Hoe een enkele veldbuskabel gebruiken voor meerdere gelijktijdige ethernetprotocollen

De steeds snellere verschuiving naar Industrie 4.0 en het Industrial Internet of Things (IIoT) brengt de behoefte aan gegevensverzameling en connectiviteit met zich mee, waardoor analyses mogelijk worden om de productiviteit en veiligheid te verbeteren. Het horizontaal en verticaal verzamelen en overdragen van gegevens in een fabriek kan echter complex en kostbaar zijn, vooral als er meerdere netwerken en ruwe omgevingen bij betrokken zijn. Ontwerpers hebben een manier nodig om op efficiënte wijze industriële netwerken te ontwerpen, implementeren en beheren die gegevens kunnen uitwisselen met meerdere programmeerbare logische controllers (PLC's), sensors en actuators van verschillende leveranciers, terwijl tegelijkertijd verschillende protocollen en minimale bedrading worden gebruikt.

Dit kan worden bereikt met een geïntegreerd en geoptimaliseerd gedistribueerd input/output (I/O) platform dat meerdere protocollen kan verwerken via een enkele Ethernet-kabel. Een dergelijk systeem stelt industriële netwerkbeheerders ook in staat om de servicevereisten te vereenvoudigen en de voorraad reserveonderdelen te verkleinen door te standaardiseren op één I/O-platform, ongeacht de gebruikte PLC.

Dit artikel geeft een kort overzicht van Industrie 4.0-netwerken. Vervolgens wordt een I/O-platform van Siemens geïntroduceerd dat geschikt is voor meerdere Ethernet-veldbussen op één kabel in ruwe omgevingen, en wordt getoond hoe het kan worden gebruikt om te voldoen aan de behoeften van Industry 4.0-ontwerpers.

Ethernet-protocollen

Industry 4.0-implementaties hebben verschillende communicatiebehoeften. Elk van de drie belangrijkste veldbusprotocollen, PROFINET, EtherNet/IP en Modbus TCP, ondersteunt verschillende gebruikssituaties, van operationele technologie (OT) op de fabrieksvloer tot informatietechnologie (IT).

PROFINET: Dit is een deterministisch, krachtig protocol dat wordt gebruikt voor gegevensuitwisseling tussen controllers zoals PLC's en apparaten. Hij is geschikt voor real-time en veiligheidskritische functies, waaronder snelle motion control-toepassingen. Het wordt ook gebruikt voor de integratie van OT/IT-functies.

EtherNet/IP: dit protocol maakt gebruik van het standaard ethernetprotocol, waardoor het eenvoudig te implementeren is met ethernetapparaten. Het Common Industrial Protocol (CIP) is geoptimaliseerd voor industriële automatiseringstoepassingen en ondersteunt netwerktechnologieën zoals EtherNet/IP. EtherNet/IP kan ook worden gebruikt voor gegevensuitwisseling van het veldniveau naar IT-systemen.

Modbus TCP: Dit is een op TCP/IP gebaseerd protocol dat handig is voor niet-tijdkritische functies zoals het verzamelen van energieverbruik en omgevingsgegevens, en voor gegevensuitwisseling tussen veldniveau en IT-systemen.

Aangezien elk van de drie veldbussen een specifiek doel heeft, zijn ze alle drie nodig. Dit zorgt voor complexe communicatie-uitdagingen en dat is waar MultiFieldbus-systemen om de hoek komen kijken. De MultiFieldbus communicatiecontroller bevindt zich tussen het veldniveau en het besturingsniveau en communiceert tegelijkertijd met meerdere controllers die verschillende protocollen gebruiken via één netwerkkabel (Afbeelding 1). MultiFieldbus-apparaten zijn te vinden in verschillende omgevingen, van binnen in een beschermde schakelkast tot buiten op de fabrieksvloer en afgelegen installaties buitenshuis.

Afbeelding 1: Een MultiFieldbus-communicatiecontroller bevindt zich tussen het veldniveau en het besturingsniveau en maakt uitgebreide Industry 4.0-connectiviteit en -communicatie mogelijk. (Bron afbeelding: Siemens)

Diverse omgevingen

Verschillende omgevingen vereisen apparaten met verschillende IP-classificaties (Ingress Protection) van IP20 tot IP67. Het IP-classificatiesysteem is vastgelegd in de norm 60529 van de Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC) en classificeert apparaten op basis van hun vermogen om bescherming te bieden tegen het binnendringen van stof en vloeistoffen en hoe gemakkelijk gevaarlijke delen van het omsloten systeem toegankelijk zijn voor vingers, gereedschap of vaste voorwerpen van verschillende grootte. IP-codes bestaan uit twee cijfers. De eerste geeft de bescherming tegen vaste voorwerpen aan en wordt gewaardeerd op een schaal van 0 (geen bescherming) tot 6 (geen binnendringend stof). Het tweede cijfer geeft de bescherming tegen vloeistoffen aan en wordt gewaardeerd van 0 (geen bescherming) tot 9 (bescherming tegen heet water onder hoge druk vanuit verschillende hoeken).

