wersja mobilna
Online: 323 Środa, 2016.09.28

Raporty

Jak maszyny komunikują się ze sobą? Przemysłowe sieci komunikacyjne

środa, 17 kwietnia 2013 10:10

Sieci komunikacyjne stanowią swoisty kręgosłup nowoczesnych zakładów przemysłowych, elektrowni, budynków komercyjnych i różnych innych obiektów, gdzie wykorzystywana jest automatyka, zachodzi konieczność wykonywania pomiarów i kontroli pracy urządzeń. Są one również nieodzowną częścią maszyn oraz instalacji technologicznych.

Spis treści » Część I - Od sieci fieldbus do ethernetu (i dalej)
» Switch i moduły I/O najpopularniejsze
» Ethernet czy może eter?
» Część II - Rynek krajowy i jego perspektywy
» Wspomnienie Euro 2012
» Stała grupa odbiorców
» Tanio i solidnie
» Niemcy oraz Tajwan
» Dystrybutorzy lubią urządzenia sieciowe
» Pokaż wszystko

Przemysł jest przy tym branżą o tyle specyficzną, że wykorzystuje bardzo wiele różnych standardów sieciowych i rozwiązań komunikacyjnych - zarówno tych własnościowych, jak też bazujących na protokołach otwartych, w tym w szczególności Ethernecie.

Przedstawiamy nową edycję raportu, w którym omawiamy popularne w branży rodzaje sieci komunikacyjnych oraz produkty najczęściej trafiające do rodzimych klientów. Bazując na opiniach dostawców, identyfikujemy również trendy, które zmieniają i zmieniały będą w przyszłości omawiany rynek.

CZĘŚĆ I - OD SIECI FIELDBUS DO ETHERNETU (I DALEJ)

Rys. 1. Najpopularniejsze, najczęściej sprzedawane w kraju komponenty przemysłowych sieci komunikacyjnych

Różnorodność wykorzystywanych w przemyśle standardów komunikacyjnych wynika zarówno z zaszłości historycznych, gdyż wiele z nich tworzonych było przez kolejnych producentów działających na rynku automatyki, jak też różnego ich przeznaczenia. Na każdym z poziomów organizacyjnych przedsiębiorstw wymagania stawiane infrastrukturze sieciowej są bowiem inne, co wpływa też na różnorodność stosowanych sposobów transmisji danych.

I tak - powstały rozwiązania do komunikacji z czujnikami i elementami wykonawczymi, jak też te służące do przesyłania informacji pomiędzy sterownikami i napędami, a także przeznaczone do pracy w systemach wymagających synchronizacji urządzeń w czasie rzeczywistym. Inną grupę stanowią sieci wykorzystywane w systemach automatyki budynkowej, a jeszcze inne są rozwiązania własnościowe różnych producentów - takie jak sieci używane do wewnętrznej komunikacji sterowników z modułami we/wy.

Branża automatyki przez lata rozwinęła szereg standardów komunikacyjnych, które zbiorczo określić można mianem sieci polowych (fieldbus). Jednocześnie całkiem niedawno, przynajmniej jak na historię całej współczesnej automatyki, w przemyśle pojawił się Ethernet. Możliwość jego wykorzystania w zadaniach takich jak opisane powyżej, a więc sterowania czy komunikacji z elementami wykonawczymi, zapewnili producenci branżowi, tworząc protokoły bazujące na podstawowych warstwach modelu OSI.

Tabela 1. Komponenty sieci przemysłowych - oferta firm na rynku

Ich rozwiązania zapewniają synchronizację przesyłania danych, gwarantując jej determinizm (więcej o tym w jednym z kolejnych rozdziałów). Popularyzacji tego typu sieci Ethernetu przemysłowego sprzyjają ponadto malejące koszty wdrażania, możliwości łatwej integracji z systemami nadrzędnymi oraz wydajność i funkcjonalność.

