Өнеркәсіптік байланыс жүйесі дегеніміз не және ол неліктен маңызды

Кіріспе

Өнеркәсіптік автоматтандыруда байланыс - бұл машиналарға, сенсорларға, контроллерлерге және бағдарламалық жасақтамаға бір ақпаратпен қажетті уақытта жұмыс істеуге мүмкіндік беретін инфрақұрылым. Өнеркәсіптік байланыс жүйесі кідірістер немесе ақаулар өндірісті бұзып, қауіпсіздікке қауіп төндіруі мүмкін қатал ортада детерминирленген деректер алмасу, жоғары қолжетімділік және сенімді жұмыс істеу үшін жасалған. Бұл жүйелердің қалай жұмыс істейтінін түсіну зауыттардың жабдықты нақты уақыт режимінде бақылауы, бірнеше құрылғылардағы процестерді үйлестіруі және операциялық технологияны бизнес жүйелерімен байланыстыруы мүмкін екенін түсіндіруге көмектеседі. Келесі бөлімдерде өнеркәсіптік байланыс жүйесінің құрамы, оның стандартты желілерден қалай ерекшеленетіні және оның жұмыс уақытына, тиімділікке және көрінуге тікелей әсер етуі сипатталған.

Неліктен өнеркәсіптік байланыс жүйелері маңызды

An өнеркәсіптік байланыс жүйесіорталық жүйке жүйесі қызметін атқарадызаманауи өндіріс, процестерді басқару және автоматтандыру орталары. Өткізу қабілеті мен кең ауқымды қосылымды басымдыққа алатын стандартты кәсіпорындық IT желілерінен айырмашылығы, өнеркәсіптік желілер сенсорлар, атқарушы механизмдер, бағдарламаланатын логикалық контроллерлер (PLC) және бақылау жүйелері арасында дәл, нақты уақыт режимінде деректер алмасуды жеңілдету үшін жасалған. Операциялық технология (OT) мен ақпараттық технологиялар (IT) арасындағы алшақтықты жою арқылы бұл жүйелер Industry 4.0 бастамалары үшін қажетті негізгі инфрақұрылымды құрайды.

Өнеркәсіптік ортадағы қаржылық және операциялық мүдделер мамандандырылған байланыс архитектураларын қажет етеді. Кеңсе ортасында уақытша буферлеу мәселесін тудыруы мүмкін желінің уақытша істен шығуы немесе кідірістің жоғары күрт артуы жабдықтың апатты зақымдануына, қауіпсіздік қауіптеріне немесе зауыт алаңында мыңдаған долларлық қалдық материалдарға әкелуі мүмкін. Демек, өндірістік байланыс жүйелері деректердің қатаң, сандық түрде өлшенетін мерзімде жеткізілуін қамтамасыз етуге арналған, көбінесе желінің қолжетімділік көрсеткіштерін 99,999% немесе одан жоғары деңгейге бағыттайды.

Олар жұмыс уақытын және көрінуді қалай жақсартады

Далалық деңгейдегі құрылғылар мен жоғары деңгейлі супервайзерлік басқару және деректерді жинау (SCADA) жүйелері арасында жоғары жылдамдықты деректер алмасуды жеңілдету арқылы заманауи желілер жабдықтың жалпы тиімділігін (OEE) айтарлықтай арттырады. Үздіксіз телеметрия зауыт менеджерлеріне реактивті техникалық қызмет көрсету модельдерінен болжамды техникалық қызмет көрсету модельдеріне ауысуға мүмкіндік береді. Діріл сенсорлары мен қозғалтқыш жетектері жоғары өткізу қабілеттілігі бар арналар арқылы үздіксіз байланысқан кезде - көбінесе 100 Мбит/с-тан 1 Гбит/с-қа дейін жұмыс істейді - аналитикалық қозғалтқыштар механикалық ақаулар орын алғанға дейін микроскопиялық ауытқуларды анықтай алады.

Бұл үздіксіз көріну жоспарланбаған жұмыс уақытын тікелей азайтады. Ауыр өңдеу өнеркәсібінде, өндірістің бір сағаттық тоқтауы 100 000 АҚШ долларынан асатын шығындарға әкелуі мүмкін, желі ақауын белгілі бір портқа немесе кабель үзілісіне бірнеше сағат емес, бірнеше секунд ішінде анықтау мүмкіндігі техникалық қызмет көрсету парадигмасын түбегейлі өзгертеді. Байланыс жүйесіне интеграцияланған озық диагностикалық хаттамалар желінің жұмысына қатысты дәлдікті қамтамасыз етеді, ақаулықтарды жоюдағы кідірістерді азайтады және жұмыс уақытын барынша арттырады.

