Aktuální vydání

celé číslo

11

2017

PLC, průmyslové počítače, operátorské panely, I/O moduly

celé číslo

Vykročte správnou nohou vstříc konektivitě pro průmyslový internet věcí

Průmyslový internet věcí (IIoT – Industrial Internet of Things) se rychle stává základním stavebním kamenem automatizace. Nabízí nové možnosti sběru dat a mění způsob práce se stroji a službami. Přestože je vzestup IIoT v mnoha průmyslových odvětvích již v plném proudu, ve světě průmyslového internetu věcí nejde vždy vše úplně hladce – na obzoru se rýsují překážky jeho implementace.

Různorodé sítě, odlišné protokoly a různá zařízení činí IIoT komplexní a přitom fragmentovanou záležitostí. Správa různorodých sítí v provozu často přivádí techniky k šílenství a stavům utrpení, protože o zapojení „věcí“ do společné sítě se lehce mluví, ale hůře se realizuje.

Tento článek si klade za cíl poskytnout čtenářům takové poznatky z praxe, aby mohli snadno udělat první krok směrem k provozní konektivitě v průmyslovém internetu věcí.

Správa různorodých sítí v provozech

Sběr dat ze zařízení v průmyslové automatizaci byl odjakživa velmi důležitý. Přenos těchto dat po síti, byť představuje velkou výzvu, skrývá obrovský potenciál pro následnou analýzu. Teplota, rychlost motoru, stavy start/stop a videozáznamy mohou být využity k získání nových poznatků, jak „vyladit“ a zefektivnit činnosti a tak zvýšit konkurenceschopnost. Například je možné přesně určit, jak optimalizovat spotřebu energie, zvýšit výkon výrobní linky a na kdy naplánovat preventivní údržbu tak, aby prostoje byly co nejkratší. Nicméně tato zařízení často „mluví různými jazyky“ – některá používají proprietární protokoly, zatímco jiná standardizované otevřené protokoly. V každém případě je třeba najít efektivní způsob, jak převádět komunikaci mezi různými protokoly.

Volba vhodných protokolů

Zařízení v průmyslových provozech vy­užívají mnoho různých protokolů. Například Modbus RTU/ASCI je jednoduchý, snadno použitelný a nákladově výhodný. Jestliže je třeba sbírat data se sekundovou periodou nebo pomaleji, bude Modbus RTU bohatě stačit. Ovšem je-li třeba aktualizace dat každých 10 μs, je vhodnější použít např. sběrnici Profibus. Ta je sice dražší, zato je spolehlivá pro časově přesné řízení. Jelikož jsou v současnosti v automatizaci rozšířené ethernetové sítě, stále častěji je možné se setkat s protokoly založenými právě na Ethernetu. Jsou to většinou standardní otevřené ethernetové protokoly, jako např. Modbus/TCP, Profinet, OPC UA nebo ONVIF ve videodohledových systémech. Při návrhu nového systému nebo úpravě již existujícího je třeba se ujistit, že použitá zařízení podporují standardní otevřené protokoly, a že jsou tedy propojitelná se zařízeními ostatních výrobců.

Efektivní integrace různých protokolů a médií

V provozu je celá síť rozdělena do několika úrovní – dohledové, řídicí a koncové (obr. 1). Každá z těchto úrovní se liší požadovanou dobou odezvy a specifickými faktory souvisejícími s prostředím, v jakém se zařízení sítě nacházejí. Pro každou úroveň jsou k dispozici sběrnice a protokoly, které splňují jejich požadavky. Je-li ale zapotřebí získávat diagnostické informace ze všech tří úrovní, je třeba použít vhodné komunikační brány, např. takové, které umějí převést protokoly dohledové úrovně (např. Modbus RTU) na protokoly řídicí úrovně (např. EtherNet/IP nebo Profinet).

Pro splnění požadavků kladených průmyslovým prostředím je možné navrhnout spolehlivý komunikační systém s využitím různých přenosových médií. Například pro Modbus RTU lze použít optický kabel, protože jím lze data přenášet na velké vzdálenosti. V případě silného elektromagnetického rušení je optický kabel rovněž nejlepší volbou. Při navrhování komunikačního systému je důležité ujistit se, že výrobce je schopen nabídnout odolné komponenty s ohledem na jakékoliv vnější vlivy. To zahrnuje různá rozhraní na zařízeních (např. RS-232/RS-485, vzdálené I/O), různá síťová rozhraní (např. optický kabel, metalický kabel, rozhraní pro bezdrátovou síť) a podporu rozličných protokolů (např. protokoly průmyslových sběrnic, OPC UA, ONVIF).

Zvládnutí proprietárních protokolů

Existuje mnoho současných zařízení, od měřičů spotřeby po čtečky čárových kódů, která využívají proprietární protokoly přenášené prostřednictvím sériových rozhraní, ale standardizované protokoly, např. Modbus RTU nebo DF1, z různých důvodů nepodporují. Pro připojení těchto zařízení k ethernetové síti je možné použít převodník sériové linky na Ethernet. Má dvě komunikační rozhraní – sériové na jedné straně a ethernetové na druhé straně. Tyto převodníky, výrobci označované jako sériové servery, jsou dodávány s ovladači pro vytvoření virtuálních portů COM, které lze v systémech SCADA použít jako běžné lokální porty. Sériové servery také podporují režim raw socket, který transparentně převádí sériová data na pakety protokolů TCP (Transmission Control Protocol) nebo UDP (User Datagram Protocol). Oba režimy jsou znázorněny na obr. 2. Většina systémů SCADA a OPC Serverů podporuje speciální ovladače nebo knihovny pro práci s proprietárními protokoly na sériových serverech. Detaily proprietárních protokolů je sice nutné nastudovat jako dříve, ale sériové servery vývojářům ulehčí přenos těchto protokolů prostřednictvím ethernetových sítí.

Závěr

Dodavatelem síťových prvků pro průmyslový Ethernet, sériových serverů Moxa a dalších zařízení pro průmyslovou komunikaci je společnost ELVAC a. s. Podrobnější informace mohou zájemci najít na internetových stránkách www.moxa.cz. 

(ELVAC a. s.)

Obr. 1. Typická struktura sítě v průmyslových automatizačních systémech

Obr. 2. Porovnání nejpoužívanějších provozních režimů rériových serverů - nahoře režim virtuálního portu COM, dole režim raw socket