Anslutning - stommen i hållbar automation

Teknologier som t.ex. SPE, PoDL och Ethernet APL övervinner traditionella begränsningar inom industriell kommunikation. Avancerade gränssnitt för signaler, data och elektrisk ström är avgörande här; de hjälper automationsleverantörer att spara resurser och kostnader vid nätverksanslutning av produktionsutrustning.

(Bildkälla: PeopleImages via Getty Images)

Digitalisering och sömlösa datanätverk som genomsyrar företagens produktionsprocesser ända ner på fältnivå är en bestående trend inom automationsteknik. Målet är att skapa mycket flexibla produktionsmiljöer som kan anpassas för att uppnå en aldrig tidigare skådad nivå av mångsidighet och produktivitet. För detta ändamål genomgår tillverkningsindustrin en omvälvande förvandling under paraplyet "Industry 4.0", där hållbar användning av alla tillgängliga resurser är en av de viktigaste aspekterna.

Sömlöst från fält till moln

Sömlös uppkoppling mellan maskiner, produkter och – i sista hand – människor är kännetecken för denna förvandling, som i hög grad börjar luckra upp traditionella gränsdragningar mellan operativ teknik (OT) och informationsteknik (IT). Med industriellt Ethernet finns idag en teknik som sömlöst och kostnadseffektivt kan sammankoppla enheter även på fältnivå via TCP/IP till företagens bredbands- och molnbaserade datainfrastruktur. Till skillnad från fältbussar täcker industriellt Ethernet in alla nivåer av automation – helhetslösningar och från fältenhet till moln. Fabriks- och anläggningsoperatörer kan således komma åt enhetsdata i realtid och använda denna i sin produktionsplanering, processtyrning och dataanalys.

Industriellt Ethernet möjliggör exempelvis insamling och analys av data i realtid från givare, strömförsörjningar eller drivkretsar. Information om temperaturförändringar eller vibrationer vid kritiska tillfällen samt belastningsprofiler gör det möjligt att dra slutsatser för optimering av processparametrar. De meddelar när överbelastningssituationer är att vänta och signalerar behovet av underhåll i ett tidigt skede. Förebyggande underhåll är särskilt viktigt här eftersom det hjälper operatörer att förbättra tillgängligheten av deras anläggningar och maskiner samt att minimera energiförbrukning och resursanvändning - vilket å ena sidan sänker driftskostnader men å andra sidan är avgörande för hållbarhet i process- och fabriksanläggningar.

Robusta alternativ till RJ45

Det fysiska stomnätet i dessa nätverk, i synnerhet i industriellt Ethernet, är en högeffektiv sammankopplingsteknik som möjliggör tillförlitlig överföring av signaler och data mellan olika noder i automationsnätverk. Förutom den fysiska robusthet som krävs vid industriell användning, står sådana lösningar idag inför ett antal nya utmaningar, som till exempel den stora mängden nätverksnoder, deras miniatyrisering eller den höga bandbredden vid överföring. Det handlar framför allt om kompakta format, mindre installations- och kabeldragningsarbete, hög signalintegritet – dvs. sofistikerad avskärmning mot elektromagnetiska störningar – och tillförlitlighet vid långa överföringssträckor. Det senare är särskilt relevant i utbyggda fältanläggningar. I allt större utsträckning krävs också strömförsörjning för enheter som använder datakontakter.

Standardgränssnittet för Ethernet-kommunikation är den allmänt vedertagna RJ45-kontakten. Användare rapporterar ofta problem med kontakterna eller trasiga låsdelar; RJ45 begränsar också miniatyriseringen på grund av sin storlek. Alternativ, som t.ex. gränssnittet ix Industrial från den tyska leverantören HARTING (figur 1), är däremot betydligt mindre och mycket mer robust och särskilt tåligt mot stötar och vibrationer. Enligt tillverkaren är det möjligt att spara upp till 70 % av utrymmet på kretskortet jämfört med vanliga RJ45. Den skärmade kontakten är avsedd för Ethernet-kommunikation med 10-Gbit/s och är kompatibel för kraftöverföring med PoE samt PoE+.

