Az Ipar 4.0, az IoT és hasonló rendszerkoncepciók az üzemek működési adatainak begyűjtésére irányulnak, hozzáférhetővé téve azokat különféle alkalmazások számára. Az adatok elemzőeszközökkel történő kiértékelése megkönnyíti a megelőző intézkedések végrehajtását, mint például a terepi eszközök meghibásodásának korai észlelését. Ezek az adatok felhasználhatók a folyamatok optimalizálására és a termelékenység fokozására is.

A NOA, mint összekapcsoló elem a bevált automatizálási piramis mellett

Üzemek felügyelete és optimalizálása NOA koncepcióval

A NAMUR NE175 ajánlásában leírt NOA (NAMUR Open Architecture) koncepció a meglévő vezérlőrendszer módosítása nélkül teszi lehetővé az automatizálási architektúra bővítését. A NOA alapvető feladata tehát, hogy a terepi szintről adatokat szolgáltasson a magasabb szintű alkalmazások számára a terepi eszközök felügyelete és a folyamatok optimalizálása (M+O) céljából. Az alkalmazott terepi eszközök és elemző szoftverek határozzák meg, hogy a legalsó szintről mely adatokat továbbítja a teljes rendszer. Elsősorban a berendezés állapotát vagy a folyamat minőségét tükröző, ciklikusan kiolvasandó paraméterek az érdekesek.

A folyamatautomatizálásban számos különféle protokollt és adatátviteli technológiát alkalmaznak. A NOA koncepció első megvalósításánál a Beckhoff a HART protokoll mellett döntött. Ezt az elterjedten használt eljárást különféle gyártók sokféle terepi eszközbe építették be. Egy 4–20 mA-es tényleges mért értékre szuperponált digitális jellel könnyen továbbíthatók további adatok is, mint például a terepi készülék állapota. Minimális erőfeszítéssel megnyitható egy második csatorna is speciális tápleválasztók alkalmazásával, amelyek sok üzemben eleve az automatizálási architektúra részei.

Ez azt jelenti, hogy a terepi készülékhez menő vonalon keresztül fut a 4–20 mA-es jel, a HART kommunikáció és a tápfeszültség, tehát nem szakad meg a folyamatvezérlő rendszerrel való összeköttetés. Az adatok a második csatornán fogadhatók, és felhasználhatók a felügyelet és optimalizálás (M+O) céljaira. A Beckhoff EL3182 típusú, rendkívül kompakt méretű EtherCAT bemeneti termináljával két terepi készülék kezelhető HART protokollon keresztül. A terminál, egy beágyazott PC (például a CX8110) és a TwinCAT automatizálási szoftver segítségével céleszközök kifejlesztése nélkül építhető fel egy moduláris edge eszköz. Az edge eszköznek három fő feladata van:

• a rendszer diagnosztikai adatainak fogadása HART protokollon keresztül
• az adatok konvertálása és átfordítása
• információk biztosítása magasabb szintű adatelemző eszközök számára

A diagnosztikai adatok HART protokollon keresztül történő kiolvasásához az edge eszköznek parancsokat kell küldenie. Az adott terepi eszköz fajtájától (pH-, oxigén-, hőmérséklet-érzékelő stb.) és gyártójától függ, hogy ezek az adatok a terepi készülékben hol vannak tárolva és milyen parancsokkal olvashatók ki. A Beckhoff adatbázist fejlesztett ki a diagnosztikai adatok kiolvasásához szükséges információk tárolására. A megfelelő fájlt a TwinCAT szoftverbe beolvasva lehet kommunikálni az adatbázisban tárolt összes terepi eszközzel. Az edge eszközhöz csatlakoztatott terepi berendezést a rendszer automatikusan észleli, kiküldi a megfelelő HART parancsokat, majd a kapott adatokat átalakítja az eltárolt fordítási táblák és TwinCAT funkcionális programmodulok segítségével.

