Gyorsabb áttérés az Ipar 4.0-ra ipari Ethernettel

Az Ipar 4.0 természetes közege az olyan vállalat, amelyet a termelési folyamat érzékelőitől és beavatkozóitól a vállalatirányításig és tovább, az internetes felhőig átjár a digitális információáramlás. Jelentős előnyöket ígér, ha ez „közös nyelven”, Ethernet-csomagok formájában történik. Ehhez azonban az időkritikus folyamat- és gyártásautomatizálás igényeit is kielégítő ipari Ethernet hálózati infrastruktúra szükséges.

A negyedik ipari forradalom a gyártási és folyamattechnológiák digitalizációjával változtatja meg, hogyan állítsuk elő a termékeket. Sok évtizede ismerjük már az automatizáció előnyeit, és most ezeknek az eljárásoknak a megnövekedett adatmennyiség és annak feldolgozása, illetve inter-pretációja, a gépi tanulás és a mesterséges intelligencia ad új lendületet. Ma az autonóm rendszerekre egyre inkább a szorosabb kapcsolódás és az intenzívebb kommunikáció válik jellemzővé, és az adatok értelmezésével további intelligens döntésekre és cselekvésekre nyílik lehetőség a gyártómű egyéb területein is. Az „okosgyárak” létrehozására irányuló kezdeményezések új üzleti értékeket állítanak elő a végtermék mennyiségének növelésével, az erőforrások jobb kihasználásával és a gyártómű teljes termelékenységének növelésével. Új adatfolyamok jönnek létre, amelyek rugalmasabbá teszik a gyártást, és javítják a minőséget, és mindezt az energiafogyasztás és a gyártási hulladék mennyiségének csökkentésével. Egyre növekvő mértékben tapasztaljuk azt is, hogy a „terep” és a „felhő” közötti kommunikációra épülő intelligens rendszerek a gyártási környezetek hatékonyságának fokozását azzal is segítik, hogy a végtermék egyedi igényekhez igazodó előállítását is tömegessé teszik.
Az Ipar 4.0 előnyei annak is tulajdoníthatók, hogy egyre nagyobb adatmennyiséget használunk fel a jobb döntés-előkészítéshez. Az, hogy az adatok megfelelő időpontban rendelkezésre tudnak-e állni, és hogy az automatizálási rendszeren át a rendeltetési helyükre tudnak-e jutni, a rendszerbeli kommunikációért felelős hálózaton áll vagy bukik. A hálózati technológiáknak olyan irányba kell fejlődniük, hogy kezelni tudják a megnövekedett adatmennyiséget, amelyet a gyártási folyamatok és módszerek fejlődése generál. Egy intelligens, csatlakoztatott automatizálási környezetre a digitálisan kommunikáló rendszerek, gépek, robotok, stb. sokasága a jellemző, amelyek információkat állítanak elő és osztanak meg más rendszerelemekkel. A módszerek, amelyekkel ezek a rendszerelemek kommunikálnak, és ahogy használják a termelőüzem kommunikációs hálózatát, a vállalkozás lényegi részét alkotják, és lehetővé teszik az Ipar 4.0 által képviselt törekvések megvalósítását. Annak az igénynek, hogy zavartalan legyen a kommunikáció a gyártás szintjén alkalmazott minden egyes érzékelő és beavatkozó között, beleértve még azokat is, amelyek távoli telepítési helyeken működnek, a létező infrastruktúrával nem lehet eleget tenni. Ha a jövőt abban látjuk, hogy az adatok és azok kombinációi adnak döntő fontosságú betekintést a vállalati szintű folyamatokba, azzal a kihívással kell szembenéznünk, hogy utat találjunk az ehhez szükséges, példátlanul nagy adattömegnek anélkül, hogy ezek lebénítanák azt a kommunikációs hálózatot, amelyet épp erre a célra terveztek. Ez azt a kérdést veti fel, hogy hogyan tervezzünk, építsünk fel és vegyünk használatba egy ipari kommunikációs hálózatot, amely nemcsak a jelenkor automatizálási környezetének, hanem a holnap „virtuális gyártóműveinek” is megfelel.

1. ábra  Felhőalapú vállalati infrastruktúra vázlata

Miért az ipari Ethernet a megoldás?

