Sådan bruger du et enkelt feltbuskabel til flere samtidige Ethernet-protokoller

Det accelererende skift til Industri 4.0 og Industrial Internet of Things (IIoT) medfører et behov for dataindsamling og konnektivitet, der muliggør analyse for at forbedre produktivitet og sikkerhed. Men horisontal og vertikal dataindsamling og -overførsel i hele fabrikken kan være kompleks og dyr, især når der er flere netværk og barske miljøer involveret. Designere har brug for en måde til effektivt at designe, implementere og administrere industrielle netværk, der kan udveksle data med flere programmerbare logiske controllere (PLC'er), sensorer og aktuatorer fra forskellige leverandører, samtidig med at de bruger forskellige protokoller og minimal ledningsføring.

Dette kan opnås ved hjælp af en integreret og optimeret distribueret input/output (I/O)-platform, der kan håndtere flere protokoller over et enkelt Ethernet-kabel. Et sådant system gør det også muligt for industrielle netværksoperatører at forenkle servicekravene og reducere reservedelslageret ved at standardisere på en enkelt I/O-platform, uanset hvilken PLC der bruges.

Denne artikel giver en kort gennemgang af Industri 4.0-netværk. Derefter introduceres en I/O-platform fra Siemens, der kan rumme flere Ethernet-feltbusser på et enkelt kabel i barske miljøer, og det vises, hvordan den kan bruges til at opfylde behovene hos Industri 4.0-designere.

Ethernet-protokoller

Industri 4.0-implementeringer har en række forskellige kommunikationsbehov. Hver af de tre vigtigste feltbusprotokoller, PROFINET, EtherNet/IP og Modbus TCP, understøtter forskellige brugsscenarier fra driftsteknologi (OT) på fabriksgulvet til informationsteknologi (IT).

PROFINET: Dette er en deterministisk højtydende protokol, der bruges til dataudveksling mellem controllere som PLC'er og enheder. Den er velegnet til realtids- og sikkerhedskritiske funktioner, der omfatter applikationer til højhastighedsbevægelseskontrol. Det bruges også til at integrere OT/IT-funktioner.

EtherNet/IP: Dette bruger standard Ethernet-protokollen, hvilket gør det nemt at implementere med Ethernet-enheder. Common Industrial Protocol (CIP) er optimeret til industrielle automatiseringsapplikationer og understøtter netværksteknologier som EtherNet/IP. EtherNet/IP kan også bruges til dataudveksling fra feltniveau til IT-systemer.

Modbus TCP: Dette er en TCP/IP-baseret protokol, der er nyttig til ikke-tidskritiske funktioner som indsamling af energiforbrug og miljødata samt dataudveksling mellem feltniveau og IT-systemer.

Da hver af de tre feltbusser har et specifikt formål, er der brug for dem alle tre. Det skaber komplekse kommunikationsudfordringer, og det er her, MultiFieldbus-systemer kommer ind i billedet. MultiFieldbus-kommunikationscontrolleren sidder mellem feltniveauet og kontrolniveauet og kommunikerer samtidig med flere controllere, der bruger forskellige protokoller over et enkelt netværkskabel (figur 1). MultiFieldbus-enheder kan findes i en række miljøer, fra inde i et beskyttet kontrolskab til udenfor på fabriksgulvet til fjerntliggende udendørs installationer.

Figur 1: En MultiFieldbus-kommunikationscontroller sidder mellem feltniveauet og kontrolniveauet og muliggør omfattende Industri 4.0-forbindelse og kommunikation. (Billedkilde: Siemens)

Forskellige miljøer

Forskellige miljøer kræver enheder med forskellige indtrængningsbeskyttelsesgrader (IP) fra IP20 til IP67. IP-klassificeringssystemet er nedfældet i International Electrotechnical Commission (IEC) standard 60529 og klassificerer enheder baseret på deres indkapslings evne til at yde beskyttelse mod indtrængen af støv og væsker, og hvor let farlige dele af det lukkede system kan tilgås med fingre, værktøj eller faste genstande i forskellige størrelser. IP-koder består af to cifre. Den første angiver beskyttelsen mod faste genstande og vurderes på en skala fra 0 (ingen beskyttelse) til 6 (ingen indtrængen af støv). Det andet ciffer angiver beskyttelsen mod væsker og er klassificeret fra 0 (ingen beskyttelse) til 9 (beskyttelse mod varmt vand ved højt tryk fra forskellige vinkler).

