Konnektivitet – rygraden i bæredygtig automatisering

Teknologier som SPE, PoDL og Ethernet APL overvinder de traditionelle begrænsninger i industriel kommunikation. Avancerede grænseflader til signaler, data og elektrisk strøm er afgørende her: De hjælper automatiseringsudbydere med at spare ressourcer og omkostninger, når de netværker produktionsudstyr.

(Billedkilde: PeopleImages via Getty Images)

Digitalisering og gnidningsfrie datanetværk, der trænger ind i virksomhedens processer helt ned på produktionsniveau, er en vedvarende tendens inden for automatiseringsteknologi. Deres mål er at skabe meget fleksible produktionsmiljøer, der kan tilpasses for at opnå et hidtil uset niveau af diversificering og produktivitet. Til dette formål oplever fremstillingsindustrien en disruptiv transformation under paraplyen "Industri 4.0", hvor bæredygtig brug af alle tilgængelige ressourcer er et af de vigtigste aspekter.

Fra marken til skyen uden problemer

Gnidningsfri forbindelse mellem maskiner, produkter og – i sidste instans – mennesker er karakteristisk for denne transformation, som i høj grad er begyndt at gennemtrænge de traditionelle grænser mellem driftsteknologi (OT) og informationsteknologi (IT). Med Industrial Ethernet er der i dag en teknologi til rådighed, som problemfrit kan forbinde selv enheder på feltniveau via TCP/IP til virksomheders cloud-baserede datainfrastrukturer på en bred og omkostningseffektiv måde. I modsætning til feltbusser går Industrial Ethernet på tværs af alle automatiseringsniveauer – end-to-end, fra feltenheden til skyen. Fabriks- og anlægsoperatører kan således få adgang til enhedsdata i realtid og bruge dem til deres produktionsplanlægning, processtyring og dataanalyse.

Industrial Ethernet gør det f.eks. muligt at indsamle og analysere data i realtid fra sensorer, strømforsyninger eller drev. Oplysninger om temperaturændringer eller vibrationer på kritiske punkter samt belastningsprofiler gør det muligt at drage konklusioner med henblik på optimering af procesparametre. De meddeler, hvornår overbelastningssituationer kan forventes, og signalerer behovet for vedligeholdelse på et tidligt tidspunkt. Her er planlagt vedligeholdelse særlig vigtig, da den hjælper operatørerne med at forbedre tilgængeligheden af deres anlæg og maskiner samt med at minimere energiforbruget og brugen af ressourcer – hvilket på den ene side sænker driftsomkostningerne, men på den anden side yder et afgørende bidrag til bæredygtigheden af proces- og fabriksanlæg.

Robust RJ45-alternativ

Den fysiske rygrad i disse netværk, især i Industrial Ethernet, er højtydende sammenkoblingsteknologi, der muliggør pålidelig transmission af signaler og data mellem de forskellige knudepunkter i automatiseringsnetværkene. Ud over den fysiske robusthed, de kræver til industriel brug, står sådanne løsninger i dag over for en række nye udfordringer, der f.eks. skyldes den store mængde netværksnoder, deres miniaturisering eller den høje transmissionsbåndbredde. Disse omfatter især kompakte formfaktorer, reduceret installations- og kabelarbejde, høj signalintegritet – dvs. sofistikeret afskærmning mod elektromagnetisk interferens – og pålidelighed over lange transmissionsafstande. Sidstnævnte er især relevant i udvidede anlægsområder. I stigende grad kræves der også strømforsyning til enheder, der bruger datastik.

Standardgrænsefladen til Ethernet-kommunikation er det udbredte RJ45-stik. Brugere rapporterer ofte om problemer med kontakterne eller ødelagte låseelementer; RJ45 begrænser også miniaturisering på grund af sin størrelse. I modsætning hertil er alternativer som ix Industrial interface fra den tyske leverandør HARTING (figur 1) betydeligt mindre og meget mere robuste, især modstandsdygtige over for stød og vibrationer. Ifølge producenten er det muligt at spare op til 70 % plads på printkortet sammenlignet med standard RJ45. Det 360°-skærmede stik er designet til 10-Gbit/s Ethernet-kommunikation og er kompatibelt med PoE (Power-over-Ethernet) samt PoE+ til effektoverførsel.

