חיבוריות – עמוד השדרה של‏ אוטומציה ברת-קיימא

טכנולוגיות כגון SPE,‏ PoDL ו-Ethernet APL מתגברות על מגבלות מסורתיות של תקשורת תעשייתית. ממשקים מתקדמים עבור אותות, נתונים ואספקת-כוח חשמלית הם חיוניים כאן: הם עוזרים לספקי אוטומציה לחסוך משאבים ועלויות כשמרשתים ציוד ייצור.

(מקור תמונה: PeopleImages דרך Getty Images)

דיגיטציה ורשתות נתונים יעילות-מקסימלית החודרות לתהליכים ארגוניים עד לרמת הייצור בשטח הם מגמה מתמשכת בטכנולוגיית אוטומציה. מטרתן היא ליצור סביבות ייצור גמישות ביותר שניתנות להתאמה מיוחדת כדי להשיג רמה חסרת תקדים של גיוון ופריון. לצורך זה, תעשיית הייצור עוברת ‏טרנספורמציה משבשת תחת המטריה של 'Industry 4.0‏', כששימוש הבר קיימא בכל המשאבים הזמינים הוא אחד ההיבטים החשובים ביותר.

מהשטח לענן באופן חלק

קישוריות חלקה בין מכונות, מוצרים, ובשלב האחרון בני אדם, היא מאפיין של טרנספורמציה זו, שמתחילה לחדור באופן מסיבי את הגבולות המסורתיים בין טכנולוגיה תפעולית (Operational Technology‏ (OT)) וטכנולוגיית מידע (Information Technology‏ (IT)). עם Industrial Ethernet, ‏קיימת היום טכנולוגיה‏ היכולה לקשר באופן חלק וחסכוני ובפס רחב אפילו התקנים ברמת שטח, דרך TCP/IP, לתשתיות נתונים מבוססות ענן של חברות. בניגוד ל-Fieldbus,‏ Industrial Ethernet חוצה את כל רמות האוטומציה – מקצה-לקצה, מהתקן השטח אל הענן. לכן, מפעילי בית חרושת ומפעל יכולים לגשת לנתוני התקן בזמן-אמת ולהשתמש בהם עבור תכנון הייצור, בקרת התהליך וניתוח הנתונים שלהם.

ה-Industrial Ethernet מאפשר, לדוגמה, את איסוף וניתוח הנתונים בזמן-אמת מחיישנים, ספקי-כוח, או כוננים. מידע אודות שינוי טמפרטורה או רעידות בנקודות קריטיות כמו גם פרופילים של עומס מאפשרים הסקת מסקנות עבור מיטוב הפרמטרים של‏ התהליך. הם מודיעים מתי יש לצפות למצבי עומס-יתר ומאותתים בשלב מוקדם על הצורך בתחזוקה. תחזוקה עם יכולת חיזוי היא בעלת חשיבות מיוחדת כאן, מאחר והיא מסייעת למפעילים לשפר את זמינות המפעלים והמכונות שלהם, כמו גם לצמצם צריכת אנרגיה ושימוש במשאבים - שמצד אחד מקטינים עלויות תפעול, אך מצד שני יש להם תרומה מכרעת לקיימות של תהליכיים ומפעלים.

חלופת RJ45 קשוחה

עמוד השדרה הפיזי של רשתות אלו,‏ במיוחד של‏ Industrial Ethernet, ‏הוא טכנולוגיית חברור ביצועים-עיליים המאפשרת העברה אמינה של אותות ונתונים בין הצמתים השונים של רשתות האוטומציה. בנוסף לאיתנות הפיזית שהם דורשים בשימוש תעשייתי, פתרונות כאלה עומדים כיום בפני מספר אתגרים חדשים, כתוצאה, למשל, מהכמות העצומה של צמתי רשת, המזעור שלהם או רוחב-פס ההעברה הגבוה. אתגרים אלה כוללים, במיוחד, גורמי צורה קומפקטיים, מאמץ התקנה וחיווט מוקטן, Signal Integrity גבוה – כלומר, סיכוך מתוחכם מפני הפרעות אלקטרומגנטיות – ואמינות לאורך מרחקי העברה ארוכים. האחרון הוא רלוונטי במיוחד בשטחים של מפעל מורחב. ספק-הכוח של‏ התקנים המשתמשים במחברי נתונים גם כן נחוצים יותר ויותר.

