Újabb lépcsőfok a terepi buszos kommunikációban – a kevesebb kifejezetten több

Az ipari hálózatok kialakulása nagy előrelépést jelentett az egyre bonyolultabb célgépek vezérlésében, kezelhetőségében és karbantarthatóságában. Az egyre magasabb automatizáltságú gyártás megköveteli továbbá a telepítési és konstrukciós egyszerűsítést is. Emellett a rendszerfelügyelettel szemben is támaszt növekvő igényeket a monitorozás és diagnosztika területén, amellyel az ipar 4.0 szemléletű célgépgyártást is hivatott kiszolgálni.

A különböző cégek különböző terepi buszos kommunikációval jelentek meg, és szolgálták ki ezeket az igényeket. Mik is voltak tehát azon főbb okok, amelyek a terepi buszrendszerek kialakulásához vezettek:
szétszórt eszközök egyszerűbb összekapcsolásának igénye, karbantartás, hibaelhárítás megkönnyítése, új eszközökkel történő alkalmazás-kiterjesztés megvalósíthatósága, nagyobb távolságú rendszerek telepítésének lehetősége.
Segítségükkel tehát kevesebb kábel, jobb diagnosztikai lehetőség, valamint egyszerű alkalmazás-kiterjesztés valósulhatott meg. Az előnyök ellenére azért negatívumokkal is számolni kellett. A párhuzamos kommunikációról soros adatátvitelre történő átállás egyik hátránya az időveszteség az átvitel során. Az adatok nem egyszerre haladnak több vezetéken „párhuzamosan”, hanem adatcsomagokban egymás után „sorban”.

Ezenkívül ezek a hálózatok nagyobb szakmai ismeretet követeltek meg a kezelőiktől. A gyártók ezt a megnövekedett ismeretanyagot gyorsan integrálták a szakembereik képzésébe, így mára már természetes a termelési környezetben különböző protokollú terepi buszrendszerek említése, mint például: Profibus, DeviceNet, AS-i, CC-Link, CANopen, Interbus-S, Profinet, EtherNet/IP™, IO-Link, … stb.
Az eddig alkalmazott hálózatoknál, topológiai kialakításukat tekintve beszélhetünk akár a busz, az elágazó sor, a fa, a hálózatos, a csillag vagy a gyűrűs rendszerről, mindegyikben közös hogy a mester egység és szolgaállomások között vezetékes összeköttetésre van szükség.

1. ábra. Párhuzamos és soros csatlakoztatás

Ugyanakkor mára már a civil életben természetes, hogy sok esetben vezeték nélküli kommunikációs megoldások állnak rendelkezésünkre. Ezeknek a technológiáknak az alkalmazása nagyban megkönnyíti mindennapjainkat. Innen adódik, hogyha ezt adaptálni tudjuk az ipari környezethez megfelelő adat és kommunikáció-védelmi biztonsággal, akkor tovább fejleszthetjük az ipari hálózatainkat.

2. ábra. Példa busz topológiára

Ez az újítás bekövetkezett. A vezeték nélküli egység (EX600-W) csak felépítésében különbözik az eddig alkalmazottaktól, viszont ez sok tekintetben hatalmas előrelépést jelent. A hálózati protokollt tekintve az ethernet alapú hálózatokkal kommunikál, azaz például a PROFINET-hez és az EtherNet/IP™-hez is csatlakoztatható. A felépítésbeli különbség pedig, hogy még a központi egység (PLC vagy PC) ipari ethernet kábelen keresztül csatlakozik a mester egységhez, addig a szolga egységek vezeték nélkül kommunikálnak mesterükkel. Így létrejön egy decentralizált „wireless” adatátvitel, amely akár 127 „slave” egységgel képes kapcsolatot teremteni. A rendszer így 1280 bemenet és 1280 kimenet kezelésére képes.

Ahogy a 3. ábrán is látható, a hálózat képes digitális és analóg jelek feldolgozására egyaránt. Így alkalmas a teljes ipari automatizálás eszközrendszerének kiszolgálására, a beérkező szenzorjelektől az elektromos hajtásvezérléseken át az elektropneumatikus kapcsolójelekig. Az ajánlás alapján akár 15 szolga egység egyidejű kezelése is megvalósítható a rendszer 10 méter sugarú vezeték nélküli kommunikációs tartományában.

3. ábra. Rendszerfelépítés

Így ezzel a megoldással elért további előnyök a terepibusz rendszereknél:
• kevesebb kábel és csatlakozó, amely mind az ár, mind pedig a konstrukciós tervezési folyamatra is kedvezően hat,
• rövidebb telepítési és karbantartási idő,
• kevesebb töréspont és kapcsolatvesztési veszély,
• egyszerűbb elhelyezhetőség,
• gyors csatlakoztathatóság,
• könnyebb monitorozási lehetőség, webszerver funkció,
• egyszerűbb konfiguráció, mivel csak egy IP címre van szükségünk a teljes rendszer kezeléséhez.