„A folyamatautomatizálás egyik legnagyobb kihívása az összes üzem adataihoz való hozzáférés. Mivel a folyamatautomatizálási üzemek összekapcsolt rendszerek óriási hálózataivá nőttek, a terepi eszközöktől származó információk nagy része nem hozzáférhető. A NAMUR architektúrát éppen azért fejlesztették ki, hogy szabványosított csatlakozófelületen keresztül gyorsan és könnyen hozzá lehessen férni az összes terepi információhoz. A kompakt és skálázható NOA edge eszközzel korszerűsíteni lehet a régi rendszereket időtálló működésük biztosítása végett.” Lennart Winkler, folyamatipari menedzsment, Beckhoff Automation

Kompakt és skálázható: a NOA edge eszköz

Az immár PLC-ben tárolt diagnosztikai adatokat a következő lépésben a további elemzést végző alkalmazások rendelkezésére kell bocsátani. A NAMUR erre a célra az OPC UA protokollt javasolja. A Beckhoff kínálta számos termék között megtalálható a TwinCAT OPC UA szerver is, amelybe a rendszer egy tárolt információs modell alapján közvetlenül a PLC-ből tölti be a diagnosztikai adatokat. Az információs modell a PA-DIM (Process Automation – Device Information Model) elnevezésű modellen alapul, amelyet azonban a felhasználó kibővíthet további paraméterekkel. Ezenfelül az észlelt terepi eszköz fajtájától függően automatikusan el lehet távolítani vagy fel lehet venni egyedi OPC UA csomópontokat is.

Ha a meglévő terepi eszközök adatain kívül további érzékelők – például rezgés- vagy hőmérséklet-érzékelők – diagnosztikai adatait is rögzíteni kell, erre alkalmasak az IP67-es védettségű, közvetlenül telepíthető, EP-sorozatú be/kimeneti modulok. Egy-egy ilyen modulhoz több érzékelő is csatlakoztatható, a jelek pedig együttesen, egyetlen kábelen keresztül jutnak el az edge eszközhöz. Ez az elrendezés kevesebb kábelfektetési munkát igényel, és egyúttal kevesebb helyet is foglal el a vezérlőszekrényben.

Teljes körű adatrögzítés Ethernet-APL technológiával

A NOA koncepció teljesen új építésű üzemeknek is előnyös lehetőségeket nyújt: már a gyár tervezési szakaszában további érzékelők építhetők be még több felügyeleti és optimalizálási adat kinyerése céljából. Ennek megvalósítását megkönnyítik az új technológiák, például az Ethernet-APL. Ez az új adatátviteli technológia a 10BASE-T1L Ethernet-szabványon alapul, amely akár 1 000 méteres kábelhosszt és 10 Mb/s átviteli sebességet tesz lehetővé. A tápfeszültséget és az adatokat egyetlen érpár (SPL, Single Pair Ethernet) viszi át Ethernet-APL protokollal. A tápellátás határértékeit a robbanásveszélyes légkör minden zónájára a 60079-47 (2-WISE) IEC-specifikáció határozza meg.

A telepítés egyszerűsítése és a használt eszközök jobb csatlakoztathatósága érdekében a projektcsoport a TS10186 műszaki specifikációban portprofilokat is definiált: egy portprofil a csatlakozási és szegmensosztály adatain kívül tartalmazza az adott eszközcsatlakozás robbanásvédelmi jóváhagyását is. Az Ethernet-APL koncepció szerint a folyamatautomatizálási üzemek teljes kommunikációja Ethernet hálózaton történik, a terepi szinttől a magasabb szintű vezérlőrendszerekig bezárólag. Ez nemcsak a szigorúan vett folyamatadatokra vonatkozik, hanem a terepi eszköz állapotadataira is. A terepi buszrendszerekhez képest megnövelt átviteli sebesség mellett webszerverekről végezhető a paraméterezés, és közvetlenül a terepi eszközről tölthetők le az adatlapok vagy tanúsítványok is.

