Zavádění Průmyslu 4.0 do výroby má za následky rychlý nárůst datové komunikace. Ovládací prvky, pohony, snímače a stroje jsou všechny v síti a neustále si vyměňují data. Tyto datové sítě musí být rychlé, standardizované a schopné pracovat v reálném čase.
„A zde nastává velké ale, neboť je před námi ještě mnoho práce, než se toho podaří dosáhnout,“ říká Oliver Riedeka, profesor z katedry Řídicí techniky strojírenských a výrobních zařízení (ISW) na univerzitě ve Stuttgartu. S tím souhlasí i Guido Ege, vedoucí oddělení vývoje a produktového managementu ve společnosti U.I. Lapp GmbH a navíc dodává, „Dalším požadavkem na průmyslový Ethernet bude jednoduchost, nákladová efektivita a možnost použití hybridních propojů.“
Začátky Ethernetu
První verze sítě Ethernet byla vyvinuta v letech 1972-1975 v laboratořích PARC firmy Xerox, kterou vymysleli její zaměstnanci Bob Metcalfe a David Boggs. Tato verze Ethernetu používala pro šíření signálu koaxiální kabel, ke kterému mohlo být připojeno až několik desítek počítačů. Experimentální verze sítě Ethernet pracovala s přenosovou rychlostí 2,94 Mbit/s. V dnešní době se rychlost zvýšila na 10 Gbit/s a některé mohou za určitých podmínek dokonce dosáhnout 400 Gbit/s.
To je vysoce efektivní v kancelářském prostředí, například pro připojení osobních počítačů. Když připojíte LAN kabel do počítače, můžete si být jisti, že bude dokonale komunikovat s jiným počítačem nebo routerem.
Není Ethernet jako Ethernet
Ethernet (IEEE 802.3) je standardem, který se od počátku devadesátých let skutečně osvědčil a je známý tím, že je velmi rychlý a spolehlivý. Tato norma se však nevztahuje na automatizaci. V současné době tak existuje více než 20 průmyslových ethernetových standardů, které se liší různými technickými detaily, což je činí vzájemně nekompatibilními. Kromě toho existuje více než 50 sběrnicových systémů, jako např. Profibus, Modbus, CC-Link atd., které jsou výrobci automatizačních technologií upřednostňovány a které jsou vzájemně také nekompatibilní. Jako celek tvoří téměř polovinu instalací.
Tento zmatek je způsoben mnoha dodavateli komponentů pro automatizaci, kteří se ve snaze zajistit stabilní tržby po mnoho dalších let pokoušejí přinutit své zákazníky k používání vlastních standardů.
Dalším důležitým komunikačním požadavkem v automatizaci, zejména v terénu, je schopnost přenášet data v reálném čase. Na internetu nezáleží, zda se Vám stránka po kliknutí na nějaký odkaz otevře o půl sekundy rychleji nebo pomaleji, ale v automatizaci to všechno závisí na milisekundě, někdy dokonce i na mikrosekundě. Proto jsou v továrnách často používány systémy sběrnice Fieldbus, protože jsou považovány za robustnější. Přenášejí sice menší datové pakety než Ethernet, ale jsou schopny pracovat v reálném čase. To je velmi důležité pro časově kritické procesy stroje, například když jednotka potřebuje reagovat na signál ze snímače v mikrosekundách nebo pokud se operátoři strojů chtějí ujistit, že stroj okamžitě zastaví, pokud stisknou tlačítko nouzového zastavení. Až dosud to bylo možné s Ethernetem v jen omezeném rozsahu, ačkoli IEEE se pokusila o standardizaci tak, že implementovali real-time schopnost v Ethernetu.
Budoucnost průmyslového Ethernetu
V rámci statistik trhu se můžeme domnívat, že budoucnost průmyslových sítí patří Ethernetu. Průmyslový Ethernet se v současné době rozšiřuje o 22% ročně oproti sběrnicovému systému Fieldbus, který zaznamenává růst pouze 6%. V roce 2018 tak počet instalací Ethernetu v průmyslu poprvé překročí počty instalací sběrnic Fieldbus. Důvodem je čtyřnásobné zvýšení počtu sítí a digitalizace v průmyslu, což má za následek řešení automatizační pyramidy.
Každá úroveň automatizované pyramidy, od úrovně řízení až po nejnižší úroveň periferií často funguje s vlastní infrastrukturou a samostatnými protokoly. Data se musejí dostat z jedné úrovně do druhé a obráceně. To však komplikuje celkovou výrobu a kontrolu procesů. Namísto hierarchických komunikačních struktur v automatizaci profesor Oliver Riedel očekává flexibilní ploché hierarchie, ve kterých si kybernetické fyzické systémy vyměňují data mezi sebou, s korporátními informačními systémy a s cloudem přes hustou síť. Tradiční automatizační pyramida tak přestane existovat.