Неліктен өзара әрекеттесу, детерминизм және киберқауіпсіздік маңызды

Өнеркәсіптік байланыс жүйесінің негізгі ерекшелігі - детерминизм - хабарламаның дәл, болжамды уақыт аралығында берілетініне және қабылданатынын толық кепілдік. Синхрондалған роботтық қолдар немесе жоғары жылдамдықты қаптама желілері сияқты қозғалысты басқару қолданбаларында желілік діріл көбінесе 1 микросекундтан төмен деңгейде сақталуы керек. Бұл детерминистік дәлдік болмаса, көп осьті үйлестіру сәтсіз аяқталады, бұл өнім ақауларына және механикалық соқтығысуларға әкеледі.

Өзара әрекеттесу әртүрлі жеткізушілердің әртүрлі жабдықтарының меншікті кедергілерсіз байланыса алуын қамтамасыз етеді. Стандартталған хаттамалар нысандарға мамандандырылған техниканы біртұтас зауыттық желіге біріктіруге мүмкіндік береді, бұл жеткізушілердің блокталуы мен интеграция шығындарын азайтады. Дегенмен, бұл байланыстың артуы шабуыл бетін кеңейтеді. Киберқауіпсіздіктің сенімді шараларын, әсіресе IEC 62443 стандартын сақтауды енгізу енді міндетті емес. Өнеркәсіптік байланыс жүйелері сыртқы киберқауіптерден де, ішкі конфигурациялардың дұрыс еместігінен де қорғану үшін пакеттерді терең тексеруді, желіні сегменттеуді және порт деңгейіндегі кіруді бақылауды қамтуы керек.

Өнеркәсіптік байланыс жүйесіне не кіреді

Өнеркәсіптік байланыс жүйесінің архитектурасы бірнеше қабаттарды қамтиды, физикалық аппараттық құралдарды күрделі бағдарламалық хаттамалармен үздіксіз біріктіреді. Purdue Enterprise анықтамалық архитектурасымен тығыз үйлесетін бұл жүйелер желілік трафикті 0 деңгейден (физикалық процестер) 3 деңгейге (өндірістік операциялар жүйелері) және одан жоғары деңгейге дейін бөледі. Бұл қабатты тәсіл маңызды басқару деректерінің уақытқа сезімтал емес кәсіпорын трафигінен оқшаулануын қамтамасыз етеді.

Негізгі қабаттар мен компоненттер

Негізгі деңгейде физикалық компоненттерге төтенше температураға, қатты электромагниттік кедергіге (ЭЭК) және тұрақты дірілдің әсеріне төтеп беруге арналған берік коммутаторлар, маршрутизаторлар, шлюздер және кабельдер кіреді. Мысалы, өнеркәсіптік Ethernet коммутаторлары көбінесе IP67 рейтингісі бар корпустармен, схема тақталарындағы конформды жабынмен және зауыттың қатал еден жағдайларына төтеп беру үшін артық қуат кірістерімен ерекшеленеді.

Физикалық қабаттың үстінде деректер байланысы және қолданбалы қабаттар қолданыладымамандандырылған өнеркәсіптік хаттамалартрафикті басқару үшін. Шлюздер мен шеткі есептеу құрылғылары аудармашылар ретінде әрекет етеді, ескі сериялық деректерді заманауи Ethernet пакеттеріне түрлендіреді. Бұл ескі, оқшауланған техникаға толық жабдықты жаңартуды қажет етпей, деректерді жинаудың кеңейтілген стратегияларына қатысуға мүмкіндік береді.

Хаттамалар, медиа, топология және уақыт дизайнын қалай қалыптастырады

Физикалық ортаны таңдау желінің мүмкіндіктері мен шектеулерін қатты анықтайды. Стандартты өнеркәсіптік мыс кабельдері (Cat5e немесе Cat6a экрандалған бұралған жұп) кең таралған, бірақ сегмент үшін қатаң 100 метрлік ұзындық шегімен шектелген. Үлкен нысандар немесе қатты электромагниттік кедергісі бар орталар үшін сигналдың нашарлауынсыз 10 шақырымнан асатын қашықтыққа деректерді жіберуге қабілетті бір режимді талшықты-оптикалық кабельдер қолданылады.

