Hvað er iðnaðarsamskiptakerfi og hvers vegna það skiptir máli

Inngangur

Í iðnaðarsjálfvirkni eru samskipti innviðir sem gera vélum, skynjurum, stýringum og hugbúnaði kleift að bregðast við sömu upplýsingum á réttum tíma. Iðnaðarsamskiptakerfi er hannað fyrir ákveðna gagnaskipti, mikla tiltækileika og áreiðanlega notkun í erfiðu umhverfi þar sem tafir eða bilanir geta truflað framleiðslu og haft áhrif á öryggi. Að skilja hvernig þessi kerfi virka hjálpar til við að útskýra hvers vegna verksmiðjur geta fylgst með búnaði í rauntíma, samhæft ferla á mörgum tækjum og tengt rekstrartækni við viðskiptakerfi. Í köflunum sem fylgja er lýst hvað iðnaðarsamskiptakerfi felur í sér, hvernig það er frábrugðið hefðbundnu netkerfi og hvers vegna það hefur bein áhrif á spenntíma, skilvirkni og sýnileika.

Af hverju iðnaðarsamskiptakerfi skipta máli

An iðnaðarsamskiptakerfiþjónar sem miðtaugakerfinútíma framleiðsla, ferlastýringu og sjálfvirkniumhverfi. Ólíkt hefðbundnum upplýsingatæknikerfum fyrirtækja sem forgangsraða bandbreidd og víðtækri tengingu eru iðnaðarnet hönnuð til að auðvelda nákvæma rauntíma gagnaskipti milli skynjara, stýribúnaðar, forritanlegra rökstýringa (PLC) og eftirlitskerfa. Þessi kerfi brúa bilið milli rekstrartækni (OT) og upplýsingatækni (IT) og mynda grunninnviði sem krafist er fyrir Iðnaður 4.0 verkefni.

Fjárhagsleg og rekstrarleg áhætta í iðnaðarumhverfi krefst sérhæfðrar samskiptaarkitektúrs. Skammvinn bilun í neti eða mikil seinkun sem gæti valdið tímabundnum vandamálum með biðminni í skrifstofuumhverfi getur leitt til stórfelldra skemmda á búnaði, öryggisáhættu eða þúsunda dollara í úrgangi á verksmiðjugólfinu. Þar af leiðandi eru iðnaðarsamskiptakerfi hönnuð til að tryggja gagnaafhendingu innan strangra, mælanlegra tímaramma, oft með það að markmiði að nettiltækileiki sé 99,999% eða hærri.

Hvernig þeir bæta spenntíma og sýnileika

Með því að auðvelda hraðvirka gagnaskipti milli tækja á vettvangi og eftirlitskerfa og gagnasöfnunarkerfa á efri stigi (SCADA) auka nútíma net heildarvirkni búnaðar (OEE) til muna. Stöðug fjarmæling gerir stjórnendum virkjunar kleift að skipta úr viðbragðslíkönum yfir í fyrirbyggjandi viðhaldslíkön. Þegar titringsskynjarar og mótorstýringar eiga samskipti óaðfinnanlega yfir hábandvíddarrásir - sem oft starfa á 100 Mbps til 1 Gbps - geta greiningarvélar greint smásæ frávik áður en vélræn bilun kemur upp.

Þessi stöðuga sýnileiki dregur beint úr ófyrirséðum niðurtíma. Í þungavinnsluiðnaði, þar sem ein klukkustund af stöðvun framleiðslu getur leitt til kostnaðar sem fer yfir $100.000, breytir möguleikinn á að rekja netbilun til tiltekins tengis eða kapalbrots á nokkrum sekúndum frekar en klukkustundum grundvallarreglum um viðhald. Ítarlegar greiningarreglur sem eru samþættar samskiptakerfinu veita nákvæma nákvæmni varðandi netheilsu, lágmarka tafir á bilanaleit og hámarka rekstrartíma.

Af hverju samvirkni, ákveðni og netöryggi skipta máli

Helsta aðgreiningarþáttur iðnaðarsamskiptakerfa er ákveðni - algjör trygging fyrir því að skilaboð verði send og móttekin innan nákvæms og fyrirsjáanlegs tímaramma. Í hreyfistýringarforritum, svo sem samstilltum vélfæraörmum eða hraðvirkum pökkunarlínum, verður oft að halda netraflóði undir 1 míkrósekúndu. Án þessarar ákveðnu nákvæmni bregst samhæfing margra ása, sem leiðir til vörugalla og vélrænna árekstra.