הממשק הסטנדרטי עבור תקשורת Ethernet‏ הוא המחבר הנפוץ RJ45. משתמשים מדווחים לעיתים קרובות על בעיות עם המגעים או אלמנטים של נעילה שבורים; RJ45‏ גם מגביל מזעור בשל גודלו. לעומת זה, חלופות כמו הממשק‏ ix Industrial מהספק הגרמני HARTING‏ (איור 1‏) הן קטנות יותר משמעותית והרבה יותר חסונות, במיוחד חסינות לזעזועים ורעידות. לפי היצרן, אפשרי חיסכון מקום של עד %‏70 על לוח המעגל בהשוואה ל-RJ45 סטנדרטי‏. המחבר המסוכך ב-°‏360‏‏ מתוכנן עבור תקשורת Ethernet‏ של ‏‎10 Gbit/s‏ והוא‏ תואם עם PoE‎ (אספקת-כוח-על-Ethernet‏) כמו גם PoE+‎ עבור העברת אספקת-כוח.

איור 1‏: קטן וחסון יותר במידה ניכרת ממחברי RJ45‏ סטנדרטיים: ממשק Ethernet תעשייתי ix Industrial של Harting. (מקור תמונה: HARTING)

ix Industrial‏ הוא ממשק שפותח על ידי HARTING‏ ביחד עם מומחה מחבר יפני Hirose. מידותיו, תכונותיו החשמליות וקידוד תואמים עם תקן ה-IEC 61076-3-124. יצרנים אחרים, כמו החברה האמריקאית Amphenol Communications Solutions‏, גם כן מציעים מוצרים עם תכונות דומות שניתנים לחיבור עם ix Industrial: לדוגמה, מחברי push-pull‏ עבור סביבות קשות בדרגות הגנה IP65/66/67,‏ מחברי ‏ix Mag הכוללים מגנטים משולבים (איור 2‏), או מכללי כבל Ethernet‏-אל-RJ45‏ עם מחברי RJ45‏ זוויתיים; הם מספקים פונקציונליות ‎100-Gbit Ethernet‏ כמו גם‏ PoE/PoE+‎ .

איור 2‏: Amphenol ix Mag: תקשורת Ethernet של עד 10‎ Gbit/s, סיכוך של °‏360‏ ו-PoE++‎ עד W‏ 90‏ (מקור תמונה: Amphenol Communications Solutions‏)

מקרה שימוש ב-ix Industrial

הדוגמה הבאה מדגימה את הפוטנציאל העצום‏ של ממשקי Ethernet ממוזערים, ‏ביצועים-עיליים, עבור יישומי Industry 4.0‏:

מערכת ההובלה הליניארית XTS ממומחית האוטומציה Beckhoff ‏היא פתרון הנעה‏ המשתמש במובילים מונעים מגנטית הנוסעים לאורך מסילה של מודולי מנוע משולבים במלואם. בהתאם ל-Beckhoff, הבקרה העצמאית שלהם המאפשרת פרופילים של תנועה אינדיבידואלית היא נקודת ההתחלה של עקרונות מכונה חדשה המאפשרים תהליכי ייצור גמישים יותר עם זמני השבתה קצרים יותר, כמו להצטייד מחדש בכלים.

על מנת שהמובילים יעקבו אחר דפוס התנועה שלהם, מחשב חייב לחשב ללא הפסקה את המיתוג ואספקת הזרם של מודול המנוע המתאים. למטרה זו, ניתן לשלב שלושה לוחות מחשב, כשלכל אחד מהם היה מקודם ארבעה שקעי RJ45‏ כיציאות. כדי לאפשר הפעלה של יותר מובילים בדור האחרון של מערכת ה-XTS, ללא הצורך לשנות את מידות המערכת, שקעי ה-RJ45 הוחלפו בממשק ה-ix Industrial מ-HARTING. סיכוך אמין והעברת נתונים מהירה היו הדרישות העיקריות כאן. להבדיל מ-RJ45‏, כל מחבר ix Industrial‏ מאפשר שני חיבורי ‎100-Mbit/s Ethernet. כך, שמונה במקום ארבע יציאות ניתן היה להרכיב על אותו הלוח ושני ערוצי Ethernet‏ ניתנים היו להתקנה ליציאה במקום אחד.

