Inteligentna fabryka przyszłości - część 2

Belden

Na początku roku opublikowałem nasz pierwszy artykuł o inteligentnej fabryce przyszłości. Opisywał wizję produkcji, gdzie systemy są bardziej inteligentne, elastyczne i dynamiczne. W przyszłości maszyny i sprzęt będą potrafiły ulepszać swoje działanie poprzez samo-optymalizację i autonomiczne podejmowanie decyzji. Jest to przeciwieństwo używania ustalonego programu operacji, tak jak to ma miejsce dzisiaj.

Struktura systemów automatyki przemysłowej również ulegnie zmianie. Nadal będzie oddzielny dedykowany poziom podstawowy z siłownikami i czujnikami, ale w dłuższej perspektywie wiele funkcji znajdujących się ponad tym będzie prawdopodobnie przenoszonych do wysokowydajnych serwerów zlokalizowanych w klastrze lub w chmurze.

Ważne będą systemy “cyber-fizyczne”, z pętlami zwrotnymi, gdzie procesy fizyczne wpływają na programy operacyjne i vice versa.  Przykładem systemu cyber-fizycznego jest Smart Grid, którego celem jest poprawa niezawodności i wydajności elektrycznego systemu sieciowego poprzez zbieranie tysięcy punktów danych i działanie na nich, korzystając z narzędzi do zarządzania oprogramowaniem.

Rozważmy teraz produkcyjną sieć LAN i jej systemy komunikacyjne. Jak musi się zmienić, aby zrealizować wizję inteligentnej fabryki.

Wysokie liczby połączonych urządzeń używających przemysłowego protokołu Ethernet

Liczba urządzeń połączonych w inteligentnej fabryce przyszłości LAN na pewno będzie większa niż dzisiaj. Dzieje się tak, ponieważ istnieje potrzeba zbierania tak dużej ilości danych czasu rzeczywistego (istotnych dla procesu), jak to tylko możliwe. Oszacowano, że ilość urządzeń zostanie podwojona lub potrojona.

Wyzwaniem będzie połączenie dużej liczby urządzeń na podstawowym poziomie w prosty i ekonomiczny sposób. Oczywiście nadal będą musiały być spełnione wymagające warunki dotyczące wydajności i niezawodności.

Znacznie zmniejszy się użycie magistral fieldbus, by zrobić miejsce dla spójnej i ujednoliconej komunikacji przez sieć Ethernet. Cała komunikacja bazowała bedzie na rodzinie protokołów IP, a Ethernet będzie podstawowym protokołem komunikacyjnym, niezależnie czy połączenie jest przewodowe czy bezprzewodowe.

Wzrost w wykorzystaniu gwiaździstej topologii

Zgodnie z najlepszą obecnie praktyką, przyszłe sieci z dużą liczbą urządzeń powinny być uporządkowane hierarchicznie, aby uprościć zarządzanie siecią oraz jej działanie. Poziom podstawowy powinien być podzielony na komórki komunikacyjne, takie jak jednostki produkcyjne czy inne logiczne bądź fizyczne dane. Różnica będzie polegała na tym, że ilość danych generowanych w komórkach będzie znacznie wyższa niż obecnie.

Sieć nadal będzie używać topologii gwiaździstej, liniowej, pierścieniowej lub ich mieszaniny. Użycie topologii gwiaździstej wzrośnie, jednak dlatego, że ma pewne zalety - bardzo małe opóźnienie i duża niezawodność - w porównaniu do innych topologii.

Wadą topologii gwiaździstej jest to, że awaria przełącznika rozłączy wszystkie połączone urządzenia. Niemniej jednak symulacje dokładnie pokazują, że jeden większy przełącznik ma większą całkowitą niezawodność, a dokładniej większy średni czas pomiędzy awariami (MTBF) - w porównaniu do systemów składających się z wielu kaskadowo połączonych małych przełączników. To właśnie jest powód, dla którego topologie gwiaździste są używane obecnie w centrach danych.

