Connectiviteit - de ruggengraat van duurzame automatisering

Technologieën zoals SPE, PoDL en Ethernet APL overwinnen de traditionele beperkingen van industriële communicatie. Geavanceerde interfaces voor signalen, gegevens en elektrische voeding zijn hier essentieel: ze helpen automatiseringsleveranciers om middelen en kosten te besparen bij het netwerken van productieapparatuur.

(Bron afbeelding: PeopleImages via Getty Images)

Digitalisering en naadloze datanetwerken die bedrijfsprocessen doordringen tot op het veldniveau van de productie zijn een blijvende trend in de automatiseringstechnologie. Hun doel is om zeer flexibele productieomgevingen te creëren die kunnen worden aangepast om een ongekend niveau van diversificatie en productiviteit te bereiken. Daarom ondergaat de verwerkende industrie een ontwrichtende transformatie onder de noemer 'Industry 4.0', waarbij het duurzame gebruik van alle beschikbare hulpbronnen een van de belangrijkste aspecten is.

Naadloos van veld naar cloud

Naadloze connectiviteit tussen machines, producten en - in laatste instantie - mensen is kenmerkend voor deze transformatie, die massaal de traditionele grenzen tussen Operationele Technologie (OT) en Informatietechnologie (IT) begint te doorbreken. Met Industrial Ethernet is er nu een technologie beschikbaar die zelfs apparaten op veldniveau via TCP/IP naadloos en kostenefficiënt kan verbinden met de cloud-gebaseerde data-infrastructuren van bedrijven. In tegenstelling tot veldbussen doorkruist Industrial Ethernet alle automatiseringsniveaus - end-to-end, van het veldapparaat tot de cloud. Fabrieks- en fabrieksoperators hebben dus in realtime toegang tot apparaatgegevens en kunnen deze gebruiken voor hun productieplanning, procesbesturing en gegevensanalyse.

Industrial Ethernet maakt bijvoorbeeld de realtime verwerving en analyse van gegevens van sensors, voedingen of aandrijvingen mogelijk. Aan de hand van informatie over temperatuurveranderingen of trillingen op kritische punten en belastingsprofielen kunnen conclusies worden getrokken voor de optimalisatie van procesparameters. Ze kondigen aan wanneer overbelastingssituaties te verwachten zijn en signaleren in een vroeg stadium dat onderhoud nodig is. Voorspellend onderhoud is hier van bijzonder belang, omdat het operators helpt de beschikbaarheid van hun installaties en machines te verbeteren en het energieverbruik en gebruik van hulpbronnen te minimaliseren - wat enerzijds de bedrijfskosten verlaagt, maar anderzijds een beslissende bijdrage levert aan de duurzaamheid van proces- en fabrieksinstallaties.

Robuust RJ45 alternatief

De fysieke ruggengraat van deze netwerken, in het bijzonder van Industrial Ethernet, is hoogwaardige interconnectietechnologie die zorgt voor een betrouwbare overdracht van signalen en gegevens tussen de verschillende knooppunten van de automatiseringsnetwerken. Naast de fysieke robuustheid die ze vereisen bij industrieel gebruik, worden dergelijke oplossingen tegenwoordig geconfronteerd met een aantal nieuwe uitdagingen, die bijvoorbeeld het gevolg zijn van de enorme hoeveelheid netwerkknooppunten, hun miniaturisatie of de hoge transmissiebandbreedte. Deze omvatten met name compacte vormfactoren, minder installatie- en bekabelingswerk, hoge signaalintegriteit - d.w.z. geavanceerde afscherming tegen elektromagnetische interferentie - en betrouwbaarheid over lange transmissieafstanden. Dit laatste is vooral relevant in uitgebreide plantenvelden. Apparaten die gebruikmaken van dataconnectoren moeten ook steeds vaker van stroom worden voorzien.

De standaardinterface voor Ethernet-communicatie is de veelgebruikte RJ45-connector. Gebruikers melden vaak problemen met de contacten of kapotte vergrendelingselementen; RJ45 beperkt ook de miniaturisatie vanwege de omvang. Alternatieven zoals de ix Industrial interface van de Duitse leverancier HARTING (Afbeelding 1) zijn daarentegen aanzienlijk kleiner en veel robuuster, met name bestand tegen schokken en trillingen. Volgens de fabrikant is een ruimtebesparing tot 70% op de printplaat mogelijk in vergelijking met standaard RJ45. De 360° afgeschermde connector is ontworpen voor 10 Gbit/s Ethernet-communicatie en is compatibel met PoE (Power-over-Ethernet) en PoE+ voor stroomoverdracht.