Топология дизайны жүйенің тұрақтылығын одан әрі қалыптастырады. Кәсіпорынның IT технологиясы әдетте жұлдызды топологияларға сүйенсе, өнеркәсіптік желілер кабельдік жұмыстарды оңтайландыру және резервтеуді қамтамасыз ету үшін сақиналы немесе тізбекті конфигурацияларды жиі пайдаланады. Медиа резервтеу протоколы (MRP) немесе құрылғы деңгейінің сақинасы (DLR) сияқты хаттамалар сақиналы топологияның кабель үзілісінен 50 миллисекундтан аз уақыт ішінде қалпына келуіне мүмкіндік береді. Сонымен қатар, дәл уақыт IEEE 1588 дәлдік уақыт протоколы (PTP) арқылы қамтамасыз етіледі, ол желідегі құрылғы сағаттарын микросекундтан төмен дәлдікке дейін синхрондайды, бұл жоғары үйлестірілген қозғалысты басқару үшін қажеттілік.

Протокол параметрлерін қалай салыстыруға болады

Өнеркәсіптік байланыс жүйесін бағалау хаттама механизмдерін терең түсінуді талап етеді. Меншікті сериялық шиналардан Ethernet негізіндегі стандарттарға көшу физикалық қабатты біріктірді, бірақ қолданбалы қабаттар жоғары мамандандырылған болып қала береді. Дұрыс хаттаманы таңдау желінің жылдамдығын ғана емес, сонымен қатар ол қолдай алатын құрылғылардың максималды санын және оны интеграциялаудың күрделілігін де анықтайды.

Хаттаманы таңдаудың негізгі критерийлері

Инженерлер хаттамаларды қатаң өнімділік критерийлеріне сүйене отырып бағалауы керек: минималды цикл уақыты, максималды түйіндер саны, топологияны қолдау және жергілікті резервтеу механизмдері. Процесті автоматтандыру қондырғысының резервуар деңгейлерін бақылауы үшін тек жүздеген миллисекундтағы цикл уақыттары қажет болуы мүмкін, бұл стандартты TCP/IP байланысын жеткілікті етеді. Керісінше, жоғары жылдамдықты баспа машинасы 1 миллисекундтан төмен цикл уақыттарын талап етеді.

Тағы бір маңызды критерий - хаттаманың пайдалы жүктеме тиімділігі. Кейбір хаттамалар маршруттау және диагностика үшін айтарлықтай шығындарды көтереді, бұл ірі көлемді SCADA желілері үшін қолайлы, бірақ машина деңгейіндегі басқарудың жоғары деңгейлі детерминирленгендігіне кері әсер етеді. Хаттаманы таңдау аппараттық шығындарға да қатты әсер етеді, себебі кейбір жоғары өнімділік стандарттары әрбір далалық құрылғының ішінде арнайы қолданбалы интегралдық схемаларды (ASIC) немесе далалық бағдарламаланатын қақпа массивтерін (FPGA) талап етеді.

Өнеркәсіптік Ethernet және Fieldbus

PROFIBUS DP немесе Modbus RTU сияқты ескірген fieldbus архитектуралары сериялық қосылымдарда жұмыс істейді (мысалы, RS-485). Бұл желілер өте берік және детерминирленген, бірақ өткізу қабілеттілігінің шектеулерінен зардап шегеді, әдетте PROFIBUS үшін 12 Мбит/с жылдамдықпен шектеледі, ал басқалары үшін әлдеқайда төмен. Олар қатаң иерархиялық және заманауи болжамды техникалық қызмет көрсету жүйелері талап ететін диагностикалық деректердің үлкен көлемін өңдеуде қиындықтарға тап болады.

Өнеркәсіптік Ethernet хаттамалары, соның ішінде PROFINET, EtherNet/IP және EtherCAT, жаңа орналастыруларда fieldbus-ты негізінен алмастырды. 100 Мбит/с-тан 1 Гбит/с-қа дейінгі жылдамдықта жұмыс істейтін Industrial Ethernet нақты уақыт режиміндегі басқару деректерін де, нақты уақыт режиміндегі емес диагностикалық деректерді де бір физикалық сым арқылы беру үшін қажетті өткізу қабілеттілігін қамтамасыз етеді. Fieldbus желілері көбінесе сегментте 32 немесе 128 түйінмен шектелгенімен, Industrial Ethernet желілері теориялық тұрғыдан желі дұрыс сегменттелген жағдайда мыңдаған өзара байланысты құрылғыларға масштабтала алады.

