkrátka neuplatní. S dalším dostupným výkonem je nyní např. možné realizovat preciznější měření a rozšířené zpracování dat. Zpřístupní se tím hodnotný přehled o proměnných, který teď bude k dispozici prostřednictvím web serveru běžícího přímo na zařízeních v terénu a nakonec se i podepíše pod dalšími pokroky či optimalizacemi při souvisejícím řízení.

Abychom však dokázali plně využít všech zmíněných výhod, neobejdeme se bez komunikační linky s větší šířkou pásma pro přenos dat z nových zařízení rozmístěných v terénu směrem k infrastruktuře na úrovni celého podniku, příp. ke zpracování až do cloudu. Ethernet-APL zde vylučuje potřebu složitých, energeticky náročných bran a umožňuje vznik konvergované sítě napříč sférou působnosti technologií IT a OT. Takový přístup nyní znamená jednodušší instalaci, možnost snadné výměny zařízení a také rychlejší zprovoznění či konfiguraci sítě. Ve výsledku to podpoří i svižnější aktualizace softwaru se zjednodušenou analýzou skutečné příčiny potíží, včetně údržby jednotlivých zařízení.

Výhody plynoucí z Ethernet-APL

Při přechodu na Ethernet-APL se zbavujeme potřeby nákladných, složitých a energeticky náročných bran. Rovněž tím umožňujeme změnu, pokud jde o enormně roztříštěnou infrastrukturu sítí typu fieldbus vytvářející datové ostrůvky, zatímco je na úrovni takových zařízení nutné počítat s omezeným přístupem k datům. Pokud se tedy zmiňovaných bran zbavíme, výraznou měrou snížíme cenu i složitost dřívějších řešení a ještě k tomu odstraňujeme datové ostrůvky, které zde byly vytvářeny.

Aplikace z oblasti automatizace procesů až dosud používaly starší komunikační standardy s řadou omezení, která však nový standard Ethernetu 10BASE-T1L překonává – viz tabulka 1. Představuje tak potenciál pro opětovné využití některých již dříve natažených kabelů a vytváří tím obrovské příležitosti k modernizaci zařízení pro automatizaci procesů, to vše díky možnostem Ethernet-APL založeným na fyzické vrstvě 10BASE-T1L. Při komunikaci se zařízením využívajícím Ethernet-APL se uplatní host procesor s MAC nebo Ethernet switch s porty 10BASE-T1L – viz obr. 2.

OO Ethernet-APL: kabeláž a topologie sítě

Standard 10BASE-T1L nedefinuje konkrétní přenosové médium (kabel), místo toho však uvádí model kanálu (požadavky na útlum odrazu a vložný útlum). Model kanálu se přitom dobře shoduje s kabely fieldbus typu A, které se dnes používají v případě PROFIBUS PA a Foundation Fieldbus. Některé z již dříve natažených kabelů pro proudovou smyčku 4 až 20 mA lze proto znovu využít ve spojení s Ethernet-APL. Budeme- li srovnávat se složitějšími rozvody, kabeláž s jedním krouceným párem pak nabízí výhody v podobě nižší ceny, menších rozměrů a rovněž i snadnější instalace.

Na obr. 3 vidíme navrhované řešení sítě pro Ethernet-APL odkazující na topologii s částí „trunk“ a „spur“. Páteřní kabely mohou být dlouhé až 1 km, uvažovat amplitudu PHY 2,4 V špička a umístění v zóně 1, div. 2. Koncové kabely pak dosahují délky až 200 m, pracují s amplitudou PHY 1,0 V špička a počítají se zónou 0, div. 1. Power Switch se pojí s úrovní řízení, zajišťuje funkce Ethernet switche a také napájení po kabelu přes datové linky. Field Switche již nacházíme níže v nebezpečné oblasti, kde jsou rovněž napájeny po kabelu. Řeší zde funkce Ethernet switche, propojení zařízení (spur–trunk) a přenos energie do koncových zařízení. K páteřnímu kabelu lze zapojit hned několik Field Switchů, takže tím ošetříme větší počet koncových zařízení připojených do sítě.

OO Nová zařízení s Ethernet-APL, nové příležitosti

Ethernet-APL zajistí přechod na instalace v oblasti automatizace procesů s událostmi z terénu navázanými bez potíží přímo do cloudu. Uplatní se při práci s potravinami a nápoji, léky, ropou či plyny, tedy i v rámci nebezpečných prostor.

Díky výrazně většímu dostupnému výkonu pak lze u nových koncových zařízení podporovat jejich lepší vlastnosti a také funkce. Takto vzniklá zařízení nyní zpřístupní množství dat pro zpracování v cloudu s výkonnými nástroji pro analýzu.

Díky lepšímu pochopení situace lze proto při optimalizaci procesů činit správná rozhodnutí. Ve výrobě se před námi navíc otevírají nové obchodní modely. Umožňují pracovat se složitějšími toky a vytvářet přitom hodnoty plynoucí z nových ucelených přehledů, které máme aktuálně k dispozici.

Pro více informací k nabídce řešení ADI Chronous™ z oblasti průmyslového ethernetu od společnosti Analog Devices a také pro zjištění, jak si ve skutečném světě s touto pomocí zkrátit cestu k sítím průmyslového ethernetu, navštivte [1].