כיצד להשתמש בכבל‏ Fieldbus יחיד עבור פרוטוקולים מרובים בו-זמניים של Ethernet

המעבר המואץ ל-Industry 4.0 ולאינטרנט-של-דברים תעשייתי מעלה את הצורך באיסוף נתונים וקישוריות, שמאפשרים ניתוח לשיפור פרודוקטיביות ובטיחות. עם זאת, איסוף נתונים אופקי ואנכי והעברה ברחבי‏ מפעל יכולים להיות מורכבים ויקרים, במיוחד היכן שמעורבות רשתות מרובות וסביבות קשות. מתכננים זקוקים לדרך לתכנן, לפרוס ולנהל רשתות תעשייתיות ביעילות, שמסוגלות להחליף נתונים עם בקרים לוגיים ניתנים-לתכנות (PLCs‏), חיישנים ומפעילים (Actuators‏) מרובים מיצרנים שונים, תוך כדי שימוש בו-זמני בפרוטוקולים שונים וחיווט מינימלי.

זה ניתן להשגה על ידי שימוש בפלטפורמת כניסה/יציאה‏ (I/O) מבוזרת ממוטבת ומשולבת היכולה לטפל בפרוטוקולים מרובים באמצעות כבל Ethernet יחיד. מערכת כזאת גם מאפשרת למפעילי הרשתות התעשייתיות לפשט דרישות שירות ולהקטין את מלאי חלקי החילוף על ידי סטנדרטיזציה על פלטפורמת I/O יחידה, ללא קשר ל-PLC הנמצא בשימוש.

מאמר זה מספק‏ סקירה קצרה של רשתות Industry 4.0‏. אחר כך הוא מציג פלטפורמת I/O מבית Siemens‏ המכילה רשתות Ethernet fieldbus מרובות על כבל אחד בסביבות קשות, ומראה כיצד ניתן להשתמש ‏בו כדי לעמוד בצרכים של מתכנני Industry 4.0‏.

פרוטוקולים של Ethernet

פריסות Industry 4.0‏ כוללות מספר צורכי‏ תקשורת. כל אחד משלושת הפרוטוקולים Fieldbus העיקריים, PROFINET,‏ EtherNet/IP ו-Modbus TCP תומך במקרי שימוש שונים החל מטכנולוגיית תפעול (OT) ברצפת המפעל עד טכנולוגיית מידע (IT).

PROFINET‏: זהו ‏פרוטוקול דטרמינסטי ביצועים-עיליים המשמש עבור חילופי נתונים בין בקרים כמו בקרי PLC‏ והתקנים. הוא מתאים עבור פונקציות זמן-אמת וקריטיות-לבטיחות הכוללות יישומי בקרת תנועה מהירות-גבוהה. הוא משמש גם עבור אינטגרציה של פונקציות OT/IT.

EtherNet/IP‏: משתמש בפרוטוקול Ethernet‏ הסטנדרטי, העושה אותו קל‏ ליישום עם התקני Ethernet‏. ה-Common Industrial Protocol‏ (CIP) ממוטב במיוחד עבור יישומי אוטומציה תעשייתית ותומך בטכנולוגיות רשת כולל EtherNet/IP‏. ה-EtherNet/IP‏ יכול גם לשמש עבור חילופי נתונים מרמת השטח למערכות IT.

Modbus TCP: זהו פרוטוקול מבוסס-TCP/IP‏ שהוא שימושי עבור פונקציות שאינן קריטיות-לזמן כמו צריכת אנרגיה ואיסוף נתוני סביבה, כמו גם חילופי נתונים בין רמת השטח ומערכות IT.

בהינתן שלכל אחת משלוש רשתות ה-Fieldbus יש מטרה מסוימת, כל השלוש הן דרושות. זה יוצר אתגרי תקשורת מורכבים, וכאן נכנסות לתמונה מערכות Multifieldbus. בקר התקשורת MultiFieldbus‏ יושב בין רמת השדה ורמת הבקרה, מתקשר בו-זמנית עם בקרים מרובים תוך שימוש בפרוטוקולים שונים דרך‏ כבל רשת יחיד (איור 1‏). ניתן למצוא התקני MultiFieldbus‏ במגוון סביבות, מפנים ארון בקרה מוגן עד בחוץ ברצפת המפעל ועד התקנות חוץ מרוחקות.