SWITCHE I MODUŁY I/O NAJPOPULARNIEJSZE

Co przedstawiono na rysunku? Po lewej stronie znajduje się ideowy schemat systemu automatyki i sterowania obejmujący kilka poziomów funkcjonalnych występujących w instalacjach technologicznych - od najniższego, związanego z czujnikami, wskaźnikami, aktuatorami oraz innymi prostymi urządzeniami, poprzez warstwę sterowania, wizualizacji, aż do zarządzania. Po prawej stronie przedstawiono popularne sieci polowe oraz ethernetowe, przy czym zaznaczono przybliżony zakres ich zastosowań - przykładowo dla HART jest to komunikacja z czujnikami i urządzeniami pomiarowymi, dla EtherCAT - teoretycznie wszystkie ze wskazanych obszarów.

"Podzespoły sieciowe" to pojęcie obejmujące kilka grup urządzeń różniących się funkcjonalnie i pod względem zastosowań. Zdaniem dostawców obsługujących polski przemysł i innych klientów profesjonalnych (np. energetykę, kolejnictwo) dominującą obecnie grupą najczęściej sprzedawanych produktów są switche oraz routery przemysłowe (patrz rys. 1).

Dotyczy to przede wszystkim urządzeń do sieci Ethernet, w tym obejmujących zarówno wersje niezarządzalne, jak też urządzenia zarządzalne o różnej liczbie portów i funkcji. Tymi ostatnimi są m.in. możliwość pracy w pierścieniu, funkcje związane z przesyłem danych (np. QoS) oraz grupowaniem portów.

Ze względu na częste występowanie zaburzeń elektromagnetycznych oraz konieczność transmisji danych na większe odległości, w przemyśle chętnie stosuje się sieci światłowodowe, stąd też popularność urządzeń z tego typu interfejsami oraz z portami uniwersalnymi, których funkcjonalność określa zastosowany moduł.

Trendem rozwojowym jest w przypadku omawianych urządzeń rosnące obecnie wykorzystanie sieci gigabitowych, a w przyszłości - spodziewana popularyzacja rozwiązań 10 Gb/s. Patrząc na rezultaty przeprowadzanych przez redakcję regularnie badań rynku, można stwierdzić, że niezmiennie dobrze sprzedają się konwertery sieciowe (konwertery mediów, mediakonwertery, urządzenia typu gateway).

Spopularyzowały się one wraz ze wzrostem powszechności Ethernetu i są praktycznie nieodzowne w przypadku modernizacji maszyn oraz rozbudowy istniejących linii technologicznych. Również fakt, że w zakładach często zachodzi konieczność stosowania kilku różnych typów sieci w zależności od obsługiwanych urządzeń, sprawia, że rzadko można zastosować jedno rozwiązanie sieciowe i jest konieczne używanie konwerterów.

Rys. 2. Odpowiedzi na pytania: "czy następuje unifikacja sieci stosowanych w przemyśle?" (wykres kołowy) oraz "jeżeli następuje, to jakie są najpopularniejsze ze standardów" (wykres chmurowy - wielkość napisu jest proporcjonalna do popularności)

Obejmuje to przede wszystkim urządzenia z interfejsami do sieci szeregowych i innych przetwarzające komunikaty na standard ethernetowy, moduły służące do zmiany medium transmisyjnego - w szczególności Ethernetu miedzianego na światłowodowy oraz moduły wykorzystujące transmisję bezprzewodową.

Do produktów stanowiących ofertę dostawców produktów sieciowych należą też serwery portów oraz karty sieciowe. Często są to wersje wieloportowe, co pozwala na komunikację z wieloma innymi urządzeniami - stosuje się jedną kartę instalowaną przykładowo w komputerze przemysłowym.

Należy też zaznaczyć, podobnie jak w zeszłym raporcie, że do grupy podzespołów sieciowych zaliczyć można formalnie praktycznie dowolne urządzenia z takim interfejsem - np. panele operatorskie czy sterowniki. Nie są one jednak klasyfikowane w bieżącym zestawieniu jako elementy sieci przemysłowych, gdyż komunikacja nie jest ich podstawową funkcją.

Osobą grupę stanowią moduły we/wy, które pod względem popularności można przyrównać do switchy przemysłowych (patrz rys. 1). Inne są jednak ich zastosowania - o ile switche i routery to typowe komponenty sieci przemysłowych, o tyle modułom bliżej do standardowej automatyki i systemów sterowania. Pozwalają one na podłączenie wielu sygnałów/urządzeń i komunikację z tymi ostatnimi z wykorzystaniem jednego połączenia sieciowego.