Afbeelding 1: Aanzienlijk kleiner en robuuster dan standaard RJ45-connectors: De industriële Ethernet-interface van HARTING ix Industrial. (Bron afbeelding: HARTING)

ix Industrial is een interface die door HARTING is ontwikkeld in samenwerking met de Japanse connectorspecialist Hirose. De afmetingen, elektrische eigenschappen en codering voldoen aan de IEC 61076-3-124-norm. Andere fabrikanten, zoals het Amerikaanse bedrijf Amphenol Communications Solutions, bieden ook producten met vergelijkbare eigenschappen die uitwisselbaar zijn met ix Industrial: bijvoorbeeld push-pull connectoren voor ruwe omgevingen in beschermingsgraden IP65/66/67, ix Mag connectoren met geïntegreerde magneten (afbeelding 2), of Ethernet-naar-RJ45 kabelassemblages met haakse RJ45-connectors; deze bieden zowel 100-Gbit Ethernet als PoE/PoE+ functionaliteit.

Afbeelding 2: Amphenol ix Mag: Ethernet-communicatie tot 10 Gbit/s, 360° afscherming en PoE++ tot 90 W (bron afbeelding: Amphenol Communications Solutions)

ix Industriële toepassing

Het volgende voorbeeld illustreert het enorme potentieel van krachtige, geminiaturiseerde Ethernet-interfaces voor Industy 4.0-toepassingen:

Het XTS lineaire transportsysteem van automatiseringsspecialist Beckhoff is een aandrijfoplossing die gebruik maakt van magnetisch aangedreven bewegers die langs een baan van volledig geïntegreerde motormodules bewegen. Volgens Beckhoff is hun onafhankelijke besturing die individuele bewegingsprofielen mogelijk maakt het uitgangspunt van nieuwe machineconcepten die flexibelere productieprocessen mogelijk maken met kortere stilstandtijden, zoals omwerken.

Om ervoor te zorgen dat de bewegers hun bewegingspatroon volgen, moet een computer voortdurend het schakelen en de stroomtoevoer van de respectieve motormodules berekenen. Hiervoor kunnen in totaal drie computerkaarten worden gecombineerd, die voorheen elk vier RJ45-sockets als poorten hadden. Om meer movers te kunnen gebruiken in de nieuwste generatie van het XTS-systeem zonder de afmetingen van het systeem te hoeven veranderen, werden de RJ45-sockets vervangen door de ix Industrial interface van HARTING. Betrouwbare afscherming en een hoge gegevensdoorvoer waren hier de belangrijkste vereisten. In tegenstelling tot RJ45 zijn er met elke ix Industrial connector twee 100-Mbit/s Ethernet-verbindingen mogelijk. Zo kunnen er acht in plaats van vier poorten op dezelfde printplaat worden gemonteerd en kunnen er twee Ethernetkanalen per poort worden geïnstalleerd in plaats van één.

Hierdoor werden er 48 in plaats van twaalf poorten geïmplementeerd op de drie computerkaarten. Met de nieuwste XTS-generatie kunnen nu 48 in plaats van twaalf XTS-lijnen per eenheid worden gebruikt, wat overeenkomt met een toename van 400% in de prestaties van het transportsysteem.

Twee draden - in plaats van vier of acht

Een onderscheidend kenmerk van de huidige industriële automatiseringstechnologie is de migratie van hiërarchische naar gedecentraliseerde architecturen. Deze worden als geavanceerd en bijzonder productief beschouwd en beloven bovendien een betere netwerkbeveiliging. Dit komt doordat intelligente knooppunten zoals slimme sensors of randcomputers, die in staat zijn om bepaalde gegevensverwerkingstaken autonoom uit te voeren, het gevoelige dataverkeer tussen de rand en de cloud verminderen. De voordelen van decentralisatie liggen voor de hand, maar het aantal aangesloten apparaten in het veld groeit enorm en daarmee ook de inspanningen voor bekabeling en connectiviteit. Hun economisch gebruik, zowel wat betreft materiaal- en installatie-inspanningen als energieverbruik, wordt een sterk criterium voor de duurzaamheid van productiefaciliteiten.

Single-Pair Ethernet (SPE) wordt beschouwd als een beslissende doorbraak op het gebied van efficiëntie en kosteneffectiviteit. De communicatietechnologie wordt gedefinieerd door de IEEE 802.3-norm; de IEC 63171-x standaardserie is van toepassing op de respectievelijke connectors. Het komt erop neer dat veldcomponenten kunnen worden aangesloten via slechts één getwist paar, d.w.z. twee draden in plaats van de vier of zelfs acht draden die voorheen nodig waren: goedkoop, efficiënt gebruik van hulpbronnen en daarom uiterst duurzaam. SPE is oorspronkelijk ontwikkeld voor auto-elektronica, maar voldoet nu aan de eisen van veel automatiseringsleveranciers: Het enkele paar draden stelt hen in staat om een groot aantal instrumenten, controllers en andere apparaten te integreren in Ethernet-netwerken met gigabit datasnelheden (Afbeelding 3).

