วิธีใช้สายเคเบิล Fieldbus เส้นเดียวสำหรับโปรโตคอลอีเธอร์เน็ตหลายโปรโตคอลพร้อมกัน

การเปลี่ยนแปลงสู่ Industry 4.0 และ Internet of Things ในอุตสาหกรรม (IIoT) อย่างรวดเร็วนำมาซึ่งความจำเป็นในการเก็บรวบรวมและการเชื่อมต่อข้อมูล ช่วยให้การวิเคราะห์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและความปลอดภัย อย่างไรก็ตาม การเพิ่มขนาดและประสิทธิภาพในการรวบรวมและถ่ายโอนข้อมูลทั่วทั้งโรงงานอาจมีความซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีหลายเครือข่ายและสภาพแวดล้อมที่รุนแรง นักออกแบบต้องการวิธีในการออกแบบ ปรับใช้ และจัดการเครือข่ายอุตสาหกรรมอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลกับตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) เซ็นเซอร์ และแอคทูเอเตอร์หลายตัวจากผู้ขายหลายราย โดยใช้โปรโตคอลที่แตกต่างกันและเดินสายน้อยที่สุด

การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวสามารถทำได้โดยใช้แพลตฟอร์มอินพุต/เอาท์พุต (I/O) แบบกระจายที่ได้รับการปรับปรุงและรวบเข้าไว้ด้วยกันซึ่งสามารถจัดการโปรโตคอลหลายโปรโตคอลผ่านสายอีเธอร์เน็ตเส้นเดียว ระบบดังกล่าวยังช่วยให้ผู้ให้บริการเครือข่ายอุตสาหกรรมลดความซับซ้อนของข้อกำหนดในการบริการ และลดสินค้าคงคลังของชิ้นส่วนอะไหล่ด้วยการกำหนดมาตรฐานบนแพลตฟอร์ม I/O เดียว โดยไม่คำนึงถึง PLC ที่ใช้งานอยู่

บทความนี้เป็นการกล่างถึงเกี่ยวกับเครือข่าย Industry 4.0 โดยสังเขป จากนั้นจะแนะนำแพลตฟอร์ม I/O จาก Siemens ที่รองรับอีเธอร์เน็ตฟิลด์บัสหลายตัวบนสายเคเบิลเส้นเดียวในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง และแสดงให้เห็นว่าสามารถนำมาใช้เพื่อตอบสนองความต้องการของนักออกแบบระบบ Industry 4.0 ได้อย่างไร

โปรโตคอลอีเธอร์เน็ต

การปรับใช้งาน Industry 4.0 มีความต้องการด้านการสื่อสารที่หลากหลาย โปรโตคอลฟิลด์บัสหลักทั้งสามโปรโตคอล PROFINET, EtherNet/IP และ Modbus TCP รองรับกรณีการใช้งานที่แตกต่างกันตั้งแต่เทคโนโลยีเชิงปฏิบัติงาน (OT) ในโรงงานไปจนถึงเทคโนโลยีสารสนเทศ (IT)

PROFINET : คือโปรโตคอลประสิทธิภาพสูงที่ใช้สำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างตัวควบคุม เช่น PLC และอุปกรณ์ เหมาะสำหรับฟังก์ชันแบบเรียลไทม์และความปลอดภัยที่สำคัญซึ่งรวมถึงการควบคุมการเคลื่อนไหวความเร็วสูง นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการรวมฟังก์ชัน OT/IT อีกด้วย

EtherNet/IP : ใช้โปรโตคอลอีเทอร์เน็ตมาตรฐาน ทำให้ง่ายต่อการใช้งานกับอุปกรณ์อีเธอร์เน็ต Common Industrial Protocol (CIP) ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม และรองรับเทคโนโลยีเครือข่าย รวมถึง EtherNet/IP โดย EtherNet/IP ยังสามารถใช้เพื่อการแลกเปลี่ยนข้อมูลจากระดับฟิลด์ไปยังระบบ IT ได้อีกด้วย

