Ipari kommunikáció

M2M kommunikáció tervezése ipari alkalmazásokhoz.

M2M kommunikáció ipari alkalmazásokhoz

Miért van szükség eltérő kommunikációs protokollra az ipari alkalmazások esetén?

Az Ipar 4.0 korunk egyik legújabb és legizgalmasabb témája. Azonban a gépek közötti kommunikáció nem újdonság - már évtizedek óta zajlik. Az M2M (gépek közötti) kommunikáció elengedhetetlen a folyamatirányítási feladatokhoz, az autógyártásban, a robotikában vagy akár az élelmiszer- és italgyártásban is. Segítségével nagy mértékben nő a gyártási és termelési folyamatok hatékonysága és megbízhatósága.

Azzal, hogy megértjük miként működik minden egyes gép, és mi teszi lehetővé az egymással történő közvetlen kommunikációjukat, egy integráltabb rendszert hozhatunk létre, melyben a kezdetektől az utolsó lépésekig minden elem összehangolt és megfelelően szabályozott. Ezek után már nem is kérdés, hogy egy M2M kommunikációs rendszer sokkal hatékonyabban teljesít.

Nagyobb sebesség – Akármilyen gyorsan is tudunk beszélni, a gépek mindig gyorsabban fognak kommunikálni, mint mi, emberek. Ha megértjük, hogyan működnek együtt a gépek egy hálózati rendszerbe kötve, és milyen folyamatok zajlanak egy ilyen hálózatban, gyorsíthatunk a termelés sebességén elosztva a terhelést és a teljesítményt a gépek között.
Ha megkönnyítjük a valós idejű determinisztikus hálózatok és az elemzési rendszer működését, lehetővé téve ezzel, hogy a rendszer egy egységként funkcionáljon, az a gyártási folyamatot is optimalizálja. 

Minőség és ellenőrzés – Kiépített érzékelőhálózat segítségével a gyártás minden eleme közelebbről figyelemmel kísérhető. Ahogy a technikai lehetőségek fejlődnek a szenzorok egyre pontasabbak lesznek, a gépek pedig egyre okosabb és összetettebb feladatokat képesek ellátni. Így például lehetővé válik, hogy az ipari kemencék folyamatosan azonos hőmérsékletet tartsanak, a robotkarok precízebben dolgozzanak és a hibalehetőségek idejekorán diagnosztizálhatók és orvosolhatók legyenek.  

Megelőző karbantartás – Ahogy manapság már a személyautók is figyelmeztetik használóikat arra, hogy mikor esedékes a szervíz ideje, az ipari gépek ugyanígy képesek hasonló jelzéseket küldeni: vagy egy maghatározott üzemidő után, vagy egy figyelmeztető vezérlő segítségével, amely az alkatrészek hibás működését jelzi. Így vagy úgy, az ipari kommunikáció csökkenti a leállások idejét azáltal, hogy a vészhelyzeti javítás helyett lehetővé teszi a megelőző karbantartást.

Az ilyen jellegű, gépek közti kommunikáció korábban komplex, állandó és költséges külső megoldásokat jelentett. Ahogy az automatizálási rendszerek fejlődnek és a gépek közti magas szintű kommunikáció mindennapos elvárás lett az iparágban, az elektronika magas fokú integrációja elengedhetetlenné vált. A valós idejű, megbízható kommunikáció a PLC-ktől kezdve a szállítószalagokon át, az ipari perifériákig kifinomultabbá vált. A megoldások pedig egyre kisebbek, rugalmasabbak és megbízhatóbbak.

A nehéz körülmények miatt, és az ipari alkalmazások környezetének támogatása érdekében minden szempontot és megoldási lehetőséget érdemes górcső alá venni. A vezeték nélküli kommunikációs megoldások esetén ez kifejezetten fontos.

Telepíthető terep – A leállási idők csökkentése és a karbantartási ill. javítási feladatok kivitelezése érdekében, bármilyen, a hálózatra csatlakoztatott, okos eszköznek gyorsan cserélhetőnek kell lennie - vagyis a rendszer működése közben a hálózathoz adhatónak vagy eltávolíthatónak kell lennie. Ami azt jelenti, hogy minden jellegű kommunikációnál szükség van egy bizonyos fokú rendszeren belüli együttműködésre és az üzenetek rangsorolására.  