Felhasználói oldalon azonban a megvalósításhoz meg kell oldani néhány problémát. Például a fent említett előnyök átfogó felhasználásához APL-képes terepi eszközök szükségesek, de mivel új technológiáról van szó, a piac még nem kínál széles termékválasztékot. Ezenfelül a meglévő rendszerekben nincs elegendő hely további infrastrukturális elemek, például kapcsolók telepítésére. Továbbá az Ethernet-alapú átviteli technológia terepi szintig lehatoló alkalmazásához új funkciókra és irányelvekre is szükség van az informatikai és üzemeltetési biztonság terén. 

„Az Ethernet-APL a lehetőségek teljesen új világát nyitja meg a felhasználók számára. Az új technológia gyors bevezetéséhez elengedhetetlen, hogy integrálható legyen a már meglévő létesítményekbe, és az ELX6233 típusú EtherCAT terminál biztosítja a felhasználók számára az ehhez szükséges rugalmasságot, modularitást, bővíthetőséget és biztonságot.”   Sebastian Böse, folyamatipari menedzsment, Beckhoff Automation

Hogyan integrálhatják a felhasználók már most a rendszereikbe a számos előnyt kínáló Ethernet-APL technológiát? Az egyik megoldás az új technológia bevált szabványokkal, például a HART protokollal történő együttes használata. A meglévő üzemek így fokozatosan digitalizálhatók az APL technológiájú új eszközökkel, ami megkönnyíti a teljes körű átállást. Többek között ezért a Beckhoff APL technológiával ellátott moduláris terminálokba eleve be van építve az Ethernet-APL technológia: az ELX6233 típusú EtherCAT terminál kétcsatornás, Ethernet APL szabványú adatátviteli csatolót biztosít. A terepi kapcsolók jellemző koncepciójával szemben ez alternatívát kínál az APL technológiájú terepi eszközök integrálására. Mivel a rendszer moduláris, a felhasználó pontosan a szükséges számú Ethernet-APL csatornát telepítheti a vezérlőszekrénybe, így értékes helyet takaríthat meg, és az alkalmazás rugalmasan bővíthető.

Az ELX6233 típusú bővíthető terminállal az Ethernet-APL technológiájú terepi eszközök hatékonyan integrálhatók akár kis tesztkonfigurációkba, akár nagy folyamatautomatizálási üzemekbe. Az EtherCAT terminálrendszer részeként az ELX6233 kombinálható más digitális és analóg be-/kimeneti egységekkel, így az Ethernet-APL mellett szabványos elektromos jelek vagy adatátviteli protokollok is integrálhatók. Ezenfelül a CX-sorozatú beágyazott PC-khez való közvetlen csatlakozás is számos előnyt nyújt, például lehetővé teszi, hogy a NOA alkalmazások a terepi adatokat továbbítás előtt feldolgozzák és szűrjék.

A Beckhoff kínálta számos EtherCAT terminálhoz hasonlóan az ELX6233 is telepíthető 2-es zónájú robbanásveszélyes területekre, és lehetővé teszi 0-s zónában lévő Ethernet-APL technológiájú terepi eszközök csatlakoztatását. A csatolók megfelelnek az IEC 60079-47 szabvány előírásainak, valamint az SPAA portprofilnak.

A teljes körű Ethernet-alapú átvitel miatt az Ethernet-APL további kihívásokat okoz az informatikai és üzemeltetési biztonság terén. Sok PROFINET architektúrától eltérően a vezérlő nem a magasabb szintű vezérlőben, hanem közvetlenül az EtherCAT terminálban van. Ez a kialakítás lehetővé teszi, hogy a felhasználó szűrje a terminálon áthaladó összes adatforgalmat, és tűzfalat telepítsen. A terepi kapcsolóval összevetve a terminál jobban véd a folyamatadatokhoz való illetéktelen hozzáférés ellen. Ennek az architektúrának további előnyei is vannak az alkalmazások teljesítőképessége terén. Az érzékelővel való pont-pont kapcsolat kiküszöböli a hálózat nem kívánt keresztforgalom miatti túlterhelésének veszélyét, ami jól ismert probléma a szokásos PROFINET hálózatokon. A rendszer ciklusidői is lerövidíthetők, mivel más terepi buszokhoz képest EtherCAT esetén kompaktabb lehet a folyamatkép adatmérete