Modbus TCP : นี่คือโปรโตคอลที่ใช้ TCP/IP ซึ่งมีประโยชน์สำหรับฟังก์ชันที่ไม่มีความสำคัญด้านเวลา เช่น การใช้พลังงานและการรวบรวมข้อมูลด้านสิ่งแวดล้อม ตลอดจนการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างระดับภาคสนามและระบบ IT

เนื่องจากแต่ละฟิลด์บัสมีจุดประสงค์เฉพาะ ทั้งสามจึงมีความจำเป็นเท่า ๆ กัน สิ่งนี้ทำให้เกิดความท้าทายในการสื่อสารที่ซับซ้อน ซึ่งเป็นจุดที่ระบบ MultiFieldbus เข้ามามีบทบาท ตัวควบคุมการสื่อสาร MultiFieldbus ตั้งอยู่ระหว่างระดับภาคสนามและระดับการควบคุม โดยสื่อสารกับตัวควบคุมหลายตัวพร้อมกันโดยใช้โปรโตคอลที่แตกต่างกันผ่านสายเคเบิลเครือข่ายเส้นเดียว (รูปที่ 1) โดยสามารถพบอุปกรณ์ MultiFieldbus ได้ในสภาพแวดล้อมต่างๆ ตั้งแต่ภายในตู้ควบคุมที่ได้รับการป้องกัน จนถึงภายนอกในพื้นโรงงาน ไปจนถึงการติดตั้งกลางแจ้งระยะไกล

รูปที่ 1: ตัวควบคุมการสื่อสาร MultiFieldbus อยู่ระหว่างระดับภาคสนามและระดับการควบคุม อำนวยความสะดวกในการเชื่อมต่อและการสื่อสารใน Industry 4.0 ที่ครอบคลุม (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

สภาพแวดล้อมที่หลากหลาย

ความหลากหลายทางสิ่งแวดล้อมต้องใช้อุปกรณ์ที่มีระดับการป้องกันน้ำและฝุ่น (IP) ที่หลากหลายตั้งแต่ IP20 ถึง IP67 ระบบการจัดระดับ IP อยู่ในมาตรฐาน International Electrotechnical Commission (IEC) 60529 และจัดระดับอุปกรณ์ตามความสามารถในการป้องกันการฝุ่นและของเหลว และระดับความง่ายในการเข้าถึงชิ้นส่วนที่เป็นอันตรายของระบบที่ปิดล้อมด้วยนิ้วมือและเครื่องมือ หรือวัตถุแข็งขนาดต่างๆ รหัส IP ประกอบด้วยตัวเลขสองหลัก หลักแรกแสดงถึงการป้องกันวัตถุแข็ง และมีค่าตั้งแต่ 0 (ไม่มีการป้องกัน) ถึง 6 (ป้องกันฝุ่น) ตัวเลขหลักที่สองแสดงถึงการป้องกันของเหลว และมีค่าตั้งแต่ 0 (ไม่มีการป้องกัน) ถึง 9 (การป้องกันน้ำร้อนที่แรงดันสูงจากมุมต่างๆ)

ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ที่มีระดับ IP20 ใช้ภายในตู้ควบคุมหรือสภาพแวดล้อมที่คล้ายกัน โดยเลข 2 หมายถึงการป้องกันจากอนุภาค > 12.5 มิลลิเมตร (มม.) เช่น นิ้วหรือวัตถุที่คล้ายกัน และ 0 หมายถึงไม่มีการป้องกันน้ำเข้า

สำหรับสภาพแวดล้อมที่ท้าทายมากขึ้น โดยระดับ IP ทั่วไปได้แก่ IP65, IP67 และ IP69K โดยที่ 6 หมายถึงตัวเครื่องที่ปิดสนิทและป้องกันฝุ่นได้อย่างสมบูรณ์ ระดับ IP เหล่านี้ให้การป้องกันน้ำที่แตกต่างกัน

• IP65 บ่งบอกว่าน้ำที่ฉีดโดยหัวฉีด (6.3 มม.) กับตัวเครื่องจากทุกทิศทางจะไม่ส่งผลที่เป็นอันตราย
• IP67 ระบุการป้องกันน้ำในปริมาณที่เป็นอันตรายจะไม่สามารถทำได้เมื่ออุปกรณ์อยู่ในน้ำลึกไม่เกิน 1 เมตร (ม.)
• IP69K ใช้สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ในยานพาหนะบนท้องถนน และมีการชะล้างด้วยแรงดันและอุณหภูมิสูง

