Automatizace v průmyslu se mnoho let neomezuje na prostou robotiku na výrobních linkách. Současná řešení dovolují automatizaci nejsložitějších procesů, prakticky v každém odvětví hospodářství: v továrnách, skladech dolech, překladištích, přístavech, veřejné infrastruktuře, zemědělství. Spolu s rozvojem toho, co rozumíme pod pojmem automatizace, roste potřeba dohledu nad stále většími, samočinnými systémy sběru dat se stále rostoucím počtem čidel a synchronizace mezi mnoha (rozdílnými!) akčními zařízeními. Současně, tváří v tvář konkurenci na světových trzích, vzrůstá zájem o škálovatelná řešení, s širokou kompatibilitou, snadno modernizovatelná. Z této potřeby se zrodil tzv. „Průmysl 4.0”, založený na komputerizaci a centralizovaném řízení. Dnes se řešení, jako strojní parky kontrolované programem realizovaným na serveru nebo synchronní správa stovek zařízení, staly standardem. A vůbec nejsou vyhrazeny pro velké podnikatele. „Internet věcí” (IoT) umožňuje stavbu efektivních a úsporných (a tedy i konkurenceschopných) automatizačních systémů i v malých závodech nebo zemědělských hospodářstvích. 
V katalogu TME jsou dostupné tisíce výrobků určených pro realizaci nejmodernějších systémů průmyslového řízení. V tomto sortimentu si zvláštní pozornost zaslouží nabídka značky Advantech – tchajwanského výrobce, který se soustřeďuje na oblast průmyslových sítí a také řídicí a monitorovací moduly, které jsou s nimi kompatibilní. Nabídka tohoto dodavatele dokonale ilustruje možnosti, které s sebou přináší epocha čtvrté průmyslové revoluce. Podívejme se zblízka na nabídku značky Advantech – od prvků soužících ke stavbě sítí až po bohatou nabídku akčních modulů.

Infrastruktura sítí

Všechna řešení z oblasti Smart Factory, neboli „inteligentních” strojních parků založených na centrálních řídicích systémech a sběru dat využívají infrastrukturu průmyslové sítě. I v případě nejmodernějších výrobků zůstávají základními interfejsy Ethernet a sériová spojení (a dokonce WiFi) a běžně používané protokoly, jako je Modbus/TCP nebo RTU. Vychází to z potřeby široké kompatibility. Proto také mnoho řešení Advantechu umožňuje komunikovat se základními moduly pomocí těchto standardů.

Switche Ethernet

Postavení automatizačního systému na síti Ethernet má obrovskou výhodu – a sice škálovatelnost. K přednostem této metody patří nízké náklady na kabeláž a možnost provozování různorodé komunikace pomocí identického propojení. Toto řešení umožňuje postupnou modernizaci stávající instalace a také její rozšiřování. Nejjednodušším zařízením sloužícím k vytvoření sítě jsou switche – nespravovatelné jednotky zodpovědné za šíření paketů přijímačům. Zařízení tohoto typu plní rovněž roli repeaterů, tj. zesilují signál a umožňují tak zvětšit vzdálenost komunikace po drátě.

Switch má univerzální napájecí konektor ve formě šroubových svorek.

Výrobky Advantechu jsou přizpůsobeny pro práci v průmyslových podmínkách.  Mohou pracovat v širokém rozsahu napájecích napětí (např. 12 V až 48 V DC) a jsou odolné vůči napěťovým skokům. Mají solidní kryty pro montáž pomocí speciálních úchytů nebo na lištu DIN. Vyznačují se také dobrou tepelnou tolerancí. Předností vybraných modelů je kompatibilita s technologií PoE, tj. Power over Ethernet. Díky ní je možné využití přenosového vedení pro napájení přijímačů, což přináší značné úspory, zvláště v případě systémů zahrnujících četná koncová zařízení rozprostřená po velkém prostoru – síťová instalace samotná umožňuje nejen monitorovat prvky instalace, ale je rovněž napájet.

Samozřejmě, že současné pojetí průmyslové automatizace, a zvláště Internetu věcí, nekončí řešeními z oblasti řízení výrobních linek či monitorování skladů. Do této oblasti patří také produkty využívané ve veřejném prostoru (např. při sběru dat o silničním provozu), v automatizaci budov, jak rovněž v zemědělství.