Linie i pierścienie też będą używane, ponieważ określone topologie mogą mieć zalety w okablowaniu. Dodatkowo wzrośnie wykorzystanie bardziej złożonych struktur, takich jak obszerne sieci topologii siatki. Wraz z przyjęciem nowych protokołów, te sieci będą potrzebować mniej wysiłku w kwestii zarządzania.

Przewodowe czy bezprzewodowe?

Czy w przyszłości wszystkie urządzenia będą połączone kablami i przewodami, czy wszystko będzie bezprzewodowe? W zastosowaniach przemysłowych z przeszłości komunikacja była prawie wyłącznie oparta na sieciach przewodowych.

Jednak w ostatnich latach systemy bezprzewodowe znalazły coraz więcej zastosowań. Były adaptowane najczęściej do niekrytycznych zastosowań przemysłowych, takich jak konfiguracja i monitorowanie, transfer danych peryferyjnych i dla robotów mobilnych.

Wyzwaniem dla radia jest fakt, iż jest to “medium współdzielone”, tj. wszystkie urządzenia współdzielą pewien zakres częstotliwości. Jeśli urządzenie nadaje, kanał jest zajęty. Komunikacja radiowa może być także podatna na błędy. Inne systemy radiowe, inne wpływy elektromagnetyczne lub obiekty mogą wpływać na nadawanie i znacznie pogorszyć jego jakość, przepustowość i opóźnienie.

Sporadyczna utrata pakietów danych jest normą w niektórych systemach i zastosowania muszą sobie z nią poradzić. Odbywa się to kosztem przepustowości i opóźnień. Podczas gdy może być to dopuszczalne w korporacyjnych środowiskach wdrożeń bezprzewodowych, przemysłowe produkty bezprzewodowe muszą być zaprojektowane od podstaw w celu zapewnienia niezawodnej wydajności.

Dobrze zaprojektowane przemysłowe punkty bezprzewodowe wykorzystują obecnie takie techniki, jak:

·    Zwiększona ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) w niebezpiecznych środowiskach

·    Bezprzewodowa technologia siatki do szybkiej rekonfiguracji i zapewnienia jakości usług

·    Protokoły redundancji, jak np. PRP do komunikacji bezprzewodowej.

Te inteligentne technologie pomagają bezprzewodowym zastosowaniom dostosować się do problemów z kanałami radiowymi i dostarczać o wiele więcej pewnych systemów.

Niemniej jednak, wymagania niezawodności będą napędzały wybór technologii komunikacji przewodowej bądź bezprzewodowej w inteligentnej fabryce. Można się spodziewać znacznego wykorzystania komunikacji przewodowej, ale elastyczność wdrażania bezprzewodowej łączności wpłynie na wzrost użytkowania pasujących przemysłowych produktów bezprzewodowych.

Komunikacja w fabryce LAN

Mój następny artykuł z tej serii będzie kontynuował analizę wymagań komunikacji od strony produkcyjnej sieci LAN, by osiągnąć wizję fabryki przyszłości. Przyjrzę się szybkości transmisji danych, cyber-bezpieczeństwu, niezawodności i innym aspektom związanym z nadchodzącymi systemami przemysłowej komunikacji.

Co myślisz o inteligentnej fabryce? Czy podejmujesz kroki, aby ją osiągnąć? Czekam na wiadomość od Ciebie!

Komentarz edytora: Ten artykuł powstał dzięki wiedzy i doświadczeniu Andreasa Drehera, managera technologii strategicznej Automatyzacji i Kontroli Hirschmann.

Jeśli masz jakiekolwiek pytania, wątpliwości czy uwagi, zapraszamy do kontaktu! Jesteśmy do dyspozycji od poniedziałku do piątku w godz. 8:00 – 16:00.

Tel: +48 32 256 25 33

E-mail: info@pf-electronic.pl