Figyelembe véve, hogy az Ipar 4.0 központi követelménye a rendszerelemek közti informatikai kapcsolat, három dolgot kell megvalósítani ahhoz, hogy egy vállalatot igazán „összekapcsoltnak” nevezhessünk. Először is, a magasabb szervezeti szintű információs technológiának (az IT-nek), vagy másképp szólva a vállalati szintű infrastruktúrának közelíteni kell a gyártás szintjét irányító operatív technológiai (OT) hálózathoz. Másodszor: a különféle hálózatok és gyártócellák sokaságának, amelyek ma a gyártási szinten léteznek, képeseknek kell lenniük az együttműködésre. Harmadszor: zavartalan, biztonságos adatkapcsolati rendszerre van szükség a folyamatok környezetében, a folyamatvégpontoktól kezdve egészen a vállalati szintű felhőig (1. ábra).
Ahhoz, hogy ezeknek a követelményeknek megfelelhessünk, el kell fogadnunk egy alapvető hálózati technológiát, amely képes támogatni a kölcsönös együttműködést, a bővíthetőséget és a korlátlan elérhetőséget. Az Ethernet ideális megoldásnak tűnik, lévén egy jól ismert technológia, amelynek megfelelőségét széles körű alkalmazási tapasztalat támasztja alá. Mivel nagy sávszélesség és gyors telepíthetőség jellemzi, széles körben használatos bármiféle gyártási környezet IT-infrastruktúrájának hordozó közegeként is.

2. ábra  A két világ, az információs technológia (IT) és az operatív (termelő) technológia (OT) egybeolvasztása

Az IT-világban széles körben alkalmazott, szokványos Ethernet azonban nem járható út az ipari irányítás- és vezérléstechnikai infrastruktúra megvalósításához, ez utóbbi valósidejű működésre irányuló igénye miatt.
Az operatív technológiák (OT) irányítóhálózatainak garantálniuk kell, hogy az elküldeni kívánt üzenet időben megérkezzék. Ezen múlik az éppen vezérelt feladat vagy folyamat helyes végrehajtódása. A hálózati forgalom irányítására szolgáló TCP/IP nem szükségképpen garantálja az ehhez szükséges determinisztikus működést. Ahogy a hagyományos Ethernet képes fájlok továbbítására vagy megosztására például a nyomtatók vagy más hálózati eszközök között, az ipari Ethernet lehetővé teszi az irányítóberendezések számára a hozzáférést az adatokhoz vagy utasítások továbbítását PLC-kből a szenzorok, beavatkozók és robotok között, amelyek szerte a gyártóterületen vannak telepítve. A kétféle Ethernet közötti kulcsfontosságú különbséget az üzenetek késleltetett vagy meghiúsult továbbításának következményei alkotják. A nem valósidejű alkalmazásoknál – ha például a weblap lassan frissül – ez a hatás minimális. Ugyanakkor gyártási környezetben a késleltetés vagy adatvesztés hatása igen nagy is lehet az elpazarolt anyagtól az ember testi épségét és életét veszélyeztető balesetig. Az irányítástechnikai rendszerek helyes működéséhez az üzenetek rendeltetési helyükre továbbításának bármikor megbízhatóan, időben meg kell történnie.
Ennek eredményeképpen az ipari Ethernet reálisan választható hálózati megoldássá fejlődött az operatív technológia irányítástechnikai szintjén. Célja, hogy zavartalan kapcsolattartást tegyen lehetővé nem csupán az IT és magas szintű OT hálózatok között (2. ábra), hanem le egészen a gyártómű OT-hálózatához csatlakozó szenzor-végpontokig, amint az a 3. ábrán is látható. Manapság – ha összekapcsolt IT/OT hálózatra van igény – bonyolult, energiafaló átjárók (gateway-ek) szükségesek ahhoz, hogy lehetővé tegyék a kapcsolattartást az OT-hálózat alsó szintjei és a magasabb szinteken működő Ethernet között. Amennyiben viszont a teljes ipari termelőüzemre kiterjedő, együttműködni képes, Ethernet-alapú hálózattal rendelkezünk, ezekre a gateway-ekre nincs többé szükség, ami jelentősen egyszerűsíti magát a hálózatot. Valójában azok a protokollváltó gateway-ek, amelyeket a protokollok közötti „tolmácsolásra” használnak az OT-hálózat magasabb szintjei felé, nem címezhetők, és ennek következtében „szigetet” alkotnak a hálózatban. Ez az adatizoláció korlátozza az információk megosztásának képességét a termelőüzem teljes területére. Ez ellentétben áll az Ipar 4.0 igényrendszerével, amely lehetővé teszi, hogy a gyártó összegyűjthesse a telemetriai adatokat az OT-szintről, hogy azokat elemezhesse, és cégszintű folyamatokat hajthasson végre az IT-oldalon.

