Standardy sieciowe w systemach automatyki przemysłowej – stan obecny i perspektywa rozwoju

We współczesnych zakładach przemysłowych i produkcyjnych wykorzystywane są różnego typu układy i systemy automatyki, służące przede wszystkim trzem celom:

  • usprawnieniu realizacji procesu przemysłowego, produkcyjnego,
  • wprowadzeniu monitoringu tych procesów – utrzymanie ruchu,
  • usprawnieniu zarządzania aktywami przedsiębiorstwa.

Realizacja tych celów to długofalowe zadanie, łączące wysiłki kadry zarządzającej, pracowników działów IT zakładów oraz grup inżynierskich. To w wyniku ich wzajemnej konsultacji powinny być podejmowane kluczowe decyzje dotyczące projektu, zakupu i budowy systemów automatyki przedsiębiorstw.

W niniejszym artykule przedstawiono analizę wyników ankiety przeprowadzonej w połowie lutego br. przez redakcję Control Engineering Polska w grupie niemal stu prenumeratorów tego czasopisma. Ponad 70% z nich związanych jest zawodowo z rekomendacją, specyfikacją lub zakupem sprzętu i oprogramowania dla produktów sieciowych, a blisko 15% tylko z branżą sprzętu dla tej grupy produktów. Około 13% respondentów działa w przemyśle, ale nie jest związana zawodowo ani z branżą sprzętu, ani oprogramowania dla produktów sieciowych. 

Wyk. 1. Wysoki odsetek użytkowników standardu Ethernet jest nieco zaskakujący, ponieważ standard ten w odmianie przemysłowej pojawił się na rynku stosunkowo niedawno. Tak wysoki odsetek może być wynikiem tego, iż w ankiecie pytano respondentów o to, jaki standard magistralowych systemów automatyki wykorzystują w swoim zakładzie, choćby częściowo. Zapewne ta klauzula pozwoliła na zaznaczenie standardu Ethernet większej liczbie ankietowanych

Preferowane standardy sieciowe

Oferta rynkowa urządzeń i systemów automatyki budynkowej jest w ostatnich latach niezwykle bogata. Firmy konkurujące na rynku europejskim wciąż prześcigają się w prezentowaniu coraz to nowych produktów i standardów komunikacji sieciowej, gwarantujących przede wszystkim niezawodność tworzonych przez odbiorcę systemów automatyki w zakładzie przemysłowym. Na skutek tych działań pojawiło się wiele przemysłowych standarów sieciowych, do których w ostatnim okresie coraz silniej dołącza popularny dotychczas głównie w zakładowych sieciach teleinformatycznych standard Ethernet, w odmianie przemysłowej występujący w kilku wariantach. Dlatego też ważna jest znajomość preferencji użytkowników tego typu systemów oraz ich potencjalnych nabywców, którzy decydują się na wybór określonego standardu komunikacji sieciowej dla swoich aplikacji przemysłowych. Na podstawie wyników ankiety stwierdzono, że na rynku polskim dominującą rolę spełniają trzy standardy komunikacyjne magistralowych systemów automatyki przemysłowej. Są nimi: Ethernet, Profibus i Modbus. Wysoki odsetek użytkowników standardu Ethernet jest nieco zaskakujący, ponieważ standard ten w odmianie przemysłowej pojawił się na rynku stosunkowo niedawno. Tak wysoki odsetek może być wynikiem tego, iż w ankiecie pytano respondentów o to, jaki standard magistralowych systemów automatyki wykorzystują w swoim zakładzie, choćby częściowo. Zapewne ta klauzula pozwoliła na zaznaczenie standardu Ethernet większej liczbie ankietowanych. Szczegółowe wyniki zaprezentowano na wykresie 1.

 

Wyk. 2. Wyniki analiz preferencji respondentów ankiety dotyczące wyboru różnych odmian przemysłowych protokołów komunikacyjnych 

