Reţeaua de date din fabrică

Automatizari

de Mircea Badut

Reţeaua de date din fabrică

Industria constructoare de automobile a fost cea care a impulsionat decenii întregi dezvoltarea tehnologiilor aferente reţelelor de date pentru întreprinderi – liniile de producţie tot mai automatizate/robotizate au impus cerinţe înalte magistralelor de comunicaţie.

Sistemul nervos periferic

La începuturile automatizărilor industriale, instalaţiile electrice presupuneau cabluri individu­ale pentru comanda fiecărui dispozitiv electric (releu, motor, electromagnet), iar semnalele de control/comandă erau analogice. De-abia în deceniile 8-9 ale secolului trecut circuitele de automatizare încep să fie înlocuite cu circuite digitale, bazate pe logica binară, iar sfârşitul de mileniu doi desăvârşeşte dominaţia automatelor logice programabile (PLC) în industrie. Însă mult timp acestea au fost comandate prin cablări paralele, adică magistrale de date vehiculând simultan pachete de mai multe semnale digitale (8-12-16 biţi), pentru că doar astfel se puteau îndeplini condiţiile de viteză cerute de aplicaţiile din procesele industriale. De-abia în ultimii ani – când perfomanţele tehnologiilor seriale şi respectiv când paradigma integrării au atins nivele semnificative – s-a consfinţit trecerea la comunicaţia serială, iar instalaţiile de comandă a automatizărilor au împrumutat justificat denumirea de reţea de date.

Generalizând, am putea identifica trei sectoare pe care reţeaua de date din producţie le serveşte:

  • controlul dispozitivelor de comandă (PLC) ale automatizărilor/acţio­­nă­rilor electrice;
  • monitorizarea stărilor din procesele/instalaţiile uzinale (SCADA);
  • conectarea informaţională cu departamentele adiacente din întreprindere (proiectare, economic, achiziţii, desfacere, marketing etc).

Ne este clară importanţa reţele­lor de cabluri electrice prin care sunt comandate şi urmărite acţionările şi automatizările din întreprindere, iar dacă o privim dintr-o perspectivă acoperitoare, această infrastructură ni se arată complexă şi oarecum pretenţioasă. Fabricile având o vârstă exprimabilă în mai mult de o cifră prezintă inevitabil un ,,sistem nervos’’ alcătuit din mai multe tipuri/generaţii de reţele, analogice şi digitale, folosind diverse tehnologii şi protocoale de comunicaţie (nu neapărat standardizate) – constituind deci un context problematic din perspectiva gestionării/administrării şi a dezvoltării.

Reţeaua informatică ce constituie structura de comunicaţie a auto­matizărilor din întreprindere are nevoie de o atenţie specială, atât pentru faptul că serveşte procese vitale (cerându-i-se o funcţionare categorică), cât şi pentru faptul că deseori complexitatea ei atinge cote îngrijorătoare.

În cele ce urmează, pornind de la termenul generic fieldbus– definind reţelele de cabluri/magistrale industriale (în contextul nostru ,,field’’ însemnând ,,pe teren’’, adică departe de ,,centru’’, precum în FPGA, alt acronim din domeniu) –, vom spicui o serie de implementări şi de particularităţi, continuând cumva cele prezentate în articolul anterior dedicat subiectului, apărut în revista Tehnică şi Tehnologie nr. 4/2014 (referind eventual şi arti­colul „Reţeaua informatică – din birou în hala de producţie”, din T&T nr. 5/2006).

Însă, înainte de aceasta, vom puncta distincţia dintre tehnologia suport (hardware, să-i spunem, împrumutând termenul din IT-ul de la care multe reţele actuale s-au inspirat), referită uneori ca ,,standardul de reţea’’ şi respectiv protocolul de comunicaţie (am putea să-i zicem software, dar n-ar fi tocmai inspirată analogia), adică modul în care sunt împachetate/grupate şi transmise datele prin cabluri astfel încât dispozitivele de la capetele conexiunii să se înţeleagă între ele în conformitate logică cu obiectivul pe care îl au de îndeplinit în cadrul secţiilor/instalaţiilor uzinale. Uneori distincţia dintre cele două este clară, precum în perechea Ethernet şi TCP/IP, însă uneori tehnologia şi protocolul asociat sunt referite cu acelaşi nume (precum HART).

