Konnektivitet – ryggraden i bærekraftig automasjon

Teknologier som SPE, PoDL og Ethernet APL får bukt med tradisjonelle begrensninger innen industriell kommunikasjon. Avanserte grensesnitt for signaler, data og elektrisk strøm er avgjørende her: De hjelper automasjonsleverandører med å spare ressurser og kostnader når produksjonsutstyr skal brukes i nettverk.

(Bildekilde: PeopleImages via Getty Images)

Digitalisering og sømløse datanettverk som trenger inn i bedriftsprosesser helt ned på feltnivået i produksjonen, er en varig trend innen automasjonsteknologi. Målet deres er å skape svært fleksible produksjonsmiljøer som kan tilpasses for å oppnå et enestående nivå av diversifisering og produktivitet. For dette formålet opplever produksjonsindustrien en omveltende transformasjon under «Industri 4.0»-paraplyen, der bærekraftig bruk av alle tilgjengelige ressurser er et av de viktigste aspektene.

Sømløst fra felten til skyen

Sømløs konnektivitet mellom maskiner, produkter og – i siste instans – mennesker, er karakteristisk for denne transformasjonen, som begynner å massivt trenge inn i de tradisjonelle grensene mellom driftsmessig teknologi (OT – operational technology) og informasjonsteknologi (IT). Med industrielt Ethernet finnes det i dag en teknologi som sømløst og kostnadseffektivt kan sammenkoble enheter, til og med på feltnivå, via TCP/IP til bedrifters bredbånds- og skybaserte datainfrastrukturer. I motsetning til feltbusser, krysser industrielt Ethernet alle aspekter av automasjon – ende-til-ende, fra feltenheten til skyen. Fabrikk- og anleggsoperatører kan dermed få tilgang til enhetsdata i sanntid og bruke disse til produksjonsplanlegging, prosesstyring og dataanalyse.

Industrielt Ethernet muliggjør for eksempel sanntidsinnsamling og -analyse av data fra sensorer, strømforsyninger eller drivenheter. Informasjon om temperaturendringer eller vibrasjoner på kritiske punkter, samt lastprofiler, gjør det mulig å trekke konklusjoner for optimalisering av prosessparametere. De kunngjør når overbelastningssituasjoner kan forventes, og signaliserer behovet for vedlikehold på et tidlig stadium. Forutsigbart vedlikehold er spesielt viktig her, fordi det hjelper operatører forbedre tilgjengeligheten til anleggene og maskinene sine, samt minimere energiforbruket og bruken av ressurser – noe som på den ene siden reduserer driftskostnader, men på den andre siden gir et avgjørende bidrag til bærekraften i prosess- og fabrikkanlegg.

Robust RJ45-alternativ

Den fysiske ryggraden i disse nettverkene, spesielt i industrielt Ethernet, er sammenkoblingsteknologi med høy ytelse som muliggjør pålitelig overføring av signaler og data mellom de ulike nodene i automasjonsnettverkene. I tillegg til den fysiske robustheten de krever i industriell bruk, står slike løsninger overfor en rekke nye utfordringer i dag, som for eksempel skyldes den store mengden nettverksnoder, miniatyriseringen eller den høye overføringsbåndbredden. Disse inkluderer særlig kompakte formfaktorer, redusert installasjons- og kablingsinnsats, høy signalintegritet – dvs. avansert skjerming mot elektromagnetisk interferens – og pålitelighet over lange overføringsavstander. Sistnevnte er spesielt relevant i utvidede anleggsfelt. Strømforsyningen til enheter som bruker datakontakter er i økende grad også nødvendig.

Standardgrensesnittet for Ethernet-kommunikasjon, er den mye brukte RJ45-kontakten. Brukere rapporterer ofte om problemer med kontaktene eller ødelagte låseelementer. RJ45 begrenser også miniatyrisering på grunn av størrelsen. Alternativer som ix Industrial interface (ix industrielt grensesnitt) fra den tyske leverandøren HARTING (figur 1) er derimot vesentlig mindre og mye mer robuste, og er spesielt motstandsdyktige mot støt og vibrasjoner. Ifølge produsenten er plassbesparelser på opptil 70 % på kretskortet mulig, sammenlignet med standard RJ45. Den 360-graders skjermede kontakten er konstruert for Ethernet-kommunikasjon på 10 Gb/s, og er kompatibel med PoE (Power-over-Ethernet), samt PoE+ for strømoverføring.

