Množství dat, která se přenášejí a zpracovávají na úrovní strojů, zařízení a výrobních podniků, se v průběhu čtvrté průmyslové revoluce značně zvětšuje. Konvenční provozní sběrnice nemohou s tímto vývojem držet krok. Řešení na bázi Ethernetu, jako je například síť na bázi protokolu POWERLINK pracující v reálném čase, postupně nahrazují dosavadní systém průmyslových sběrnic. Pokud chtějí výrobci strojů vyrábět vysoce flexibilní stroje se stále vyšší produktivitou, mohou intenzivněji využívat možností, které tato přelomová fáze nabízí. „To však neznamená pouze vyšší stupeň automatizace strojů a zařízení, ale také zvýšení dynamiky výrobního procesu a zapojení do sítě,“ vysvětluje Stefan Schönegger, výkonný ředitel skupiny Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG) a vedoucí marketingu společnosti B&R. Průmyslové sběrnice na hranici možností Konvenční průmyslové sběrnice již nejsou schopny zvládnout tento nárůst objemu dat. V prvním kroku se výrobci strojů snažili zajistit zpracování těchto velkých objemů dat pomocí několika sběrnicových systémů. Používaly se například vlastní sítě pro pohony, bezpečnostní techniku a snímače. „Tyto paralelní systémy jsou však drahé, jejich synchronizace je obtížná, jsou náchylné na poruchy a jsou spojeny s vysokou náročností údržby,“ vysvětluje Schönegger. Z tohoto důvodu se prosazují výkonné sítě na bázi Ethernetu. „Průmyslový Ethernet je, pokud se týká rychlosti a šířky pásma, značný pokrok oproti konvenčním průmyslovým sběrnicím,“ říká Schönegger. V souvislosti se čtvrtou průmyslovou revolucí však vzniká nový problém: Počet síťových uzlů ve stroji výrazně vzrůstá. Příčinou jsou mimo jiné inteligentní snímače, dodatečné osy a náročná bezpečnostní řešení, aby člověk a stroj byli schopni spolupracovat. Jestliže však vzroste počet uzlů v síti, většina systémů se zpomalí. Jinak se chovají systémy v případě použití protokolu POWERLINK: Broadcast poskytne veškerá data k dispozici každému účastníkovi v celé síti. Díky tomu je odstraněno časové zpoždění, které vzniká, když celý datový provoz probíhá přes jedno centrální místo. Časová nejistota průběhu signálu, neboli jitter, činí méně než 1 μs. „Taková přesnost je i na síť pracující v reálném čase vynikající,“ říká Schönegger. Místo pro velký objem dat Ne každý průmyslový Ethernet je vhodný pro Průmysl 4.0. Při vývoji některých protokolů se práce soustředila výhradně na dobu cyklu a nebyly zohledněny ohromné objemy dat, které sběrnicový systém přenáší. Značná část objemu dat, který se zasílá přes síť pracující v reálném čase, není časově kritická. Jedná se například o servisní data pro konfiguraci zařízení a diagnostiku, procesní data pro archivaci, bezpečnostní data nebo obrazová data monitorovací kamery. Tento všeobecný nárůst dat se také označuje pojmem „Big Data“. POWERLINK přenáší tyto informace v takzvané asynchronní fázi. Tato fáze nemá žádný vliv na časově kritická data. V případě potřeby lze v asynchronní fázi použít protokoly, jako je například TCP/IP. Síť se přizpůsobí stroji Ve většině případů není ve stroji nebo zařízení přítomno mnoho časově kritických procesů jako například řízení pohonů. Data z příslušných uzlů lze získat pomocí takzvané metody Multiplexing v každém cyklu, kdežto všeobecné informace o stavu, například ze snímačů teploty, není třeba získávat tak často. Tím se optimalizuje množství dat, a proto se trvání cyklu dokonale přizpůsobí příslušné aplikaci. „Pro výkonnost této koncepce existuje přesvědčivý příklad,“ sděluje Schönegger. „U stroje pro dvojrozměrné natahování fólie firmy Brückner Maschinenbau jsme synchronizovali pomocí sítě POWERLINK 728 os s taktovací rychlostí 400 μs. Tady jsme dosáhli světového rekordu.