Jednou z technologií charakteristických pro průmyslová zařízení typu IoT je LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), neboli bezdrátová síť využívající rádiové kmitočty menší než 1 gigahertz. Nenabízí velkou propustnost (do 50 kb/s), avšak vyznačuje se velmi dobrým dosahem (až několik kilometrů) a velmi malou spotřebou energie. Například, přístupový bod WISE-4210-NA umožňuje připojení 64 bezdrátových čidel – každý z nich spotřebovává energii uloženou v jednom lithium-iontovém článku 3,6 V (formátu AA), může pracovat až 5 let a odesílat informace na vzdálenost až 5 km. WISE-4210 stahuje tyto údaje a předává je – pomocí cloudu Azure nebo vyhrazeného serveru – k dalšímu zpracování informačním systémem.

Složitější metody bezdrátové komunikace nabízejí základnové moduly využívající síť WiFi nebo LTE. Jejich velkou předností je možnost nezávislého provozu při sběru dat. Fungují s využitím metody bezdrátového přenosu založeného na sítích WLAN nebo mobilních (v tomto případě nevyžadují výstavbu vlastní kabelové infrastruktury). Jsou určeny pro systémy provozované ve velkém prostoru, jako jsou kontejnerové parky, fotovoltaická pole nebo také rozlehlé zemědělské podniky. Mohou sloužit jak pro sběr informací (např. z meteorologických nebo energetických čidel), tak i pro řízení. Spolupracují s řadou standardních řešení, jako jsou protokoly MQTT nebo formát JSON (ve kterém mohou být shromážděná data předávaná libovolně zvolenou síťovou službou). Do univerzální zásuvky základnových zařízení umístěné v dolní části korpusu se zapojují moduly vstupů/výstupů. Umožňují připojení čidel nebo koncových zařízení řízených typizovanými signály – jsou tedy všestranné, a navíc založené na otevřených standardech, skýtají velkou volnost v uspořádání instalace.

Pro potřeby kabelových sítí vyrábí Advantech řadu modulů usnadňujících jejich stavbu a přizpůsobení specifickým potřebám. Jsou to mj.modulové konvertory, které slouží k přechodu mezi populárními druhy signálů a komunikačními protokoly, jak USB, GPIB, TTL, přenos dat s využitím svazků optických vláken. Do sortimentu dodavatele patří také brány LoRaWAN (long range) a Modbus, díky kterým mohou být zařízení jiných standardů připojená do sítě Ethernet.

Advantech vyrábí rovněž vysoce kvalitní routery (LAN a LTE) umožňující stavět distribuované sítě, které komunikují s centrálou prostřednictvím Internetu). Jsou to zařízení uzavřená do solidních, kovových krytů, upevňovaných na lištu DIN nebo přímo na zeď, které mohou pracovat v širokém rozsahu teplot (např. v nevytápěných, odlehlých budovách).

Moduly RS-485 řady ADAM-4000/4100

Modul umožňující přenos RS-485 po světlovodném vedení.

Průmyslové sítě nemusejí být založeny na Ethernetu – v mnoha případech se můře ukázat, že výnosnější bude se obrátit směrem k ověřeným průmyslovým standardům. Řada zařízení ADAM-4000/4200/4500 je příkladem modulů Advantech navržených s myšlenkou na širokou kompatibilitu. Pro komunikaci se využívá sériová sběrnice RS-485, umožňuje dálkovou obsluhu portů vstupu/výstupu pracujících v různých technologiích (v závislosti na modelu). Řešení z této rodiny dodávají analogové a číslicové vstupy/výstupy, rovněž fungují jako repeatery, které zvyšují maximální délku přenosového kabelu, čítače a také konvertory podporující standardy RS-232, RS-422, USB, a dokonce komunikaci po světlovodech.

Ty poslední v tomto případě nezajistí rychlý přenos dat, avšak vedení signálu médiem světelného paprsku dělá přenos odolným vůči různému elektromagnetickému rušení, což vytváří důležitou přednost v případě instalací v energetických závodech nebo též pokládaných v blízkosti významných průmyslových indukčních zátěží. V řadě ADAM-4500 najdeme také servery sériových portů (2 nebo 3 porty), jejichž úkolem je připojení zařízení RS-485 do infrastruktury realizované pomocí sítě Ethernet.