Samvirkni tryggir að ólíkur búnaður frá ýmsum framleiðendum geti átt samskipti án flöskuhálsa frá einkaleyfum. Staðlaðar samskiptareglur gera aðstöðu kleift að samþætta sérhæfða vélar í samheldið net fyrir alla verksmiðjuna, sem dregur úr kostnaði við að festa sig við birgja og samþættingu. Hins vegar stækkar þessi aukna tenging árásarflötinn. Innleiðing öflugra netöryggisráðstafana, sérstaklega fylgni við IEC 62443 staðalinn, er ekki lengur valkvæð. Iðnaðarsamskiptakerfi verða að fella inn djúpa pakkaskoðun, netskiptingu og aðgangsstýringu á tengistigi til að verjast bæði utanaðkomandi netógnum og innri rangstillingum.

Hvað felur iðnaðarsamskiptakerfi í sér

Arkitektúr iðnaðarsamskiptakerfa spannar mörg lög og samþættir efnislegan vélbúnað við flóknar hugbúnaðarreglur á óaðfinnanlegan hátt. Í nánu samræmi við Purdue Enterprise Reference Architecture skipta þessi kerfi netumferð frá stigi 0 (efnislegir ferlar) upp í stig 3 (framleiðslurekstrarkerfi) og lengra. Þessi lagskipta nálgun tryggir að mikilvæg stjórnunargögn séu einangruð frá minna tímanæmri fyrirtækjaumferð.

Kjarnalög og íhlutir

Á grunnstigi eru efnislegir íhlutir meðal annars sterkir rofar, beinar, gáttir og kaplar sem eru hannaðir til að þola mikinn hita, mikla rafsegultruflanir (EMI) og viðvarandi titring. Til dæmis eru iðnaðar Ethernet-rofar oft með IP67-vottuðu hylki, samræmda húðun á rafrásarplötum og afritunarstraum til að þola erfiðar aðstæður á verksmiðjugólfinu.

Fyrir ofan efnislagið nota gagnatengingar- og forritalöginsérhæfðar iðnaðarreglurtil að stjórna umferð. Gáttir og jaðartölvur virka sem þýðendur og umbreyta eldri raðgögnum í nútíma Ethernet-pakka. Þetta gerir eldri, einangraðri vélbúnaði kleift að taka þátt í háþróaðri gagnasöfnunaraðferðum án þess að þurfa algjöra yfirhalningu á vélbúnaði.

Hvernig samskiptareglur, miðlar, grannfræði og tímasetning móta hönnun

Val á efnislegum miðlum ræður miklu um getu og takmarkanir netsins. Hefðbundnar iðnaðar koparvírar (Cat5e eða Cat6a varið snún par) eru alls staðar en eru enn bundnar við stranga 100 metra lengdarmörk á hvern hluta. Fyrir víðfeðmar mannvirki eða umhverfi með mikla rafsegultruflanir eru einhliða ljósleiðarar notaðir, sem geta sent gögn yfir vegalengdir sem eru lengri en 10 kílómetrar án þess að merkið skemmist.

Hönnun netkerfa mótar enn frekar seiglu kerfa. Þó að upplýsingatækni fyrirtækja byggi yfirleitt á stjörnunetkerfum, nota iðnaðarnet oft hring- eða keðjustillingar til að hámarka kapalganga og tryggja afritun. Samskiptareglur eins og Media Redundancy Protocol (MRP) eða Device Level Ring (DLR) gera hringnetkerfum kleift að jafna sig eftir kapalbrot á innan við 50 millisekúndum. Ennfremur er nákvæm tímasetning framfylgt með IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP), sem samstillir klukkur tækja yfir netið með nákvæmni undir míkrósekúndum, sem er nauðsyn fyrir mjög samhæfða hreyfistýringu.

Hvernig samskiptareglur bera sig saman

Að meta iðnaðarsamskiptakerfi krefst djúprar skilnings á samskiptareglum. Umskipti frá sérhönnuðum raðbussum yfir í Ethernet-byggða staðla hafa sameinað efnislagið, en forritalögin eru enn mjög sérhæfð. Val á réttri samskiptareglu ræður ekki aðeins hraða netsins heldur einnig hámarksfjölda tækja sem það getur stutt og flækjustigi samþættingar þess.

Lykilviðmið fyrir val á samskiptareglum

Verkfræðingar verða að meta samskiptareglur út frá ströngum afkastaviðmiðum: lágmarks hringrásartíma, hámarksfjölda hnúta, stuðningi við stærðfræði og innbyggðum afritunarkerfum. Sjálfvirk verksmiðja sem fylgist með tankstöðu gæti aðeins þurft hringrásartíma sem nemur hundruðum millisekúndum, sem gerir hefðbundna TCP/IP samskipti nægjanlega. Aftur á móti þarf hraðprentun hringrásartíma undir 1 millisekúndu.