For eksempel er IP20-klassificerede enheder nyttige i kontrolskabe eller lignende miljøer. 2 angiver beskyttelse mod partikler > 12,5 millimeter (mm), som fingre eller lignende genstande, og 0 angiver ingen beskyttelse mod indtrængen af vand.

Til mere udfordrende miljøer omfatter de typiske IP-klassificeringer IP65, IP67 og IP69K, hvor 6 angiver et forseglet og helt støvtæt kabinet. Disse IP-klassificeringer giver varierende beskyttelse mod vand.

• IP65 angiver, at vand, der sprøjtes af en dyse (6,3 mm) mod et kabinet fra alle retninger, ikke må have nogen skadelig virkning.
• IP67 angiver, at der ikke må kunne trænge vand ind i skadelige mængder, når kabinettet er nedsænket i vand op til 1 meter (m).
• IP69K er til udstyr, der bruges i vejkøretøjer, og gælder for højtryks- og højtemperaturvask.

MultiFieldbus-platform

Siemens' SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus-platform og interface-moduler kan samtidig udveksle data med flere controllere ved hjælp af PROFINET-, EtherNet/IP- og Modbus TCP-protokoller over det samme kabel. Kommunikationsprotokollerne kan alle konfigureres via software uden ændringer i hardwaren. Den komplette SIMATIC ET 200 I/O-platform med MultiFieldbus omfatter også moduler med IP20-klassificering til brug i styreskabe, moduler med IP65 og IP67 til indendørs brug på maskiner og IP69K til udendørs brug (figur 2).

Figur 2: SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus-platformen omfatter flere enhedsfamilier og kan understøtte Industri 4.0-installationer i styreskabe, indendørs på maskiner og udendørs. (Billede: Siemens)

Systemet kan understøtte samtidig kommunikation med op til seks PLC'er, der bruger forskellige feltbusprotokoller. Derudover er der moduler til IO-Link, Profibus, punkt-til-punkt (PtP), CAN (Controller Area Network), Asi (Actuator Sensor Interface), DALI (Digital Addressable Lighting Interface) og DMX512 (Digital Multiplexer). Standard og failsafe I/O kan blandes på en enkelt station.

Systemets multifunktionelle og modulære arkitektur understøtter massetilpasning, et kendetegn ved Industri 4.0-fabrikker. Hurtig ledningsføring understøttes med push-in-terminaler, og der findes moduler til en række funktioner som tælling, energiovervågning, motorstartere, positionsindgange, servodrev, temperaturmåling, tidsbaseret I/O og endda opladning af elbiler. Mange af modulerne understøtter PROFIenergy, en profil af PROFINET-kommunikationsprotokollen, der muliggør strømstyring i industrielle automatiseringsenheder.

SIMATIC ET 200SP er et multifunktionelt og skalerbart distribueret I/O-system med en bred vifte af moduler. For eksempel er model 6ES71556MU000CN0 et interface-modul med to porte til brug i styreskabe (figur 3), og model 6ES71936BP000BA0 er en SIMATIC ET 200SP-basisenhed med et særligt lille fodaftryk, der er designet til installation i små kontrolbokse ved siden af maskiner. Begge har en IP20-klassificering og et driftstemperaturområde på -30 °C til +60 °C.

Figur 3: 6ES71556MU000CN0 er et interface-modul med to porte til brug inde i kontrolskabe. (Billedkilde: Siemens)

Vibrationstolerante moduler til samlebånd

SIMATIC ET 200AL er optimeret til applikationer, der involverer bevægelse som automatiserede og halvautomatiserede samlebånd (figur 4). Modulerne kan håndtere vibrationer på op til 5 g kontinuerligt med et maksimum på 10 g. De er IP65/67-klassificerede med et driftstemperaturområde på -25 °C til +55 °C, og deres kompakte og lette design passer til distribuerede kontrolapplikationer på maskiner. De fås med modulbredder på 30 mm eller 45 mm og understøtter op til 32 moduler pr. station. Modulerne understøtter integration af sensorer og aktuatorer ved hjælp af M8- eller M12-stik afhængigt af modulet. De har også PROFIenergy-funktionalitet.