Кідіріс, масштабталу және сенімділік бойынша ымыраға келулер

Өте төмен кідіріске қол жеткізу көбінесе стандартты желілік үйлесімділікте ымыраға келуді талап етеді. Мысалы, EtherCAT «ұшқыш өңдеу» механизмін пайдалану арқылы 1000 таратылған енгізу/шығару нүктелері үшін 100 микросекундтан аз цикл уақытына қол жеткізеді. Дегенмен, бұл құл түйіндерінде мамандандырылған жабдықты қажет етеді және EtherCAT сегментінде стандартты Ethernet қосқыштарын пайдаланбайды.

Керісінше, EtherNet/IP сияқты хаттамалар толығымен стандартты, өзгертілмеген Ethernet жабдығына және TCP/UDP/IP жиынтығына сүйенеді. Бұл масштабталуды және үздіксіз IT/OT интеграциясын барынша арттырады, бірақ миллисекундтан төмен детерминизмге қол жеткізуді мұқият желі конфигурациясына, қызмет көрсету сапасына (QoS) басымдық беруге және жоғары өнімді басқарылатын коммутаторларға тәуелді етеді.

Дұрыс жүйені қалай таңдауға болады

Сенiмдi өнiрлiк байланыс жүйесiн жобалау және орналастыру шұғыл пайдалану қажеттіліктерiн ұзақ мерзiмдi масштабталу және қауiпсiздiкпен теңестiрудi талап етедi. Өткiзу қабiлетi мен кідiрiстiң таза техникалық бағалауы жеткiлiксiз; инженерлер интеграциялық еңбектi, ағымдағы техникалық қызмет көрсетудi және болашақта кеңейтудiң сөзсiз қажеттiлiгiн ескеретiн жалпы меншiк құны (TCO) тұрғысынан қарауы керек.

Қолдану талаптарын және орнатылған базаны бағалау

Миграция стратегиялары қолданыстағы орнатылған базаны ескеруі керек. Қоңыр өріс орталарында ескірген fieldbus инфрақұрылымын толығымен ауыстыру сирек экономикалық тұрғыдан тиімді. Оның орнына жүйелік интеграторлар орналастырадыпротокол шлюздері және жиек контроллерлерісериялық деректерді Ethernet кадрларына инкапсуляциялау, ескісін жаңасымен байланыстыру. Инженерлер басқару циклдерінің тұрақты болып қалуын қамтамасыз ету үшін осы аударма шлюздері енгізетін кідірісті мұқият есептеуі керек.

Жасыл алаңдағы жобалар үшін түйіндердің масштабталуын бағалау өте маңызды. Жоспарлаушылар алдағы онжылдықта қажетті желілік түйіндер санын болжауы керек. Жалпыға ортақ ең жақсы тәжірибе - бастапқы іске қосу кезінде қолжетімді өткізу қабілеттілігі мен түйін сыйымдылығының 50%-дан 60%-ға дейін пайдаланылмайтын ішкі желілерді жобалау. Мысалы, бір хабар тарату доменін 500-ден аз құрылғымен шектеу хабар тарату дауылдарының нысан кеңейген сайын желі өнімділігін төмендетуіне жол бермейді.

Сәйкестік, киберқауіпсіздік және сенімділік стандарттары

Сәйкестік шеңберлері функционалдық қауіпсіздік пен желілік қорғаныс үшін негізгі сызықтарды белгілейді. Ауыр техника адам өміріне қауіп төндірген жағдайда, байланыс жүйесі IEC 61508 стандартына сәйкес келетін қауіпсіздік хаттамаларын (мысалы, PROFIsafe, CIP Safety) қолдауы керек. Бұл хаттамалар қауіпсіздік тұтастығының 3-деңгейіне (SIL 3) жету үшін қара арна принциптерін пайдаланады, бұл сұраныс бойынша қауіпті істен шығу ықтималдығының сағатына 10^-7-ден аз болуын қамтамасыз етеді.