Következetesen modularizált rendszerek a TwinCAT MTP szoftverrel

A folyamatautomatizálási ipar sok ágazatában, például a gyógyszeriparban jelentkező egyik probléma az értékesítési piacok fokozódó ingadozása, ami miatt gyorsabb piacra vitel és ezért gyorsabb fejlesztési ciklusok szükségesek. A szintén lerövidült termékéletciklusok szükségessé teszik kis tételek gazdaságilag kifizetődő és egyedi igények szerinti gyártását. Ennek egyik egyre terjedő megoldásaként moduláris rendszereket terveznek, így a részegységek később egyéb célokra is felhasználhatók. Ehhez az üzem teljes folyamatát részfolyamatokra bontják, amelyeket aztán modulokra képeznek le. A teljeskörűen modularizált üzem részegységeit különálló, decentralizált vezérlőrendszer felügyeli. Végül, a teljes folyamatot újraképezve az egyes modulokat egy magasabb szintű vezérlőrendszerhez (pl. DCS) csatlakoztatják. Ennek eredményeképpen a fejlesztés az üzemtervezéstől a modultervezés felé tolódik el, így az üzem az aktuális igényeknek megfelelően rugalmasan, kis ráfordítással módosítható.

„Az MTP (Module Type Package) koncepció moduláris jellege forradalmasítja a folyamatautomatizálási üzemek tervezését, és lehetővé teszi többek között a gyors piacra jutást, a rugalmasabb működést és kis tételek gazdaságos gyártását. Az MTP szabványosított interfészei megkönnyítik a speciális modulok „plug-and-play” jellegű integrálását egy folyamatvezénylő rétegbe, és lehetővé teszik a fennakadásmentes működést. A TwinCAT MTP automatikusan előállítja a kódot, megkönnyítve a modulok fejlesztését. Ennek a megközelítésnek köszönhetően minimálisan kell csak megismerni a specifikáció részleteit. A gyakorlatban egyszerűsödik a modulfejlesztés, és a folyamatautomatizálási szakemberek számára hatékonyan elérhetővé válnak a modularizáció előnyei.”   Laurids Beckhoff, folyamatipari menedzsment, Beckhoff Automation

A kialakított rendszer további modulokkal bővíthető, a már beépített részegységek pedig átrendezhetők vagy eltávolíthatók. Teljes átprogramozásra nincs szükség, mivel a logika nagy része az egyes modulokban testesül meg. A magasabb szintű vezérlő csak a modulok és szolgáltatásaik vezénylését végzi, ezért „folyamatvezénylő rétegnek” (POL – Process Orchestration Layer) nevezik.

Az elv gyakorlati megvalósítása a folyamat moduljait leíró gyártófüggetlen szabvány, a modultípuscsomag (Module Type Package – MTP) alapján történik. A NAMUR és a ZVEI által kidolgozott MTP egy adott folyamategység moduláris üzembe való integrálásához szükséges információkat tartalmazza, beleértve a modul funkcióit és a vele való kommunikáció paramétereit, valamint egy kezelőfelület-sablont. Az MTP irányelvben definiált illesztőfelületek azonnali („plug-and-produce” – beillesztés után azonnal termelő) működést tesznek lehetővé, így a rendszer újrafelhasználása nem jár további munkával és költséggel.

