Ethernet-APL – nowa jakość w automatyce procesowej

Dlaczego Ethernet-APL jest dzisiaj ważny? Standard ten zmieni świat automatyzacji procesów, zapewniając dużą przepustowość i bezproblemową komunikację przez Ethernet z urządzeniami działającymi na obiektach. APL rozwiązuje problemy, które do tej pory ograniczały wykorzystanie Ethernetu w aplikacjach polowych. Obejmują one moc zasilania, przepustowość, okablowanie, odległość i możliwość działania w niebezpiecznych lokalizacjach. Rozwiązując te zagadnienia zarówno w zakresie potrzeb, jakie niosą ze sobą modernizacje terenów poprzemysłowych, jak i nowe instalacje, Ethernet-APL da nowe możliwości, wcześniej niedostępne, takie jak łączenie zmiennych procesowych, parametrów drugorzędnych i informacji zwrotnych o stanie zasobów oraz płynne wieprzekazywanie ich do warstwy kontrolnej. Te nowe funkcjonalności otworzą nowe możliwości analizy danych, komunikatów operacyjnych i zapewnią poprawę wydajności dzięki konwergentnej sieci Ethernet z aplikacji polowych do chmury (patrz rys. 1).

 

Rys. 1. Realizacja bezproblemowej komunikacji z użyciem Ethernet-APL w automatyce procesowej

Aby zastąpić interfejsy pętli 4–20 mA lub komunikację Fieldbus lub Profibus Ethernetem-APL w aplikacjach automatyki procesowej, do czujników i elementów wykonawczych obecnych w sieci muszą zostać dostarczone zarówno zasilanie, jak i dane. Odległość między urządzeniami znajdującymi się w obiekcie a systemami sterowania w aplikacjach tego typu stanowi poważne wyzwanie dla istniejących dzisiaj technologii warstwy fizycznej przemysłowego Ethernetu, które z reguły są ograniczone do 100 m. Przy odległościach do 1 km wymaganych w wielu rozproszonych lokalizacjach, w połączeniu z koniecznością utrzymania minimalnego poboru mocy i możliwością użycia sprzętu zdolnego do pracy w aplikacjach strefy 0 (iskrobezpieczne), liczba problemów była już zbyt duża i konieczne stało się nowe podejście do realizacji technologii warstwy fizycznej Ethernetu. To przynosi nam właśnie Ethernet-APL.

Ethernet-APL wykorzystuje zdolność warstwy fizycznej 10BASE-T1L do pracy w pełnym dupleksie, komunikację punkt- punkt z modulacją PAM 3 z szybkością 7,5 MBd symboli i z kodowaniem 4B3T. Pracuje z dwoma poziomami napięć maksymalnych: 2,4 V na odległościach do 1000 m kabla i 1,0 V dla mniejszej odległości. Tryb 1-woltowy gwarantuje, że nowy standard warstwy fizycznej może być również stosowany w systemach przeciwwybuchowych (Ex) i spełniać rygorystyczne ograniczenia dotyczące maksymalnego zużycia energii. 10BASE-T1L umożliwia transmisję na duże odległości z użyciem ekranowanej skrętki dwuprzewodowej zarówno do dostarczania zasilania, jak i danych.

Jeśli chodzi o dostarczanie mocy do komponentów obiektowych, Ethernet- -APL zapewnia do 500 mW dla odbiorników w strefie 0, w porównaniu do około 36 mW, jakie mogą zapewnić obecnie przez interfejsy 4–20 mA. W zastosowaniach nieiskrobezpiecznych możliwe jest uzyskanie mocy zasilania do 60 W w zależności od użytego kabla. Dzięki znacznie większym poziomom zasilane odbiorniki mogą być cały czas włączone, ponieważ nie obowiązują już ograniczenia charakterystyczne dla pętli 4–20 mA i sieci fieldbusowych. Większa moc i ciągłość zasilania powodują, że możliwe są teraz pomiary o wyższej wydajności (np. realizowane częściej) i szybsze przetwarzanie danych na brzegu sieci. Ułatwi to dostęp do informacji procesowych, które będą teraz mogły być dostępne z poziomu serwera webowego zaimplementowanego w komponentach końcowych (peryferyjnych) sieci, co ostatecznie doprowadzi do znacznych usprawnień i optymalizacji procesów oraz lepszego zarządzania zasobami.