แพลตฟอร์ม MultiFieldbus

SIMATIC ET 200 I/O ของ Siemens แพลตฟอร์ม MultiFieldbus และโมดูลอินเทอร์เฟซสามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลกับคอนโทรลเลอร์หลายตัวได้พร้อมกันโดยใช้โปรโตคอล PROFINET, EtherNet/IP และ Modbus TCP ผ่านสายเคเบิลเส้นเดียวกัน โปรโตคอลการสื่อสารทั้งหมดสามารถกำหนดค่าได้ผ่านซอฟต์แวร์โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงฮาร์ดแวร์ โดยแพลตฟอร์ม SIMATIC ET 200 I/O ที่สมบูรณ์ที่มี MultiFieldbus ยังประกอบด้วยโมดูลที่มีระดับ IP20 สำหรับใช้ในตู้ควบคุม โมดูลที่มี IP65 และ IP67 สำหรับใช้กับเครื่องจักรภายในอาคารและ IP69K สำหรับการใช้งานกลางแจ้ง (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: แพลตฟอร์ม SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus มีตระกูลอุปกรณ์หลายตระกูล และสามารถรองรับการติดตั้ง Industry 4.0 ในตู้ควบคุม เครื่องจักรภายในอาคาร และภายนอกอาคาร (ภาพ: Siemens)

ระบบสามารถรองรับการสื่อสารพร้อมกันกับ PLC ได้สูงสุดหกเครื่องโดยใช้โปรโตคอลฟิลด์บัสที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ ยังมีโมดูลสำหรับ IO-Link, Profibus, แบบจุดต่อจุด (PtP), เครือข่ายพื้นที่ควบคุม (CAN), อินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์แอคชูเอเตอร์ (Asi), อินเทอร์เฟซระบบไฟระบุตำแหน่งได้ดิจิทัล (DALI) และมัลติเพล็กเซอร์ดิจิทัล DMX512 สามารถรวม I/O มาตรฐานกับ Failsafe ไว้ในสถานีเดียวได้

สถาปัตยกรรมแบบโมดูลาร์และมัลติฟังก์ชั่นของระบบรองรับการปรับแต่งจำนวนมาก ซึ่งเป็นจุดเด่นของโรงงาน Industry 4.0 โดยการเดินสายอย่างรวดเร็วจากการขั้วต่อแบบพุชอิน และมีโมดูลให้เลือกใช้งานสำหรับฟังก์ชันต่างๆ เช่น การนับ, การตรวจสอบพลังงาน, การสตาร์ทมอเตอร์, อินพุตตำแหน่ง, เซอร์โวไดรฟ์, การตรวจจับอุณหภูมิ, I/O ตามเวลา และแม้แต่การชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า โดยโมดูลจำนวนมากรองรับ PROFIenergy ซึ่งเป็นโปรไฟล์ของโปรโตคอลการสื่อสาร PROFINET ที่ช่วยในการจัดการพลังงานในอุปกรณ์ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

SIMATIC ET 200SP เป็นระบบ I/O แบบกระจายแบบมัลติฟังก์ชั่นและปรับขนาดได้พร้อมโมดูลที่หลากหลาย ตัวอย่างเช่น รุ่น 6ES71556MU000CN0 เป็นโมดูลอินเทอร์เฟซแบบ 2 พอร์ตสำหรับใช้ภายในตู้ควบคุม (รูปที่ 3) และรุ่น 6ES71936BP000BA0 เป็นหน่วยฐาน SIMATIC ET 200SP ที่มีขนาดเล็กเป็นพิเศษซึ่งออกแบบมาเพื่อติดตั้งในกล่องควบคุมขนาดเล็กที่อยู่ติดกับเครื่องจักร ทั้งสองรุ่นมีระดับ IP20 และช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -30°C ถึง +60°C