כתוצאה מכך, 48 יציאות במקום שתים עשרה הוטמעו על שלושת לוחות המחשב. בהתאם לכך, עם דור ה-XTS האחרון, 48 במקום שנים-עשר קווי XTS ניתנים עכשיו‏ לשימוש ליחידה, המקביל לעלייה של 400% בביצועים של‏ מערכת ההובלה.

שני חוטים במקום ארבעה או שמונה

תכונה ייחודית אחת של טכנולוגיית האוטומציה התעשייתית של ימינו היא המעבר שלה מארכיטקטורות היררכיות לארכיטקטורות מבוזרות. אלו נחשבות מתקדמות ופרודוקטיביות במיוחד, זאת ועוד, מבטיחות ביטחון רשת מוגדל. זה‏ מכיוון שצמתים אינטליגנטיים כמו חיישנים או מחשבי קצה חכמים, שמסוגלים לבצע‏ משימות עיבוד נתונים מסוימות באופן עצמאי, מפחיתים תעבורת נתונים רגישים בין הקצה‏ והענן. היתרונות של ביזור מובנים מאליהם, אך מספר ההתקנים המחוברים בשטח גדל‏ מאוד, וכך גם המאמצים של חיווט וחיבוריות. השימוש הכלכלי שלהם, במונחים של חומרים ומאמץ התקנה כמו גם צריכת אנרגיה, הופך לקריטריון חזק לקיימות של מתקני ייצור.

Single-Pair Ethernet‏ (SPE) נחשב‏ לפריצת-דרך מכריעה ביעילות וכדאיות. טכנולוגיית התקשורת מוגדרת על ידי תקן ה-IEEE 802.3; סדרת התקנים IEC 63171-x‏ חלה על המחברים המתאימים. בעיקרו של דבר, הוא מאפשר חיבור של רכיבי שטח באמצעות זוג שזור אחד בלבד, זאת אומרת, שני חוטים במקום ארבעה או אפילו שמונה כמקודם: עלות נמוכה, יעילות מבחינת משאבים, ולכן בר קיימא ביותר. במקור מפותח עבור אלקטרוניקה בכלי-רכב, SPE עומד בדרישות של ספקי‏ אוטומציה רבים: זוג החוטים היחיד מאפשר להם לשלב מספר גדול של ‏מכשירים, בקרים, והתקנים אחרים לתוך רשתות Ethernet‏ בקצבי נתונים של Gigabit‏‏ (איור 3‏).

איור 3. Single-Pair Ethernet מאפשר אינטגרציה יעילה מבחינת עלות ומשאבים של רמת השטח בתקשורת Ethernet‏ פס-רחב. (מקור תמונה: SPE Industrial Partner Network)

יתרון נוסף: הודות לתאימות PoDL (אספקת-כוח-על-קו-נתונים, IEEE P802.3bu), אותו זוג חוטים ‏ מסוגל לספק לא רק נתונים אלא גם אספקת-כוח חשמלית להתקני השטח. בנוסף למפעילים (Actuators‏) וחיישנים, שהם בתחום אספקת-הכוח של ה-PoE‎ הקודם, לדוגמה, ניתן לחבר ולהזין באמצעות PoDL מכשירים מבוססי-מצלמה.

מוצרים עבור Single-Pair Ethernet‏

בגזרת ה-SPE, חברת Harting תופסת עמדה עם מחבר T1 שלה, כולל נעילה וסיכוך EMI של 360°‏ (איור 4‏). ה-T1 עם יכולת PoDL זמינה בתכן עגול, כולל M8 ו-M12. במונחים של דרגות אבטחה, ספקטרום המוצרים משתרע מ-IP20‏ עד IP67‏, ובהתאם ליצרן, בני-הזוג המתאימים של הממשק מתוכננים לעמוד בקטגוריות ההגנה ולהבטיח תפעוליות-בינית (Interoperability).