3. ábra  Az automatizálási piramis

A determinisztikus csomagtovábbítás és időzítés követelménye miatt – amely garantálja az irányítástechnikai alkalmazások egy kötelező feltételének teljesítését – sok gyártó az OT-hálózatokon haszálható valósidejű protokollok kidolgozásának rendeli alá erőfeszítéseit. Ez azt eredményezi, hogy – miközben teljesítik a determinisztikus hálózati működés követelményét – gyártófüggő, egyedi protokollok jönnek létre. Ez viszont egy sor egymással nem kompatibilis megoldásra vezet; előfordulhat, hogy eltérő típusú kommunikációs protokollok működnek ugyanazon üzem különféle gyártócelláiban, amelyek ezáltal nem képesek együttműködni. Ezzel állandósul az adatok elszigetelt kezelése – „adatszigetek” jönnek létre. Olyan megoldásra van tehát szükség, amely lehetővé teszi, hogy az eltérő protokollokat futtató különféle gyártócellák együtt tudjanak létezni és osztozni a hálózat használatán oly módon, amely garantálja, hogy a különféle szintű irányítástechnikai adatforgalmak ne zavarják egymást. A megoldás az időérzékeny hálózati működés (Time Sensitive Networking – TSN), egy gyártófüggetlen, valósidejű Ethernet-szabvány, amely az IEEE 802.1 specifikációján alapul. Amint neve is mutatja, a TSN az időzítésre fókuszál. Ez a szabvány a hagyományos Ethernet-kommunikációt olyan rendszerré alakítja át, amely garantálja a kritikus fontosságú alkalmazások pontosan időzített végrehajtását. A TSN-t úgy tervezték, hogy állandó és pontosan, előre megadható időn belül biztosítsa az információ eljuttatását az egyik pontból a másikba. Ily módon tehát a TSN gondoskodik az üzenetek időben való megérkezéséről. Ahhoz, hogy a kommunikáció időzítése pontosan előre jelezhető (determinisztikus) legyen, a hálózati eszközöknek azonos „időfogalommal” kell rendelkezniük. A szabvány definiálja a módját, hogy a TSN-adatkeretek „menetrend szerint” megérkezzenek (4. ábra), miközben megengedi, hogy a „nem TSN-alapú” kereteket a hálózat „a legjobb igyekezete szerint” továbbítsa (értelemszerűen a TSN-keretek időzítési pontosságát nem veszélyeztetve – A ford. megj.). Ezen a módon a TSN lehetővé teszi a hálózaton a valós- és nem valósidejű adatforgalom egyidejű lebonyolítását. Mivel az összes eszköz ugyanazon a fizikai hálózaton osztozik, az időkritikus, fontos adatok alacsony latenciaidővel és időbizonytalansággal továbbíthatók, akár a gigabit/s-os adatsebesség-tartományig.

4. ábra  Időkritikus hálózati tulajdonságok

A cél egy egyesített, „konvergens” hálózat, ahol a protokollok determinisztikus és megbízható módon teszik lehetővé ugyanazon vezeték osztott használatát. A TSN a szabványoknak az a „szerszámkészlete”, amely a determinisztikus működés elvárt szintjét biztosítja. Ezáltal átmenetet tesz lehetővé a megbízható és szabványosított kapcsolattartási architektúrák felé, amelyekkel elkerülhető az „adatszigetek” kialakulása az egyedi, gyártóspecifikus terepbuszok következtében.
A hálózattípusoknak ez a konvergenciája a hálózat fokozott alkalmazkodóképessége és bővíthetősége révén ösztönzi minél több adat előállítását a 10 Mbit/s-tól akár 1 Gbit/s-ig, vagy tovább terjedő sávszélesség-tartományban.
A valószínű forgatókönyv szerint a TSN-t egyre több új telepítésű rendszernél veszik majd használatba, de az egyes gyártócellák vagy hálózatszegmensek felújításánál lépésről lépésre bevezetik az alkalmazását a létező termelőüzemekben is. Ez a terepi eszközöket gyártó vállalkozásokat pedig az előre látható jövőben arra motiválja majd, hogy egyre növekvő mértékben támogassák a klasszikus ipari Ethernet- és a TSN-megoldásokat egyaránt.