Figur 1: Gränssnittet ix Industrial för industriellt Ethernet från HARTING, som är betydligt mindre och mer robust än vanliga RJ45-kontakter. (Bildkälla: HARTING)

ix Industrial är ett gränssnitt som utvecklats av HARTING i samarbete med den japanska kontaktspecialisten Hirose. Dess mått, elektriska egenskaper och kodning överensstämmer med standarden IEC 61076-3-124. Även andra tillverkare, som t.ex. amerikanska Amphenol Communications Solutions, erbjuder produkter med motsvarande egenskaper som är kompatibla med ix Industrial, t.ex. drag-och-tryck-kontakter med kapslingsklassificering IP65/66/67 för krävande miljöer, ix Mag-kontakter med integrerade magneter (figur 2), eller monterade Ethernet-till-RJ45 kablar med vinklade RJ45-kontakter. De har både 100-Gbit Ethernet- och PoE/PoE+- funktionalitet.

Figur 2: ix Mag från Amphenol; skärmad Ethernet-kommunikation med upp till 10 Gbit/s, och PoE++ upp till 90 W (Bildkälla: Amphenol Communications Solutions)

Användningsområden för ix Industrial

Följande exempel illustrerar den enorma potentialen hos högeffektiva, miniatyriserade Ethernet-gränssnitt för tillämpningar enligt Industry 4.0:

Det linjära transportsystemet XTS från automationsspecialisten Beckhoff har en lösning som använder sig av magnetiskt drivna förflyttare som rör sig längs en bana med helt integrerade motormoduler. Enligt Beckhoff är deras oberoende styrning, som tillåter individuella rörelseprofiler, utgångspunkten för nya maskinkoncept som möjliggör mer flexibla tillverkningsprocesser med kortare stilleståndstider, som t.ex. vid byte av verktyg.

För att förflyttarna ska kunna följa sitt rörelsemönster måste en dator hela tiden beräkna switchning och strömförsörjning för respektive motormodul. Totalt tre datorkort kan kombineras för detta ändamål, som var och en tidigare hade fyra RJ45-kontakter som portar. För att göra det möjligt för fler förflyttare i den senaste generationen av XTS-system, utan att behöva ändra systemets mått, ersattes RJ45-kontakterna med gränssnittet ix Industrial från HARTING. Huvudkraven var tillförlitlig avskärmning och hög datagenomströmning. Till skillnad från RJ45 kan varje ix Industrial-kontakt användas för två Ethernet-anslutningar med 100 Mbit/s. På så sätt kan åtta istället för fyra portar monteras på samma kort, och två Ethernet-kanaler istället för en kan installeras per port.

Resultatet blir att 48 istället för 12 portar kan installeras på de tre datorkorten. Med den senaste generationen av XTS kan 48 istället för 12 XTS-linjer användas per enhet, vilket motsvarar en ökning av transportsystemets effektivitet med 400 %.

Två ledare - istället för fyra eller åtta

Ett karakteristiskt kännetecken för dagens industriella automationsteknologi är övergången från hierarkisk till decentraliserad arkitektur. Den anses vara avancerad och särskilt produktiv och utlovar dessutom ökad nätverkssäkerhet. Detta beror på att intelligenta noder, som t.ex. smarta sensorer eller kantdatorer som självständigt kan utföra vissa databehandlingsuppgifter, minskar trafiken av känslig data mellan kanten och molnet. Fördelarna med decentralisering är uppenbara, men antalet anslutna enheter på fältet ökar enormt, och det gör också arbetet med kabeldragning och anslutning. Deras ekonomiska incitament, både när det gäller material, installationsarbete samt energiförbrukning, är på väg att bli ett starkt kriterium för hållbarhet i tillverkningsanläggningar.

Ethernet via ett kabelpar (SPE) anses vara ett avgörande genombrott när det kommer till effektivitet och kostnadseffektivitet. Kommunikationsteknologin definieras av standarden IEEE 802.3. IEC 63171-x-serien av standarder gäller för respektive anslutning. Det innebär att fältkomponenter kan anslutas via endast ett tvinnat kabelpar, dvs. två ledare istället för de tidigare fyra eller till och med åtta; billigt, resurssnålt och därmed extremt hållbart. Ethernet via ett kabelpar, som ursprungligen utvecklades för fordonselektronik, uppfyller många automationsleverantörers krav. Med ett enda par ledare kan de integrera ett stort antal instrument, styrenheter och andra enheter i Ethernet-nätverk med datahastigheter på gigabit-nivå (figur 3).