Сонымен қатар, желі архитектурасы IEC 62443 стандартына сәйкес келуі керек.киберқауіпсіздік стандартыБұл жеке қауіпсіздік аймақтары мен арналарын құруды, өнеркәсіптік брандмауэрлерді орналастыруды және порттардың қатаң қауіпсіздігін енгізуді қамтиды. Пайдаланылмаған физикалық порттарды өшіру және коммутатор деңгейінде MAC мекенжайларын сүзуді пайдалану негізгі қауіпсіздік деңгейіне жетудің негізгі қадамдары болып табылады.

Интеграция тәуекелін азайту үшін енгізу қадамдары

Табысты орналастыру интеграциялық тәуекелдерді азайту үшін қатаң, кезең-кезеңмен валидацияға негізделген. Физикалық орнату алдында желілік трафиктің шыңын модельдеу және хаттаманың өзара әрекеттесуін тексеру үшін кешенді зауыттық қабылдау сынағы (FAT) жүргізілуі керек. Бұл сынақ кезеңі қызмет көрсету сапасы (QoS) конфигурацияларының маңызды басқару пакеттерін көлемді деректерді беруден гөрі дұрыс басымдыққа ие екенін тексеруі керек.

Физикалық енгізу кезінде кабельдік стандарттарды қатаң сақтау қажет. Дұрыс жерге қосу немесе жоғары вольтты аймақтарда қорғалмаған кабельдерді пайдалану электромагниттік кедергілерді тудыруы мүмкін, бұл пакеттердің жоғалуына және диагностикалау қиын болатын үзік-үзік ақауларға әкелуі мүмкін. Соңында, желі өнімділігінің базалық сызығын белгілеу - қалыпты трафик көлемін, дірілдеу жиілігін және коммутатор процессорының жүктемелерін құжаттау - техникалық қызмет көрсету топтарына желінің тозуын өндіріске әсер етпес бұрын анықтау және шешу үшін қажетті сандық деректерді береді.

Негізгі қорытындылар

• Өнеркәсіптік байланыс жүйесінің ең маңызды қорытындылары мен негіздемесі
• Міндеттеме жасамас бұрын тексеруге тұрарлық сипаттамалары, сәйкестігі және тәуекел тексерулері
• Оқырмандар бірден қолдана алатын келесі практикалық қадамдар мен ескертулер

Жиі қойылатын сұрақтар

Өнеркәсіптік байланыс жүйесі дегеніміз не?

Бұл датчиктерді, PLC, SCADA, телефондарды, домофондарды және дабылдарды байланыстыратын берік желі, сондықтан деректер мен дауыс өнеркәсіптік нысандар арасында нақты уақыт режимінде сенімді түрде тасымалданады.

Неліктен өндірістік байланыс жүйесі зауыттың жұмыс істеу уақыты үшін маңызды?

Бұл жылдам, болжамды сигналдар мен ақаулардың айқын көрінуін қамтамасыз ету арқылы жұмыс уақытының тоқтап қалуын азайтады, бұл топтарға мәселелерді ерте анықтауға және ақаулар өндірісті тоқтатқанға дейін жауап беруге көмектеседі.

Қатты немесе қауіпті ортада қандай өнімдер жиі қолданылады?

Әдеттегі таңдауларға жарылысқа төзімді немесе ауа райына төзімді телефондар, бейнедомофондар, төтенше жағдайға шақыру жәшіктері, PA жүйелері және шу, шаң, ылғал және қауіп аймақтарына арналған IP PBX/VoIP құрылғылары жатады.

Өнеркәсіптік желі үшін мыс пен талшықты қалай таңдауға болады?

100 метрге дейінгі қысқа қашықтықтар мен стандартты орнатулар үшін қорғалған мысты пайдаланыңыз. Ұзақ қашықтықтарға, жоғары электромагниттік шығындар аймақтарына немесе күштірек оқшаулау мен магистральдық сенімділік қажет болған кезде талшықты таңдаңыз.

Неліктен өнеркәсіптік коммуникациялық шешімдер үшін Siniwo компаниясын таңдау керек?

Siniwo тау-кен, мұнай және газ, көлік және басқа да сұранысқа ие салаларға арналған ATEX, CE, FCC, ROHS және ISO9001 қолдауымен жасалған өнімдермен бір терезеден жобалау, интеграциялау, орнату және техникалық қызмет көрсетуді қамтамасыз етеді.