Figur 1: Betydeligt mindre og mere robust end standard RJ45-stik: HARTINGs industrielle Ethernet-grænseflade ix Industrial. (Billedkilde: HARTING)

ix Industrial er en grænseflade udviklet af HARTING i samarbejde med den japanske konnektorspecialist Hirose. Dens dimensioner, elektriske egenskaber og kodning er i overensstemmelse med IEC 61076-3-124-standarden. Andre producenter, f.eks. amerikanske Amphenol Communications Solutions, tilbyder også produkter med sammenlignelige egenskaber, der kan kombineres med ix Industrial: f.eks. push-pull-stik til barske miljøer i beskyttelsesgrad IP65/66/67, ix Mag-stik med integrerede magneter (figur 2) eller Ethernet-til-RJ45-kabelsamlinger med vinklede RJ45-stik, der både giver 100-Gbit Ethernet og PoE/PoE+-funktionalitet.

Figur 2: Amphenol ix Mag: Ethernet-kommunikation op til 10 Gbit/s, 360° afskærmning og PoE++ op til 90 W (Billedkilde: Amphenol Communications Solutions)

ix Industrial use-case

Følgende eksempel illustrerer det enorme potentiale i højtydende, miniaturiserede Ethernet-grænseflader til Industri 4.0-applikationer:

Det lineære transportsystem XTS fra automatiseringsspecialisten Beckhoff er en drevløsning, der bruger magnetisk drevne movere, som bevæger sig langs et spor af fuldt integrerede motormoduler. Ifølge Beckhoff er deres uafhængige styring, der giver mulighed for individuelle bevægelsesprofiler, udgangspunktet for nye maskinkoncepter, der muliggør mere fleksible fremstillingsprocesser med kortere nedetider, f.eks. ved omskoling.

For at moverne kan følge deres bevægelsesmønster, skal en computer konstant beregne koblingen og strømforsyningen til de respektive motormoduler. Til dette formål kan i alt tre computerkort kombineres, som hver tidligere havde fire RJ45-stik som porte. For at gøre det muligt at betjene flere movere i den nyeste generation af XTS-systemet uden at skulle ændre systemets dimensioner, blev RJ45-stikkene erstattet af ix Industrial-grænsefladen fra HARTING. Pålidelig afskærmning og høj datagennemstrømning var de vigtigste krav her. I modsætning til RJ45 giver hvert ix Industrial-stik mulighed for to 100 Mbit/s Ethernet-forbindelser. Således kan der monteres otte i stedet for fire porte på samme kort, og der kan installeres to Ethernet-kanaler pr. port i stedet for én.

Som et resultat blev der implementeret 48 i stedet for tolv porte på de tre computerkort. Med den nyeste XTS-generation kan der derfor nu bruges 48 i stedet for 12 XTS-linjer pr. enhed, hvilket svarer til en 400 % forøgelse af transportsystemets ydeevne.

To ledninger – i stedet for fire eller otte

Et karakteristisk træk ved nutidens industrielle automatiseringsteknologi er dens overgang fra hierarkiske til decentraliserede arkitekturer. Disse betragtes som avancerede og særligt produktive og lover desuden øget netværkssikkerhed. Det skyldes, at intelligente noder som smarte sensorer eller edge-computere, der er i stand til at udføre visse databehandlingsopgaver selvstændigt, reducerer den følsomme datatrafik mellem edge og cloud. Fordelene ved decentralisering er indlysende, men antallet af forbundne enheder i felten vokser enormt, og det samme gør behovet for kabler og tilslutningsmuligheder. Deres økonomiske anvendelse, både med hensyn til materiale- og installationsindsats samt energiforbrug, er ved at blive et stærkt kriterium for produktionsfaciliteters bæredygtighed.

SPE (Single Pair Ethernet) betragtes som et afgørende gennembrud inden for effektivitet og omkostningseffektivitet. Kommunikationsteknologien er defineret af IEEE 802.3-standarden; IEC 63171-x-serien af standarder gælder for de respektive stik. I bund og grund gør det det muligt at forbinde feltkomponenter via kun ét parsnoet kabel, dvs. to ledninger i stedet for de tidligere fire eller endda otte: billigt, ressourceeffektivt og derfor ekstremt bæredygtigt. SPE blev oprindeligt udviklet til bilelektronik, men opfylder kravene fra mange automationsudbydere: Det enkelte ledningspar gør det muligt for dem at integrere et stort antal instrumenter, controllere og andre enheder i Ethernet-netværk med gigabit-datahastigheder (figur 3).

