Priemyselný ethernet so zameraním na riadenie v reálnom čase je najobľúbenejším priemyselným sieťovým riešením. Využíva ho väčšina priemyselných podnikov, pričom EtherNet/IP je najrozšírenejším protokolom. Druhý najčastejšie používaný je Fieldbus, čo je rodina priemyselných sieťových riešení definovaných normou IEC 61158. Aj keď je Fieldbus pomerne dlho dominantným riešením na trhu, jeho podiel na trhu v posledných rokoch značne klesol. Priemyselné aplikácie bezdrôtových riešení, ako sú WLAN alebo Bluetooth, sa začali objavovať len nedávno. Stále sú však dosť obmedzené.

Fieldbus

Fieldbus je zastrešujúci termín pre rad priemyselných sieťových riešení navrhnutých na distribuované riadenie v reálnom čase. Najviac sa používa vo výrobnom priemysle, napríklad na pripojenie zariadení a nástrojov. Okrem výrobných aplikácií sa riešenia Fieldbus nachádzajú aj v automatizácii procesov a budov. Prvým komerčne dostupným riešením Fieldbus bol Bitbus vytvorený spoločnosťou Intel Corporation začiatkom 80. rokov. Ten už nie taký využívaný, pričom najpopulárnejším riešením na trhu je PROFIBUS od Siemens.

Komunikačným štandardom vyvinutým špeciálne pre priemyselné aplikácie sú káble a komponenty Fieldbus navrhnuté tak, aby boli schopné odolať extrémnym fyzickým podmienkam. Siete Fieldbus využívajú krátke signálové cesty a vynikajú zvýšenou ochranou proti rušeniu, stabilitou a spoľahlivosťou siete. V neposlednom rade väčšina riešení Fieldbus existuje už dosť dlho a je štandardizovaná, čo uľahčuje implementáciu zariadení od rôznych výrobcov do jedného systému. Väčšina riešení Fieldbus pracuje pri rýchlosti dátového prenosu stoviek kilobajtov za sekundu, pričom iba niekoľko štandardov môže dosiahnuť rýchlosť nad 10 Mbps, čo sa môže javiť ako nevýhoda.

Bezdrôtové riešenia

Bezdrôtová komunikačná technológia sa využíva v každodennom živote ľudí po celom svete. Implementácia bezdrôtovej technológie do nastavení priemyselných sietí sa sústreďuje na známe riešenia, ako sú Wi-Fi, Bluetooth a LTE. Jediný rozdiel medzi priemyselnými bezdrôtovými a komerčnými alebo domácimi bezdrôtovými riešeniami je v tom, že hardvér a protokoly sú upravené tak, aby vyhovovali sofistikovanejším sieťovým topológiám a prípadom použitia priemyselných sietí.

Rovnako ako iné riešenia, aj bezdrôtové riešenia prichádzajú so súborom výhod a nevýhod pri priemyselnom použití. Bezdrôtovú sieť možno jednoducho rozšíriť tak, aby pokryla dlhšie vzdialenosti pomocou opakovačov. Pridanie nového zariadenia do bezdrôtovej siete nevyžaduje zdĺhavé plánovanie a pripájanie, vďaka čomu je správa siete relatívne jednoduchá a efektívna. Bezdrôtová sieť obsahuje oveľa menej fyzických zariadení ako káblová sieť. Keď v takejto sieti dôjde k poruche, zvyčajne sa týka jednej z mála častí hardvéru alebo softvéru, vďaka čomu je oveľa jednoduchšie diagnostikovať, riešiť a predchádzať problémom so sieťou.

Jednou z nevýhod je stabilita pripojenia. Výkon bezdrôtových sietí sa stáva nestabilným v dôsledku okolitého rušenia z prevádzkových zariadení alebo pohybom ľudí. Bezdrôtové sieťové vybavenie nie je lacné. Celkové náklady na sieť sa však môžu ešte zvýšiť, ak treba sieť rozšíriť, aby pokryla širšiu oblasť. Koniec koncov, bezdrôtové siete síce môžu poskytovať prenosovú rýchlosť v desiatkach Mbps, no dá sa to dosiahnuť len vtedy, ak pripojené zariadenie zostane v relatívnej blízkosti zdroja signálu. Čím ďalej je zariadenie od zdroja, tým pomalšie bude pripojenie – pokiaľ nie je dostupné zariadenie na rozšírenie dosahu.