Nem szabad ugyanakkor megfeledkezni arról, hogy a gyártóterületeken magas az elvárás a technológia védelmében tett intézkedésekkel szemben. Fontos tehát megvizsgálni, hogy mitől tekinthetjük biztonságosnak ezt a kommunikációs csatornát. A vezeték nélküli adatátvitel több frekvenciasávon is megjelenhet. Néhány ismert hálózat: Wi-Fi (2,4 GHz, 5+ GHz), Bluetooth (2,4 GHz), Wibree (2,4 GHz) stb. Ezen 2,4 GHz-es tartományon dolgozik az SMC EX600-W egység is.

4. ábra. Frekvenciatartomány

Ez az ISM (Industrial, Scientific and Medical) Ipari, Tudományos és Orvosi sáv egyik része. Igazából a 802.11 szabvány két rádiófrekvenciás tartományt ad meg arra a célra, hogy engedély nélkül a kommunikációs eszközök használni tudják (nem kereskedelmi célokra) azokat. Ezek: a 902-928 MHz és 2,4-2,483 GHz (ISM tartományok). Mivel tehát ez egy szabad sáv és több rendszer is használhatja, ezért a szabvány a zavartalan kommunikáció érdekében két szórt spektrumú modellt alkotott meg. Az egyik a frekvenciaugratásos, szórt spektrumú (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS), a másik a közvetlen sorrendű, szórt spektrumú (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) technika. Mindkét esetben egy széles tartományban kerül kisugárzásra az információ úgy, hogy ha egy frekvencián zavar van jelen az ISM sávban, a vevő akkor is megkapja az információt. A DSSS-technika nagyobb átviteli sebességet érhet el, de érzékenyebb a zavaró hatásokra. Ezért az EX600-W rendszere az FHSS azaz a frekvenciaugratásos megoldást alkalmazza. Lényege, hogy a rendelkezésre álló frekvenciatartományt 75 darab 1 MHz-es sávra osztja fel és egy a protokoll által meghatározott frekvenciaugratási rend szerint váltja a csatornákat 5ms-os időközönként. Így 2 Mibit/s-os (2,1Mbit/s-os) adatátviteli sebesség érhető el és kielégítően képes kiküszöbölni a zavaró hatásokat.

5. ábra. FHSS technika

Így nemcsak egy biztonágos, hanem stabil kommunikáció jön létre, mivel a fogadó egység a rádióhullámok terjedésének különböző formáit is képes értelmezni. Azaz a visszaverődő hullám, az áthatoló vagy átküldött hullám és a közvetlen hullám is alkalmas az információ továbbítására. A stabilitást a kommunikáció automatikus visszaállítása is szavatolja. Ha az adat-küldési újrapróbálkozások száma meghaladja a megadott értéket (32-szeres), akkor egy “leválasztási jelző” jelenik meg a kimeneten. A rendszer visszaáll újraszinkronizálási módba, és a szinkronizálás létrejön. Ezután a normál működési feltételek visszaállnak, a “leválasztási jelző” törlődik, és a vezérlés folytatódik.

6. ábra. Stabil kommunikáció

A konfigurációs folyamat szintén felhasználóbarátabbá teszi a rendszer-installációt. A vezeték nélküli paraméterek beállítása egy NFC kártya segítségével és a gyártó (SMC) oldaláról letölthető I/O konfigurátor alkalmazásával pillanatok alatt elvégezhető.

7. ábra. Paraméterbeállítási folyamat

A technológiai paraméterek monitorozása szintén vezeték nélkül valósulhat meg webszerver funkció segítségével. Ugyanakkor a kommunikációs állapotot is könnyedén monitorozhatjuk és egy számítógéppel a mester egységhez kapcsolódva egyszerűen letölthetjük a naplófájlokat az ujrapróbálkozások számáról vagy akár a kapott rádióhullámok intenzitásáról

8. ábra. Állapotletöltés

Ezek az előnyös tulajdonságok teszik lehetővé, hogy az eddig csak körülményesen megvalósítható alkalmazások egyszerűbben kivitelezhetők legyenek a jövőben:

• nagy elektromos zajjal terhelt munkakörnyezet,
• hegesztő alkalmazások (9. ábra),
• forgó vagy indexelő táblás megoldások (10. ábra),
• szerszámcserék, palettacserék (11. ábra), stb.

9. ábra.

10. ábra

11. ábra

A terepibusz rendszerek területén is jól látható tehát az a fejlődés amelly átitatja a teljes automatizált gyártást napjainkban.

2020. febr. 1.