Hur man använder en enda fältbusskabel för flera samtidiga Ethernet-protokoll

Den allt snabbare övergången till Industry 4.0 och IIoT (Industrial Internet of Things) medför ett behov av datainsamling och uppkoppling som möjliggör analysering för att förbättra produktiviteten och säkerheten. Men horisontell och vertikal insamling och överföring av data i en fabrik kan vara komplicerat och kostsamt, särskilt när det handlar om flera olika nätverk och utsatta miljöer. Konstruktörer behöver ett effektivt sätt för att utforma, installera och hantera industriella nätverk som kan utbyta data med flera olika programmerbara logiska styrenheter (PLC), sensorer och ställdon från olika leverantörer, samtidigt som de använder sig av olika protokoll och minimalt med kablage.

Detta kan åstadkommas med en integrerad och optimerad distribuerad I/O-plattform som kan hantera flera olika protokoll med endast en Ethernet-kabel. Ett sådant system gör det även möjligt för industriella nätverksoperatörer att förenkla servicekraven och minska reservdelslagret genom att standardisera för en enda I/O-plattform, oavsett vilken programmerbar logisk styrenhet som används.

Artikeln ger en snabböversikt av nätverk för Industry 4.0. Därefter introduceras en I/O-plattform från Siemens som kan hantera flera Ethernet-fältbussar i en enda kabel i utsatta miljöer, och visar hur den kan användas för att tillgodose konstruktörers behov av Industry 4.0.

Ethernet-protokoll

Installationer med Industry 4.0 har olika kommunikationsbehov. De tre huvudsakliga fältbussprotokollen PROFINET, EtherNet/IP och Modbus TCP stödjer olika användningsområden, såsom teknologier för drift (OT) på fabriksgolvet och information (IT).

PROFINET: Det här är ett deterministiskt protokoll med hög effektivitet som används för utbyte av data mellan styrenheter som t.ex programmerbara logikstyrenheter och enheter. Det är lämpligt för realtidsfunktioner och säkerhetskritiska funktioner, inklusive tillämpningar för rörelsestyrning med hög hastighet. Det används också för att integrera funktioner för drift och information (OT/IT).

EtherNet/IP: Det här protokollet använder det vanliga Ethernet-protokllet, vilket gör det enkelt att implementera med Ethernet-enheter. CIP (Common Industrial Protocol) är optimerat för tillämpningar inom industriell automation och stödjer nätverksteknologier inklusive EtherNet/IP. EtherNet/IP kan också användas för utbyte av data från fältnivå till IT-system.

Modbus TCP: Det här är ett protokoll baserat på TCP/IP som är användbart för icke tidskritiska funktioner som t.ex. energiförbrukning, insamling av miljödata samt utbyte av data mellan fältnivå och IT-system.

Med tanke på att var och en av de tre fältbussarna har ett specifikt syfte, behövs alla tre. Detta skapar komplicerade kommunikationsutmaningar och det är här system som MultiFieldbus kommer in i bilden. Kommunikationsstyrenheten för MultiFieldbus är placerad mellan fält- och styrnivån och hanterar samtidig kommunikation med flera olika styrenheter som alla använder olika protokoll, allt i en enda nätverkskabel (figur 1). Enheter för MultiFieldbus kan finnas i många olika miljöer, från inuti ett skyddat styrskåp till fabriksgolvet eller avlägsna installationer utomhus.

Figur 1: En kommunikationsstyrenhet för MultiFieldbus sitter mellan fält- och styrnivån och underlättar omfattande uppkoppling och kommunikation för Industry 4.0. (Bildkälla: Siemens)

Olika miljöer

Olika miljöer kräver enheter med en mängd olika IP-klassificeringar, från IP20 till IP67. Systemet för IP-klassificering ingår i standarden IEC 60529 och klassificerar enheter baserat på kapslingens förmåga att skydda mot inträngning av damm och vätskor samt hur lätt farliga delar av det inkapslade systemet kan nås med fingrar, verktyg eller fasta föremål av olika storlek. IP-koderna består av två siffror. Den första siffran anger skydd mot fasta föremål och bedöms på en skala från 0 (inget skydd) till 6 (inget inträngande damm). Den andra siffran anger skydd mot vätskor och är graderad från 0 (inget skydd) till 9 (skydd mot hett vatten med högt tryck från olika vinklar).