Tabela 2. Promowane standardy i dystrybuowane lub produkowane marki urządzeń

Podzespoły dostępne są w różnych wykonaniach - zarówno z wejściami i wyjściami cyfrowymi, jak też analogowymi, przeznaczonymi do podłączania określonych czujników, liczników, napędów, itd. Podzespoły takie mogą występować przy tym zarówno w wersjach kompaktowych, tj. o określonej liczbie punktów - np. 8, 16, jak też modułowych, "plasterkowych".

Wersje kompaktowe oferowane są również w wykonaniach o wysokim stopniu ochrony, co pozwala na ich instalację bezpośrednio na maszynach. Moduły we/wy pierwotnie były elementami sterowników modułowych rozszerzającymi liczbę ich interfejsów, z czasem zaczęto je też stosować jako urządzenia zdalne, samodzielne.

W przypadku interfejsu do podłączania systemu nadrzędnego dostępne są różne standardy, w tym bazujące zarówno na Ethernecie, jak też sieciach polowych. Moduły we/wy uznawane są też przez polskich dostawców jako jedne z lepszych produktów pod względem możliwości zarobienia.

Sprzedają się one w relatywnie dużych ilościach, do tego cechują dobrymi marżami, przez co znaleźć je można zarówno u dostawców urządzeń sieciowych, jak też producentów i dystrybutorów urządzeń automatyki i sterowania.

Cezary Kalista

Antaira Technologies

  • Jakimi produktami sieciowymi zainteresowani są polscy odbiorcy? Kto je kupuje i jakie są zmiany, jeżeli chodzi o preferencje zakupowe klientów?

Aplikacje przemysłowe to bardzo pojemne pojęcie i to, co kupują klienci, w dużej mierze uzależnione jest od danego zastosowania. Każda branża ma swoje specyficzne wymagania, a często w ramach jednej aplikacji wymagania wobec sprzętu różnią się w zależności od tego, czy mamy do czynienia ze szkieletem sieci, czy transmisją danych na poziomie urządzeń.

Gdybym miał wskazać jeden typ najlepiej sprzedających się urządzeń sieciowych, to bez wątpienia byłyby to uniwersalne switche ethernetowe z 5-8 portami. Odporność na ekstremalne temperatury, wstrząsy i wibracje zapewnia im bardzo szerokie spektrum zastosowań, dlatego urządzenia te znajdują największą liczbę nabywców.

W ramach tej grupy urządzeń często pojawia się zapotrzebowanie na wersje z 1-2 portami optycznymi oraz PoE. Tam, gdzie wymagana jest redundancja połączeń, stosuje się switche zarządzalne, przy czym częściej wybierane są modele z korzystnym stosunkiem ceny do możliwości niż z zaawansowanymi funkcjami.

Pomimo spadających cen przełączników do sieci Gigabit Ethernet, ich udział w sprzedaży jest znacznie mniejszy niż wersji Fast Ethernet. Wiąże się to z faktem, że w automatyce przemysłowej często mamy do czynienia z pakietami wielkości kilku bajtów, podczas gdy minimalna długość ramki Fast Ethernet to 64 bajty, a dla Gigabit Ethernet - 512 bajtów.

Może się więc okazać, że zastosowanie znacznie szybszych przełączników nie przyniesie spodziewanych rezultatów. Głównymi odbiorcami komponentów do budowy sieci przemysłowych są integratorzy systemów. Firmy te zajmują się projektowaniem oraz wykonaniem aplikacji i w większości przypadków oczekują od dostawcy kompletacji sprzętu.

Integratorzy systemów doceniają to, że w jednym miejscu mają zapewnioną kompletację urządzeń zgodną z wymaganiami projektu, wsparcie techniczne oraz serwis gwarancyjny i pogwarancyjny.

ETHERNET CZY MOŻE ETER?

Rys. 3. Ocena wpływu rozwoju komunikacji bezprzewodowej w przemyśle na rynek sieci przewodowych

Tworząc raporty takie jak bieżący, regularnie pytamy polskich dostawców o to, czy ich zdaniem następuje unifikacja sieci komunikacyjnych stosowanych w przemyśle. W ostatnich dwóch dekadach taki proces niewątpliwie przybierał na sile - szczególnie standardy własnościowe zastępowane były albo popularnymi technologiami komunikacyjnymi, albo przynajmniej takimi, które wspierane były przez organizacje zrzeszające firmy branżowe.