Průmyslové počítače

Populární hesla, jako jsou „Průmysl 4.0” aSmart Factory jsou spojována především s komputerizací. Ne vždy správně, jelikož řešení IoT se opírají především o využití autonomních modulů. Nicméně se pro správu celého systému, a minimálně pro monitorování jeho provozu, obvykle využívá počítač nebo program pracující na vzdáleném serveru nebo v cloudu. Průmyslové počítače se nejednou používají pro monitorování práce strojů, sběr dat z čidel atd.  Jednou z předností takového řešení je jeho pružnost – obsluha takového počítače je jednoduchá (nemusí se lišit od práce s běžným notebookem) a jeho software (díky dostupnosti knihoven a ovladačů) je v kompetenci každého IT inženýra, nevyžaduje totiž hlubokou znalost autorských řešení konkrétního výrobce zařízení.

Všechny zásuvky se nacházejí na jedné straně kovové skříňky.

Průmyslové počítače Advantech jsou kompaktní jednotky založené na procesorech architektury x64, obvodech řady Intel Core a Intel Atom. Zajišťuje to jejich vysokou kompatibilitu, mohou pracovat se systémy Windows (výrobce doporučuje verzi 10), jak i Linux – zde v autorské verzi dodavatel, AdvLinux, založené na populární distribuci Ubuntu. Tyto počítače mají typické průmyslové porty, jak je konektor GPIO pro sběrnice CAN, RS-232, RS-285, a také zásuvky Ethernet, USB 3.0 či HDMI/DisplayPort, jak rovněž moduly bezdrátové komunikace (konfigurace závisí na modelu). Jsou to miniaturizované výrobky uzavřené do krytů vybavených žebrovaným víkem (plnícím roli chladiče), chlazeným pasivně.  Nároky na napájení budou záviset na zvoleném výrobku, u některých je to výlučně 12 V DC, přičemž jiné akceptují napětí v široké rozsahu (např. 10 V až 30 V DC). Advantech vyrábí také dotykové obrazovky vybavené vstupy HDMI/DP/VGA. Umožňují konstrukci intuitivních, složitých interfejsů strojů – s úspěchem je lze využívat v industriálních podmínkách díky vysokému stupni krytí (IP66) a mechanické odolnosti. Existují ve variantách s úhlopříčkou od 12,1 palce do 21,5 palce.

Moduly USB – huby, signálové vstupy a výstupy

Vzniká otázka – jakým způsobem lze kompaktní průmyslové počítače připojit k čidlům, kontrolérům atd. No, jednodušeji, než by se zdálo.

Konektor USB se navíc upevňuje v zásuvce modulu pomocí šroubků.

USB, i když zůstává komunikačním standardem spojovaným především se spotřebním trhem, nachází široké využití v průmyslových sítích. Těší se úspěchu díky své univerzálnosti a velké přenosové rychlosti. Při použití modulů vstupu/výstupu řady USB-4700 je integrace počítače s automatizačním systémem stejně jednoduchá, jak připojení obyčejné tiskárny. Výrobky z této skupiny mají navíc komplexní funkcionalitu: poskytují analogové a číslicové I/O signály, jak rovněž čítačové kanály – a kromě toho jsou napájené přímo z interfejsu USB. Instalace může být rozsáhlá při použití hubů řady USB-4600.

Všechny tyto výrobky mají šroubové přítlaky konektorů, které zaručují trvalé spojení kabelu s modulem, i při výskytu otřesů nebo vibrací. Signálové linky jsou vyvedeny na svorkovnice; kryty samotné je možné instalovat pomocí nástěnných držáků nebo typu VESA. Podobně jak v případě výše popsaných řešení je předností interfejsů a hubů USB značky Advantech velká tolerance k obtížným pracovním podmínkám, nejen mechanickým, ale i co se týče prostředí, např. teploty v rozmezí od -20 °C do 70 °C, a také vlhkosti vzduchu až 95 %.

