การเชื่อมต่อ – หัวใจสำคัญของระบบอัตโนมัติที่ยั่งยืน

เทคโนโลยี เช่น SPE, PoDL และ APL อีเธอร์เน็ต เอาชนะข้อจำกัดแบบดั้งเดิมของการสื่อสารทางอุตสาหกรรม อินเทอร์เฟซขั้นสูงสำหรับสัญญาณ ข้อมูล และพลังงานไฟฟ้าถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับงานนี้ โดยช่วยให้ผู้ให้บริการระบบอัตโนมัติประหยัดทรัพยากรและต้นทุนเมื่อเชื่อมต่อเครือข่ายอุปกรณ์การผลิต

(แหล่งรูปภาพ: PeopleImages ผ่าน Getty Images)

การทำให้เป็นดิจิตอลและเครือข่ายข้อมูลที่ไร้รอยต่อที่เจาะลึกกระบวนการขององค์กรลงไปจนถึงระดับการผลิตภาคสนามถือเป็นแนวโน้มที่ยั่งยืนในเทคโนโลยีระบบอัตโนมัติ เป้าหมายของพวกเขาคือการสร้างสภาพแวดล้อมการผลิตที่มีความยืดหยุ่นสูง ซึ่งสามารถปรับแต่งได้เพื่อให้บรรลุความหลากหลายและความสามารถในการผลิตในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน เพื่อจุดประสงค์นี้ อุตสาหกรรมการผลิตกำลังเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ภายใต้ 'อุตสาหกรรม 4.0' โดยการใช้ทรัพยากรที่มีอยู่ทั้งหมดอย่างยั่งยืนเป็นหนึ่งในประเด็นที่สำคัญที่สุด

จากภาคสนามสู่คลาวด์ได้อย่างราบรื่น

การเชื่อมต่อที่ราบรื่นระหว่างเครื่องจักร ผลิตภัณฑ์ และ – ในกรณีสุดท้าย – ผู้คนเป็นคุณลักษณะของการเปลี่ยนแปลงนี้ ซึ่งกำลังเริ่มเจาะขอบเขตดั้งเดิมระหว่างเทคโนโลยีปฏิบัติการ (OT) และเทคโนโลยีสารสนเทศ (IT) อย่างหนาแน่น ด้วยอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมเทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบันที่สามารถเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ระดับภาคสนามได้อย่างราบรื่นผ่าน TCP/IP เข้ากับบรอดแบนด์โครงสร้างพื้นฐานข้อมูลบนคลาวด์ของบริษัทและประหยัดต้นทุน แตกต่างจากฟิลด์บัสตรงที่อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมข้ามระดับของระบบอัตโนมัติทุกระดับ ตั้งแต่ต้นทางถึงปลายทาง ตั้งแต่อุปกรณ์ภาคสนามไปจนถึงระบบคลาวด์ ผู้ปฏิบัติงานในโรงงานและโรงงานจึงสามารถเข้าถึงข้อมูลอุปกรณ์แบบเรียลไทม์ และใช้สำหรับการวางแผนการผลิต การควบคุมกระบวนการ และการวิเคราะห์ข้อมูล

อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมช่วยให้สามารถรับและวิเคราะห์ข้อมูลจากเซ็นเซอร์ แหล่งจ่ายไฟ หรือไดรฟ์แบบเรียลไทม์ได้ ข้อมูลเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิหรือการสั่นสะเทือนที่จุดวิกฤตตลอดจนโปรไฟล์โหลดช่วยให้สามารถสรุปผลเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์ของกระบวนการได้ โดยจะประกาศเมื่อคาดว่าจะมีสถานการณ์โอเวอร์โหลด และส่งสัญญาณถึงความจำเป็นในการบำรุงรักษาตั้งแต่ระยะแรก การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับงานนี้ เนื่องจากช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานปรับปรุงความพร้อมของโรงงานและเครื่องจักรของตน ตลอดจนลดการใช้พลังงานและการใช้ทรัพยากรให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งในอีกด้านหนึ่งจะช่วยลดต้นทุนการดำเนินงาน แต่ในทางกลับกัน มีส่วนสนับสนุนที่สำคัญต่อความยั่งยืนของกระบวนการและโรงงานโรงงาน