Annað mikilvægt viðmið er skilvirkni gagnaflutnings samskiptareglnanna. Sumar samskiptareglur hafa í för með sér verulegan kostnað við leiðsögn og greiningu, sem er ásættanlegt fyrir stór SCADA net en skaðlegt fyrir mjög ákveðna vélstýringu. Val á samskiptareglum hefur einnig mikil áhrif á vélbúnaðarkostnað, þar sem sumir háafkastamiklir staðlar krefjast sérhæfðra forritasértækra samþættra hringrása (ASIC) eða forritanlegra hliðarrýma (FPGA) innan í hverju tæki á vettvangi.

Iðnaðar Ethernet vs. fieldbus

Eldri sviðsrútuarkitektúr, eins og PROFIBUS DP eða Modbus RTU, starfar með raðtengingum (t.d. RS-485). Þessi net eru mjög öflug og ákveðin en þjást af miklum bandbreiddartakmörkunum, yfirleitt aðeins 12 Mbps fyrir PROFIBUS og mun lægri fyrir önnur. Þau eru stranglega stigskipt og eiga erfitt með að takast á við það mikla magn greiningargagna sem nútíma spáviðhaldskerfi krefjast.

Iðnaðar Ethernet samskiptareglur, þar á meðal PROFINET, EtherNet/IP og EtherCAT, hafa að mestu leyti tekið við af sviðsrútum í nýjum uppsetningum. Iðnaðar-Ethernet, sem starfar á 100 Mbps til 1 Gbps, býður upp á þá bandvídd sem þarf til að senda bæði rauntíma stýrigögn og greiningargögn sem ekki eru í rauntíma yfir sama efnislega vírinn. Þó að sviðsrútukerfi séu oft takmörkuð við 32 eða 128 hnúta á hverjum hluta, geta iðnaðar-Ethernetkerfi í orði kveðnu stækkað í þúsundir samtengdra tækja, að því gefnu að netið sé rétt hlutað.

Málaferli varðandi seinkun, sveigjanleika og áreiðanleika

Að ná fram afar lágri seinkun krefst oft málamiðlana varðandi staðlaða netsamhæfni. Til dæmis nær EtherCAT hringrásartímum sem eru styttri en 100 míkrósekúndur fyrir 1.000 dreifða inntaks-/úttakspunkta með því að nota „vinnslu á flugi“ aðferð. Þetta krefst þó sérhæfðs vélbúnaðar á undirhnútum og notar ekki staðlaða Ethernet-rofa innan EtherCAT hlutans.

Aftur á móti treysta samskiptareglur eins og EtherNet/IP alfarið á staðlaðan, óbreyttan Ethernet-vélbúnað og TCP/UDP/IP-svítuna. Þetta hámarkar sveigjanleika og óaðfinnanlega samþættingu upplýsingatækni/starfstækni en gerir það að verkum að það er meira háð nákvæmri netstillingu, forgangsröðun þjónustugæða (QoS) og afkastamiklum stýrðum rofum til að ná fram nákvæmni innan millisekúndna.

Hvernig á að velja rétta kerfið

Hönnun og uppsetning á öflugu iðnaðarsamskiptakerfi krefst þess að vega og meta brýnar rekstrarþarfir á móti langtímastigstærð og öryggi. Eingöngu tæknilegt mat á bandbreidd og seinkun er ófullnægjandi; verkfræðingar verða að tileinka sér heildarkostnaðarsjónarmið sem tekur tillit til samþættingarvinnu, viðhalds og óhjákvæmilegrar þörf fyrir framtíðarstækkun.

Mat á kröfum forrita og uppsettum grunni

Flutningsáætlanir verða að taka tillit til núverandi uppsettra grunna. Í brúnum svæðum er sjaldan hagkvæmt að skipta alveg út eldri sviðsrútuuppbyggingu. Í staðinn koma kerfissamþættingaraðilum á fót...samskiptareglur og jaðarstýringarað innlima raðgögn í Ethernet-ramma og brúa þannig gömlu og nýju. Verkfræðingar verða að reikna vandlega út seinkunina sem þessar þýðingargáttir valda til að tryggja að stjórnlykkjur haldist stöðugar.

Fyrir nýjar framkvæmdir er mikilvægt að meta sveigjanleika hnúta. Skipuleggjendur verða að áætla fjölda nethnúta sem þarf á næsta áratug. Algengasta starfshættan er að hanna undirnet sem nýta ekki meira en 50% til 60% af tiltækri bandbreidd og hnútaafkastagetu við upphaflega ræsingu. Til dæmis kemur það í veg fyrir að útsendingarstormar dragi úr afköstum netsins þegar aðstaðan stækkar.