Intefejsní karty PCI

Do úlohy průmyslového kontroléru může být samozřejmě zapřažen „obyčejný” počítač/server, založený na libovolně zvolené základní desce, procesoru a dalších komponentách. Advantech nabízí mnoho řešení umožňujících přizpůsobit takové zařízení k práci s industriálními díly automatizovaného systému. Pro tento účel jsou určeny karty s interfejsem PCI a PCI Express.

Karty analogových vstupů řady PCI-1700 a PCIE-1800 nabízejí vzorkování rychlostí až 125Msps (neboli 125 milionů vzorků za sekundu) s rozlišením 12 nebo 16 bitů. V případě aplikací vyžadujících sběr dat na základě velkého počtu signálů stojí za pozornost karty PCI-1713U, které mají nižší rychlost vzorkování (100 ksps), avšak podporují až 32 analogových vstupů. Karta se připojuje ke svorkovnici, která se dá namontovat na DIN lištu, pomocí jednoho vícežilového kabelu D-Sub - tak lze počítač snadno odpojit od řízeného stroje, což urychluje modernizační práce i v případě složité řídicí instalace. V sortimentu TME jsou samozřejmě také karty analogových výstupů, které umožňují ovládat až 32 nezávislých spotřebičů. Do řady PCIE-1800 navíc patří rozšíření pro sběr signálů, které je charakteristické vysokým rozlišením 24 bitů, určené pro aplikace z oblasti měření chvění a analýzy dat z akustických čidel.

Kromě těchto výrobků nabízí Advantech karty vstupů a číslicových vstupů/výstupů, včetně obvodů vybavených izolačními komponentami. Tyto výrobky umožňují obsluhu 8 až 64 signálů GPIO, pracují v různých rozsazích napětí (se signály až 5...40 V DC). Navíc jsou dostupné v reléových variantách, které umožňují ovládat poměrně velké zátěže (např. 2 A, 250 V AC) přímo ze slotu PCI počítače. Nutno podotknout, že pro většinu těchto výrobků jsou dostupné výše popsané svorkovnice, které se montují na lištu DIN.

Základní desky, i serverové, které jsou nabízeny na trhu, pokud nejsou jednoznačně určeny pro průmyslové aplikace, jsou jen zřídka vybaveny konektory sériových sběrnic a porty jiných průmyslových standardů. Zde rovněž přichází s pomocí řešení Advantechu. Nabídka karet PCI dodavatele zahrnuje adaptéry vybavené sériovými porty RS232/RS422/RS485, a také umožňují izolované připojení do sítě CAN, jak i k lince interfejsu GPIB. Jiným příkladem typicky průmyslových komponent, o které lze rozšířit libovolný počítač PC, jsou obvody PCI vybavené 8 kanály 16- nebo 32bitových čítačů. Hardwarová obsluha vysokofrekvenčních signálů a možnost generování konfigurovatelných přerušení bude žádanou funkcionalitou v případě složitých kontrolérů pracujících v reálném čase. Umožní ulevit procesoru, a tím realizovat efektivnější automatizační programy. K tomuto účelu slouží rovněž multifunkční karty PCI/PCI-E vyvinuté s ohledem na širokou kompatibilitu a systémy, u nichž je vyžadována obsluha netypických signálů. Tyto výrobky jsou vybaveny čítači, převodníky (ADC a DAC), jak rovněž pamětmi typu FIFO.

Za pozornost stojí, že multifunkční rozšiřující karty jsou dostupné také ve standardu PC/104. Ten kompaktní formát systémů PC umožňuje řetězové spojování dalších modulů (skládáním jednoho na druhý) a často se využívá v případě instalací v omezeném prostoru.

Řada kontrolérů ADAM-5000

Průmyslový počítač, který slouží pro řízení jednoho stroje nebo ke kontrolování omezeného souboru čidel/spotřebičů, se samozřejmě nemusí vyznačovat obrovským výpočetním výkonem – zvláště pokud má plnit funkce, které by s úspěchem zvládl soubor dohlížecích prvků umístěných v řídicím rozváděči. Z druhé strany lze počítač snadněji přeprogramovat (a také zmodernizovat a rozšířit) – proto je lákavou alternativou v roli kontroléru průmyslových procesů. Jako spojení předností „obou světů”, tj. adaptabilita s kompaktní/modulovou konstrukcí, vyvinul Adventech řadu ADAM-5000. Jsou to autonomní jednotky založené na procesorech Cortex M4.