ตัวเลือกที่ทนทานทดแทน RJ45

แกนหลักทางกายภาพของเครือข่ายเหล่านี้ โดยเฉพาะอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม คือเทคโนโลยีการเชื่อมต่อที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งช่วยให้สามารถส่งสัญญาณและข้อมูลที่เชื่อถือได้ระหว่างโหนดต่างๆ ของเครือข่ายอัตโนมัติ นอกเหนือจากความแข็งแกร่งทางกายภาพที่พวกเขาต้องการในการใช้งานทางอุตสาหกรรมแล้ว โซลูชันดังกล่าวยังเผชิญกับความท้าทายใหม่ๆ มากมายในปัจจุบัน ซึ่งเป็นผลมาจากปริมาณโหนดเครือข่ายที่แท้จริง การย่อขนาด หรือแบนด์วิธการรับส่งข้อมูลที่สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งปัจจัยรูปแบบที่กะทัดรัด การติดตั้งและการเดินสายเคเบิลที่ลดลง ความสมบูรณ์ของสัญญาณสูง เช่น การป้องกันที่ซับซ้อนต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และความน่าเชื่อถือในระยะทางการส่งสัญญาณที่ยาว โดยแบบหลังมีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งในสาขาโรงงานแบบขยาย จำเป็นต้องมีการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ที่ใช้ตัวเชื่อมต่อข้อมูลเพิ่มมากขึ้น

อินเทอร์เฟซมาตรฐานสำหรับการสื่อสารอีเธอร์เน็ตคือคอนเน็กเตอร์ RJ45 ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ผู้ใช้มักรายงานปัญหาเกี่ยวกับหน้าสัมผัสหรือองค์ประกอบการล็อคที่เสียหาย RJ45 ยังจำกัดการย่อขนาดเนื่องจากขนาดของมัน ในทางตรงกันข้าม ทางเลือกอื่นเช่น อินเทอร์เฟซ ix Industrial จากซัพพลายเออร์เยอรมนี HARTING (รูปที่ 1) มีขนาดเล็กกว่ามากและแข็งแกร่งกว่ามาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งทนทานต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือน ผู้ผลิตระบุว่าสามารถประหยัดพื้นที่บนแผงวงจรได้มากถึง 70% เมื่อเทียบกับ RJ45 มาตรฐาน คอนเน็กเตอร์ป้องกัน 360° ได้รับการออกแบบมาสำหรับการสื่อสารอีเธอร์เน็ต 10-Gbit/s และเข้ากันได้กับ PoE (Power-over-Ethernet) รวมถึง PoE+ สำหรับการส่งพลังงาน

รูปที่ 1: มีขนาดเล็กกว่าและทนทานกว่าคอนเน็กเตอร์ RJ45 มาตรฐานมาก: อินเทอร์เฟซอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม ix Industrial ของ HARTING (แหล่งรูปภาพ: HARTING)

ix Industrial เป็นอินเทอร์เฟซที่พัฒนาโดย HARTING ร่วมกับ Hirose ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านคอนเน็กเตอร์ของญี่ปุ่น ขนาด คุณสมบัติทางไฟฟ้า และการเข้ารหัสเป็นไปตามมาตรฐาน IEC 61076-3-124 ผู้ผลิตรายอื่นๆ เช่น บริษัทสหรัฐอเมริกาAmphenol Communications Solutions ได้นำเสนอผลิตภัณฑ์ที่มีคุณสมบัติเทียบเท่ากับ ix Industrial อีกด้วย เช่นคอนเน็กเตอร์แบบกดดึงสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ในระดับการป้องกัน IP65/66/67 คอนเน็กเตอร์ ix Mag ที่มีแม่เหล็กในตัว (รูปที่ 2) หรือชุดสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตเป็น RJ45 มีคอนเน็กเตอร์ RJ45 แบบทำมุม มีทั้งฟังก์ชัน 100-Gbit Ethernet และ PoE/PoE+

รูปที่ 2: Amphenol ix Mag: การสื่อสารอีเทอร์เน็ตสูงถึง 10 Gbit/s, การป้องกัน 360° และ PoE++ สูงถึง 90 W (แหล่งที่มาของภาพ: Amphenol Communications Solutions)

กรณีการใช้งานของ ix Industrial

ตัวอย่างต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพมหาศาลของอินเทอร์เฟซอีเธอร์เน็ตขนาดเล็กประสิทธิภาพสูงสำหรับการใช้งานในยุคอุตสาหกรรม 4.0:

