Slik bruker du én enkel feltbusskabel for flere Ethernet-protokoller samtidig

Den akselererende overgangen til Industri 4.0 og det industrielle tingenes Internett (IIoT) resulterer i økte behov for datainnsamling og tilkobling, og åpner opp for analyse for å forbedre produktivitet og sikkerhet. Imidlertid kan horisontal og vertikal datainnsamling og -overføring gjennom en fabrikk være komplisert og kostbart, spesielt når flere nettverk og utfordrende miljøer er involvert. Konstruktører trenger en effektiv måte å konstruere, distribuere og administrere industrielle nettverk som kan utveksle data med flere programmerbare logiske styringer (PLS), sensorer og aktuatorer fra forskjellige leverandører, samtidig som de bruker forskjellige protokoller og minimalt med kabling.

Dette kan oppnås ved å bruke en integrert og optimalisert distribuert I/O-plattform (I/O – inngang/utgang) som kan håndtere flere protokoller over én enkel Ethernet-kabel. Et slikt system gjør det også mulig for industrielle nettverksoperatører å forenkle servicekravene og redusere beholdningen av reservedeler ved å standardisere for én enkel I/O-plattform, uavhengig av PLS-en som brukes.

Denne artikkelen gir en kort gjennomgang av Industri 4.0-nettverk. Den introduserer deretter en I/O-plattform fra Siemens som kan romme flere Ethernet-feltbusser på én enkel kabel i utfordrende omgivelser, og viser hvordan den kan brukes til å imøtekomme behovene til Industri 4.0-konstruktører.

Ethernet-protokoller

Industri 4.0-distribusjoner har en rekke kommunikasjonsbehov. Hver av de tre hovedfeltbussprotokollene, PROFINET, EtherNet/IP og Modbus TCP, støtter forskjellige bruksområder, fra driftsteknologi (OT – operation technology) på fabrikkgulvet til informasjonsteknologi (IT).

PROFINET: Dette er en deterministisk høyytelsesprotokoll som brukes til datautveksling mellom styringer som PLS-er og enheter. Den er egnet for sanntidsfunksjoner og sikkerhetskritiske funksjoner som inkluderer konstruksjoner for høyhastighets bevegelsesstyring. Den brukes også til å integrere OT/IT-funksjoner.

EtherNet/IP: Denne bruker standard Ethernet-protokoll, noe som gjør det enkelt å implementere med Ethernet-enheter. CIP (Common Industrial Protocol) er optimalisert for industrielle automatiseringskonstruksjoner, og den støtter nettverksteknologier som EtherNet/IP. EtherNet/IP kan også brukes til datautveksling fra feltnivå til IT-systemer.

Modbus TCP: Dette er en TCP/IP-basert protokoll som er nyttig for ikke-tidskritiske funksjoner som energiforbruk og innsamling av miljødata, samt datautveksling mellom feltnivået og IT-systemer.

Gitt at hver av de tre feltbussene har et bestemt formål, er alle tre nødvendige. Dette skaper komplekse kommunikasjonsutfordringer, og det er her MultiFieldbus-systemer kommer inn. MultiFieldbus-kommunikasjonsstyringen sitter mellom feltnivået og styringsnivået, og kommuniserer med flere styringer samtidig ved hjelp av forskjellige protokoller over én enkel nettverkskabel (figur 1). MultiFieldbus-enheter er å finne i en rekke miljøer, fra inne i et beskyttet kontrollskap til ute på fabrikkgulvet og i eksterne utendørsinstallasjoner.

Figur 1: En MultiFieldbus-kommunikasjonsstyring sitter mellom feltnivået og styringsnivået, og tilrettelegger for omfattende Industri 4.0-konnektivitet og -kommunikasjon. (Bildekilde: Siemens)

Mangfoldige omgivelser

Miljømessig mangfold krever enheter med en rekke kapslingsgrader (IP – ingress protection), fra IP20 til IP67. IP-klassifiseringssystemet er inkorporert i IEC-standard (IEC – International Electrotechnical Commission) 60529, og klassifiserer enheter basert på kapslingens evne til å gi beskyttelse mot inntrenging av støv og væsker, og hvor lett farlige deler av det lukkede systemet kan nås med fingre, verktøy eller faste gjenstander av diverse størrelser. IP-koder består av to tall. Det første tallet angir beskyttelse mot faste gjenstander, og er klassifisert på en skala fra 0 (ingen beskyttelse) til 6 (ingen inntrengning av støv). Det andre tallet angir beskyttelse mot væsker, og er klassifisert fra 0 (ingen beskyttelse) til 9 (beskyttelse mot varmt vann ved høyt trykk fra forskjellige vinkler).