איור 1‏: בקר ‏תקשורת MultiFieldbus‏ יושב בין רמת השטח ורמת הבקרה, מסייע לקישוריות ותקשורת Industry 4.0 מקיפות. (מקור תמונה: Siemens‏)

תנאי סביבה מגוונים

גיוון סביבתי דורש התקנים עם‏ מגוון דירוגי הגנת חדירות (IP‏) מ-IP20‏ עד IP67‏. מערכת הדירוג IP כלולה בתקן 60529 של ה-International Electrotechnical Commission‏ (IEC) המדרגת התקנים בהתבסס על יכולת המעטפת שלהם לספק הגנה מפני החדירה של אבק ונוזלים, ובאיזו קלות ניתן לגשת לחלקים מסוכנים של המערכת העטופה באצבעות, כלים או חפצים מוצקים בגדלים שונים. הקודים של IP‏ מכילים שתי ספרות. הראשונה מצביעה על ההגנה מפני חפצים מוצקים ומדורגת בסולם מ-0 (ללא הגנה) ועד 6 (ללא חדירת אבק). הספרה השנייה מציינת את ההגנה מפני נוזלים ומדורגת מ-0 (ללא הגנה) עד 9 (הגנה מפני מים חמים בלחץ גבוה מזוויות שונות).

לדוגמה, התקנים מדורגים IP20‏ הם שימושיים בתוך ארונות בקרה או סביבות דומות. ה-2 מציין הגנה מפני חלקיקים > 12.5 מילימטר (mm), כמו אצבעות או חפצים דומים, וה-0 מציין העדר הגנה מפני חדירת מים.

עבור סביבות יותר מאתגרות, דירוגי IP‏ אופייניים כוללים IP65‏, IP67‏ ו-IP69K היכן שה-6 מציין מעטפת אטומה וחסינה במלואה לאבק. דירוגי IP‏ אלה מספקים הגנות שונות מפני מים.

• ה-IP65‏ מציין שלמים המוטלים על ידי פייה (6.3 מ"מ) כנגד‏ מעטפת מכל כיוון לא יהיו השפעות מזיקות.
• ה-IP67‏ מציין שחדירות מים בכמות‏ מזיקה לא תיתכן כשהחלק הסגור שקוע במים עד 1 מטר (m).
• ה-IP69K‏ הוא עבור ציוד המשמש ברכבי כביש וחל על שטיפות בלחץ גבוה, טמפרטורה גבוהה.

פלטפורמת MultiFieldbus

מודולי ממשק ופלטפורמת SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus של Siemens יכולים להחליף נתונים בו-זמנית עם בקרים מרובים תוך שימוש בפרוטוקולים PROFINET‏, EtherNet/IP‏ ו-Modbus TCP דרך אותו הכבל. כל הפרוטוקולים של תקשורת ניתנים להגדרת תצורה באמצעות תוכנה, ללא שינוי בחומרה. פלטפורמת SIMATIC ET 200 I/O השלמה עם‏ MultiFieldbus ‏כוללת גם מודולים עם דירוג IP20‏ לשימוש בארונות בקרה, מודולים עם IP65‏ ו-IP67‏ עבור שימוש פנים במכונות, ו-IP69K עבור שימוש חוץ (איור 2‏).

איור 2‏: פלטפורמת ה-SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus‏ כוללת מספר משפחות התקנים ויכולה לתמוך בהתקנות Industry 4.0‏ בארונות בקרה, ביישומי פנים במכונות ויישומי חוץ. (תמונה: Siemens‏)

המערכת יכולה לתמוך בתקשורת בו-זמנית עם עד שישה בקרי PLC‏ תוך שימוש בפרוטוקולים Fieldbus שונים. נוסף לכך, ישנם מודולים עבור IO-Link‏, Profibus‏, נקודה-לנקודה (PtP‏), Controller Area Network‏ (CAN), ממשק חיישן מפעיל (Asi),‏ Digital Addressable Lighting Interface‏ (DALI‏), ומרבב דיגיטלי DMX512. ניתן לערבב I/O סטנדרטי ואל-כשל בתחנה אחת.