ระบบการขนส่งเชิงเส้น XTS จาก Beckhoff ผู้เชี่ยวชาญด้านระบบอัตโนมัติเป็นโซลูชันการขับเคลื่อนที่ใช้ตัวขับเคลื่อนที่ขับเคลื่อนด้วยแม่เหล็กซึ่งเคลื่อนที่ไปตามรางของโมดูลมอเตอร์ที่บูรณาการอย่างสมบูรณ์ จากข้อมูลของ Beckhoff การควบคุมที่เป็นอิสระสำหรับโปรไฟล์การเคลื่อนไหวส่วนบุคคลเป็นจุดเริ่มต้นของแนวคิดเครื่องจักรใหม่ที่ช่วยให้กระบวนการผลิตมีความยืดหยุ่นมากขึ้นโดยมีเวลาหยุดทำงานสั้นลง เช่น การปรับเปลี่ยนเครื่องมือ

เพื่อให้ผู้เคลื่อนย้ายเป็นไปตามรูปแบบการเคลื่อนที่ คอมพิวเตอร์จะต้องคำนวณการจ่ายกระแสไฟสวิตชิ่งและกระแสไฟของโมดูลมอเตอร์ที่เกี่ยวข้องอย่างต่อเนื่อง เพื่อจุดประสงค์นี้ สามารถรวมบอร์ดคอมพิวเตอร์ได้ทั้งหมดสามบอร์ด โดยแต่ละบอร์ดก่อนหน้านี้มีซ็อกเก็ต RJ45 สี่ซ็อกเก็ตเป็นพอร์ต เพื่อให้ผู้ขนย้ายสามารถดำเนินการในระบบ XTS เจนเนอเรชั่นล่าสุดได้มากขึ้นโดยไม่ต้องเปลี่ยนขนาดของระบบ ซ็อกเก็ต RJ45 จึงถูกแทนที่ด้วยอินเทอร์เฟซ ix Industrial จาก HARTING การป้องกันที่เชื่อถือได้และปริมาณข้อมูลที่สูงเป็นข้อกำหนดหลักที่นี่ ต่างจาก RJ45 ตรงที่คอนเน็กเตอร์ ix Industrial แต่ละตัวอนุญาตให้มีการเชื่อมต่ออีเธอร์เน็ต 100-Mbit/s สองตัว ดังนั้นสามารถติดตั้งได้ถึงแปดพอร์ตแทนที่จะเป็นสี่พอร์ตบนบอร์ดเดียวกันได้ และสามารถติดตั้งช่องอีเธอร์เน็ตสองช่องต่อพอร์ตแทนที่จะเป็นหนึ่งพอร์ต

เป็นผลให้มีการใช้พอร์ต 48 พอร์ตแทนที่จะเป็น 12 พอร์ตบนบอร์ดคอมพิวเตอร์สามตัว ดังนั้น ด้วย XTS เจเนอเรชันล่าสุด ขณะนี้จึงสามารถใช้ XTS ไลน์ 48 รายการแทนสิบสองรายการต่อหน่วยได้ ซึ่งสอดคล้องกับประสิทธิภาพของระบบขนส่งที่เพิ่มขึ้น 400%

สายไฟสองเส้น - แทนที่จะเป็นสี่หรือแปดเส้น

คุณลักษณะที่โดดเด่นประการหนึ่งของเทคโนโลยีระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมในปัจจุบันคือการโยกย้ายจากสถาปัตยกรรมแบบลำดับชั้นไปสู่สถาปัตยกรรมแบบกระจาย สิ่งเหล่านี้ถือว่าก้าวหน้าและมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ และยิ่งไปกว่านั้นยังรับประกันความปลอดภัยเครือข่ายที่เพิ่มขึ้นอีกด้วย เนื่องจากโหนดอัจฉริยะ เช่น เซ็นเซอร์อัจฉริยะหรือคอมพิวเตอร์ Edge ซึ่งสามารถดำเนินการประมวลผลข้อมูลบางอย่างได้โดยอัตโนมัติ ช่วยลดการรับส่งข้อมูลที่ละเอียดอ่อนระหว่าง Edge และคลาวด์ ข้อดีของการกระจายนั้นเห็นได้ชัดเจนในตัวเอง แต่จำนวนอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อในภาคสนามก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก และความพยายามในการวางสายเคเบิลและการเชื่อมต่อก็เช่นกัน การใช้ทางเศรษฐกิจทั้งในแง่ของวัสดุและความพยายามในการติดตั้งตลอดจนการใช้พลังงาน กำลังกลายเป็นเกณฑ์สำคัญสำหรับความยั่งยืนของโรงงานผลิต