5. ábra  Problémamentes kommunikáció a terepi szinttől a felhőig

Le egészen a folyamatszintig

Az utolsó és talán a legnagyobb jelentőségű változást az a képesség jelenti, hogy zavartalan kapcsolattartás valósul meg a folyamatszintű végpontoktól egészen a vállalati szintű felhőig, amint az az 5. ábrán is látható. Egészen a közelmúltig a folyamatszintű eszközökkel csak a 4…20 mA-es vagy terepbusz-csatlakozásokkal lehetett kommunikálni. Ezek mereven huzalozott, pont-pont közötti csatlakozást jelentettek sokféle, különböző megvalósításban, amely korlátozta azt a lehetőséget, hogy az időközben megnövekedett igényeket követve a hálózat feljeszthető és bővíthető legyen. Az a tény, hogy a terepi szinttel folytatott kommunikáció nem-Ethernet-alapú hálózattal valósult meg, több komoly problémát okozott. Elsőként említjük ezek közt az erősen limitált sávszélességet (példa erre a HART 4…20 mA-es áramhurokra telepített 1,2 kbit/s sebességű digitális kommunikációja), amely az információáramlás sebességét korlátozza. Másodszor: nehézséget okoz magának a terepi műszernek a táplálására rendelkezésre álló korlátozott tápenergia. Végül pedig problémát okoznak azok a gateway-ek, amelyek a terepi (OT) és vállalati (IT) szintek közötti kommunikációt szolgálják, mivel fenntarthatatlanul magas saját adatfeldolgozási igényt támasztanak. Létezik továbbá az a probléma is, amelyet egy gyújtószikramentes, Zóna 0-s környezetben való üzemeltetés, valamint a meglevő kábelhálózat gyorsabb és olcsóbb felváltásának igénye jelent.
Ezek a kihívások tették szükségessé az IEEE 802.3cg-2019™ szabvány átfejlesztését a 10BASE-T1L, egyidejűleg kétirányú (teljes duplex) kommunikációra képes változattá. Ez a nemrég elfogadott szabvány 10 Mbit/s sebességű, teljes duplex kommunikációt tesz lehetővé a terepi eszközök távtáplálásával együtt egy egyszerű, csavart vezetékpáros kábelen keresztül, akár 1 km-es kábelhosszúságig. Ezzel a rendszerrel az adatok már eleve Ethernet-csomagokként keletkeznek az érzékelőkben, és ebben a formájukban változatlanul és akadálytalanul haladhatnak végig az OT és IT hálózati infrastruktúra minden szintjén. Nincs szükség az adatok átalakítására (amely késleltetéseket okoz, energiát fogyaszt és többletráfordításokat tesz szükségessé). Ennek megfelelően a létező hálózati architektúrák megváltoznak, ahogy azt az 5. ábrán is láthatjuk: a távoli I/O-egységek helyét terepi Ethernet-kapcsolók foglalják el. Egy Ethernet-utasítás ezáltal a rendszervezérlő és a terepi készülékek között mindkét irányban a 10BASE-T1L többportos terepi kapcsolókon át továbbítódik. Az Ethernet-csomagok segítségével egységesen, nagyobb sávszélességgel tekinthetjük át a vállalat teljes hálózatát a terepi csomópontoktól a PLC/DCS folyamatirányító eszközökön át egészen a felhőig.
Van néhány határozott előny, ami segíti majd az átmenetet a hagyományos terepbuszoktól az ipari Ethernet felé. Először is a létező kábeles infrastruktúra újrahasznosítása (legfeljebb 1 km kábelhosszúságokig) egyszerűsíti a telepítést, és csökkenti az átalakítás költségeit. Másodszor: a terepi műszerek távtáplálására rendelkezésre álló teljesítmény, amely korábban 36 mW-ban volt korlátozva (a legjobb esetben, 4…20 mA-es rendszereknél), most (a kábeltől függően) elérheti akár a 60 W-ot is, illetve az 500 mW-ot a Zóna 0-s, gyújtószikramentes alkalmazásoknál. A teljesítménytöbblet felhasználásával magasabb funkcionalitású, vagy akár saját intelligenciával rendelkező végpontok telepíthetők. Ez – a jelenleg elérhető 10 Mbit/s-os feltöltési sebességgel társulva – megteremti annak az elvárt teljes áttekintésnek a lehetőségét, amely támogatja az Ipar 4.0 által ígért hatékonyságnövekedés kihasználását.