Aby wykorzystać takie duże zasoby danych i cenne informacje rozproszone po zasobach całej sieci, wymagane jest łącze komunikacyjne o większej przepustowości, aby niezawodnie przesyłać je z urządzeń polowych przez instalację sieciową obsługującą procesy technologiczne do infrastruktury IT znajdującej się na poziomie zakładu lub do chmury w celu dalszej analizy. Ethernet APL eliminuje potrzebę stosowania tutaj złożonych, energochłonnych bram (gateway) i umożliwia realizację konwergentnej sieć ethernetowej razem z zakładowym IT i OT. Takie podejście przynosi ponadto uproszczoną instalację, łatwą wymianę sprzętu oraz zapewnia szybsze uruchomienie i konfigurację sieci. Szybsze są także aktualizacje oprogramowania i konserwacja okresowa sprzętu pracującego w sieci (urządzeń polowych).

Zalety rozwiązania Ethernet-APL

Dzięki konwergencji sieci opartej na Ethernet-APL, konieczność użycia drogich, złożonych i pobierających wiele energii bram została zlikwidowana. Poza naturalną oszczędnością związaną z mniejszą liczbą wymaganego sprzętu, ogranicza to kłopoty wynikające z bardzo rozdrobnionej infrastruktury w magistrali obiektowej, brak tzw. wysp danych, a więc obszarów w sieci, w których dostęp do danych w urządzeniach terenowych jest ograniczony.

Jak pokazano w tabeli 1, systemy automatyki procesowej wykorzystują obecnie dotychczasowe standardy komunikacyjne, które mają ograniczenia. Nowy standard Ethernet 10BASE-T1L daje możliwość ponownego wykorzystania niektórych już zainstalowanych kabli, stwarzając znaczące możliwości modernizacji instalacji automatyzacji procesów w terenie za pomocą Ethernetu-APL opartego na warstwie fizycznej jednoparowego Ethernetu 10BASE-T1L.

Aby komunikować się z urządzeniem obsługującym Ethernet-APL, wymagany jest host wyposażony w procesor ze zintegrowaną kontrolą dostępu do medium transmisyjnego (MAC) lub przełącznik Ethernet z portami 10BASE-T1L (patrz rys. 2).

 

Rys. 2. Komunikacja z urządzeniami polowymi w Ethernet-APL działającym na 10BASE-T1L

Okablowanie i topologia sieci dla Ethernet-APL

 

Rys. 3. Koncepcja komunikacji od brzegu urządzenia do chmury za pomocą Ethernet-APL i 10BASE-T1L

Standard 10BASE-T1L nie definiuje konkretnego medium transmisyjnego (kabla), zamiast tego precyzuje model kanału komunikacyjnego poprzez określenie wymagań dotyczących tłumienia odbiciowego i wtrąceniowego łącza. Taki model dobrze pasuje do kabli fieldbusowych typu A, które są już obecnie używane w sieciach Profibus i Fieldbus, dlatego niektóre zainstalowane już kable dla pętli 4–20 mA mogą być potencjalnie użyte w ramach Ethernet-APL. Okablowanie w postaci jednej pary przewodów ma tę zaletę, że jest tańsze, mniejsze i łatwiejsze w instalacji w porównaniu z przewodami wieloparowymi.

Rysunek 3 przedstawia proponowaną topologię sieci dla standardu Ethernet APL, określaną jako topologia sieci trunkingowej z odgałęzieniami (trunk and spur). Kable główne mogą mieć długość do 1 km przy szczytowym napięciu PHY 2,4 V i znajdować się w Zone 1, Division 2. Kable odgałęzione mogą mieć długość do 200 m, przy napięciu PHY 1 V i znajdować się w Zone 0, Division 1. Źródło zasilania znajduje się na poziomie OT, zapewniając funkcjonalność switcha ethernetowego i dostarczając zasilanie do kabla (przez linie danych). Dodatkowe switche polowe znajdują się w obszarze niebezpiecznym i są zasilane z kabla.

Urządzenia obsługujące Ethernet-APL zapewnią nowe możliwości

Ethernet APL umożliwi płynne połączenie z chmurą instalacji automatyki procesowej, w tym urządzeń działających w niebezpiecznych lokalizacjach, jakie są w zakładach produkujących produkty spożywcze, napoje, środki farmaceutyczne oraz w przemyśle naft owym i gazowym. Dzięki znacznie większej dostępnej mocy zasilającej w Ethernet-APL, będzie można wykorzystać bardziej zaawansowane urządzenia polowe, o lepszej funkcjonalności i zapewniające przetwarzanie w chmurze i zaawansowaną analizę danych w celu optymalizacji procesów. Pozwoli to na stworzenie nowych modeli biznesowych dla przemysłu przetwórczego, obsługujących bardziej złożone procesy i tworzące wartość dodaną z dostępnych obecnie informacji.

Aby uzyskać więcej informacji na temat portfolio rozwiązań układowych z rodziny Industrial Ethernet ADI Chronous firmy Analog Devices oraz sposobu, w jaki przyspieszają one przejście do rzeczywistych sieci przemysłowego Ethernetu, odwiedź stronę analog. com/chronous.

Maurice O’Brien, Analog Devices

Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com