รูปที่ 3: 6ES71556MU000CN0 เป็นโมดูลอินเทอร์เฟซแบบสองพอร์ตสำหรับใช้ภายในตู้ควบคุม (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

โมดูลทนต่อการสั่นสะเทือนสำหรับงานประกอบ

SIMATIC ET 200AL ได้รับการปรับให้เหมาะกับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหว เช่น การประกอบแบบอัตโนมัติและกึ่งอัตโนมัติ (รูปที่ 4) โมดูลสามารถรับแรงสั่นสะเทือนต่อเนื่องได้สูงสุด 5g และสูงสุด 10g โดยมีระดับ IP65/67 โดยมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -25°C ถึง +55°C และการออกแบบที่กะทัดรัดและน้ำหนักเบาเหมาะกับการใช้งานควบคุมแบบกระจายบนเครื่องจักร โดยมีความกว้างของโมดูล 30 มม. หรือ 45 มม. และรองรับได้สูงสุด 32 โมดูลต่อสถานี โมดูลรองรับการรวมเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์โดยใช้ตัวเชื่อมต่อ M8 หรือ M12 ขึ้นอยู่กับโมดูล นอกจากนี้ยังมีฟังก์ชัน PROFIenergy อีกด้วย

รูปที่ 4: โมดูล ET 200AL (มุมขวาล่าง) ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะกับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหว และสามารถรับแรงสั่นสะเทือนต่อเนื่องได้สูงสุด 5g (แหล่งที่มาภาพ: Siemens)

ตัวอย่างของโมดูล ET 200AL ได้แก่:

• 6ES71415BF000BA0 มีอินพุตดิจิตอล 8 ช่องและช่องเสียบ M8 สำหรับเชื่อมต่อพรอกซิมิตี้เซนเซอร์และสวิตช์ ขนาด 30 มม. x 159 มม.
• 6ES71445KD500BA0 มีอินพุตอนาล็อก 8 ช่องและช่อง M12 สำหรับการเชื่อมต่อ สามารถตั้งโปรแกรมประเภทการวัดสำหรับแต่ละช่องสัญญาณได้ รวมถึงแรงดันไฟฟ้า กระแส (ทรานสดิวเซอร์ 2 และ 4 สาย) ความต้านทาน (ทรานสดิวเซอร์ 2 และ 3 สาย) และเครื่องตรวจจับเทอร์โมมิเตอร์ความต้านทาน (การเชื่อมต่อ 2 และ 3 สาย) ความละเอียด 16 บิต ขนาด 30 มม. x 159 มม.

โมดูลระดับ IP65/67 สำหรับการติดตั้งเครื่องจักร

โมดูล SIMATIC ET 200pro ระดับ IP65/67 และได้รับการออกแบบสำหรับการติดตั้งภายนอกตู้ควบคุมที่เครื่องจักรโดยตรง ด้วยการเชื่อมต่อแบบไร้สาย โมดูลเหล่านี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น ระบบยานพาหนะนำทางอัตโนมัติ การจัดการอาคาร โลจิสติกส์คลังสินค้า และระบบไฟฟ้ารางเดี่ยว ตระกูลนี้สามารถสลับใช้งานได้ทันทีและรวมถึงโมดูลหน่วยประมวลผลกลาง (CPU), โมดูลอินเทอร์เฟซ, โมดูล I/O และโมดูลการทำงาน

ซีรีส์ ET 200pro มีฟังก์ชันมากมาย เช่น IO-Link และการระบุความถี่วิทยุ (RFID) สามารถใช้โมดูลสตาร์ทมอเตอร์เพื่อสตาร์ทและปกป้องมอเตอร์และรับโหลดได้สูงสุดถึง 5.5 กิโลวัตต์ (kW) มีเวอร์ชันป้องกันข้อผิดพลาดที่สามารถรองรับระดับของระบบป้องกันอันตราย (Safety Integrity Level, SIL) 3 ได้ โมดูลตัวแปลงความถี่สามารถใช้สำหรับการควบคุมแบบลูปเปิดหรือลูปปิดของมอเตอร์เหนี่ยวนํา 6ES71444JF000AB0 โมดูลวัดอุณหภูมิมีความยืดหยุ่นสูงและสามารถตั้งโปรแกรมให้ใช้เครื่องตรวจจับอุณหภูมิความต้านทาน (RTD) ได้หลากหลาย รวมถึง PT100, PT200, PT500, PT1000, NI100, NI200, NI500 และ NI1000 และสามารถส่งออกอุณหภูมิเป็นเซลเซียสหรือฟาเรนไฮต์ได้