6. ábra  Az ADI piacvezető Chronous ipari Ethernet-megoldásai

Mi az, ami máris elérhető?

Az automatizálási hálózataink fejlődésének támogatásához új, robusztus, kis latenciaidejű, kis energiaigényű fizikairéteg-technológiákra, valamit a feladat terjedelméhez igazítható, „skálázható” kapcsolóeszközökre van szükség. Mivel ennek előterében az ipari Ethernet áll, az Analog Devices, Inc. (ADI) – a gazdag automatizálási tapasztalataira és fejlett technológiájára támaszkodva – széles megoldásválasztékot dolgoz ki az időkritikus adatok továbbítására, amely megbízhatóan hasznosítható az ipari alkalmazásokban, és problémamentes kapcsolattartást és hatékony működést ígér. Az ADI skálázható Ethernet-megoldásokat tartalmazó Chronous™ portfóliójában fizikairéteg- (PHY) eszközöket, beágyazott kapcsolókat és teljes platformmegoldásokat találunk, többprotokollos szoftvertámogatással. Mivel ezek az eszközök teljes körű bevizsgáláson és tanúsítási eljáráson estek át, gyorsan piacra juttatható termékek előállítására használhatjuk azokat.
Említsünk néhányat a portfólióban elérhető, figyelemre méltó megoldások közül:

• ADIN1200: piacvezető, 10 és 100 Mbit/s sebességű ipari Ethernet-fizikairéteg-illesztő (PHY) megnövelt képességekkel, tanúsítottan robusztus kivitelben.

• ADIN1300: a ma elérhető legkisebb latenciaidejű és teljesítményfelvételű gigabit PHY, tanúsított ellenállóképességgel a mostoha alkamazási környezetekhez.

• fido5200/fido5100: valósidejű, beágyazott, kétportos, többprotokollos kapcsoló, amely számos TSN-jellemzőt támogat. Az újabb TSN-jellemzők – amint azok elérhetővé válnak – firmware-frissítéssel érvényesíthetők. A multiprotokollos szoftverfrissítések az ADI Chronous™ fejlesztői portálján folyamatosan elérhetők.

A tanúsított, robusztus, skálázható és teljes Ethernet-megoldások érdekében, amelyek egyszerűsítik a rendszertervezést, és csökkentik a fejlesztés időszükségletét, az ADI Chronous™ megoldásait a felhasználók igényeit szem előtt tartva fejlesztették. Ez a „skálázható Ethernet, tökéletes időzítéssel” koncepciója.
A technológiai átmenet támogatására és a hagyományos terepi eszközökkel való együttműködés fenntartására az ADI kifejlesztett egy „szoftverrel konfigurálható I/O-eszköz” nevű technológiát (AD74413R). Ez lehetővé teszi olyan terepi konfigurálásra alkalmas távoli I/O-egységek kidolgozását, amelyek áthidalják a rést a hagyományos terepi műszerek és a magasabb szintű Ethernet-hálózat között.

Mi a helyzet a biztonsággal?