„A jobb rendelkezésre állás, hatékonyság és rugalmasság kulcsfontosságú az üzem optimális működtetéséhez. Ehhez innovatív digitális technológia szükséges. A fennakadásmentes rendszerfelügyelethez és folyamatoptimalizáláshoz a terepi eszközök adatait még nagy kiterjedésű üzemekben is gyorsan és maradéktalanul kell továbbítani. Megfontolandó az üzem modularizálása is, hogy a vállalatok rugalmasan reagálhassanak a piac folyamatosan változó követelményeire. A Beckhoff PC-alapú vezérlésével és a NOA, Ethernet-APL és MTP terén kínált termékeivel és megoldásaival ezek a követelmények teljesíthetők, lehetővé téve az üzem időtálló automatizálását.”   Franziska Rostan, folyamatipari menedzsment, Beckhoff Automation

A NOA architektúra alkalmazásával a folyamatipar a meglévő vezérléstechnika módosítása nélkül digitalizálható

A modulokat tehát csak egyszer kell kifejleszteni, utána a vezérlő gyártójától és a vezénylőrendszertől (POL) függetlenül más rendszerekbe is integrálhatók. Az MTP alapvető fontosságú elemnek számít az ipar digitális átalakítása terén, és általános várakozások szerint jelentősen javítani fogja az üzemek főbb termelési mutatóit. A szakértők előrejelzései szerint segítségével a piacra kerülési idő átlagosan a felére csökkenthető, a műszaki költségek 70%-kal mérsékelhetők, a rugalmasság pedig 80%-kal növelhető.

A Beckhoff moduláris, EtherCAT-alapú terminálrendszerében az Ethernet-APL fennakadásmentesen kombinálható más adatátviteli szabványokkal

Összegzés

A NOA architektúrával (NAMUR Open Architecture) és a PA-DIM eszközinformációs modellel a folyamatautomatizálási ipar megteremti az alapot a heterogén rendszerek magasabb szintű elemzőeszközökbe történő szabványosított és strukturált leképezéséhez. Ez azt jelenti, hogy a meglévő rendszerek már most digitalizálhatók, és ennek számos előnye – például az olcsóbb karbantartás – máris élvezhető. A PA-DIM modellhez hasonló szabványosított adatmodell gondolata a NOA-tól függetlenül is érdekes téma a jövőre nézve. A rendszer egyes szakaszait például kapuátjáró-alkalmazásokba lehetne összefogni, és meghatározott információs modellekben továbbítani az elosztott vezérlőrendszerhez (DCS). Ez függetlenítené a DCS-t az érzékelő folyamatképétől, így a terepi eszköz gyártófüggetlen problémamentes cseréjét is lehetővé tenné. Ezenfelül a szabályozóköröket decentralizáltan lehetne megvalósítani, tehermentesítve a DCS-t és csökkentve az adatforgalmat.

Hasonló megközelítést követ az MTP koncepció is, amelynél az üzem moduláris kialakítású. Mindegyik modulnak saját vezérlője van, amely egy szabványosított interfészleíráson keresztül kapcsolódik az automatizálási architektúrához. Az MTP révén így a felhasznált modulok változtatásával rugalmasan hozzáigazítható a gyártás a piaci helyzethez. Meghibásodás esetén az egyes modulok gyorsan és könnyen cserélhetők, ami csökkenti az állásidőt.

A moduláris megközelítés további lépése az Ethernet-APL integrálása a Beckhoff termékkínálatába. Nagy terepi kapcsolók helyett APL-technológiájú terepi eszközöket lehet integrálni kompakt EtherCAT terminálokon keresztül. Ezek rugalmasan kombinálhatók más, például a digitális érzékelőkkel való kommunikációra használt terminálokkal. A vezérlőhöz való közvetlen csatlakoztatás is további lehetőségeket kínál kapuátjáró- vagy hálózatperemi alkalmazások számára. Az Ethernet-APL és a NOA már most is fennakadásmentesen együttműködik a Beckhoff technológiáinak köszönhetően.

| Fotók: Beckhoff Automation