Była to naturalna konsekwencja zmian potrzeb klientów, którzy skłaniali się coraz częściej ku rozwiązaniom otwartym, a więc zapewniającym możliwość korzystania z komponentów różnych dostawców i bezpieczeństwo samej inwestycji. Czy unifikacja jest obecnie nadal ważnym trendem, czy może automatycy stosują w wykonywanych projektach nadal różnorodne standardy sieciowe?

Dokonując uśrednienia kilku ostatnich raportów, stwierdzić można, że respondenci podzieleni są w odpowiedzi na takie pytanie w stosunku 50:50 (patrz rys. 2). Jeżeli zaś chodzi o unifikację rozwiązań komunikacyjnych, to kluczowy jest wzrost wykorzystania Ethernetu jako sieci uniwersalnej, która zapewnia komunikację zarówno w automatyce, jak też na wielu różnych poziomach organizacyjnych przedsiębiorstw.

Można wręcz stwierdzić, że spowodowała ona w ostatnich latach równie wiele zmian, co dawniej upowszechnienie się samej komunikacji z wykorzystaniem protokołów fieldbus. Obecnie gniazdko RJ-45 jest standardowym elementem paneli operatorskich, sterowników i wielu napędów, a z Ethernetu korzysta się też w aplikacjach pracujących w czasie rzeczywistym.

W przypadku tych ostatnich spopularyzowały się standardy takie jak m.in. EtherNet/IP, Profinet, Modbus TCP/IP, Ethernet Powerlink, EtherCAT i podobne (patrz schemat publikowany w raporcie). Zapewniają one zachowanie determinizmu czasowego, pozwalając na synchronizowanie pracy napędów, robotów i innych urządzeń, a do tego transmitowanie dużych ilości danych.

Sądzić można, że automatycy z roku na rok są coraz bardziej przekonani do tego typu sieci komunikacyjnych, odkładając na półkę pogląd, że Ethernet nie nadaje się do zastosowań w aplikacjach czasu rzeczywistego. Wymienione sieci należą zresztą - i to w podanej kolejności - do najpopularniejszych standardów Ethernetu przemysłowego na świecie.

Tak uważają analitycy IMS Research, których zdaniem właśnie wdrożenia standardów Ethernet/IP, Profinet oraz Modbus TCP/IP stanowią obecnie około 65% wszystkich istniejących aplikacji rozwiązań bazujących na Ethernecie przemysłowym. Warto zwrócić uwagę na fakt powszechnego wykorzystania komunikacji ethernetowej na wyższych poziomach systemów automatyki oraz w zarządzaniu pracą zakładów.

Rys. 4. Aktualna sytuacja na rynku dystrybucji przemysłowych urządzeń sieciowych

Tutaj jest ona właściwie bezkonkurencyjna, gdyż stanowi standard biznesowych systemów IT. Do tego dochodzą relatywnie niskie koszty standardowej infrastruktury, możliwość tworzenia sieci o różnych topologiach, a także dostępność narzędzi związanych z diagnostyką sieci. Popularność technologii informatycznych, takich jak te związane z zarządzaniem jakością i bezpieczeństwem transmisji, czy możliwość zasilania urządzeń poprzez kabel komunikacyjny (technologia PoE) stanowią dodatkową motywację do wykorzystania Ethernetu w automatyce.

Naturalną tego konsekwencją jest też zapewnianie zdalnego dostępu do danych i nadzoru instalacji z odległych lokalizacji przez Internet. Niemniej jednak, co należy zdecydowanie podkreślić, odbiorcy komponentów sieciowych - czy to producenci maszyn, czy też integratorzy systemów - cały czas korzystają z rozwiązań wypracowanych przez branżę automatyki na przestrzeni wielu lat.