Magas megbízhatóság – A fokozottan kritikus vagy biztonsági rendszerekhez nélkülözhetetlen a megbízható, pontosan időzített kommunikáció, amely megfelelően, megszakítások nélkül közvetíti az üzeneteket. Bármely üzeneti hiba, amely a kommunikációs rendszerben felmerül, gyújtószikramentes helyzetben fordulhat csak elő.

Megfelelő szabványok – Az ipari alkalmazások sokszor vannak kitéve különösen nehéz körülményeknek. Ilyenek lehetnek a por, a folyadék, a magas hőmérséklet vagy nyomás, illetve a magas feszültség. Ilyen esetekben az érintkezések és a műszerdobozok IP-besorolását épp úgy figyelembe kell venni, mint azt, hogy azok megfelelnek-e az IP69-es szabványnak. Annak érdekében, hogy megvédjük az érintkezéseket a magas feszültségtől, az átmeneti vagy hiretelen jelentkező áramkimaradástól, az érintkezéseknek képesnek kell lenniük az izolált kommunikációra.

EMI védelem – Az áramfejlesztés, áramvezetés illetve összekapcsolt készülékek okozta elektromágneses interferencia (EMI) gyakran fordul elő ipari környezetben. Okozhatja a motorok működése, folyadékok áramlása, egymás mellett túl közel elhelyezett kábelek interakciója, ipari kemencék működése vagy kapcsolási terhelés. Az EMI megzavarhatja a jelküldés folyamatát, ennek következtében pedig nem kívánt üzenetek is elküldésre kerülhetnek. A vezeték nélküli rendszerekben továbbított üzeneteket zavarhatja meg leginkább az elektromágneses interferencia. Így a vezetékes távközlési kommunikációs rendszerek jobban elterjedtebbek és kedveltebbek az ipari alkamazások területén.

Mi az a HART kommunikációs protokoll?

A HART-protokoll (Highway Addressable Remote Transducer) egy 1986-ban kialakított nyílt szabvány. 30 évvel később az ipari IoT elterjedésével, és az "Ipar 4.0",  ipari forradalom kirobbanásával még nagyobb jelentősséggel bír, mint bármikor ezelőtt. 

Frekvencia modulációt (FSK) használva a HART-protokoll egy alacsony szintű digitális jellel egészíti ki a hagyományos, analóg, 4-20 mA-es jelet. A HART kétirányú digitális információt továbbít analóg vezetékeken az érzékelőktől és a terepen használt eszközöktől kiindulva, elérve a szélesebb hosztokat, folyamatokat, biztonsági és ellenőrző eszközöket. Annak érdekében, hogy a fontos, kritikus információk megbízhatóan áramolhassanak, analóg, 4-20 mA-es jel továbbítja az adatokat. A kevésbé fontos információk, mint a másodlagos értékek vagy diagbosztikai adatok továbbítása digitális jel segítségével történik, így egy könnyen konfigurálható, megbízható kommunikációs rendszer jön létre.

Mi az EtherCAT automatizálási protokoll?

Az EtherCAT a már elterjedt Ethernet szabványra épül, azonban képes a valós idejű (real time) kommunikációra és nagy rugalmasságot kínál a topológiák tekintetében is. Az EtherCAT-protokoll jelentős előnyt biztosít az ipari kommunikációs és szinkronizálási technológiák területén: az eddig létező leggyorsabb kommunikációs protoll, mely a másodperc töredéke alatt képes hatalmas teljesítményt nyújtani más protokollokhoz képest. Az EtherCAT sebessége és pontossága lehetővé teszi a rendszer-leállási idők és a rendszeren belüli átmeneti idők csökkentését, ezzel javítja a teljes rendszer hatékonyságát. 
 
