Ethernet-APL: Optymalizowanie automatyzacji procesów dzięki dodatkowym danym do analizy
| Prezentacje firmowe KomunikacjaSpecyfikacja Ethernet-APL określa szczegóły zastosowania komunikacji Ethernet w czujnikach i elementach wykonawczych w przemyśle przetwórczym. Opiera się na nowym standardzie warstwy fizycznej Ethernet 10BASE-T1L (IEEE802.3cg-2019), zatwierdzonym 7 listopada 2019 r., i określa metody implementacji i ochrony przeciwwybuchowej w obszarach niebezpiecznych. Znane firmy z sektora automatyzacji procesów współpracują ze sobą pod patronatem PI (PROFIBUS & PROFINET International), ODVA Inc. i FieldComm Group, aby umożliwić działanie Ethernet-APL w protokołach przemysłowego Ethernetu i przyspieszyć jego wdrażanie.
Dlaczego Ethernet-APL jest ważny? Zmieni on rynek automatyzacji procesów, zapewniając dużą przepustowość i bezproblemową łączność pomiędzy Ethernetem i urządzeniami pracującymi w terenie. Pozwala rozwiązać problemy ograniczające do tej pory wykorzystanie Ethernetu w tego typu urządzeniach, związane z mocą sygnałów, przepustowością, okablowaniem, zasięgiem transmisji i użytkowaniem w obszarach niebezpiecznych. Eliminując te problemy zarówno przy modernizacji terenów przemysłowych, jak i instalacji tworzonych od podstaw, Ethernet-APL zaoferuje nowe, niedostępne wcześniej funkcje m.in. łączenia zmiennych procesowych, parametrów drugorzędnych i informacji zwrotnych o stanie zasobów oraz ich płynne przekazywanie do warstwy kontrolnej. W wyniku tego użytkownicy zyskają nowe możliwości analizy danych, wyciągania wniosków i poprawy wydajności dzięki konwergentnej sieci Ethernet rozciągającej się od urządzeń zdalnych do chmury obliczeniowej (patrz rys. 1).
Aby zastąpić interfejsy 4...20 mA i fieldbus (Foundation Fieldbus lub PROFIBUS PA) przez Ethernet-APL w aplikacjach automatyki procesowej, do czujników i elementów wykonawczych muszą być dostarczane zarówno dane, jak i zasilanie. Wymagany zasięg transmisji między urządzeniami zdalnymi i systemem sterowania w automatyzacji procesów stanowi poważne wyzwanie dla istniejących technologii warstwy fizycznej Industrial Ethernet, w przypadku których długość segmentu sieci jest ograniczona do 100 m. Konieczność zapewnienia zasięgu transmisji do 1 km z wykorzystaniem sygnałów o bardzo małej mocy w strefach zagrożonych wybuchem (Zone 0) wymagało zastosowania nowego standardu warstwy fizycznej w automatyzacji procesów przemysłowych. Rozwiązaniem okazał się Ethernet-APL.
Ethernet-APL jest oparty na standardzie warstwy fizycznej 10BASE-T1L. Zapewnia transmisję full-duplex przy komunikacji punkt-punkt z modulacją PAM 3, szybkością 7,5 MBd i kodowaniem 4B3T. Obsługuje dwie amplitudy napięcia: 2,4 V przy długości kabla do 1000 m oraz 1,0 V przy zredukowanym zasięgu transmisji. Tryb z amplitudą 1,0 V oznacza, że nowy standard warstwy fizycznej może być również stosowany w systemach pracujących w środowiskach zagrożonych wybuchem (Ex) i spełnia rygorystyczne ograniczenia dotyczące maksymalnej energii sygnału. 10BASE-T1L umożliwia transmisję na dużą odległość zarówno danych, jak i zasilazasilania za pomocą pojedynczej, ekranowanej skrętki dwużyłowej.
Jeśli chodzi o dostarczanie mocy do urządzeń końcowych, Ethernet-APL może dostarczyć do 500 mW mocy w aplikacjach pracujących w strefie 0, w porównaniu z około 36 mW dostarczanymi przez systemy 4...20 mA. W zastosowaniach nieiskrobezpiecznych w zależności od użytego kabla maksymalna moc dostarczana do obciążenia może wynosić do 60 W. Dzięki znacznie większej mocy dostępnej na obrzeżach sieci mogą być stosowane nowe urządzenia docelowe o ulepszonych cechach i większej funkcjonalności, ponieważ nie obowiązują już ograniczenia mocy interfejsów 4...20 mA i fieldbus. Dodatkowa moc umożliwia np. zwiększenie szybkości prowadzenia pomiarów i przetwarzania danych. Zapewni to dostęp do ważnych informacji na temat zmiennych procesowych, które będą teraz dostępne za pośrednictwem serwera internetowego działającego na urządzeniach zdalnych, pozwalając na lepszą optymalizację procesów i zarządzanie zasobami.