Základní modul ADAM-5000 je zároveň skříňkou pro rozšiřovací moduly.

Základ zařízení tvoří základní deska umístěná v kompaktním krytu – vybavená CPU, operační pamětí, porty Ethernet a konektory DB9 pro rozhraní RS-232 a RS-485 (jednotka nativně podporuje protokol Modbus). Tělo kontroléru má montážní a větrací otvory a zároveň tvoří uzavřený kryt s konektory pro rozšiřující karty (např. analogových a číslicových vstupů/výstupů atd.). Po upevnění potřebných modulů a zaslepení nevyužitých slotů dostáváme kontrolér přizpůsobený našim potřebám – plně konfigurovatelný a programovatelný, s možností rozšíření a zároveň vhodný pro montáž v podmínkách strojního parku.

Nezávislé a spolupracující moduly

Výše popsané výrobky jsou určeny pro stavbu komplexních řešení, širokou modernizaci nebo doplnění nových řídicích systémů. Ve skutečnosti se ne vždy může zavádění síťových řešení do závodu provést v masovém měřítku. Podobné to je s rozšiřováním řídicích systémů, přestože byly od začátku založeny na ethernetové či sériové infrastruktuře. Proto má Advantech ve své nabídce řadu menších modulů s přesně definovanou funkcí. Tato zařízení mohou být kdykoliv zapojena do systému, např. kvůli jeho postupné modernizaci.

Izolační moduly

Izolační modul řady ADAM-3000 umístěný na liště DIN.

Výzvou, kterou před dodavatele průmyslových sítí staví průmyslové podmínky, je poměrně vysoké riziko vzniku průrazů, skoků napětí, rušení vyvolaných indukčními zátěžemi, jako jsou motory atd. Jeden impuls šířící se po instalaci může způsobit řadu obtížných a nákladných poruch. Zde přicházejí na pomoc moduly ADAM-3000, které plní úlohu izolace – umožňují oddělit síť od potenciálních hrozeb. Výrobky jsou určeny pro obsluhu odporových teplotních čidel (RTD), termočlánků a analogových linek (pracujících v minimálním rozsahu do 10 mV a maximálním do 10 V, rovněž v symetrických variantách). Kromě izolačních prvků můžeme najít v nabídce dodavatele řadu modulů určených pro komunikaci s různorodými automatizačními komponentami. Jsou to mj. regulátory PID, číslicové a analogové vstupy/výstupy nebo čítače využívající ethernetovou infrastrukturu.

Řada AMAX-5000

Pokročilejším řešením Advantechu jsou kompaktní programovatelné kontroléry řady AMAX-5000. Jsou navrženy tak, aby umožnily stavbu složitých kontrolérů obsluhovaných protokolem EtherCAT – tj. pracujících v reálném čase – vyznačujících se kompaktní konstrukcí a možností montáže na lištu DIN. Dohlížecí roli může plnit libovolná jednotka připojená do téže sítě. Přenos dat se realizuje vazebním členem AMAX-5074 vybaveným zásuvkami RJ-45. K tomuto zařízení se (pomocí vyhrazeného konektoru umístěného z boku krytu) připojují další moduly vstupů/výstupů sousedící s ním na liště DIN. Taková modulová konstrukce kontroléru umožňuje snadnou konstrukci složitých customizovaných kontrolérů strojů. Výrobky mají pružinové svorky, což navíc zlepšuje instalaci vodičů.

Zákazníci zajímající se o protokol EtherCAT by měli věnovat pozornost rovněž řadě AMAX-4000. Tato skupina obsahuje moduly číslicových vstupů a výstupů (rovněž izolovaných) instalovaných na lištu DIN – tyto produkty umožňují jednoduchou, postupnou implementaci řešení IoT nebo realizaci dálkového ovládání v automatizačním systému.

Text připravila společnost Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o. 
Článek byl vydán v originále na webu TME.eu: https://www.tme.eu/cz/news/library-articles/page/45735/prumyslove-site-s-resenimi-znacky-advantech/