Figur 3. Ethernet via ett kabelpar gör det möjligt att på ett resurs- och kostnadseffektivt sätt integrera fältnivån till bredbandskommunikation med Ethernet. (Bildkälla: SPE Industrial Partner Network)

En annan fördel; tack vare kompatibilitet med PoDL (Power-over-Data-Line, IEEE P802.3bu) kan samma kabelpar leverera inte bara data utan även ström till fältenheterna. Utöver ställdon och sensorer kan exempelvis kamerabaserade instrument anslutas och strömförsörjas via PoDL inom det tidigare effektområdet för PoE.

Produkter för Ethernet med ett kabelpar

Inom området för Ethernet via ett kabelpar har HARTING en given position med sin kontakt T1, med låsning och fullständig EMI-avskärmning (figur 4). T1 som är kompatibel med PoDL finns i runda utföranden, inklusive M8 och M12. När det gäller kapslingsklassificering sträcker sig produktutbudet från IP20 till IP67, och enligt tillverkaren är respektive motsvarighet för gränssnitt konstruerat för att uppfylla kapslingsklassificering och säkerställa driftkompatibilitet.

Figur 4: Skärmad och utrustad med låsfunktionalitet – T1 är kompatibel med PoDL och finns med kapslingsklassificeringen IP20 till IP67. (Bildkälla: HARTING)

Phoenix Contact erbjuder även ett heltäckande sortiment av Ethernet via ett kabelpar för fältkablage till och från styrskåp, sensorer, switchar och gateways. Leverantörens produkter omfattar t.ex. kortkontakter och kabelinstallation för användning i industriella IP20- till IP67-miljöer.

SparkFun Electronics, en leverantör av verktyg med öppen källkod, erbjuder ett funktionskort för Ethernet via ett kabelpar för att hjälpa utvecklare att konstruera tillämpningar för Ethernet via ett kabelpar (figur 5). Kortet, som heter MicroMod COM-19038, innehåller Ethernet-transceivern ADIN1110 från Analog Devices, passiva komponenter från Würth Elektronik och en T1-kontakt från HARTING. Ett integrerat gränssnitt med MAC (Media Access Control) möjliggör seriell kommunikation med en värdstyrenhet med 10 Mbit/s i fullt duplex-läge. Kortet stödjer nätverksnoder med kabellängder på upp till 1 700 m, men det är inte konstruerat för att leverera ström till noderna via denna kabel. Kirk Benell, teknisk chef på SparkFun, presenterar utvecklingskortet i en demonstrationsvideo.

Figur 5: Demonstration av en omgivningssensor med skärm. (Bildkälla: SparkFun Electronics)

Nätverk från början till slut inom processteknologi

De tekniska fördelarna med Ethernet via ett kabelpar, till exempel när det gäller statusövervakning och förebyggande underhåll, är också till nytta för processautomation. Här gäller dock en utökad kravprofil för Ethernet-anslutningen. Förutom att vara robusta och ha realtidskommunikation via bredband, som även krävs på verkstadsgolvet, kräver omfattande processanläggningar dataöverföring över långa avstånd. Automationskomponenterna måste dessutom vara naturligt säkra för användning i potentiellt explosiva miljöer. Här kommer det så kallade Ethernet APL (Ethernet Advanced Physical Layer) in i bilden. Det definierar ett fysiskt överföringslager för Ethernet-kommunikation med 10 Mbit/s samt för strömförsörjning via en tvillingkabel – som för Ethernet via ett kabelpar – med avstånd på upp till 1 000 m. Liksom Ethernet via ett kabelpar är Ethernet APL mycket väl lämpat för universell, mångsidig instrumentering på fältet.

Sammanfattning

Industriellt Ethernet, och särskilt Ethernet via ett kabelpar, stödjer bredbandsnätverk för produktionsutrustning. Det möjliggör sömlös kommunikation från fältnivå till molnet och ger tillgång till enhetsdata i realtid, vilket hjälper operatörer att optimera anläggningar och rutiner. Fördelarna är uppenbara i form av lägre driftskostnader, högre tillgänglighet och optimerad energi- och resursanvändning. Avancerad anslutningsteknik, som t.ex. gränssnittet ix Industrial och kontakter för Ethernet via ett kabelpar med kapacitet för PoDL, säkerställer tillförlitlig data- och kraftöverföring mellan alla nätverksnoder. Detta gör dem till viktiga komponenter i Industry 4.0 och är stommen i hållbara automationskoncept.