Figur 1: Mye mindre og mer robuste enn standard RJ45-kontakter: HARTING sitt industrielle Ethernet-grensesnitt ix Industrial. (Bildekilde: HARTING)

ix Industrial er et grensesnitt utviklet av HARTING i samarbeid med den japanske kontaktspesialisten Hirose. Dimensjoner, elektriske egenskaper og koding er i samsvar med IEC 61076-3-124-standarden. Andre produsenter, for eksempel det amerikanske selskapet Amphenol Communications Solutions, tilbyr også produkter med sammenlignbare egenskaper som kan kombineres med ix Industrial: For eksempel push-pull-kontakter for tøffe miljøer med IP65/66/67-beskyttelse, ix MAG-kontakter med integrerte magneter (figur 2) eller Ethernet-til-RJ45-kabelmoduler med vinklede RJ45-kontakter, som gir både 100 Gb Ethernet- og PoE/PoE+-funksjonalitet.

Figur 2: Amphenol ix Mag: Ethernet-kommunikasjon på opptil 10 Gb/s, 360-graders skjerming og PoE++ på opptil 90 W (Bildekilde: Amphenol Communications Solutions)

Brukstilfelle for ix Industrial

Følgende eksempel illustrerer det enorme potensialet til miniatyriserte Ethernet-grensesnitt med høy ytelse for Industri 4.0-bruksområder:

Det lineære XTS-transportsystemet fra automasjonsspesialisten Beckhoff, er en driverløsning som bruker magnetisk drevne flyttemaskiner som kjører langs et spor av fullt integrerte motormoduler. Ifølge Beckhoff, er den uavhengige styringen som tillater individuelle bevegelsesprofiler utgangspunktet for nye maskinkonsepter, der disse muliggjør mer fleksible produksjonsprosesser med kortere nedetider, for eksempel skifte av verktøy.

For at flyttemaskinene skal kunne følge bevegelsesmønsteret sitt, må en datamaskin hele tiden beregne vekslingen og strømtilførselen til de respektive motormodulene. For dette formålet kan totalt tre datamaskinkort kombineres, som alle tidligere hadde fire RJ45-kontakter som porter. For at flere flyttemaskiner skulle kunne brukes i den nyeste generasjonen av XTS-systemet uten å måtte endre dimensjonene på systemet, ble RJ45-kontaktene erstattet av ix Industrial-grensesnittet fra HARTING. Pålitelig skjerming og høy datagjennomstrømming var hovedkravene her. I motsetning til RJ45, muliggjør hver ix Industrial-kontakt to Ethernet-tilkoblinger på 100 Mb/s. Dermed kan åtte i stedet for fire porter monteres på samme kort, og to Ethernet-kanaler kan installeres per port i stedet for én.

Som et resultat ble 48 i stedet for 12 porter implementert på de tre datamaskinkortene. Derfor, med den nyeste XTS-generasjonen, kan 48 i stedet for 12 XTS-linjer nå brukes per enhet, som tilsvarer en ytelsesøkning på 400 % for transportsystemet.

To ledninger – i stedet for fire eller åtte

En særegen egenskap ved dagens industriautomasjonsteknologi er overgangen fra hierarkiske til desentraliserte arkitekturer. Disse anses som avanserte og særlig produktive, og gir dessuten et løfte om økt nettverkssikkerhet. Dette er fordi intelligente noder som smartsensorer eller kantenheter (datamaskiner på inngangspunktet), som er i stand til å utføre visse databehandlingsoppgaver selvstendig, reduserer sensitiv datatrafikk mellom inngangspunktet (kanten) og skyen. Fordelene til desentralisering er åpenbare, men antallet tilkoblede enheter ute i felten vokser enormt, og det samme gjør innsatsen som legges i kabling og konnektivitet. Deres økonomiske bruk, både når det gjelder material- og installasjonsarbeid samt energiforbruk, er i ferd med å bli et sterkt kriterium for bærekraften til produksjonsanlegg.

Ethernet med enkeltpar (SPE – single-pair Ethernet) regnes som et viktig gjennombrudd når det gjelder virkningsgrad og kostnadseffektivitet. Kommunikasjonsteknologien er definert av IEEE 802.3-standarden. IEC 63171-x-serien av standarder gjelder for de respektive kontaktene. I hovedsak gjør den det mulig å koble til feltkomponenter via kun ett tvunnet par, dvs. to ledninger i stedet for de foregående fire eller til og med åtte, noe som er prisgunstig og ressurseffektivt – og derfor ekstremt bærekraftig. SPE ble opprinnelig utviklet for kjøretøyelektronikk, og oppfyller kravene til mange automasjonsleverandører: Det enkle ledningsparet gjør det mulig å integrere et stort antall instrumenter, styringer og andre enheter i Ethernet-nettverk med datahastigheter i gigabit-klassen (figur 3).