Enheter med en IP20-klassificering är användbara i exempelvis styrskåp eller liknande miljöer. 2:an anger skydd mot partiklar >12,5 mm, som t.ex. fingrar eller liknande föremål, och 0 anger inget skydd mot inträngande vatten.

För mer krävande miljöer finns typiska IP-klassificeringar såsom IP65, IP67 och IP69K, där 6:an anger att kapslingen är förseglad och helt dammtät. IP-klassificeringarna tillhandahåller varierande skydd mot vatten.

• IP65 anger att vatten som sprutas från ett munstycke (6,3 mm) mot en kapsling från något håll inte får ge upphov till några skadliga effekter.
• IP67 anger att skadliga mängder vatten inte ska kunna tränga in när höljet är nedsänkt i upp till 1 m djupt vatten.
• IP69K är avsedd för utrustning som används för vägfordon och gäller för spolning med högt tryck och hög temperatur.

Plattform för MultiFieldbus

Plattformen SIMATIC ET 200 I/O för MultiFieldbus och gränssnittsmoduler från Siemens, kan utbyta data med flera styrenheter samtidigt, i samma kabel, när protokollen PROFINET, EtherNet/IP och Modbus TCP används. Alla kommunikationsprotokoll kan konfigureras via mjukvaran utan att hårdvaran behöver ändras. Den kompletta I/O-plattformen SIMATIC ET 200 för MultiFieldbus innehåller även moduler med IP20-klassificering för användning i styrskåp, moduler med klassificeringarna IP65 och IP67 för maskiner inomhus och IP69K-klassificering för utomhusbruk (figur 2).

Figur 2: I/O-plattformen SIMATIC ET 200 för MultiFieldbus omfattar flera enhetsserier och kan stödja installationer för Industry 4.0 i styrskåp, i maskiner inomhus samt utomhus. (Bildkälla: Siemens)

Systemet kan stödja samtidig kommunikation med upp till sex programmerbara logikstyrenheter som använder olika fältbussprotokoll. Det finns dessutom moduler för IO-Link, Profibus, punkt-till-punkt (PtP), CAN (Controller Area Network), Asi (Actuator Sensor Interface), DALI (Digital Addressable Lighting Interface) och digital multiplexer DMX512. Vanlig och felsäker I/O kan blandas i en enda station.

Systemets flerfunktionella och modulära arkitektur tillåter massanpassning, ett kännetecken för fabriker med Industry 4.0. Insticksplintar för snabb kabelanslutning, och moduler finns för en rad olika funktioner som t.ex. räkning, energiövervakning, enheter för motorstart, positionsinmatning, servodrivenheter, temperaturavkänning, tidsbaserad I/O och till och med laddning av elfordon. Flera av modulerna stödjer PROFIenergy, en profil för kommunikationsprotokollet PROFINET som möjliggör krafthantering i industriella automationsenheter.

SIMATIC ET 200SP är ett flerfunktionellt och skalbart distribuerat I/O-system med ett stort utbud av moduler. Till exempel är modellen 6ES71556MU000CN0 en gränssnittsmodul med två portar för installation inuti styrskåp (figur 3), och modell 6ES71936BP000BA0 är en basenhet för SIMATIC ET 200SP med ett mycket litet format som är konstruerad för installation i små styrboxar bredvid maskinen. Båda har en IP20-klassificering och ett drifttemperaturområde på -30 till +60 °C.

Figur 3: 6ES71556MU000CN0 är en gränssnittsmodul med två portar för installation inuti styrskåp. (Bildkälla: Siemens)

Vibrationsbeständiga moduler för monteringslinjer

SIMATIC ET 200AL har optimerats för tillämpningar som innefattar rörelse som t.ex. automatiserade och semiautomatiserade monteringslinjer (figur 4). Modulerna kan hantera kontinuerliga vibrationer på upp till 5 g, maximalt 10 g. De är klassificerade enligt IP65/67 med ett drifttemperaturområde på -25 till +55 °C, och deras kompakta och lätta konstruktion lämpar sig för distribuerade styrtillämpningar i maskiner. De finns med modulbredderna 30 och 45 mm och stödjer upp till 32 moduler per station. Modulerna stödjer integrering av sensorer och ställdon med M8- eller M12-kontakter, beroende på modul. De har också funktionalitet för PROFIenergy.