For eksempel er IP20-klassifiserte enheter nyttige i kontrollskap eller lignende omgivelser. 2 betyr beskyttelse mot partikler > 12,5 millimeter (mm), slik som fingre eller lignende gjenstander, og 0 betyr «ingen beskyttelse» mot inntrenging av vann.

For mer utfordrende miljøer, omfatter typiske IP-klassifiseringer IP65, IP67 og IP69K, der 6 betyr et forseglet og fullstendig støvtett kabinett. Disse IP-klassifiseringene gir varierende beskyttelse mot vann.

• IP65 betyr at vann som projiseres av en dyse (6,3 mm) mot et kabinett fra en hvilken som helst retning, ikke skal ha noen skadelige virkninger.
• IP67 betyr at inntrengning av vann i en skadelig mengde ikke skal være mulig når kabinettet er nedsenket i vann ned til 1 meter (m).
• IP69K er for utstyr som brukes i kjøretøy, og gjelder for vasking med høyt trykk og høy temperatur.

MultiFieldbus-plattform

Siemens sin SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus-plattform og grensesnittmoduler kan utveksle data med flere styringer samtidig ved hjelp av PROFINET-, EtherNet/IP- og Modbus TCP-protokoller over samme kabel. Alle disse kommunikasjonsprotokollene kan konfigureres via programvare uten at maskinvaren endres. Den komplette SIMATIC ET 200 I/O-plattformen med MultiFieldbus inkluderer også moduler med IP20-klassifisering for bruk i kontrollskap, moduler med IP65 og IP67 for innendørs bruk på maskiner og IP69K for utendørs bruk (figur 2).

Figur 2: Simatic ET 200 I/O MultiFieldbus-plattformen omfatter flere enhetsfamilier og kan støtte Industri 4.0-installasjoner i kontrollskap, innendørs på maskiner og utendørs. (Bilde: Siemens)

Systemet kan støtte parallell kommunikasjon med opptil seks PLS-er som bruker forskjellige feltbussprotokoller. I tillegg er det moduler for IO-Link, Profibus, PtP (point-to-point), CAN (controller area network), Asi (actuator sensor interface), DALI (digital addressable lighting interface) og digital multiplekser DMX512. Standard og feilsikker I/O kan blandes på én enkel stasjon.

Systemets flerfunksjonelle og modulære arkitektur støtter massetilpasning, noe som er et kjennetegn for Industri 4.0-fabrikker. Rask kabling støttes med innstikkbare terminaler, og moduler er tilgjengelige for en rekke funksjoner som telling, energiovervåking, motorstartere, posisjonsinnganger, servostasjoner, temperaturføling, tidsbasert I/O og til og med lading av elektriske kjøretøy. Mange av modulene støtter PROFIenergy, en profil for PROFINET-kommunikasjonsprotokollen som muliggjør strømstyring i industrielle automasjonsenheter.

SIMATIC ET 200SP er et flerfunksjonelt og skalerbart distribuert I/O-system med et bredt utvalg av moduler. For eksempel er 6ES71556MU000CN0-modellen en grensesnittmodul med to porter for bruk i kontrollskap (figur 3), og 6ES71936BP000BA0-modellen er en SIMATIC ET 200SP-baseenhet med et svært lite format som er utformet for installasjon i små styringsbokser ved siden av maskiner. Begge har IP20-klassifisering og et driftstemperaturområde på –30°C til +60°C.

Figur 3: 6ES71556MU000CN0 er en grensesnittmodul med to porter for bruk i kontrollskap. (Bildekilde: Siemens)

Vibrasjonstolerante moduler for produksjonslinjer

SIMATIC ET 200AL er optimalisert for konstruksjoner som involverer bevegelse, slik som automatiserte og halvautomatiserte produksjonsslinjer (figur 4). Modulene kan håndtere kontinuerlige vibrasjoner på opptil 5 g, og et maksimum på 10 g. De er IP65/67-klassifisert og har et driftstemperaturområde på –25 °C til +55 °C, og den kompakte og lette konstruksjonen er egnet for distribuerte styringsutrustninger på maskiner. De er tilgjengelige med modulbredder på 30 mm eller 45 mm, og støtter opptil 32 moduler per stasjon. Modulene støtter integrasjon av sensorer og aktuatorer ved hjelp av M8- eller M12-kontakter, avhengig av modulen. De har også PROFIenergy-funksjonalitet.