Veškerá komunikace je vzájemná, ERP systémy mohou například přistupovat ke snímačům přímo na stroji a zjistit, zda může dojít k poruše, která by ovlivnila schopnost dodávky. To je však možné pouze tehdy, pokud je možné technologii připojit ihned po vybalení jedním kabelem. Proto není překvapením, že Ethernet, který již funguje v kancelářském prostředí, nyní nalézá svou cestu do automatizace a logistiky, a to samozřejmě s odpovídajícím způsobem pomocí odolnějších do průmyslu určených komponent. Na to se připravuje přední výrobce kabelů LAPP, který ve svém portfoliu právě takové komponenty má a mnoho dalších vyvíjí.
Výrobky pro sběrnicové systémy mají tradičně dominantní postavení na trhu, zákazníci však nyní mohou u LAPP najít vše, co potřebují k vytváření průmyslových sítí Ethernet - od konektorů po kabely připravené k instalaci z řady ÖLFLEX® CONNECT. Mezi nejdůležitější patří např. ETHERLINE® PN Cat.6A FC s 10 Gbit/s při šířce pásma 500 MHz. Je schopen rychlého připojení díky absenci dvojitého stínění, vnitřnímu pouzdru nebo centrálnímu kříži, což umožňuje rychlou a bezpečnou montáž. Kabel je navíc certifikován také pro severoamerický trh. Mezi produkty, které k němu patří, je tu také datový modul EPIC® MH Gigabit, obdélníkový konektor s modulárním designem, který umožňuje přenos dat a elektrické energie. Nebo robustní switch ETHERLINE® ACCESS pro propojení v drsném průmyslovém prostředí. „Naše výrobky jsou kompatibilní a vždy přizpůsobené konkrétní aplikaci. To znamená, že mohou být použity pro všechny běžné komunikační systémy,“ zdůrazňuje Guido Ege, vedoucí oddělení vývoje a produktového managementu ve společnosti U.I. Lapp GmbH.
Mnoho kabelů, jeden plášť
Společnost LAPP již mnoho let pozoruje trh s průmyslovým Ethernetem a stanovila dva trendy, které budou v budoucnu na trhu stále důležitější. Jedním z nich jsou hybridní kabely, tzv. jednokabelová řešení. Jedná se o kabely, které kombinují různé funkce v jednom pouzdře. Jde o integraci více funkcí do jednoho kabelu. Obvykle se jedná o propojovací kabely pro servopohony s integrovanými zpětnovazebnými kabely pro monitorování senzorů. LAPP poskytuje takové hybridní kabely pro systém Hiperface DSL® Motor Feedback System od společnosti SICK nebo pro připojení ACURO® od společnosti Hengstler.
Druhým trendem je zmenšování. Tradiční Ethernetové kabely obsahují čtyři páry kabelů a dosahují přenosové rychlosti až 10 Gbit/s. Na úrovni periferií je však plně postačující jednoduchý Ethernetový kabel s jedním párem, který může přenášet data rychlostí až 1 Gbit/s přes dvojici vodičů. Převážná většina čidel totiž dodává malé množství informací a některá z nich uvádějí pouze signál zapnuto/vypnuto. Pro uživatele to znamená méně práce spojené s instalací a také prostorové výhody a snížení nákladů. V průmyslovém odvětví tak získá i jednopárový Ethernet svůj význam.
Snižování počtu kabelů
Podle poradenské společnosti Roland Berger se poptávka po snímačích do roku 2020 zvýší o 17% ročně, zatímco ceny klesnou o osm procent ročně. To podpoří poptávku po nákladově efektivních řešeních připojení. Jednopárové Ethernetové kabely však ještě nejsou k dispozici, přinejmenším pro použití v průmyslu. V automobilovém průmyslu se již podobné kabely ve vozidlech používají, zatím však neexistují standardy pro průmyslové aplikace. V současné době na nich pracují nově založené týmy. „První sériové produkty pro jednopárový Ethernet budou k dispozici ve dvou až třech letech, samozřejmě také od LAPP,“ uvádí Guido Ege.
Pokud jde o růst v oblasti připojení v průmyslu, tak se Ethernet řadí na druhé místo. S 32% zaujímají první místo bezdrátové technologie, i když jejich celkový podíl je na úrovni šesti procent. WLAN, Bluetooth nebo mobilní komunikace mají mnoho výhod. Z hlediska rozsahu, stálého datového připojení, energetické účinnosti a zejména času reakce nemohou však bezdrátové technologie konkurovat technologiím kabelovým. Kabely jsou také méně náchylné k poruchám nebo útokům hackerů. Guido Ege říká, „Bezdrátové připojení má své ospravedlnění, ale nepředstavuje hrozbu konkurence pro kabelové systémy, je to spíše doplněk pro zvláštní požadavky.“
Více informací naleznete na www.lapp.cz
Zdroj: 19. ročník tiskové konference skupiny LAPP ve Stuttgartu na téma: Kabelová řešení v oblasti Průmyslu 4.0