איור 4‏: מסוכך ומצויד בפונקציונליות נעילה – ה-T1 התואם-PoDL מוצע עבור דרגות הגנה IP20‏ עד IP67‏. (מקור תמונה: HARTING)

חברת Phoenix Contact גם כן מספקת סל נרחב של מוצרי SPE עבור חיווט בשטח אל ומארונות בקרה, חיישנים ושערים (Gateways). מוצרי ספק זה כוללים, לדוגמה, מחברי לוח או מכללי כבל עבור שימוש בסביבות תעשייתיות IP20‏ עד IP67‏.

ספק הכלי מקור-פתוח SparkFun Electronics מציע לוח פונקציה‏ SPE כדי לתמוך במפתחים ביישומי תכנון עם Single-Pair Ethernet (איור 5‏). הלוח הנקרא MicroMod COM-19038 כולל מקמ"ש‏ ADIN1110 Ethernet‏ מבית Analog Devices‏, רכיבים פסיביים מבית Würth Elektronik‏ ומחבר‏ HARTING T1. ממשק MAC‏ (Media Access Control) משולב מאפשר תקשורת טורית עם‏ בקר מארח ב-Mbit/s‏ 10‏ באופן עבודה דופלקס מלא. הלוח תומך בצמתי רשת דרך כבל באורך 1700 מ', אך‏ אינו מתוכנן לספק כוח חשמלי לצמתים דרך כבל זה. Kirk Benell, ‏CTO‏ של SparkFun, מציג את לוח הפיתוח בסרטון הדגמה.

איור 5‏: מדגים של חיישן סביבה הכולל תצוגה. (מקור תמונה: SparkFun Electronics)

רישות מקצה-לקצה בטכנולוגיית תהליכים

היתרונות הטכניים של ‏Single-Pair Ethernet, לדוגמה, בנוגע לניטור מצב ותחזוקה עם יכולת חיזוי, מועילים גם עבור אוטומציית תהליכים. עם זאת, חל כאן פרופיל דרישות מורחב עבור חיבוריות Ethernet. בנוסף לתקשורת זמן-אמת איתנה בפס-רחב, כפי‏ שגם נדרשת על רצפת בית-מלאכה, מפעלי תהליכים רחבי היקף דורשים העברת נתונים למרחקים ארוכים. יתר על כן, רכיבי אוטומציה חייבים להיות בטוחים אינטרינזית עבור שימוש בסביבות נפיצות פוטנציאלית. זהו היכן שמה-שנקראת Ethernet Advanced Physical Layer‏ (Ethernet APL) נכנסת לתמונה: היא מגדירה שכבת העברה פיזיקלית עבור תקשורת Ethernet‏ ב-Mbit/s‏ 10‏ כמו גם עבור אספקת כוח דרך זוג חוטים אחד – כמו עם SPE – למרחקים של עד 0‏100‏ מ'. כמו SPE,‏ Ethernet APL‏ מתאימה באופן מושלם עבור מכשור שטח אוניברסלי, רב-תכליתי.

סיכום

Industrial Ethernet, ובמיוחד Single-Pair Ethernet, תומכים ברישות פס-רחב של ציוד‏ ייצור. הם מאפשרים תקשורת חלקה מרמת השטח אל הענן ומאפשרים גישת זמן-אמת אל נתוני התקן, שתומכים במפעילים במפעל ובמיטוב תהליכים. היתרונות שלהם ניכרים בבירור בהפחתת עלויות התפעול, זמינות גבוהה יותר ושימוש ממוטב באנרגיה ומשאבים. טכנולוגיות חיבור מתקדמות כמו ממשקי‏ ix Industrial ומחברי SPE עם יכולת PoDL מבטיחות העברת נתונים ואספקת-כוח אמינה בין כל צמתי הרשת. זה הופך אותם לרכיבי מפתח של Industry 4.0‏ ועמוד שדרה של‏ עקרונות אוטומציה ברת-קיימא.