Aby wykorzystać szerszy zakres danych z urządzeń zdalnych, wymagane jest łącze komunikacyjne o większej przepustowości, zapewniające transmisję danych przez instalację procesową do infrastruktury na poziomie zakładu lub do chmury obliczeniowej. Ethernet-APL eliminuje potrzebę stosowania złożonych, energochłonnych bramek dostępowych i pozwala stworzyć konwergentną sieć Ethernet w domenach IT i OT. Taka konwergentna sieć jest łatwiejsza w instalacji i konfiguracji, zapewnia łatwą wymianę urządzeń, szybszą aktualizację oprogramowania oraz upraszcza analizę problemów i ułatwia konserwację urządzeń zdalnych.
Zalety instalacji Ethernet-APL
Standard Ethernet-APL eliminuje potrzebę stosowania drogich, złożonych i energochłonnych bramek dostępowych. Pozwala również na przejście z pofragmentowanej infrastruktury magistrali fieldbus z wieloma magazynami danych (data island), w której dostęp do danych w urządzeniach zdalnych jest ograniczony. Wyeliminowanie bramek dostępowych znacznie zmniejsza koszty i złożoność starszych instalacji oraz pozwala usunąć utworzone w nich magazyny danych. Jak pokazano w tabeli 1, aplikacje automatyzacji procesów, wykorzystujące dotychczasowe standardy komunikacyjne, charakteryzują się kilkoma ograniczeniami, które eliminuje nowy standard Ethernet 10BASE-T1L. Daje on możliwość ponownego wykorzystania niektórych z już zainstalowanych kabli, oferując znaczące możliwości modernizacji instalacji w terenie za pomocą sieci Ethernet-APL opartej na warstwie fizycznej 10BASE-T1L.
Do komunikacji z urządzeniem Ethernet-APL jest wymagany mikroprocesor host ze zintegrowanym kontrolerem MAC lub switch ethernetowy z portami 10BASE-T1L (rys. 2).
Okablowanie Ethernet-APL i topologia sieci
Standard 10BASE-T1L nie definiuje konkretnego medium transmisyjnego (kabla), lecz model kanału z wymaganiami odnośnie do strat odbicia i tłumienia wtrąconego. Model ten dobrze pasuje do kabli fieldbus typu A, stosowanych w sieciach PROFIBUS PA i Foundation Fieldbus. Dlatego też niektóre zainstalowane kable do transmisji sygnałów 4...20 mA mogą być potencjalnie użyte również do Ethernet-APL. Kabel Ethernet jednoparowy ma tę zaletę, że zajmuje mniej miejsca oraz jest tańszy i do zainstalowania w porównaniu z innymi rodzajami okablowania.
Rysunek 3 przedstawia proponowaną topologię sieci dla Ethernet-APL, nazywaną topologią trunk and spur. Kable główne (trunk) mogą mieć do 1 km długości. Pracują ze szczytowym napięciem sygnału równym 2,4 V i mogą być instalowane w strefach zagrożonych wybuchem z klasyfikacją Zone 1, Div. 2. Kable odgałęziające (spur) mogą mieć do 200 m długości. Pracują ze szczytowym napięciem sygnału 1,0 V i mogą być instalowane w strefach zagrożonych wybuchem z klasyfikacją Zone 0, Div. 1. Przełącznik zasilania znajduje się na poziomie sterowania, zapewniając funkcjonalność switcha ethernetowego i dostarczając zasilanie przez linie danych. Przełączniki pracujące w terenie mogą być instalowane w strefach niebezpiecznych i są zasilane z kabla. Realizują transmisję danych i zasilania do urządzeń zdalnych.
Wiele switchy podłączonych do kabla głównego pozwala zwielokrotnić liczbę współpracujących urządzeń zdalnych.
Nowe urządzenia Ethernet-APL Devices oferują nowe możliwości
Ethernet-APL umożliwia przejście na instalacje field-to-cloud w sektorze spożywczym, farmaceutycznym i wydobywczym, mogące pracować również w strefach zagrożonych wybuchem. Możliwość dostarczania znacznie większej mocy w standardzie Ethernet-APL niż w przypadku innych instalacji pozwala na współpracę z nowymi typami urządzeń oraz zapewnia obsługę nowych funkcji. Te nowe urządzenia udostępnią obszerne zbiory danych do zaawansowanej analizy w chmurze, umożliwiając optymalizowanie procesów i podejmowanie odpowiednich działań.
Więcej informacji dotyczących rodziny produktów ADI Chronous firmy Analog Devices do przemysłowych sieci Ethernet można znaleźć na stronie analog.com/chronous.
www.analog.com