הארכיטקטורה המודולרית והרב-פונקציונלית של המערכת תומכת בהתאמה מיוחדת רבה, סימן היכר של מפעלי‏ Industry 4.0‏. חיווט מהיר נתמך באמצעות הדקי דחיפה-פנימה (push-in), ומודולים הם זמינים עבור‏ מגוון פונקציות כמו מנייה, ניטור אנרגיה, מתנעי מנוע, כניסות מיקום, מניעי סרוו, חישת טמפרטורה, I/O על בסיס זמן, ואפילו טעינת רכב חשמלי. רבים מהמודולים תומכים ב-PROFIenergy, ‏פרופיל של פרוטוקול התקשורת PROFINET‏ המאפשר ניהול הספק בהתקני אוטומציה תעשייתית.

ה-SIMATIC ET 200SP‏ היא מערכת ‏I/O מבוזרת ניתנת למדרוג ורב-פונקציונלית עם מגוון רחב של‏ מודולים. לדוגמה, דגם 6ES71556MU000CN0‏ הוא מודול ממשק שתי-יציאות עבור‏ שימוש בתוך ארונות בקרה (איור 3‏), ודגם 6ES71936BP000BA0 הוא יחידת בסיס‏ SIMATIC ET 200SP‏ עם חתימת-שטח קטנה במיוחד המתוכננת להתקנה בקופסאות בקרה קטנות ליד מכונות. לשניהם דירוג IP20 ותחום טמפרטורות עבודה של 30°C- עד 60‎°C+.

איור 3‏: ה-6ES71556MU000CN0‏ הוא‏ מודול ממשק שתי-יציאות עבור שימוש בארונות בקרה. (מקור תמונה: Siemens‏)

מודולים עמידים ברעידות עבור פסי הרכבה

ה-SIMATIC ET 200AL‏ עבר מיטוב עבור יישומים הכרוכים בתנועה כמו פסי הרכבה אוטומטיים וחצי-אוטומטיים (איור 4‏). המודולים יכולים לטפל ברציפות ברעידות של עד ‏‎5 g, עם‏ g‏ 10 מקסימום. הם מדורגים IP65/67 עם תחום טמפרטורות עבודה של 25°C- עד ‎55°C+, והתכן הקומפקטי וקל המשקל שלהם מתאים ליישומי בקרה מבוזרים במכונות. הם זמינים עם רוחבי מודול של‏ 30‏ מ"מ או 45 מ"מ ותומכים בעד 32‏ מודולים לתחנה. המודולים תומכים באינטגרציה של‏ חיישנים ומפעילים (Actuators‏) תוך שימוש במחברי M8‏ או M12‏, תלוי במודול. הם כוללים גם פונקציונליות PROFIenergy.

איור 4‏: מודולי ET 200AL (פינה ימנית תחתונה) ממוטבים במיוחד עבור יישומים הכרוכים בתנועה ויכולים לטפל ברציפות ברעידות של עד 5‎ g‏. (מקור תמונה: Siemens‏)

דוגמאות של מודולי ET 200AL כוללות:

• ל-6ES71415BF000BA0 יש שמונה כניסות דיגיטליות ומחברי M8‏‏ עבור חיבור חיישני קרבה ומתגים. מידותיו 30 מ"מ x ‏159 מ"מ.
• ל-6ES71445KD500BA0 יש שמונה כניסות אנלוגיות ומחברי M12‏‏ עבור חיבורים. סוגי מדידה ניתנים לתכנות עבור כל ערוץ כולל מתח, זרם (מתמרי 2- ו-4-חוטים), התנגדות (מתמרי 2- ו-3-חוטים), וגלאי מד-חום התנגדות (חיבורי 2- ו-3-חוטים). הוא בעל רזולוציה של 16‎-bit ומידותיו 30 מ"מ x ‏159 מ"מ.

מודולים מדורגים-IP65/67 עבור הרכבה במכונה

מודולי SIMATIC ET 200pro‏ מדורגים IP65/67 ומתוכננים להתקנה מחוץ‏ לארון בקרה, ישירות במכונה. עם חיבור‏ אלחוטי, מודולים אלה מתאימים היטב לשימוש ביישומים כמו מערכות רכב מונחה אוטומטית (AGV‏), ניהול בניינים, לוגיסטיקה של מחסנים ומערכות חד-מסילה חשמליות. המשפחה ניתנת להחלפה-חמה וכוללת מודולים של יחידת עיבוד מרכזית‏ (CPU), מודולי ממשק, מודולי I/O ומודולים פונקציונליים.