โมดูลติดตั้งบนเครื่องจักรสำหรับพื้นที่กลางแจ้งและพื้นที่อันตราย

โมดูล SIMATIC ET 200eco PN มีบล็อก I/O ขนาดกะทัดรัดที่มีระดับป้องกัน IP65 และ IP67 และเหมาะสำหรับการติดตั้งแบบไม่มีตู้ที่เครื่องจักรโดยตรง เช่นเดียวกับโมดูล ET 200 ทั้งหมด รองรับ PROFINET, Ethernet/IP และ Modbus TCP โมดูลเหล่านี้มาในตัวเรือนสังกะสีหล่อแบบปิดผนึกอย่างสมบูรณ์ และทนทานต่อการสั่นสะเทือน ฝุ่น น้ำมัน และความชื้น ทำให้เหมาะสำหรับการติดตั้งกลางแจ้ง มีอุณหภูมิในการทำงานที่ -40°C ถึง +60°C ซีรีส์ ET 200eco PN ได้รับการรับรองโดย Atmospheres Explosibles (ATEX) ของสหภาพยุโรป (EU) และสามารถใช้ได้ในพื้นที่อันตรายจนถึงโซน 2

สำหรับอุปกรณ์ที่เป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะของ IO-Link V1.1 อุปกรณ์และพารามิเตอร์หลักสามารถถ่ายโอนได้โดยอัตโนมัติโดยใช้ 'ฟังก์ชันเริ่มอัตโนมัติ' โดยไม่ต้องกำหนดค่าใดๆ ก่อนหน้านี้ หากจำเป็นต้องเปลี่ยนอุปกรณ์ ตัวอย่างเช่นโมดูล 6ES71486JG000BB0 สามารถทำงานเป็นอุปกรณ์หลัก IO-Link V1.1 และประกอบด้วยพอร์ต IO-Link 4 Class A และ 4 Class B (รูปที่ 5) พอร์ตสามารถทำหน้าที่เป็นอินพุตหรือเอาต์พุตดิจิทัลได้ ขึ้นอยู่กับการกำหนดพารามิเตอร์ ได้รับการจัดอันดับสำหรับ IP67 และ IP69K และรองรับอัตราการส่งข้อมูลสามอัตรา: 4.8 กิโลไบต์ (kBd) บน COM1, 38.4 kBd บน COM2 และ 230.4 kBd บน COM3

รูปที่ 5: โมดูล SIMATIC ET 200eco PN (ซ้าย) และภาพระยะใกล้ของการติดตั้งทั่วไป (ขวา) (แหล่งรูปภาพ: Siemens)

สรุป

การใช้เครือข่าย Industry 4.0 เป็นความพยายามที่ซับซ้อนซึ่งต้องคำนึงถึงอินเทอร์เฟซการสื่อสารที่หลากหลายและสภาพแวดล้อมการทำงานที่แตกต่างกัน เพื่อปรับปรุงเครือข่ายโรงงาน ผู้ออกแบบสามารถใช้แพลตฟอร์ม SIMATIC ET 200 MultiFieldbus ของ Siemens เพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลพร้อมกันกับ PLC สูงสุดหกเครื่องโดยใช้โปรโตคอล PROFINET, EtherNet/IP และ Modbus TCP ผ่านสายเคเบิลเส้นเดียวกัน

บทความที่แนะนำ

1. การสนับสนุนการปรับแต่งจำนวนมาก คุณภาพสูง และการดำเนินงานที่ยั่งยืนในโรงงาน Industry 4.0
2. วิธีเชื่อมต่อระบบอัตโนมัติในโรงงานแบบเดิมกับ Industry 4.0 โดยไม่หยุดชะงัก