Figur 4: ET 200AL-modulerne (nederste højre hjørne) er optimeret til applikationer, der involverer bevægelse, og kan håndtere vibrationer på op til 5 g kontinuerligt. (Billedkilde: Siemens)

Eksempler på ET 200AL-moduler omfatter:

• 6ES71415BF000BA0 har otte digitale indgange og M8-stik til tilslutning af nærhedsfølere og kontakter. Det måler 30 mm x 159 mm.
• 6ES71445KD500BA0 har otte analoge indgange og M12-stik til tilslutninger. Måletyper kan programmeres for hver kanal, herunder spænding, strøm (2- og 4-trådstransducere), modstand (2- og 3-trådstransducere) og modstandstermometerdetektorer (2- og 3-trådstilslutninger). Det har 16-bit opløsning og måler 30 mm x 159 mm.

IP65/67-klassificerede moduler til maskinmontering

SIMATIC ET 200pro-moduler er klassificeret til IP65/67 og designet til installation uden for et kontrolskab, direkte ved en maskine. Med en trådløs forbindelse er disse moduler velegnede til brug i applikationer som automatiserede køretøjssystemer, bygningsstyring, lagerlogistik og elektriske monorailsystemer. Familien kan hot-swappes og omfatter CPU-moduler (Central Processing Unit), interfacemoduler, I/O-moduler og funktionsmoduler.

ET 200pro-serien indeholder en række funktioner som IO-Link og radiofrekvensidentifikation (RFID). Motorstartermoduler kan bruges til at starte og beskytte motorer og belastninger på op til 5,5 kilowatt (kW). Der findes fejlsikre versioner, som kan understøtte sikkerhedsintegritetsniveau (SIL) 3. Frekvensomformermodulet kan bruges til åben eller lukket styring af induktionsmotorer. Temperaturmålemodulet 6ES71444JF000AB0 er meget fleksibelt og kan programmeres til at bruge en række modstandstemperaturdetektorer (RTD'er), herunder Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 og NI1000, og det kan udlæse temperaturen som Celsius eller Fahrenheit.

Maskinmonterede moduler til udendørs og farlige områder

SIMATIC ET 200eco PN-moduler giver en kompakt blok-I/O med IP65- og IP67-klassificering og er velegnede til skabsfri installation direkte ved en maskine. Som alle ET 200-moduler understøtter de PROFINET, Ethernet/IP og Modbus TCP. Disse moduler leveres i et fuldt forseglet, trykstøbt zinkhus og er modstandsdygtige over for vibrationer, støv, olie og fugt, hvilket gør dem velegnede til udendørs installationer. De har en driftstemperatur på -40 °C til +60 °C. ET 200eco PN-serien er godkendt i henhold til EU's direktiv om eksplosionsfarlige atmosfærer (ATEX) og kan bruges i farlige områder op til zone 2.

For enheder, der overholder IO-Link V1.1-specifikationen, kan enheds- og masterparametre automatisk overføres ved hjælp af 'autostart-funktionen' uden nogen forudgående konfiguration, hvis en enhed skal udskiftes. For eksempel kan modul 6ES71486JG000BB0 fungere som en IO-Link V1.1-masterenhed og indeholder en blanding af 4 klasse A- og 4 klasse B IO-Link-porte (figur 5). Portene kan fungere som digitale indgange eller udgange afhængigt af parametertildelingerne. Den er klassificeret til IP67 og IP69K, og den understøtter tre transmissionshastigheder: 4,8 kilobaud (kBd) på COM1, 38,4 kBd på COM2 og 230,4 kBd på COM3.

Figur 5: SIMATIC ET 200eco PN-modulet (venstre) og et nærbillede af en typisk installation (højre) (Billedkilde: Siemens)

Konklusion

Implementering af Industri 4.0-netværk er en kompleks opgave, der skal tage højde for flere kommunikationsgrænseflader og varierende driftsmiljøer. For at strømline fabriksnetværk kan designere bruge Siemens' SIMATIC ET 200 MultiFieldbus-platform til samtidig at udveksle data med op til seks PLC'er ved hjælp af PROFINET-, EtherNet/IP- og Modbus TCP-protokoller over det samme kabel.

Anbefalet læsning

1. Støtte til massetilpasning, høj kvalitet og bæredygtig drift i Industri 4.0-fabrikker
2. Sådan forbinder du ældre fabriksautomatiseringssystemer med Industri 4.0 uden afbrydelser