Az Ethernet-tel ellentétben az EtherCAT hálózatokhoz nincs szükség hub-okra vagy switch-ekre, így a hálózatra kapcsolt elemek száma sem korlátozott, és az elemek tetszés szerint a hálózathoz adhatók vagy eltávolíthatók. Ez teljes rugalmasságot jelent a busz topológiájában és a rendszer struktúrájában. Az EtherCAT a biztonsági szempontból kritikus alkalmazásoknak is megfelel az EtherCAT-en kersztüli biztonsági kapcsolat (Functional Safety over EtherCAT) azaz az FSoE szabványnak köszönhetően. Az EtherCAT megfelel a SIL3-as szintű biztonsági szabvány követelményeinek is, és a készülékek TÜV engedéllyel is ellátottak. Az EtherCAT egy gyors és megbízható kommunikációt biztosít elérhető áron, illetve az EtherCAT vezérlők speciális interfész kártya nélkül is gyorsan és egyszerűen kiegészíthetők FPGA-ra (nagy komplexitású vezérlő logika) és mikrokontrollerekre.

Mi a Profinet és a Profibus?

Épp úgy, mint az EtherCAT, a Profinet is egy módosított Ethernet szabvány ipari alkalmazásokhoz, azzal a kivétellel, hogy közelebb áll az otthoni és irodai Ethernet rendszerekhez. Ennek a hasonlóságnak köszönhetően hub-okkal és switch-ekkel is beállítható, illetve wifi-vel illetve Bluetooth-tal is csatlakoztatható vezeték nélküli rendszerekhez és mobil készülékekhez. Tehát miközben hagyományos hálózati topológiákkal állítható csak fel, a Profinet előnye, hogy standard készülékekhez is csatlakoztatható. Ennek köszönhető, hogy több mint 9,8 millió Profinet-hez csatlakoztatott eszközt jegyeztek világszerte 2014-ig.

A Profibus messze az egyik legeredményesebb ipari kommunikációs szabvány. Olyan diagnosztikai eszköz, melyre 2014 végéig közel 50 millió készüléket csatlakoztattak. FPGA alapú vevője üzenetfogadásra és hibakeresésre is alkalmas, képes a hálózat folyamatos, valós idejű megfigyelésére, és még elektromos zaj esetén is nagy területeket lefed, emiatt ipari alkalmazásokhoz is kitűnő.

Mi az a CAN-protokoll?

A "Controller Area Network" vagy rövidítve a CAN busz, hagyományosan autókban és közlekedési eszközökben használt. Olyan járművekben történő kommunikációhoz ideális, ahol nincs szükség központi vezérlőre - ilyen például az elektromos ablakok működtetése.
Bár nem valós idejű (real time) kommunikációs protokoll, de ideális mikrokontrollerek közti olcsóbb kommunikációs rendszerek kialakításához. Egyszerűségének köszönhetően széles körben alkalmazható és emellett megbízható is. A CAN megfelelt az autóipar magas műszaki követelményeinek, és most az ipari alkalmazások területén is utat tört magának.

Elektronikai szigetelés

Az ipari környezetek eleve elektromosan zajosak. Motorok, magas feszültségű kábelek, melyek közel helyezkednek el egymáshoz, elektromosan érzékeny készülékek - ezek mind szerves részei egy ipari környezetnek. Épp emiatt fontos, hogy minden készülék védve legyen a tranziens feszültségtől. 
A kapcsolók optikai és digitális izolálása szinte lehetetlen magas feszültségű tüskék esetén, hiszen azok tönkretehetik az alkatrészeket, amelyek 5V-ra inkább alkalmasak, mint 1kV-os feszültségszintre. 
Az optikai és digitális szigetelők egy fizikai védőgátat hoznak létre az integrált áramkörön belül. Így megakadályozzák, hogy a tüskéket elektromosság érje, azonban lehetővé teszik, hogy ennek ellenére azok jelátvitelre mégis képesek legyenek. A digitális szigetelők új, megbízható alternatívát kínálnak a hagyományos optocsatolók helyett. Emellett hosszabb az élettartamuk és akár 10kV feletti feszültségszintű adat integritást is elérhetővé tesznek.