Figur 3. SPE (Single Pair Ethernet) giver mulighed for ressource- og omkostningseffektiv integration af feltniveauet i bredbånds-Ethernet-kommunikation. (Billedkilde: SPE Industrial Partner Network)

En anden fordel: Takket være PoDL-kompatibilitet (Power-over-Data-Line, IEEE P802.3bu) kan det samme ledningspar ikke kun levere data, men også elektrisk strøm til feltenhederne. Ud over aktuatorer og sensorer, der ligger inden for den tidligere PoE-forsynings effektområde, kan f.eks. kamerabaserede instrumenter tilsluttes og forsynes med strøm via PoDL.

Produkter til SPE (Single Pair Ethernet)

I SPE-segmentet indtager HARTING en position med sin T1-stik, inklusive låsning og 360° EMI-afskærmning (figur 4). Den PoDL-kompatible T1 fås i cirkulære designs, herunder M8 og M12. Med hensyn til beskyttelsesgrader spænder produktspektret fra IP20 til IP67, og ifølge producenten er de respektive interface-modparter designet til at opfylde beskyttelsesklasserne og sikre interoperabilitet.

Figur 4: Afskærmet og udstyret med låsefunktionalitet - den PoDL-kompatible T1 tilbydes i beskyttelsesgraderne IP20 til IP67. (Billedkilde: HARTING)

Phoenix Contact tilbyder også en omfattende SPE-portefølje til feltkabling til og fra styreskabe, sensorer, switche og gateways. Denne leverandørs produkter omfatter f.eks. kortstik eller kabelsamlinger til brug i industrielle IP20 til IP67-miljøer.

Open source-værktøjsleverandøren SparkFun Electronics tilbyder et SPE-funktionskort, der hjælper udviklere med at designe applikationer med SPE (Single Pair Ethernet) (figur 5). Kortet, der hedder MicroMod COM-19038, indeholder en ADIN1110 Ethernet-transceiver fra Analog Devices, passive komponenter fra Würth Elektronik og et HARTING T1-stik. Et integreret MAC-interface (Media Access Control) muliggør seriel kommunikation med en host-controller ved 10 Mbit/s i fuld dupleks-tilstand. Kortet understøtter netværksnoder via 1700 m kabellængder, men det er ikke designet til at levere strøm til noderne via dette kabel. Kirk Benell, CTO hos SparkFun, præsenterer udviklingskortet i en demovideo.

Figur 5: Demonstrator til en omgivelsessensor med et display. (Billedkilde: SparkFun Electronics)

End-to-end-netværk i procesteknologi

De tekniske fordele ved SPE (Single Pair Ethernet), f.eks. i forbindelse med tilstandsovervågning og forudsigelig vedligeholdelse, er også gavnlige for procesautomatisering. Her gælder dog en udvidet kravprofil for Ethernet-forbindelse. Ud over robust og bredbåndskommunikation i realtid, som det også er nødvendigt på et værksted, kræver omfattende procesanlæg dataoverførsel over lange afstande. Desuden skal automatiseringskomponenter være egensikre til brug i potentielt eksplosive miljøer. Det er her, det såkaldte Ethernet APL (Ethernet Advanced Physical Layer) kommer ind i billedet: Det definerer et fysisk transmissionslag til Ethernet-kommunikation ved 10 Mbit/s samt til strømforsyning via en dobbeltledning - som med SPE - over afstande på op til 1.000 meter. Ligesom SPE er Ethernet APL perfekt egnet til universel, multifunktionel feltinstrumentering.

Sammenfatning

Industrial Ethernet, og især SPE (Single Pair Ethernet), understøtter bredbåndsnetværk til produktionsudstyr. De muliggør problemfri kommunikation fra feltniveau til skyen og giver adgang til enhedsdata i realtid, hvilket understøtter operatører i anlægs- og procesoptimering. Deres fordele er tydelige i form af reducerede driftsomkostninger, højere tilgængelighed og optimeret brug af energi og ressourcer. Avancerede forbindelsesteknologier som ix Industrial interfaces og SPE-stik med PoDL-kapacitet sikrer pålidelig data- og strømoverførsel mellem alle netværksnoder. Det gør dem til nøglekomponenter i Industri 4.0 og til rygraden i bæredygtige automatiseringskoncepter.