Potpuriu de cabluri

RS-232 – standard reglementând transmiterea serială a datelor digitale – defineşte una dintre cele mai simple şi mai robuste căi de comandă electro­nică. Astăzi tehnologia aceasta se arată ineficientă în privinţa vitezei de comunicare şi a consumului de energie, fiind precedată de interfeţe seriale similare, precum RS-422, EIA-530, TIA-562. De altfel, definirea protocoalelor IEC 61158 (fieldbus) s-a inspirat din bătrânul RS-232.

Dar nu pierdem din vedere faptul că reţeaua de date industrială nu vizează doar implementările de automatizări din halele de producţie (comanda/controlul de automate, acţionări, roboţi). O pondere esenţială o au şi acele procese distribuite necesitând monitorizarea de parametri tehnologici/uzinali (temperaturi, presiuni, debite, pH, parametri electrici etc), sens în care ne amintim că în era pre-digitală buclele de comunicaţie (SCADA) foloseau curenţi de 4-20mA şi că un pas semnificativ în acest domeniu l-a adus protocolul HART prin facilitatea de a detecta eventualele întreruperi ale firelor. De fapt, robusteţea şi inteligenţa acestuia l-au făcut unul dintre cele mai populare protocoale industriale.

Si, dacă tot am făcut astfel tranziţia spre fieldbus, să aminim pe scurt alte substandarde: AS-interface; CAN; Interbus; EtherCAT; Foundation fieldbus; LanWorks; Nodbus; Profibus BitBus; CompoNet; SafetyBUS p/SafetyNET p. Cu eventuale protocoale de comunicaţie: HART; AS-i; DeviceNet; EtherNet/IP; Modicon, Modbus; etc. Fiecare dintre ele aduce anumite particularităţi, iar uneori aceste caracteristici constituie criteriu de alegere/departajare pentru implementări particulare. Pe care vom fi nevoiţi a le detalia şi înţelege când se va pune efectiv problema.

De exemplu, aflăm despre Profinet şi Profibus că pot suporta o rată de transfer de 1,5 megabiţi/secundă şi pot astfel asigura (prin cablările EtherCAT) timpi de răspuns de sub 32 microsecunde pentru instalaţiile de automatizare pretenţioase.

Cu titlul de inedit (dar unul serios) ne întoarcem la standardul CAN – abreviere de la Controller Area Network (deşi eu aş sugera mai degrabă ,,Car Area Network”) –, care a fost dezvoltat la uzinele Bosch în urmă cu trei decenii special pentru interconectarea dispozitivelor electrice din automobil. El avea să fie preluat, eventual dimpreună cu celălalt standard similar (MAP – Manufacturing Automation Protocol, definit de General Motors) de majoritatea producătorilor de autovehicule, inclusiv în Asia.

O parte din implementările fieldbus actuale (şi, foarte probabil, cele din viitor) sunt derivate ale standardului Ethernet (preluat din domeniul calculatoarelor/informaticii), aşa încât e util să ne amintim particularităţile reţelelor cu tehnologie Ethernet: implicarea adreselor MAC (ale dispozitivelor hardware de comunicaţie); adresarea unică TCP/IP; măştile de subreţele; rate de transfer de 10/100/1000 Mbps.

Tipuri de reţele folosite pentru automatizarea proceselor de producţie sau a operaţiunilor logistice:

  • Industrial Ethernet– a rezultat din standardul Ethernet (al reţelelor locale de calculatoare, LAN, cu cabluri) prin adaptarea la mediul industrial (extinzând domeniile pentru temperatură, umiditate, vibraţii etc);
  • Profi-NET – un standard pentru reţelele informatice de automatizare industrială bazate pe protocoalele TCP/IP şi Ethernet (constituind o materializare de ,,industrial Ethernet’’);
  • Profi-BUS – este un standard privat de comunicare de tip magistrală distribuită (Siemens);
  • ModBUS – este un protocol public de comunicare serială cablată destinat PLC-urilor (circuite programabile pentru control digital);
  • FieldBUS – este denumirea generică a unor protocoale de reţele IT pentru aplicaţii industriale (inclusiv SCADA);
  • HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) – protocol de comunicare de tip Fieldbus, destinat comunicaţiilor pentru automatizări industriale;
  • wireless – denumire generică pentru reţelele/comunicaţiile realizate prin unde radio (fără cablu).