“ Volnost topologie bez speciálního hardwaru I když Ethernet v zásadě umožňuje volnost při volbě topologie, musí se u většiny systémů s průmyslovým Ethernetem používat pro realizaci speciální hardware. POWERLINK naproti tomu poskytuje úplnou volnost volby topologie bez speciálního hardwaru. Síť lze bez problémů přizpůsobit konstrukci stroje. Liniové, kruhové a stromové struktury lze libovolně kombinovat, měnit a doplňovat. „Dokonce i za provozu je možné odpojovat nebo přidávat do sítě nové uzly,“ říká Schönegger. „V éře bouřlivého vývoje modulárních strojů a decentrální inteligence, jak Průmysl 4.0 předpokládá, se nesmí tento faktor podceňovat.“ Vzrůstající flexibilita a modularita často vyžadují decentrální koncepce řízení. Tyto koncepce lze pomocí protokolu POWERLINK snadno realizovat. Protože se datový provoz nemusí provádět přes jedno centrální místo, mohou jednotlivé síťové uzly – a to bez ztráty času – navzájem komunikovat. Centrální řešení řízení jsou díky vysoké výkonnosti sítě také bez problémů možná. Schönegger dodává: „POWERLINK ponechává výrobcům strojů a zařízení vlastní možnost volby koncepce řízení.“ Kruhová redundance Výpadek sítě může u kritických aplikací způsobit vysoké věcné škody nebo dokonce ohrozit lidské pracovníky. Proto se příslušné stroje a zařízení často chrání pomocí nákladných redundantních řešení před výpadky sítě. „Pomocí protokolu POWERLINK lze realizovat jednoduchou kruhovou redundanci za nízké náklady,“ vysvětluje Schönegger. Je třeba pouze jeden dodatečný kabel pro uzavření vedení. Rozpoznání výpadku v rámci kruhové struktury a přepnutí z poškozené na redundantní komunikační cestu se provádí z jednoho cyklu na druhý. POWERLINK je kromě toho velmi odolný vůči elektromagnetickým rušením, což přispívá k vysoké míře pohotovosti stroje. V důsledku nízké elektromagnetické citlivosti lze síť bez problémů provozovat prostřednictvím sběracího kroužku nebo rádiových spojení. U sběracích kroužků výrobce Cobham se dosahuje pomocí protokolu POWERLINK přenosové rychlosti dokonce 100 Mbit/s, aniž by se tím omezila stabilita sítě v důsledku paralelního přenosu napájení 24 V a meziobvodu se stejnosměrným napětím 750 V. Důslednému zapojení inteligentního podniku do sítě tak nestojí nic v cestě. 100% otevřený Pro spolehlivou a nákladově optimální výrobu chtějí být výrobci strojů nezávislí a mít možnost využít alternativní dodavatele. „POWERLINK je 100% otevřená technologie,“ vysvětluje Schönegger. Sada protokolů byla zveřejněna s licencí BSD jako software s otevřeným zdrojovým kódem a byla doposud již více než 30 000krát stažena z platformy www.SourceForge.net. Díky své otevřenosti nabízí POWERLINK maximální ochranu investic. POWERLINK je čisté softwarové řešení, a proto jej lze provozovat na každé hardwarové platformě. Infrastrukturu sítě lze podle způsobu použití vytvořit v plném rozsahu pomocí běžného ethernetového hardwaru. Z tohoto důvodu jsou provozní náklady na stroj (Total Cost of Ownership) nižší než u jakéhokoli jiného průmyslového Ethernetu. Bezpečnost v celém rozsahu Jako ideální doplněk pro POWERLINK se nabízí protokol openSAFETY. Tento bezpečnostní protokol s otevřeným zdrojovým kódem je celosvětovým standardem IEC, který umožňuje deterministický a rychlý přenos dat důležitých pro bezpečnost, a to nezávisle na příslušném výrobci řízení a použité komunikační sběrnici. Díky tomu je k dispozici jednotný bezpečnostní standard pro kompletní strojní linky. Implementace protokolu openSAFETY nabízí velké množství výhod: Rychlejší reakční časy v kombinaci s kratšími bezpečnostními vzdálenostmi přispívají k vyšší produktivitě. Provozovatelé strojů a zařízení navíc profitují z rychlého uvádění do provozu díky automatickým funkcím parametrizace a konfigurace. V neposlední řadě je usnadněna certifikace bezpečných strojů a zařízení: openSAFETY má certifikace organizací TÜV Rheinland a TÜV pro úroveň integrity bezpečnosti SIL3 podle mezinárodní normy IEC 61508. /www.br-automation.com/