Az Ethernet adaptálása az Ipar 4.0 felgyorsítása érdekében

A 70-es években a gyártásban zajló paradigmaváltás az „Ipar 3.0” nevet kapta. Ekkor kezdett teret nyerni az információtechnológia alkalmazása, az automatizáció fokozása, a produktivitás, a precizitás és a rugalmasság növelése érdekében. Az Ipar 4.0 előretörésével az ipar nagyszabású automatizálása a gépek közötti kommunikáció (machine-to-machine – M2M) és a gépi tanulás (machine learning – ML) használatával valósul meg. A legnagyobb különbség, hogy amíg az Ipar 3.0 az emberek számára nyújtott a döntéshozatalhoz szükséges adatokat, az Ipar 4.0 gyakorlatilag már emberi beavatkozás nélkül optimalizálja a folyamatokat a bejövő digitális információk alapján.

Sőt, az Ipar 4.0 már a gyárak tervezőirodái és a gyártóüzemei között is képes kapcsolatot teremteni. Az M2M-kommunikációnak köszönhetően a számítógépes tervezés (computer-aided design – CAD) képes a gyártóeszközökkel kommunikálni és közvetlenül programozni az egyes alkatrészek gyártását. A gyártóeszközök pedig jelenthetik a CAD számára a gyártás során felmerülő kihívásokat, amiáltal az alkatrészek tervei módosíthatók a könnyebb legyárthatóság érdekében.
A gyártók az Ipar 4.0 megoldásait az Ipari dolgok internete (Industrial Internet of Things – IIoT) platformra építik. Ebben fontos szerepet játszik a hálózat, amin keresztül a folyamatokat megfigyelő érzékelők adatai visszacsatolhatók a gyártási folyamat vezérlése és javítása érdekében.
Habár az IIoT megvalósítása korántsem egyszerű, a legnagyobb kihívást talán mégis inkább a beruházási költségek jelentik. Bár a beruházás költségei igazolhatók a jobb tervezésből és gyártásból származó költségcsökkenéssel, a termelékenység növekedésével és a kisebb selejtaránnyal, bármilyen megoldás, ami kisebb tőkekiáramlást tesz lehetővé, gyorsítja az Ipar 4.0 térhódítását. Az egyik ilyen lehetőség a gyár IIoT-hálózatának kiépítését a bevált, könnyen hozzáférhető és aránylag olcsó Ethernet kommunikációs technológiára alapozni.

Ethernet az ipar számára

A világon a legszélesebb körben alkalmazott vezetékes hálózati megoldásként az Ethernet kiváló termékellátottságot és IP-interoperabilitást biztosít. Ráadásul nem csupán adatkapcsolatot biztosít a csatlakoztatott érzékelők, aktuátorok és kamerák számára, de tápellátásukra is alkalmas egyetlen kábelen keresztül.
Az „ipari Ethernet” robusztus csatlakozói és kábelei az Ethernet eszközök fogyasztói verzióin alapulva kínálnak bevált és érett technológiát ipari automatizálási célokra. Az ipari Ethernet a létfontosságú adatok átvitele mellett azt is lehetővé teszi, hogy távoli felügyelettel is könnyen elérhetők legyenek az üzemi terület gépei, PLC-i és vezérlői.
A szabványos Ethernet-protokoll hajlamos azonban a csomagvesztésre, ami a késleltetési idő növekedésével jár. Ez alkalmatlanná teszi a szinkronizált és nagy sebességű összeszerelő gépsorok számára. A szabványos protokoll gyengeségeinek kiküszöbölése érdekében az ipari Ethernet-eszközökhöz determinisztikus, alacsony késleltetésű ipari protokollok (például Ethernet/IP, ModbusTCP, PROFINET) párosulnak.
Az ipari Ethernet telepítéseihez a hagyományos CAT 5e, tanúsított gigabites Ethernet esetében pedig CAT 6 kábelek megerősített változatait használják.

1. ábra Az ipari rendszerek tervezői számára kulcsfontosságú a megfelelő kapcsolódási megoldások kiválasztása az egyes projektek sikere érdekében (Forrás: Mouser Electronics)

Például egy CAT 5e kábel nyolc darab – négy sodrott érpárba rendezett – vezetéket tartalmaz. A sodrás korlátozza az egyes érpárok közötti jelinterferenciát („cross talk”). Egy érpár mindkét oldalon biztosítja a duplex kapcsolatot. Az olyan nagy sebességű rendszerek esetén, mint például a Gigabit Ethernet, mind a négy érpárt adattovábbításra használják. Az alacsonyabb átviteli sebességű rendszerek (maximum 100 Mbps) működéséhez két csavart érpár is elegendő, így a többi más célra – például energia vagy hagyományos telefonszolgáltatás továbbítására – használható.

Egyedi megoldások a rések kitöltésére

A CAT 5e kábelek IIoT-telepítésekben történő felhasználásának egyik hátulütője, hogy ez a megoldás számos feladathoz túlméretezett. A nagy sebességű Ethernet igazán nagyszerű, ha szerszámgépek CAD-alapú programozásáról van szó, de aligha van rá szükség egy szállítószalag sebességét mérő érzékelő esetén. Márpedig egy Ethernet-alapú IIoT-rendszer nagy részét a gyártási folyamat optimalizálását szolgáló, kis mennyiségű adatot szolgáltató érzékelők teszik ki.