อีเธอร์เน็ตคู่เดียว (SPE) ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านประสิทธิภาพและความคุ้มค่า เทคโนโลยีการสื่อสารถูกกำหนดโดยมาตรฐาน IEEE 802.3 ชุดมาตรฐาน IEC 63171-x ใช้กับคอนเน็กเตอร์ที่เกี่ยวข้อง โดยพื้นฐานแล้ว ช่วยให้ส่วนประกอบภาคสนามสามารถเชื่อมต่อผ่านสายคู่บิดเกลียวเพียงเส้นเดียว เช่น ใช้สายไฟสองเส้นแทนที่จะเป็นสี่หรือแปดเส้นก่อนหน้านี้: ต้นทุนต่ำ ประหยัดทรัพยากร และจึงมีความยั่งยืนอย่างยิ่ง เดิมทีพัฒนาขึ้นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์ SPE ตรงตามข้อกำหนดของผู้ให้บริการระบบอัตโนมัติหลายราย: สายคู่เดียวช่วยให้สามารถรวมเครื่องมือ ตัวควบคุม และอุปกรณ์อื่นๆ จำนวนมากเข้ากับเครือข่ายอีเทอร์เน็ตที่อัตราข้อมูลกิกะบิต (รูปที่ 3)

รูปที่ 3 อีเธอร์เน็ตคู่เดียวช่วยให้สามารถบูรณาการระดับฟิลด์เข้ากับการสื่อสารอีเธอร์เน็ตบรอดแบนด์ได้อย่างคุ้มค่าและคุ้มต้นทุน (แหล่งรูปภาพ: SPE Industrial Partner Network)

ข้อดีอีกประการหนึ่ง: เนื่องจากความเข้ากันได้ของ PoDL (Power-over-Data-Line, IEEE P802.3bu) สายคู่เดียวกันจึงสามารถส่งข้อมูลได้ไม่เพียงแต่ข้อมูลเท่านั้น แต่ยังส่งพลังงานไฟฟ้าไปยังอุปกรณ์ภาคสนามด้วย นอกเหนือจากแอคชูเอเตอร์และเซ็นเซอร์แล้ว ในช่วงกำลังของแหล่งจ่ายไฟ PoE ก่อนหน้า อุปกรณ์ที่ใช้กล้องสามารถเชื่อมต่อและจ่ายไฟผ่าน PoDL ได้ เป็นต้น

ผลิตภัณฑ์สำหรับอีเธอร์เน็ตคู่เดียว

ในส่วนของ SPE นั้น HARTING เชื่อมต่อด้วยคอนเน็กเตอร์ T1 รวมทั้งการล็อคและการป้องกัน EMI 360° (รูปที่ 4) T1 ที่รองรับ PoDL มีจำหน่ายในรูปแบบทรงกลม รวมถึง M8 และ M12 ในแง่ของระดับการป้องกัน สเปกตรัมของผลิตภัณฑ์มีตั้งแต่ IP20 ถึง IP67 และตามที่ผู้ผลิตระบุ อินเทอร์เฟซที่เกี่ยวข้องได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ตรงตามระดับการป้องกันและรับประกันความสามารถในการทำงานร่วมกัน

รูปที่ 4: ฟังก์ชันการล็อคที่มีการป้องกันและติดตั้งไว้ – T1 ที่รองรับ PoDL มีระดับการป้องกัน IP20 ถึง IP67 (แหล่งรูปภาพ: HARTING)

Phoenix Contact อีกทั้งยังให้บริการแบบครบวงจร ผลงานของ SPE สำหรับการเดินสายภาคสนาม เข้าและออกจากตู้ควบคุม เซ็นเซอร์ สวิตช์ และเกตเวย์ ผลิตภัณฑ์ของซัพพลายเออร์รายนี้ประกอบด้วย ตัวอย่างเช่น คอนเน็กเตอร์บอร์ดหรือชุดสายเคเบิลสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมระดับ IP20 ถึง IP67 ทางอุตสาหกรรม