Priemyselný ethernet

Priemyselný ethernet je založený na rovnakom štandarde IEEE 802.3 ako siete ethernet, ktoré sa nachádzajú najmä v domácom prostredí. Funguje však pod špecifickými protokolmi navrhnutými tak, aby vyhovovali požiadavkám priemyselných sieťových aplikácií, ako sú EtherNet/IP, PROFINET a EtherCAT. Princíp fungovania týchto protokolov je zameraný na poskytovanie prenosu dát s nízkym oneskorením alebo v reálnom čase vďaka upravenej vrstve MAC (Media Access Control). Ďalšou charakteristickou kvalitou priemyselného ethernetu je zvýšená odolnosť fyzických zariadení, ako sú prepínače a káble, ktoré musia často spoľahlivo fungovať v extrémnych podmienkach. Ethernet je zďaleka najvýznamnejšie priemyselné sieťové riešenie – najmä vďaka výhodám uvedeným ďalej. Má však aj rad nevýhod.

Všetky protokoly priemyselného ethernetu sú schopné vzájomne spolupracovať, a to nielen medzi sebou navzájom, ale aj s inými štandardmi ethernetu. Navyše, všetky tieto riešenia možno implementovať pomocou široko dostupných krútených párových káblov a konvertorov protokolov, vďaka čomu je v prípade potreby ľahké obstaranie a výmena potrebného hardvéru. Ethernet môže dosiahnuť rýchlosť prenosu dát až 1 Gbps, čo ponúka výkon ťažko dosiahnuteľný s inými riešeniami. Ethernet je tiež známy svojou schopnosťou poskytovať vysokorýchlostné a stabilné pripojenie, ktoré dokáže podporovať aj tie najnáročnejšie aplikácie.

Ethernetové siete patria medzi najdrahšie priemyselné sieťové riešenia na trhu a nie vždy sú schopné poskytnúť primeranú návratnosť investícií. Vyžadujú viac vybavenia a kabeláže ako iné priemyselné sieťové riešenia, aby dobre fungovali v priemyselnom prostredí, výsledkom čoho sú zložitejšie infraštruktúry, ktorých údržba môže byť časovo a pracovne náročná.

HD-PLC rieši výzvy konvenčných priemyselných sieťových riešení

konceptom HD-PLC je prenos dát cez existujúcu kabeláž, ako sú elektrické vedenia alebo koaxiálne káble. Hlavné silné stránky HD-PLC ako priemyselného sieťového riešenia vychádzajú zo skutočnosti, že kombinuje niektoré výhody iných technológií a zároveň zmierňuje niektoré z ich výziev.

  • Tu je porovnanie HD-PLC s riešeniami Fieldbus, bezdrôtovými riešeniami a priemyselným ethernetom v hlavných sieťových charakteristikách:
  • Rýchlosť: HD-PLC môže dosiahnuť maximálnu teoretickú rýchlosť dátového toku až 240 Mbps a desiatky Mbps vo väčšine praktických aplikácií. To stavia HD-PLC na rovnakú úroveň so skutočnými implementáciami bezdrôtových riešení, pred riešeniami Fieldbus, ale za priemyselným ethernetom.
  • Spoľahlivosť: Jednou z kľúčových inovácií HD-PLC je jedinečná metóda modulácie Wavelet-OFDM, ktorá pomáha znižovať straty údajov a rušenie, čím sa výrazne zlepšuje nielen rýchlosť prenosu dát, ale aj stabilita signálu. Siete HD-PLC možno vybudovať aj pomocou existujúcej kabeláže, čo môže pomôcť vyriešiť problémy so spoľahlivosťou, ktoré prichádzajú s budovaním úplne novej komunikačnej infraštruktúry.
  • Rozsah: Ďalšou jedinečnou vlastnosťou HD-PLC je technológia Multi-hop, ktorá môže fungovať ako nástroj na rozšírenie rozsahu. Siete HD-PLC Multi-hop môžu poskytnúť stabilné spojenie až s 1 024 jednotlivými uzlami na vzdialenosť niekoľkých kilometrov.
  • Cena: Najväčšou výhodou, ktorú má HD-PLC oproti iným priemyselným sieťovým riešeniam, je efektívnosť nákladov. HD-PLC si vo väčšine prípadov nevyžaduje dodatočné investície do kabeláže a ostatné fyzické sieťové komponenty sú oveľa lacnejšie v porovnaní s riešeniami ethernet alebo Fieldbus.