Dzieje się tak jednocześnie pomimo popularyzacji Ethernetu. Wykorzystanie sieci fieldbus wynika przy tym z wielu czynników - i samych wymogów aplikacji, kosztów, jak też dostępności urządzeń. Standardy takie jak Profibus czy nawet urządzenia z interfejsami szeregowymi pozostaną z nami jeszcze długo zarówno ze względu na specyfikę ich zastosowań i już istniejące wdrożenia, jak też wsparcie ze strony czołowych dostawców branżowych.

Tworząc raport po raz pierwszy, zapytaliśmy o wpływ rozwoju komunikacji bezprzewodowej na branżowy rynek urządzeń do sieci przewodowych. Słowo "wireless" coraz częściej bowiem pojawia się w opisach wdrożeń w przemyśle - szczególnie procesowym, a także energetyce czy branży ochrony środowiska.

Tabela 3. Przemysłowe konwertery sieci (protokołów) - przykładowe produkty

Jednocześnie sam sektor urządzeń komunikujących się bezprzewodowo odnotowuje co roku spore wzrosty. Istotnie - możliwość stworzenia taniego połączenia z wykorzystaniem radiomodemów czy komunikacji GSM wykorzystywana jest przez automatyków od dawna, ale szczególnie w ostatnich latach, dzięki rozwojowi oferty dostawców i malejącym kosztom utrzymania takiej infrastruktury, kabel jest coraz częściej zastępowany radiem.

Przeważająca grupa respondentów ankiety stwierdziła, że zmiany te znacząco rzutują na omawiany w raporcie rynek, ale jednocześnie dotyczą tylko części aplikacji - w szczególności w obszarach takich jak wymienione oraz generalnie w przypadku instalacji rozproszonych i cechujących się trudnym dostępem personelu (patrz rys. 3). Co piąta z ankietowanych osób uznała, że część wspólna rynku urządzeń do sieci przewodowych i bezprzewodowych jest pomijalnie mała.

Krzysztof Szulc

Elmark Automatyka

  • Jakie urządzenia sieciowe oferujecie i jaka jest w Waszej ocenie konkurencja w branży?

Elmark Automatyka dostarcza szeroką gamę urządzeń sieciowych, począwszy od uniwersalnych produktów do przemysłowych sieci Ethernet firmy Moxa, takich jak switche i punkty dostępowe, a na podzespołach marki Allen-Bradley do sieci Ethernet/IP kończąc.

Konkurencja na rynku jest na tyle duża, że posiadanie szerokiego asortymentu jest dla dostawcy kluczowe. Klienci zazwyczaj poszukują pojedynczych komponentów, często zwracają uwagą na odporność środowiskową urządzeń.

  • Jakie są trendy technologiczne?

Z naszego punktu widzenia Ethernet rozwija się kosztem pozostałych rozwiązań. Ważny jest też wzrost wykorzystania sieci Ethernet/IP - zauważyliśmy, że coraz więcej dostawców rozwiązań sieciowych oraz producentów urządzeń wykorzystujących komunikację ethernetową implementuje w swoich produktach Ethernet/IP.

Takimi urządzeniami są przykładowo moduły zdalnych we/wy czy też systemy wizyjne. Ważny jest również rozwój protokołu aplikacyjnego CIP (Common Industrial Protocol), który zaowocował pojawieniem się implementacji dla napędów i sieci bezpieczeństwa: CIP Sync, CIP Motion oraz CIP Safety.



 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Elastyczne rurki izolacyjne 3/8...2" odporne na działanie wody i olejów

2016-09-27   |
Elastyczne rurki izolacyjne 3/8...2

AutomationDirect wprowadza do oferty elastyczne rurki izolacyjne firmy Electri-Flex, odporne na działanie wody i olejów. Są one produkowane w trzech wariantach na zakres średnic od 3/8" do 2", zbrojonych stalą nierdzewną i niemetalicznych.
czytaj więcej

System opisowy elementów szafy sterowniczej

2016-09-27   | Weidmüller Sp. z o.o.
System opisowy elementów szafy sterowniczej

MultiMark firmy Weidmüller to system do tworzenia opisów, który bazuje na oprogramowaniu M-Print PRO oraz drukarce termotransferowej THM MMP. Pozwala on na szybki druk praktycznie wszystkich typów etykiet do opisu elementów szaf sterowniczych.
czytaj więcej

Nowy numer APA