Przy analizie tego zestawienia warto zwrócić uwagę, że w preferencjach użytkowników planujących zakup lub rozbudowę sieci automatyki w przyszłości prowadzi standard Ethernet, za nim pojawia się standard CAN i dopiero potem Profibus. Tylko niewielki odsetek ankietowanych planuje zakup sieci standardu Modbus. Badania potwierdzają więc ogólną tendencję w branży systemów automatyki przemysłowej, wskazującą na przyszłą dominację popularnego standardu komunikacji sieciowej – Ethernet. Jeszcze nie tak dawno nie mógł on być stosowany w komunikacji sterowników i czujników przemysłowych, głównie ze względu na swą niedeterministyczność czasową, czyli możliwość powstawania niekontrolowanych opóźnień w transmisji danych, tak charakterystycznych dla protokołów sieci teleinformatycznych, ale w ich przypadku nie ma on tak istotnego znaczenia dla prawidłowości funkcjonowania sieci. Opóźnienia te są wynikiem stosowania m.in. metody wykrywania kolizji CSMA/CD (ang. Carrier Sense Multiple Access/ Carrier Detection), która określa zasady dostępu urządzeń sieciowych do medium komunikacyjnego. W przypadku wystąpienia kolizji wymuszane jest powtórzenie transmisji, co automatycznie powoduje opóźnienia. W przemyśle wiele procesów wymaga, aby dane byłe sprawdzane / wysyłane co: 20 ms, 5 ms, a nawet co 1 ms. Dlatego też wiele firm branży automatyki podjęło wysiłki zmierzające do takich modyfikacji standardu, aby mógł on sprostać tego typu wymaganiom, przy jednoczesnym zachowaniu kompatybilności z klasycznym i popularnym standardem Ethernet. Jest on bowiem niezwykle użyteczny, ze względu na możliwość łatwego połączenia bazującej na nim sieci przemysłowej z ogólną infrastrukturą zakładowej sieci teleinformatycznej, gdzie standard ten, korzystający z protokołu TCP/IP, jest już od dawna stosowany. Na wykresie 2. pokazano wyniki analiz preferencji respondentów ankiety dotyczące wyboru różnych odmian przemysłowych protokołów komunikacyjnych, bazujących na standardzie Ethernet.

Warto podkreślić również, że standard ten w opinii ankietowanych stosowany jest obecnie głównie jako uzupełnienie już istniejących sieciowych systemów automatyki. Tak twierdzi blisko 56% z nich, przy czym 30% wskazuje na jego zastosowanie tylko w sferze biznesowej zakładów (na poziomie sieci wyższym w stosunku do protokołów przemysłowych). Nieco odmienne perspektywy zarysowują się na przyszłość, w tym przypadku 27,38% respondentów wskazuje na chęć użycia standardu Ethernet jako bezpośredniego uzupełnienia infrastruktury komunikacyjnej systemu automatyki na poziomie produkcji przemysłowej. 

Wyk. 3. Wyniki ankiety wskazują, że w tej dziedzinie sieci bezprzewodowych nie ma jak dotąd zdecydowanego rynkowego lidera

Najpopularniejsze aplikacje i urządzenia

W zakładowych systemach automatyki przemysłowej stosowane są różne rodzaje medium komunikacyjnego. Ankietowani najczęściej wskazywali na wykorzystywanie medium w postaci skrętki miedzianej (90,5%), traktów światłowodowych (53,57%) oraz sieci bezprzewodowych (46,43%). Warto zwrócić uwagę na wysoką pozycję tych ostatnich, których protokoły komunikacji są coraz doskonalsze i bezpieczniejsze, a zatem możliwe do stosowania w wymagających środowiskach aplikacji przemysłowych. Analiza graficzna rynku sieci bezprzewodowych wg opinii respondentów zamieszczona jest na wykresie 3.

Wyniki ankiety wskazują, że w tej dziedzinie nie ma jak dotąd zdecydowanego rynkowego lidera. Na niemal jednakowym poziomie utrzymuje się zastosowanie sieci bazujących na infrastrukturze sieci GSM, standardzie WLAN oraz radiomodemach. Podobnie ma się sytuacja w przypadku planowanych zakupów i rozbudowy sieci bezprzewodowych przez przedsiębiorstwa. 

TABELA 1. Zastosowania standardu Ethernet w przemyśle

System SCADA
71,43%
Diagnostyka, testowanie i serwisowanie
67,86%
Sfera biznesu i zarządzania produkcją
57,14%
Ciągłe i okresowe procesy produkcyjne
40,48%
Obsługa ciągłych i wsadowych procesów technologicznych
39,29%
Drukarki
35,71%
Urządzenia bezpieczeństwa i alarmowe
25,00%
Roboty przemysłowe i/lub sterowanie urządzeniami mechanicznymi
23,81%
Wbudowane funkcje kontrolne
20,24%
Sterowanie silników
20,24%
Okresowe procesy produkcyjne
19,05%

Urządzenia transportu (taśmociągi, podnośniki, windy itp.)