ผู้ให้บริการเครื่องมือโอเพ่นซอร์ส SparkFun Electronics นำเสนอบอร์ดฟังก์ชั่น SPE เพื่อรองรับนักพัฒนาในการออกแบบการใช้งานด้วยอีเธอร์เน็ตคู่เดียว (รูปที่ 5) บอร์ด MicroMod COM-19038 รวมถึงตัวรับส่งสัญญาณอีเธอร์เน็ต ADIN1110 จากAnalog Devices ส่วนประกอบแบบพาสซีฟจาก Würth Elektronik และคอนเน็กเตอร์ HARTING T1 อินเทอร์เฟซ MAC (การควบคุมการเข้าถึงสื่อ) ในตัวช่วยให้สามารถสื่อสารแบบอนุกรมกับโฮสต์คอนโทรลเลอร์ที่ความเร็ว 10 Mbit/s ในโหมดดูเพล็กซ์เต็มรูปแบบ บอร์ดรองรับโหนดเครือข่ายผ่านสายเคเบิลยาว 1700 m แต่ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อจ่ายไฟให้กับโหนดผ่านสายเคเบิลนี้ Kirk Benell CTO ของ SparkFun นำเสนอบอร์ดพัฒนาในวิดีโอสาธิต

รูปที่ 5: ตัวสาธิตสำหรับเซ็นเซอร์วัดสภาพแวดล้อมที่มีจอแสดงผล (แหล่งรูปภาพ: SparkFun Electronics)

เครือข่ายแบบ end-to-end ในเทคโนโลยีกระบวนการ

ตัวอย่างข้อได้เปรียบทางเทคนิคของอีเธอร์เน็ตคู่เดียว เช่น การตรวจสอบสภาพและการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ ก็เป็นประโยชน์ต่อกระบวนการอัตโนมัติเช่นกัน อย่างไรก็ตาม โปรไฟล์ข้อกำหนดเพิ่มเติมสำหรับการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตมีผลใช้ที่นี่ นอกเหนือจากการสื่อสารแบบเรียลไทม์และบรอดแบนด์ที่ทนทานแล้ว เนื่องจากเป็นสิ่งจำเป็นในโรงงานด้วย โรงงานกระบวนการที่หลากหลายยังต้องการการถ่ายโอนข้อมูลในระยะทางไกล นอกจากนี้ ส่วนประกอบของระบบอัตโนมัติจะต้องมีความปลอดภัยอย่างแท้จริงสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่อาจเกิดการระเบิดได้ นี่คือจุดที่สิ่งที่เรียกว่าอีเธอร์เน็ตชั้นทางกายภาพขั้นสูง (Ethernet Advanced Physical Layer: Ethernet APL) เข้าสู่ฉาก โดยกำหนดเลเยอร์การส่งข้อมูลทางกายภาพสำหรับการสื่อสารอีเธอร์เน็ตที่ 10 Mbit/s เช่นเดียวกับการจ่ายไฟผ่านสายคู่เส้นเดียว เช่นเดียวกับ SPE ในระยะทาง สูงถึง 1,000 m เช่นเดียวกับ SPE Ethernet APL เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องมือวัดภาคสนามอเนกประสงค์อเนกประสงค์

สรุป

อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม และโดยเฉพาะอีเธอร์เน็ตคู่เดียว รองรับเครือข่ายบรอดแบนด์ของอุปกรณ์การผลิต ช่วยให้เกิดการสื่อสารที่ราบรื่นตั้งแต่ระดับภาคสนามไปจนถึงระบบคลาวด์ และช่วยให้สามารถเข้าถึงข้อมูลอุปกรณ์แบบเรียลไทม์ ซึ่งสนับสนุนผู้ปฏิบัติงานในการเพิ่มประสิทธิภาพโรงงานและกระบวนการ ประโยชน์เหล่านี้เห็นได้ชัดเจนจากการลดต้นทุนการดำเนินงาน ความพร้อมใช้งานที่สูงขึ้น และการใช้พลังงานและทรัพยากรให้เกิดประโยชน์สูงสุด เทคโนโลยีการเชื่อมต่อขั้นสูง เช่น อินเทอร์เฟซ ix Industrial และคอนเน็กเตอร์ SPE ที่มีเข้ากันได้กับ PoDL ช่วยให้มั่นใจได้ถึงข้อมูลที่เชื่อถือได้และการส่งผ่านพลังงานระหว่างโหนดเครือข่ายทั้งหมด สิ่งนี้ทำให้สิ่งเหล่านี้เป็นองค์ประกอบสำคัญของอุตสาหกรรม 4.0 และเป็นแกนหลักของแนวคิดระบบอัตโนมัติที่ยั่งยืน