Figur 4: ET 200AL-moduler (nederst til høyre) er optimalisert for utrustninger som involverer bevegelse, og de kan håndtere kontinuerlige vibrasjoner på opptil 5 g. (Bildekilde: Siemens)

Eksempler på ET 200AL-moduler omfatter:

• 6ES71415BF000BA0 har åtte digitale innganger og M8-kontakter for tilkobling av nærhetssensorer og brytere. Den måler 30 x 159 mm.
• 6ES71445KD500BA0 har åtte analoge innganger og M12-kontakter for tilkoblinger. Målingstyper kan programmeres for hver kanal, inkludert spenning, strøm (transdusere med 2 og 4 ledere), motstand (transdusere med 2 og 3 ledere) og motstandstermometerdetektorer (tilkoblinger med 2 og 3 ledere). Den har 16-bits oppløsning og måler 30 x 159 mm.

IP65/67-klassifiserte moduler for maskinmontering

SIMATIC ET 200pro-moduler er klassifisert for IP65/67 og konstruert for installasjon utenfor et kontrollskap, direkte på en maskin. Med trådløs tilkobling er disse modulene godt egnet for bruk i automatiserte kjøretøysystemer, bygningsadministrasjon, lagerlogistikk og elektriske monorail-systemer. Enheter i denne familien kan byttes under drift og omfatter prosessormoduler (CPU), grensesnittmoduler, I/O-moduler og funksjonsmoduler.

ET 200pro-serien inkluderer en rekke funksjoner, slik som IO-Link og radiofrekvensidentifikasjon (RFID). Motorstartermoduler kan brukes til å starte og beskytte motorer og laster på opptil 5,5 kilowatt (kW). Det finnes feilsikre versjoner som kan støtte sikkerhetsintegritetsnivå (SIL) 3. Frekvensomformermodulen kan brukes for åpen eller lukket sløyfestyring av induksjonsmotorer. Temperaturmålingsmodulen 6ES71444JF000AB0 er svært fleksibel og kan programmeres til å bruke en rekke motstandstemperaturdetektorer (RTD-er), for eksempel Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 og NI1000, og den kan sende temperaturen som Celsius eller Fahrenheit til utgangen.

Maskinmonterte moduler for utendørs bruk og farlige områder

Simatic ET 200eco PN-moduler gir en kompakt blokk-I/O med IP65- og IP67-klassifisering, og de er egnet for kabinettfri installasjon direkte på en maskin. I likhet med alle andre ET 200-moduler, støtter disse PROFINET, Ethernet/IP og Modbus TCP. Disse modulene kommer i et fullstendig forseglet trykkstøpt hus av sink, og er motstandsdyktige mot vibrasjoner, støv, olje og fuktighet, noe som gjør dem egnet for installasjoner utendørs. De har et driftstemperaturområde fra –40 °C til +60 °C. ET 200eco PN-serien er godkjent av EUs ATEX-direktiv (ATEX – Atmospheres Explosibles) og kan brukes i farlige områder opp til sone 2.

For enheter som er kompatible med IO-Link V1.1-spesifikasjonen, kan enhets- og masterparametere overføres automatisk ved hjelp av «autostart-funksjonen» uten noen tidligere konfigurasjon hvis en enhet må skiftes ut. 6ES71486JG000BB0-modulen, for eksempel, kan fungere som en IO-Link V1.1-hovedenhet (master), og den inkluderer en blanding av 4 Klasse A og 4 Klasse B IO-Link-porter (Figur 5). Portene kan fungere som digitale innganger eller utganger, avhengig av parametertildelingene. Den er klassifisert for IP67 og IP69K, og den støtter tre overføringshastigheter: 4,8 kilobaud (kBd) på COM1; 38,4 kBd på COM2 og 230,4 kBd på COM3.

Figur 5: SIMATIC ET 200eco PN-modul (venstre) og et nærbilde av en typisk installasjon (høyre) (Bildekilde: Siemens)

Konklusjon

Implementering av Industri 4.0-nettverk er en kompleks oppgave som må ta hensyn til flere kommunikasjonsgrensesnitt og varierende driftsmiljøer. For å strømlinjeforme fabrikknettverk kan konstruktører bruke Siemens sin SIMATIC ET 200 MultiFieldbus-plattform til å utveksle data med opptil seks PLS-er samtidig ved hjelp av PROFINET-, EtherNet/IP- og Modbus TCP-protokoller over samme kabel.

Anbefalt lesing

1. Støtter massetilpasning, høy kvalitet og bærekraftig drift i fabrikker med Industri 4.0
2. Slik kobler du eldre fabrikkautomatiseringssystemer til Industri 4.0 uten avbrudd