2. ábra Rack-be épített, nyolcvezetékes Ethernet-kábelekkel ellátott Ethernet-switchek (Forrás: asharkyu/shutterstock.com)

Ez a megoldás komoly tőkét köt le sok kilométernyi kábelbe fektetve, aminek kapacitása sosem kerül kihasználásra. A költségérzékeny ipari szektorban az ilyen pazarló megoldásokat általában olcsóbb alternatíva keresésével igyekeznek elkerülni. A drága kábelekbe történő befektetés helyett a gyártók a sokkal olcsóbb, egyedi terepibusz-alternatívák felé mozdultak, az Ethernet teljes körű képességét nem igénylő érzékelők és rendszerek csatlakoztatásához. Ezeket a terepi buszokat jellemzően ipari műszerek és távoli I/O-eszközök csatlakoztatásához használják, és akár egy kilométeres kábelhosszúságot, illetve maximum másodpercenkénti 10 megabites nyers adatátviteli sebességet kínálnak. Számos ezek közül az egyedi adatbuszopciók közül – például a HART, PROFIBUS PA 4-20 mA – viszonylag olcsó, egyetlen sodrott érpáras kábelt használ.
A napjainkban Ipar 4.0 rendszereket telepítő gyárak szabványos Ethernetet használnak például a vállalati erőforrás-tervezéshez (enterprise resource planning – ERP) és a CAD-alkalmazásokhoz, ipari Ethernetet a mérnöki műveletekhez és az üzemi eszközkezeléshez, valamint egyedi fejlesztésű terepi buszokat az olyan igényeikhez, mint a műszerek és távoli I/O-eszközök elérése. Ez a megoldás azonban nem ideális, mivel míg az első két rendszer megfelelően képes együttműködni egymással, a terepi buszok nem kompatibilisek velük.
Az Ethernet-specifikáció közelmúltbeli kiegészítése, az IEEE 802.3cg ezeket a nem Ethernet-alapú terepi buszokkal működő ipari alkalmazásokat célozza. A módosítás egyre inkább teret hódít, mivel lehetővé teszi az Ethernet-platform bármilyen Ipar 4.0 műveletben történő használatát. Minden eszköz, a gyár felhőalapú szervereitől a távoli terminálokon keresztül egészen a legutolsó hőmérőig képes lesz egyetlen, szabványra alapuló protokollon keresztül kommunikálni egymással.
A specifikáció módosításának egyik kulcsfontosságú eleme az egyérpáros Ethernet-kábel (Single Pair Ethernet – SPE cable), ami – ahogy a neve is utal rá – a hagyományos CAT 5e ipari Ethernet-kábel több érpáros kialakításával szemben csupán egy csavart érpáron továbbítja az adatokat.
Ez nagy előnyt jelent a gyárak tulajdonosai számára, mivel jelentősen csökkenti az épületek kommunikációs kábelezésének költségét és a beépített anyagok mennyiségét. Ami még kedvezőbb – habár új Ethernet-csatlakozókat igényel – a régebbi egyedi egyérpáros kábelek felhasználhatók SPE-célra, így nem kell több kilométernyi kábelt kitépni és újat behúzni.
Az IEEE 802.3cg ezenfelül két új fizikai réteget (PHY) is bevezet az ipari alkalmazásoknak való megfelelés és a költségek leszorítása érdekében. Az egyik rövid hatótávú (maximum 15 méteren belüli) alkalmazások kiszolgálására alkalmas, míg a másik akár egy kilométeres hatótávolságot biztosít. Ez utóbbi egy opcionális erősített átviteli szintet is kínál a jobb zajtűrés, illetve egy alacsony fogyasztású készenléti módot az energiatakarékosság érdekében.

Az elsőre sikeresen legyártott termékek fontossága

A modern gyártás precizitást és ismételhetőséget követel. Egy komponens vagy egy részegység legyártásakor olyan szűk tűréshatárral kell dolgozni, hogy az a sokezer végtermék bármelyikében felhasználható legyen, és mégis évekig tökéletesen működjön. Ahogy a dolgok egyre kisebbekké és egyre összetettebbekké válnak, folyamatosan nő az elvárt precizitás mértéke. Képzeljük csak el a legújabb okostelefonok vagy egy csúcsminőségű mechanikus óra folyamatosan konzisztens gyártását.
Az IIoT lehetővé teszi a gyártási folyamat valós idejű irányítását és az eltérések kiszűrését még azelőtt, hogy a problémák komolyabbra fordulnának, és ezáltal segít elérni a szükséges precizitást. Ha a termék legyártása már elsőre megfelelően sikerül, az csökkenti a fogyasztóknál jelentkező hibák, és ezáltal a garanciális igények mennyiségét. Ezenfelül pénzt is megtakarít, és – ami talán még fontosabb – növeli a fenntarthatóságot, hiszen ha a termék gyártása elsőre hibátlanul sikerül, azzal rengeteg energiát, károsanyag-kibocsátást és értékes alapanyagokat takaríthatunk meg.

Összefoglalás

Az egyérpáros Ethernet lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy az ipari Ethernet nyújtotta előnyöket a gyár és a gyártás teljes területén kihasználhassák, egészen a legutolsó érzékelő működtetéséig. Ezáltal könnyebbé válik az adatok mélyre ható gyűjtése és elemzése, aminek egyaránt létfontosságú szerepe van a gyártási műveletek javításában és az olyan új technológiák hatásainak maximalizálásában, mint a gépi tanulás és a mesterséges intelligencia.

Szerző: Steven Keeping – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
https://twitter.com/MouserElecEU
https://x.com/MouserElecEU