Apparaten met IP20-classificatie zijn bijvoorbeeld handig in schakelkasten of vergelijkbare omgevingen. De 2 geeft aan dat er bescherming is tegen deeltjes > 12,5 millimeter (mm), zoals vingers of soortgelijke voorwerpen, en de 0 geeft aan dat er geen bescherming is tegen binnendringend water.

Voor meer veeleisende omgevingen zijn de typische IP-classificaties IP65, IP67 en IP69K waarbij de 6 staat voor een verzegelde en volledig stofdichte behuizing. Deze IP-classificaties bieden verschillende bescherming tegen water.

• IP65 geeft aan dat water dat door een spuitmond (6,3 mm) uit een willekeurige richting tegen een behuizing wordt geprojecteerd, geen schadelijke effecten heeft.
• IP67 geeft aan dat het binnendringen van water in een schadelijke hoeveelheid niet mogelijk is wanneer de behuizing wordt ondergedompeld in water tot 1 meter (m).
• IP69K is voor apparatuur die wordt gebruikt in wegvoertuigen en is van toepassing op hogedrukreiniging bij hoge temperaturen.

MultiFieldbus-platform

Het SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus-platform en de interfacemodules van Siemens kunnen gelijktijdig gegevens uitwisselen met meerdere controllers die gebruik maken van PROFINET-, EtherNet/IP- en Modbus TCP-protocollen via dezelfde kabel. De communicatieprotocollen kunnen allemaal via software worden geconfigureerd zonder dat er iets aan de hardware hoeft te veranderen. Het complete SIMATIC ET 200 I/O-platform met MultiFieldbus omvat ook modules met IP20-classificatie voor gebruik in schakelkasten, modules met IP65 en IP67 voor binnengebruik op machines en IP69K voor buitengebruik (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Het SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus platform omvat verschillende apparaatfamilies en kan Industry 4.0-installaties ondersteunen in schakelkasten, binnen op machines en buiten. (Afbeelding: Siemens)

Het systeem ondersteunt gelijktijdige communicatie met maximaal zes PLC's die verschillende veldbusprotocollen gebruiken. Daarnaast zijn er modules voor IO-Link, Profibus, point-to-point (PtP), controller area network (CAN), actuator sensor interface (Asi), digitaal adresseerbare verlichtingsinterface (DALI) en digitale multiplexer DMX512. Standaard en failsafe I/O kunnen worden gecombineerd op één station.

De multifunctionele en modulaire architectuur van het systeem ondersteunt maatwerk op grote schaal, een kenmerk van Industry 4.0-fabrieken. Snelle bedrading wordt ondersteund met push-in-aansluitingen en er zijn modules beschikbaar voor een reeks functies zoals tellen, energiebewaking, motorstarters, positie-ingangen, servoaandrijvingen, temperatuurmeting, tijdgebaseerde I/O en zelfs het opladen van elektrische voertuigen. Veel van de modules ondersteunen PROFIenergy, een profiel van het PROFINET-communicatieprotocol dat energiebeheer in industriële automatiseringsapparaten mogelijk maakt.

De SIMATIC ET 200SP is een multifunctioneel en schaalbaar gedistribueerd I/O-systeem met een grote verscheidenheid aan modules. Zo is model 6ES71556MU000CN0 een interfacemodule met twee poorten voor gebruik in schakelkasten (Afbeelding 3) en is model 6ES71936BP000BA0 een SIMATIC ET 200SP-basiseenheid met een bijzonder kleine voetafdruk die ontworpen is voor installatie in kleine schakelkasten naast machines. Beide hebben een IP20-classificatie en een bedrijfstemperatuurbereik van -30 °C tot +60 °C.

Afbeelding 3: De 6ES71556MU000CN0 is een interfacemodule met twee poorten voor gebruik in schakelkasten. (Bron afbeelding: Siemens)

Trillingsbestendige modules voor assemblagelijnen

De SIMATIC ET 200AL is geoptimaliseerd voor toepassingen met beweging, zoals geautomatiseerde en halfautomatische assemblagelijnen (Afbeelding 4). De modules kunnen trillingen aan tot 5 g continu met een maximum van 10 g. Ze hebben een IP65/67-classificatie met een bedrijfstemperatuurbereik van -25 °C tot +55 °C en hun compacte en lichte ontwerp is geschikt voor gedistribueerde besturingstoepassingen op machines. Ze zijn verkrijgbaar met modulebreedtes van 30 mm of 45 mm en ondersteunen tot 32 modules per station. De modules ondersteunen de integratie van sensors en actuators met M8- of M12-connectors, afhankelijk van de module. Ze beschikken ook over de PROFIenergy-functionaliteit.