Staðlar fyrir reglufylgni, netöryggi og áreiðanleika

Samræmisrammar ákvarða grunnlínur bæði fyrir virkniöryggi og netvarnir. Þar sem þungar vinnuvélar eru ógn við mannslíf verður samskiptakerfið að styðja öryggisreglur (t.d. PROFIsafe, CIP Safety) sem eru í samræmi við IEC 61508. Þessar samskiptareglur nota svartrásarreglur til að ná öryggisheilindisstigi 3 (SIL 3), sem tryggir að líkurnar á hættulegum bilunum við neyðartilvik séu minni en 10^-7 á klukkustund.

Samtímis verður netarkitektúrinn að vera í samræmi við IEC 62443netöryggisstaðallÞetta felur í sér að koma á fót sérstökum öryggissvæðum og leiðslum, setja upp iðnaðareldveggi og innleiða strangt öryggi tengiporta. Að gera ónotuð efnisleg tengi óvirk og nota MAC-tölusíun á rofastigi eru grundvallarskref í að ná grunnöryggisstöðu.

Innleiðingarskref til að draga úr samþættingaráhættu

Árangursrík innleiðing byggir á ströngum, stigvaxandi sannprófunum til að draga úr áhættu á samþættingu. Áður en uppsetning fer fram þarf að framkvæma ítarlegt verksmiðjusamþykktarpróf (FAT) til að líkja eftir hámarksumferð netsins og sannreyna samvirkni samskiptareglna. Þetta prófunarstig verður að staðfesta að stillingar þjónustugæða (QoS) forgangsraða rétt mikilvægum stjórnunarpökkum fram yfir fjöldagagnaflutninga.

Við framkvæmd þarf að fylgja ströngum stöðlum um kapalsetningu. Óviðeigandi jarðtenging eða notkun óvarðra kapla á háspennusvæðum getur valdið rafsegultruflunum, sem leiðir til pakkataps og tímabundinna bilana sem eru alræmdir fyrir að vera erfiðir að greina. Að lokum, með því að koma á grunnlínu fyrir netafköst - að skrá eðlilegt umferðarmagn, titringstíðni og álag á örgjörva - veitir viðhaldsteymum megindlega gögn sem nauðsynleg eru til að greina og leysa úr niðurbroti netsins áður en það hefur áhrif á framleiðslu.

Lykilatriði

• Mikilvægustu niðurstöður og rökstuðningur fyrir iðnaðarsamskiptakerfi
• Upplýsingar, samræmi og áhættuprófanir sem vert er að staðfesta áður en þú skuldbindur þig
• Hagnýt næstu skref og fyrirvarar sem lesendur geta nýtt sér strax

Algengar spurningar

Hvað er iðnaðarsamskiptakerfi?

Þetta er öflugt net sem tengir saman skynjara, PLC-stýringar, SCADA-kerfi, síma, dyrasíma og viðvörunarkerfi þannig að gögn og rödd flyst áreiðanlega í rauntíma milli iðnaðarsvæða.

Hvers vegna skiptir iðnaðarsamskiptakerfi máli fyrir spenntíma verksmiðjunnar?

Það dregur úr niðurtíma með því að skila hraðri og fyrirsjáanlegri merkjagjöf og skýrari yfirsýn yfir bilanir, sem hjálpar teymum að greina vandamál snemma og bregðast við áður en bilanir stöðva framleiðslu.

Hvaða vörur eru almennt notaðar í erfiðu eða hættulegu umhverfi?

Dæmigert er að nota sprengihelda eða veðurþolna síma, myndsíma, neyðarsímtalskeðjur, hátalarakerfi og IP PBX/VoIP tæki sem eru hönnuð fyrir hávaða, ryk, raka og hættusvæði.

Hvernig vel ég á milli kopars og ljósleiðara fyrir iðnaðarnet?

Notið varið kopar fyrir styttri tengingar allt að 100 metra og fyrir venjulegar uppsetningar. Veljið ljósleiðara fyrir langar vegalengdir, svæði með mikla rafsegultruflanir eða þegar þörf er á sterkari einangrun og áreiðanleika burðargrindar.

Hvers vegna að velja Siniwo fyrir iðnaðarsamskiptalausnir?

Siniwo býður upp á heildarlausn í hönnun, samþættingu, uppsetningu og viðhaldi, með ATEX, CE, FCC, ROHS og ISO9001 vottuðum vörum fyrir námuvinnslu, olíu og gas, flutninga og aðra krefjandi geira.