Figur 3. Ethernet med enkeltpar muliggjør ressurs- og kostnadseffektiv integrering av feltnivået i Ethernet-bredbåndskommunikasjon. (Bildekilde: SPE Industrial Partner Network)

En annen fordel: Takket være PoDL-kompatibilitet (Power-over-Data-Line, IEEE P802.3bu), er det samme ledningsparet i stand til å levere data og til og med elektrisk strøm til feltenhetene. I tillegg til aktuatorer og sensorer, i effektområdet til den forrige PoE-forsyningen, kan kamerabaserte instrumenter for eksempel kobles til og drives via PoDL.

Produkter for Ethernet med enkeltpar

I SPE-segmentet har HARTING inntatt markedet med sin T1-kontakt, som inkluderer låsing og 360-graders EMI-skjerming (figur 4). Den PoDL-kompatible T1-kontakten er tilgjengelig i sirkulære utforminger, inkludert M8 og M12. Når det gjelder beskyttelsesgrader, varierer produktspekteret fra IP20 til IP67, og i henhold til produsenten er de respektive grensesnittmotpartene konstruert for å oppfylle beskyttelsesklassene og sikre driftskompatibilitet.

Figur 4: Skjermet og utstyrt låsefunksjonalitet – den PoDL-kompatible T1-kontakten tilbys for beskyttelsesgrader fra IP20 til IP67. (Bildekilde: HARTING)

Phoenix Contact tilbyr også et omfattende SPE-sortiment for feltkabler til og fra kontrollskap, sensorer, brytere og gatewayer. Produktene til denne leverandøren inkluderer for eksempel kortkontakter eller kabelmoduler for bruk i industrielle IP20 til IP67-miljøer.

Verktøyleverandøren med åpen kildekode, SparkFun Electronics, tilbyr et SPE-funksjonskort for å støtte utviklere i utviklingen av konstruksjoner som bruker Ethernet med enkeltpar (figur 5). Kortet, kalt MicroMod COM-19038, inkluderer en ADIN1110 Ethernet-transceiver fra Analog Devices, passive komponenter fra Würth Elektronik og en HARTING T1-kontakt. Et integrert MAC-grensesnitt (MAC – Media Access Control) muliggjør seriell kommunikasjon med en vertskontroller med 10 Mb/s i full dupleksmodus. Kortet støtter nettverksnoder via kabellengder på 1700 m, men det er ikke utviklet for å forsyne strøm til nodene via denne kabelen. Kirk Benell, CTO i SparkFun, presenterer utviklingskortet i en demovideo.

Figur 5: Demonstrator for en omgivelsessensor med skjerm. (Bildekilde: SparkFun Electronics)

Ende-til-ende-nettverk i prosessteknologi

De tekniske fordelene til Ethernet med enkeltpar, for eksempel når det gjelder tilstandsovervåking og forebyggende vedlikehold, er også fordelaktige for prosessautomasjon. En utvidet profil med kravene for Ethernet-konnektivitet gjelder imidlertid her. I tillegg til robust sanntidskommunikasjon over bredbånd, som også kreves på anleggsgulvet, vil omfattende prosessanlegg kreve dataoverføring over lange avstander. Videre må automasjonskomponenter være iboende sikre for bruk i potensielt eksplosive miljøer. Det er her det såkalte Ethernet APL-et (Advanced Physical Layer – avansert fysisk lag) kommer inn i bildet: Det definerer et fysisk overføringslag for Ethernet-kommunikasjon på 10 Mb/s, samt for strømforsyning via én toleder – i likhet med SPE – over avstander på opptil 1000 m. Ethernet APL, i likhet med SPE, er svært godt egnet for universell feltinstrumentering med flerfunksjonalitet.

Sammendrag

Industrielt Ethernet, og spesielt Ethernet med enkeltpar, støtter bredbåndsnettverk for produksjonsutstyr. De muliggjør sømløs kommunikasjon fra feltnivå til skyen, og gir sanntidstilgang til enhetsdata, noe som gir støtte til operatører i anleggs- og prosessoptimalisering. Fordelene er åpenbare når det gjelder reduksjon av driftskostnader, høyere tilgjengelighet og optimalisert bruk av energi og ressurser. Avanserte tilkoblingsteknologier som ix Industrial-grensesnitt og SPE-kontakter med PoDL-funksjonalitet sikrer pålitelig data- og strømoverføring mellom alle nettverksnoder. Dette gjør dem til viktige komponenter i Industri 4.0 og en ryggrad i bærekraftige automasjonskonsepter.