Afbeelding 4: ET 200AL-modules (rechtsonder) zijn geoptimaliseerd voor toepassingen waarbij beweging een rol speelt en kunnen trillingen tot 5 g continu aan. (Bron afbeelding: Siemens)

Voorbeelden van ET 200AL-modules zijn:

• De 6ES71415BF000BA0 heeft acht digitale ingangen en M8-aansluitingen voor het aansluiten van naderingssensors en switches. De afmetingen zijn 30 mm x 159 mm.
• De 6ES71445KD500BA0 heeft acht analoge ingangen en M12-aansluitingen. Meettypes kunnen worden geprogrammeerd voor elk kanaal, inclusief spanning, stroom (2- en 4-draads transducers), weerstand (2- en 3-draads transductors) en weerstandsthermometerdetectors (2- en 3-draads aansluitingen). Het heeft een 16-bits resolutie en meet 30 mm x 159 mm.

IP65/67-gecertificeerde modules voor montage op machines

SIMATIC ET 200pro-modules zijn IP65/67 geclassificeerd en ontworpen voor installatie buiten een schakelkast, direct bij een machine. Met een draadloze verbinding zijn deze modules zeer geschikt voor gebruik in toepassingen zoals automatisch geleide voertuigsystemen, gebouwbeheer, magazijnlogistiek en elektrische monorailsystemen. De familie kan hot-swapped worden en bevat CPU-modules (Central Processing Unit), interfacemodules, I/O-modules en functionele modules.

De ET 200pro-serie bevat een reeks functies zoals IO-Link en radiofrequentie-identificatie (RFID). Motorstartermodules kunnen worden gebruikt voor het starten en beveiligen van motors en belastingen tot 5,5 kilowatt (kW). Er zijn faalveilige versies beschikbaar die veiligheidsintegriteitsniveau (SIL) 3 kunnen ondersteunen. De frequentieconvertormodule kan worden gebruikt voor open of gesloten regeling van inductiemotors. De 6ES71444JF000AB0-temperatuurmeetmodule is zeer flexibel en kan geprogrammeerd worden om een reeks weerstandstemperatuurdetectors (RTD's) te gebruiken, waaronder Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 en NI1000, en kan de temperatuur uitvoeren als Celsius of Fahrenheit.

Modules voor machineaanbouw voor buiten en gevaarlijke omgevingen

SIMATIC ET 200eco PN-modules bieden een compacte blok-I/O met IP65- en IP67-classificaties en zijn geschikt voor kastloze installatie direct op een machine. Net als alle ET 200-modules ondersteunen ze PROFINET, Ethernet/IP en Modbus TCP. Deze modules worden geleverd in een volledig afgedichte behuizing van gegoten zink en zijn bestand tegen trillingen, stof, olie en vochtigheid, waardoor ze geschikt zijn voor buiteninstallaties. Ze hebben een bedrijfstemperatuur van -40 °C tot +60 °C. De ET 200eco PN-serie is goedgekeurd door de ATEX-richtlijn (Atmosferes Explosibles) van de Europese Unie (EU) en kan worden gebruikt in explosiegevaarlijke omgevingen tot zone 2.

Voor apparaten die voldoen aan de IO-Link V1.1-specificatie kunnen apparaat- en masterparameters automatisch worden overgedragen met behulp van de 'autostartfunctie' zonder voorafgaande configuratie als een apparaat moet worden vervangen. Module 6ES71486JG000BB0 kan bijvoorbeeld werken als een IO-Link V1.1-masterapparaat en bevat een combinatie van 4 IO-Link-poorten van klasse A en 4 van klasse B (Afbeelding 5). De poorten kunnen functioneren als digitale in- of uitgangen, afhankelijk van de parametertoewijzingen. Hij is geschikt voor IP67 en IP69K en ondersteunt drie transmissiesnelheden: 4,8 kilobaud (kBd) op COM1, 38,4 kBd op COM2 en 230,4 kBd op COM3.

Afbeelding 5: De SIMATIC ET 200eco PN-module (links) en een close-up van een typische installatie (rechts) (Afbeelding bron: Siemens)

Conclusie

Het implementeren van Industry 4.0-netwerken is een complexe onderneming die rekening moet houden met meerdere communicatie-interfaces en verschillende bedrijfsomgevingen. Om fabrieksnetwerken te stroomlijnen, kunnen ontwerpers het SIMATIC ET 200 MultiFieldbus-platform van Siemens gebruiken om gelijktijdig gegevens uit te wisselen met maximaal zes PLC's die PROFINET, EtherNet/IP en Modbus TCP protocollen gebruiken via dezelfde kabel.

Aanbevolen lectuur

1. Ondersteuning van massamaatwerk, hoge kwaliteit en duurzame activiteiten in Industry 4.0-fabrieken
2. Hoe oudere fabrieksautomatiseringssystemen aansluiten op Industry 4.0 zonder verstoring