סדרת ה-ET 200pro‏ כוללת‏ מגוון פונקציות כמו IO-Link‏ וזיהוי תדר רדיו (RFID). ניתן להשתמש במודולי התנעת מנוע עבור התנעת והגנת מנועים ועומסים עד 5.5 קילו-וואט (kW‏‏). קיימות גרסאות אל-כשל (Fail-Safe) היכולות לתמוך ברמת תקינות בטיחות‏ (SIL)‏ 3‏. ניתן להשתמש במודול ממיר התדר עבור בקרת חוג-פתוח או סגור של מנועי‏ אינדוקציה. מודול מדידת הטמפרטורה 6ES71444JF000AB0 הוא גמיש ביותר‏ וניתן לתכנות עבור שימוש במגוון גלאי טמפרטורה התנגדותיים (RTD) כולל PT100,‏ PT200,‏ PT500,‏ Pt1000‏, NI100,‏ NI200,‏ NI500, ו-NI1000, ויכול להציג ביציאה טמפרטורה ב-Celsius או Fahrenheit.

מודולים להרכבה במכונה לחוץ ואזורים מסוכנים

מודולי SIMATIC ET 200eco PN מספקים I/O בלוק‏ קומפקטי עם דירוגי IP65‏ ו-IP67‏ ומתאימים עבור התקנה ללא ארון, ישירות במכונה. כמו כל מודולי ET 200, הם תומכים ב-PROFINET,‏ Ethernet/IP ו-Modbus TCP. מודולים אלה באים בבית ‏יצוק אבץ, אטום לחלוטין, והם חסינים לרעידות, אבק, שמן ולחות, מה שעושה אותם מתאימים להתקנות חוץ. תחום טמפרטורות העבודה שלהם הוא 40°C- עד ‎60°C+. סדרת ה-ET 200eco PN מאושרת על ידי צו European Union (EU) Atmospheres Explosibles‏ (ATEX) ויכולה לשמש באזורים מסוכנים עד zone 2.

עבור התקנים תואמים למפרטי ה-IO-Link V1.1, ניתן להעביר אוטומטית פרמטרי אב והתקן תוך שימוש ב-'autostart function’ ללא כל הגדרת תצורה קודמת אם יש להחליף‏ התקן. לדוגמה, מודול 6ES71486JG000BB0 יכול לפעול כהתקן אב IO-Link V1.1 וכולל‏ תמהיל של 4 יציאות IO-Link Class A‏ ‏ו-4 Class B‏ IO-Link‏ (איור 5‏). נקודות היציאה יכולות לתפקד ככניסות או יציאות דיגיטליות בהתאם להקצאות הפרמטרים. הוא מדורג ‏IP67‏ ו-IP69K, ותומך בשלושה קצבי שידור: ‎4.8 kBd‏ (kilobaud) על COM1‏, ‎38.4 kBd‏ על COM2 ‏ו-‏‎230.4 kBd‏ על COM3‏.

איור 5‏: ה-SIMATIC ET 200eco PN‏ (שמאל) ותקריב של התקנה אופיינית (ימין). (מקור תמונה: Siemens‏)

סיכום

פריסת רשתות Industry 4.0‏ היא‏ מאמץ מורכב שחייב לקחת בחשבון ממשקי תקשורת מרובים וסביבות הפעלה משתנות. כדי לייעל את רשתות המפעלים, מתכננים יכולים להשתמש בפלטפורמת SIMATIC ET 200 MultiFieldbus של Siemens כדי להחליף נתונים בו-זמנית עם עד שישה בקרי PLC תוך שימוש בפרוטוקולים PROFINET‏, EtherNet/IP‏ ו-Modbus TCP דרך אותו הכבל.

קריאה מומלצת

1. תמיכה בהתאמה מיוחדת רבה, איכות גבוהה ותפעול בר-קיימא במפעלי Industry 4.0
2. כיצד לחבר מערכות אוטומציה של מפעל מדורות קודמים ל-Industry 4.0 ללא הפרעה