Az Ethernetnek vannak sebezhető pontjai, és a biztonság az egyik legkritikusabb szempont, amely az Ipar 4.0 elfogadásának ütemét befolyásolja. Azzal, hogy nyílt információáramlást teszünk lehetővé a vállalkozáson belül az OT- és az IT-szintek között, a folyamatvégpontoktól egészen a felhőig, a biztonságot veszélyeztető kockázatok pusztító méreteket ölthetnek.
Az Ipar 4.0-alapú rendszerek stratégiai tervezésekor szükséges kockázatmenedzsment folyamán az alapvető megfontolások egyikének a biztonságnak kell lennie.
A biztonsági megfontolások érvényesítése napjaink egyre növekvő bonyolultságú hálózataiban távolról sem egyszerű feladat. Többrétegű megközelítést igényel ahhoz, hogy az egész rendszerre jellemző lehessen a végkészülékektől a rendszervezérlőkön és gateway-eken át fel egészen az irányítási hierarchia csúcsáig. Az ADI Chronous™ portfóliója biztonságos megoldást kínál a rendszer minden csomópontja számára, és egyben minimálisra csökkenti a kompromisszumok szükségességét a teljesítményfelvétel, a teljesítőképesség és a latenciaidő követelményei között.

7. ábra  Kiberbiztonság a bizalmas adatoknak

A telepítés menetrendje

Miközben az ipari Ethernet alkalmazási területe jelentősen növekedett az elmúlt években, még mindig tapasztaljuk, hogy továbbra is sor kerül terepbuszok és más, hagyományos hálózati technológiák telepítésére. Mindannyian elismerjük az ipari Etherneten alapuló, egységesedő hálózatok előnyeit. Ezek közé tartozik az egyszerűbb hálózati architektúra, a gateway-ek elmaradása miatt csökkenő költség, a mereven huzalozott kapcsolatok kiküszöbölése, a megnövelt szintű rendszeroptimalizáció, a nagyobb aktív üzemidőhányad stb. Az új szabványok megjelenése és azok küszöbön álló bevezetése az a katalizátor, amely gyorsíthatja ezt a várt átmenetet. Sürgető az igény a nagyobb teljesítőképességű kommunikációs hálózatok iránt az OT- és az IT-szintek fokozott integrációjához. A TSN az az eszköz, amellyel a hálózatok egységesedése elérhető, és – amennyiben egyesül a 10BASE-T1L lehetőségeivel – „varratmentesen” teszi lehetővé a kommunikációt a folyamatszintű végpontoktól a felhőig.
A technológiaváltás nem történhet meg egyik napról a másikra, de a potenciális előnyök annyira kényszerítő erejűek, hogy a technológia befogadásának üteme minden bizonnyal meghaladja majd azt, amit a szokásos ipari szabványoknál tapasztaltunk.
Az Ipar 4.0 koncepció középpontjában az a lehetőség áll, hogy a folyamatokat olyan összekapcsolt eszközökkel automatizáljuk, amelyek az információ küldésének, fogadásának és gyűjtésének képességével rendelkeznek. Az ADI Chronous „felszabadítja” az adatokat és a végponti eszközök korábban elérhetetlen áttekintését teszi lehetővé az adatelemzés és a működési felügyelet új területeinek megnyitásával. Az ipari Ethernet-kommunikáció azzal segít ennek valóra váltásában, hogy felesleges komplikációk nélküli, „varratmentes” adatáramlásra ad lehetőséget a jelen és a jövő automatizálási hálózataiban az automatizáció „folyamatszintjétől” egészen a felhőig. Ma még léteznek adatszigetek, amelyek információtartalmának áttekintésére egyelőre nincs lehetőség, de amint az ipari Ethernet használata válik általánossá, az Ipar 4.0 erőfeszítései egyre inkább a biztonság fokozása felé fordulnak, valamit annak feltárását célozzák, hogy mit is lehet kezdeni az ezáltal elérhetővé váló adattömeggel a vállalkozás üzleti értékének maximalizálása érdekében. Az okos döntés az, ha egy olyan megbízható szövetségessel társulunk, amely sok évtizedes tapasztalatot szerzett az ipari megoldások piacán.
Az Analog Devices a szakterület mély ismeretével, a megvalósításához szükséges technológiával és megoldáskínálattal egyaránt rendelkezik ahhoz az átmenethez, amely a holnap okos-termelőüzemeinek világába vezet át.

További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.

Szerző: Fiona Treacy, Strategic Marketing Manager – Analog Devices, Inc.

Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás,
Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457