Afbeelding 3. Single-Pair Ethernet maakt een resource- en kostenefficiënte integratie van het veldniveau in breedband-Ethernetcommunicatie mogelijk. (Bron afbeelding: SPE Industrial Partner Network)

Nog een voordeel: dankzij PoDL-compatibiliteit (Power-over-Data-Line, IEEE P802.3bu) kan hetzelfde paar draden niet alleen gegevens maar ook elektrische voeding leveren aan de veldapparatuur. Naast actuatoren en sensoren, binnen het vermogensbereik van de vorige PoE-voeding, kunnen bijvoorbeeld op camera's gebaseerde instrumenten worden aangesloten en gevoed via PoDL.

Producten voor Single-Pair Ethernet

In het SPE-segment neemt HARTING een positie in met de T1-connector, inclusief vergrendeling en 360° EMI-afscherming (Afbeelding 4). De T1, die geschikt is voor PoDL, is verkrijgbaar in ronde ontwerpen, waaronder M8 en M12. In termen van beschermingsgraden loopt het productspectrum van IP20 tot IP67 en volgens de fabrikant zijn de respectieve interface-tegenhangers ontworpen om aan de beschermingsklassen te voldoen en interoperabiliteit te garanderen.

Afbeelding 4: Afgeschermd en voorzien van vergrendelfunctionaliteit - de PoDL-compatibele T1 wordt aangeboden voor beschermingsgraden IP20 tot IP67. (Bron afbeelding: HARTING)

Phoenix Contact biedt ook een uitgebreid SPE-assortiment voor veldbekabeling van en naar schakelkasten, sensors, switches en gateways. De producten van deze leverancier omvatten bijvoorbeeld printplaatconnectoren of kabelassemblages voor gebruik in industriële omgevingen van IP20 tot IP67.

De open-source toolprovider SparkFun Electronics biedt een SPE-functieboard aan om ontwikkelaars te ondersteunen bij het ontwerpen van toepassingen met Single-Pair Ethernet (Afbeelding 5). De printplaat, genaamd MicroMod COM-19038, bevat een ADIN1110 Ethernet-zendontvanger van Analog Devices, passieve componenten van Würth Elektronik en een HARTING T1-connector. Een geïntegreerde MAC (Media Access Control) interface maakt seriële communicatie met een hostcontroller mogelijk op 10 Mbit/s in full-duplexmodus. Het bord ondersteunt netwerkknooppunten via 1700 m kabellengten, maar het is niet ontworpen om de knooppunten via deze kabel van stroom te voorzien. Kirk Benell, CTO van SparkFun, presenteert het ontwikkelbord in een demonstratievideo.

Afbeelding 5: Demonstrator voor een omgevingssensor met een display. (Bron afbeelding: SparkFun Electronics)

End-to-end netwerken in procestechnologie

De technische voordelen van Single-Pair Ethernet, bijvoorbeeld met betrekking tot conditiebewaking en voorspellend onderhoud, zijn ook gunstig voor procesautomatisering. Hier geldt echter een uitgebreid eisenprofiel voor ethernetconnectiviteit. Naast robuuste en breedbandige realtime communicatie, zoals die ook vereist is op een werkvloer, vereisen grootschalige procesinstallaties gegevensoverdracht over lange afstanden. Bovendien moeten automatiseringscomponenten intrinsiek veilig zijn voor gebruik in potentieel explosieve omgevingen. Dit is waar de zogenaamde Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet APL) zijn intrede doet: deze definieert een fysieke transmissielaag voor Ethernetcommunicatie met 10 Mbit/s en voor stroomvoorziening via één dubbele draad - zoals bij SPE - over afstanden tot 1000 m. Net als SPE is Ethernet APL perfect geschikt voor universele, multifunctionele veldinstrumentatie.

Samenvatting

Industrieal Ethernet, en in het bijzonder Single-Pair Ethernet, ondersteunt breedbandnetwerken van productieapparatuur. Ze maken naadloze communicatie van het veld naar de cloud mogelijk en geven real-time toegang tot apparaatgegevens, wat operators ondersteunt bij de optimalisatie van fabrieken en processen. De voordelen zijn duidelijk zichtbaar in lagere bedrijfskosten, hogere beschikbaarheid en geoptimaliseerd gebruik van energie en hulpbronnen. Geavanceerde verbindingstechnologieën zoals ix Industrial interfaces en SPE-connectoren met PoDL-mogelijkheid zorgen voor een betrouwbare gegevens- en stroomoverdracht tussen alle netwerkknooppunten. Dit maakt ze tot sleutelcomponenten van Industry 4.0 en een ruggengraat van duurzame automatiseringsconcepten.