Figur 4: Modulerna ET 200AL (nedre högra hörnet) är optimerade för tillämpningar med rörelse och kan hantera kontinuerliga vibrationer på upp till 5 g. (Bildkälla: Siemens)

Exempel på modulerna ET 200AL är t.ex:

• 6ES71415BF000BA0 som har åtta digitala ingångar och M8-uttag för anslutning av närhetssensorer och brytare. Den har måtten 30 x 159 mm.
• 6ES71445KD500BA0 som har åtta analoga ingångar och M12-uttag för anslutningar. Typ av mätning kan programmeras för respektive kanal, inklusive spänning, ström (omvandlare med två eller fyra ledare), resistans (omvandlare med två eller tre ledare) och resistanstemperaturgivare (anslutningar med två eller tre ledare). Den har en upplösning på 16 bitar och måtten 30 x 159 mm.

Moduler för maskinmontering med IP65/67-klassificering

Modulerna SIMATIC ET 200pro är IP65/67-klassificerade och avsedda för installation utanför ett styrskåp, direkt vid en maskin. Med en trådlös anslutning är dessa moduler väl lämpade för användning i tillämpningar som t.ex. system för automatiskt styrda fordon, fastighetsförvaltning, lagerlogistik och elektriska monorail-system. Serien kan bytas under pågående drift och innehåller moduler för CPU, gränssnitt, I/O och funktioner.

Serien ET 200pro innehåller en rad olika funktioner, som t.ex. IO-Link och radiofrekvensidentifiering (RFID). Moduler för motorstart kan användas för att starta och skydda motorer och belastningar på upp till 5,5 kW. Felsäkra versioner finns tillgängliga som kan stödja SIL (safety integrity level) 3. Moduler för frekvensomvandling kan användas för reglering av induktionsmotorer med öppen eller sluten slinga. Modulen 6ES71444JF000AB0 för temperaturmätning är mycket flexibel och kan programmeras för att använda en rad olika resistanstemperaturgivare (RTD), inklusive Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 och NI1000, och kan visa temperaturen i Celsius eller Fahrenheit.

Maskinmonterade moduler för utomhusbruk och riskfyllda områden

Modulerna SIMATIC ET 200eco PN har små I/O-anslutningar med IP65- och IP67-klassificering och är lämpliga för installationer utan skåp, direkt vid en maskin. Precis som alla ET 200-moduler har de stöd för PROFINET, Ethernet/IP och Modbus TCP. Modulerna levereras i helt förseglade, formgjutna kapslingar av zink, och är beständiga mot vibrationer, damm, olja och fukt, vilket gör dem lämpliga för installationer utomhus. De har en drifttemperatur på -40 till +60 °C. Serien ET 200eco PN är godkänd enligt Europeiska unionens (EU) direktiv om explosiva atmosfärer (ATEX) och kan användas i riskfyllda områden upp till zon 2.

Om en enhet måste bytas ut kan enhets- och masterparametrar automatiskt överföras med hjälp av "autostart-funktionen" utan någon föregående konfiguration, förutsatt att enheten överensstämmer med specifikationen för IO-Link V1.1. Modulen 6ES71486JG000BB0 kan till exempel arbeta som masterenhet för IO-Link V1.1 och innehåller en kombination av fyra stycken klass A- och B-portar för IO-Link (figur 5). Portarna kan arbeta som digitala in- eller utgångar beroende på tilldelning av parameter. Den har en klassificering för IP67 och IP69K samt stöd för tre överföringshastigheter: 4,8 kBd på COM1, 38,4 kBd på COM2 och 230,4 kBd på COM3.

Figur 5: Modulen SIMATIC ET 200eco PN (vänster) och en närbild på en typisk installation (höger) (Bildkälla: Siemens)

Sammanfattning

Nätverksinstallationer med Industry 4.0 är ett komplicerat arbete där hänsyn måste tas till flera kommunikationsgränssnitt och varierande driftsmiljöer. För att effektivisera fabriksnätverken kan konstruktörer använda plattformen SIMATIC ET 200 för MultiFieldbus från Siemens för att utbyta data med upp till sex programmerbara logiska styrenheter, som använder protokollen PROFINET, EtherNet/IP och Modbus TCP samtidigt, i samma kabel.

Rekommenderad läsning

1. Stöd för massanpassning, hög kvalitet och hållbar verksamhet i fabriker med Industry 4.0
2. Hur man ansluter äldre automationssystem i fabriker till Industry 4.0 utan driftavbrott