HD-PLC je riešenie vhodné pre používateľov, ktorí požadujú vyšší výkon, ako môže poskytnúť Fieldbus, ale nemôžu zaviesť ethernet kvôli vysokým nákladom na inštaláciu. Zatiaľ čo v niektorých prípadoch môže mať ethernet stále výhodu oproti HD-PLC z hľadiska rýchlosti pripojenia a stability siete, táto výhoda nie je vždy opodstatnená vzhľadom na vysoké náklady ethernetu. HD-PLC môže poskytnúť to najlepšie z oboch svetov z hľadiska výkonu a nákladovej efektívnosti.

Digitalizácia zberu údajov z meracích prístrojov v závodoch pomocou HD-PLC

Istá spoločnosť v Japonsku manuálne čítala údaje z prevádzkových prístrojov. Táto metóda je časovo aj finančne náročná a náchylná na chyby. Na vyriešenie tohto problému bolo potrebné digitalizovať zber údajov z meracích prístrojov. Konkrétne bolo potrebné sieťovo prepojiť meracie prístroje v meracej miestnosti, počítače v riadiacej miestnosti a server v závode. Požadovaná rýchlosť je približne 1 Mbps TCP.

Táto spoločnosť sa najprv pokúsila vybudovať prepojenie s ethernetovými káblami. Vzhľadom na vzdialenosť medzi zariadeniami však nebolo možné splniť ich požiadavku na náklady. Tento problém sa vyriešil adaptérom HD-PLC (konvertor Powerline-to-Ethernet), ktorý môže odosielať a prijímať ethernetové signály cez elektrické vedenia pripojením zariadenia k počítaču, serveru a zariadeniu a zapojením do elektrickej zásuvky v ich blízkosti. Na rozvodovú skriňu boli tiež inštalované opakovače signálu, pretože vzdialenosť medzi jednotlivými zariadeniami bola veľká. S touto podporou bolo možné vybudovať sieť s nízkymi nákladmi pomocou HD-PLC adaptérov bez inštalácie dlhého ethernetového kábla.

HD-PLC ako priemyselné sieťové riešenie

Trh priemyselných sieťových riešení sa neustále zväčšuje a je konkurencieschopnejší, keďže dopyt po automatizačných riešeniach rastie. Napriek konkurencieschopnosti mu dominovali tri hlavné riešenia: Fieldbus, bezdrôtové riešenia a priemyselný ethernet. Hoci majú tieto riešenia popredné postavenie na trhu, každé má množstvo výhod a nevýhod. Fieldbus je široko uznávané riešenie, ktoré sa ľahko inštaluje a prevádzkuje, no je nákladné, zložité a ponúka nízku dátovú rýchlosť. Bezdrôtové riešenia poskytujú veľkú flexibilitu siete a relatívne bezproblémovú údržbu, ale môžu trpieť slabým dosahom a problémami s pripojením. Priemyselný ethernet je všestranné, známe, vysokovýkonné riešenie, ktorého cena a zložitosť môžu byť príliš vysoké. V porovnaní s týmito riešeniami je HD-PLC nákladovo efektívne a spoľahlivé sieťové riešenie, ktoré ponúka niektoré výhody ako iné riešenia za nižšiu cenu.

Zdroj
[1] Industrial Networking Solutions: What Are The Most Common Solutions And How Is HD-PLC Superior To Them? Nessum. [online]. Publikované 8. 6. 2021. Citované 16. 2. 2024. 
[2] Komunikácia v štandardoch Fieldbus a Industrial Ethernet. TME. [online]. Publikované 12. 11. 2020. Citované 16. 2. 2024. 
[3] Case Study – Industrial. Nessum. [online]. Publikované 5. 1. 2021. Citované 16. 2. 2024. 

-pev-