Apropo de adoptarea din domeniul IT sunt de menţionat şi standardele non-Ethernet de conectare serială a dispozitivelor cu viteză mare: IEEE 1394 (numit şi FireWire), precum şi mai-recentul ,,USB 3’’ (cu variantele USB 3.0 din 2008 şi USB 3.1 din 2013, având viteze de 5 Gbit/s şi respectiv de 10 Gbit/s).

Spre finalul secţiunii trebuie (în sensul că ne obligă vremurile, cu tendiţele lor presante) să includem şi conexiunile radio, tot mai implicate în sfera industrialului: Wi-Fi (IEEE 802.11); RFID; ZigBee (IEEE 802.15.4); WirelessHART etc.

Adaptări la condiţiile de muncă

Probabil că în cerinţele privind mediul de lucru rezidă diferenţa esenţială dintre reţeaua IT şi cea din producţie. Sunt rare situaţiile în care tehnologia Ethernet simplă (aşa cum este ea folosită pentru conectarea LAN a birourilor) se potriveşte pentru mediul de producţie. Pentru că specificaţiile CAT5/UTP nu au suficientă siguranţă în exploata­rea industrială, se recomandă cel puţin adoptarea ca­blurilor ecranate (STP) ori (şi mai bine) cu protecţii suplimentare, chiar dacă nu sunt standardizate.

În mediile grele/dure (cu umezeală, praf, gunoa­ie, aşchii metalice; cu vibraţii/şocuri) protecţiile adiţionale acoperă atât cablul cât şi mufele cu care acestea se conectează la dispozitive/noduri (precum mufele RJ45), aşa încât nu ne va surprin­de întâlnirea cu specificaţiile privind rezistenţa mecanică (la solicitări) şi protecţia la instruziuni fizice (praf/impurităţi, umezeală/apă). De exemplu, pentru comanda PLC-urilor este preferată deseori reţeaua Modbus cu noduri Profibus având clasa de protecţie IP67.

Efectele paradigmei IoT

Deşi conceptul de ,,Internet-of-Things’’ – însemnând conectivitate şi inter-implicare pentru orice dispozitiv – se părea că va cuceri doar zona aplicaţiilor domestice, el influenţează deja şi zona industrială, contribuind totodată la adoptarea standardului Ethernet/IP. Tot mai multe instrumente electronice de monitorizare tehnologică (din sfera SCADA, dar nu numai) sunt construite direct pentru conexiune Ethernet/IP, ceea ce îngăduie beneficiarilor mai multă flexibilitate la amplasarea dispozitivelor (traductoare, senzori, actuatori, servomotoare, adaptori etc).

În actuala perioadă de tranziţie tehnică asistăm inclusiv la apariţia furnizorilor de convertoare analog-digitale, adică dispozitive ce fac adaptarea de la standardele tradiţionale (inclusiv analogice) la forma actuală de Ethernet/IP (precum cartela Rockwell destinată tehnologiei HART pe 4-20mA).

Si ne amintim că tehnologia Ethernet aduce nu doar performanţă mare (fiind capabilă să transporte mai multe date decât cele anterioare) dar şi o uniformizare a reţelelor de administrat. 


Mircea Băduț este inginer,consultant CAD/IT 



Accept cookie

Acest site web utilizează module cookie în scopuri funcţionale, de confort şi statistică.

Dacă sunteţi de acord cu această utilizare a modulelor cookie, faceţi clic pe "Da, sunt de acord". Termeni si conditii

Nu sunt de acord Accept doar cookie functional Da, sunt de acord