16,67%
Maszyny pakujące
11,90%
Produkcja elementów dyskretnych
3,57%

 Przemysłowe sieci automatyki, oprócz klasycznych funkcji sterowania urządzeniami w zakładzie produkcyjnym, mogą być również wykorzystane w realizacji wielu innych zadań, które dotychczas były domeną albo specjalnych, dedykowanych systemów albo grup pracowników serwisowych. Chodzi tu m.in. o możliwość zdalnego konfigurowania funkcji systemu sterowania oraz zdalny monitoring wybranych parametrów pracy urządzeń przemysłowych lub elementów sieciowych. W tej dziedzinie niebagatelną rolę odgrywa właśnie coraz bardziej popularny przemysłowy Ethernet. Na wykresie 4. przedstawiono ranking najpopularniejszych, zdaniem respondentów, obszarów i aplikacji, gdzie standard ten jest i będzie stosowany w przedsiębiorstwach. Widać tutaj wyraźną przewagę sfery monitoringu i pozyskiwania danych o stanie urządzeń oraz funkcji zdalnego sterowania procesami produkcyjnymi i przetwórczymi. Staje się ona jeszcze bardziej widoczna po przeanalizowaniu danych z tabeli 1.

Wydaje się, iż przewaga tych właśnie zastosowań współczesnych sieci automatyki pozostaje w ścisłej korelacji ze wspomnianą już wcześniej ekspansją standardu Ethernet w zastosowaniach przemysłowych. To on bowiem umożliwia integrację systemów automatyki z sieciami zakładowymi, a poprzez nie również z globalną siecią Internet, co pozwala na swobodny dostęp do danych, monitoring i zarządzanie systemu – praktycznie w dowolnym miejscu na Ziemi.

Czynniki decydujące o wyborze standardów sieciowych

Na podstawie danych uzyskanych od respondentów możliwe stało się uszeregowanie najistotniejszych czynników, opierając się na których użytkownicy i potencjalni klienci podejmują decyzję o wyborze konkretnego standardu magistralowego systemu automatyki przemysłowej. Wiedza na ten temat może być szczególnie przydatna dla ich producentów i dystrybutorów, zwłaszcza gdy weźmie się pod uwagę, że aż ok. 77% wszystkich ankietowanych planuje w najbliższym czasie podjęcie działań związanych z zakupem lub rozbudową systemu automatyki w swoim zakładzie.  

Wyk. 4. Ranking najpopularniejszych, zdaniem respondentów, obszarów i aplikacji gdzie przemysłowy Ethernet jest i będzie stosowany w przedsiębiorstwach

Co więc jest dla nich najistotniejsze, jakie parametry systemu sieciowego, jakie funkcje i możliwości?

Bezapelacyjnie na czoło wysuwają się: możliwość łatwej integracji nowych urządzeń z istniejącym systemem automatyki (tzw. systemy otwarte) – 73,81% ankietowanych, wykorzystanie komunikacji sieciowej standardu TCP/IP (Ethernet, Internet) – 71,43% oraz swobodna i łatwa rekonfiguracja urządzeń (elastyczność systemu) – 63,1% ogółu respondentów. Kolejne dwie funkcje są tożsame z tymi, jakie omówiono już wcześniej dla standardu Ethernet. Chodzi tu o: sprawną akwizycję danych (również systemy SCADA) – 60,71% i zdalną obsługę systemu automatyki – 59,52% pozytywnych odpowiedzi ankietowanych.

Wsparcie techniczne sieciowych systemów automatyki

Dość istotnym czynnikiem uwzględnianym przez nabywców iużytkowników jest również właściwa pomoc i wsparcie techniczne ze strony producentów i dostawców systemów automatyki. Na postawie wyników przeprowadzonej ankiety można stwierdzić, że rynek odbiorców tego typu systemów dzieli się po połowie na tych, którzy przy instalacji oraz integracji rozwiązań sieciowych w zakładzie korzystają z pomocy integratorów lub konsultantów firm zewnętrznych oraz na niekorzystających z tych usług.

Dla tych pierwszych niezbędna okazuje się pomoc w takich obszarach, jak: dobór urządzeń sieciowych, projekt i architektura sieci oraz jej konfiguracja, okablowanie sieciowe i jedynie dla co piątego użytkownika administrowanie sieci.

Szczegółowe wyniki przedstawiono na wykresie 5.  

Wyk. 5. Połowa nabywców i użytkowników korzysta ze wsparcia technicznego ze strony producentów i dostawców systemów automatyki w obszarach pokazanych na wykresie

Wyniki te wskazują na duże zapotrzebowanie rynku odbiorców na wparcie techniczne przede wszystkim w fazie projektowania i realizacji sieciowego systemu automatyki oraz w odpowiednim przeszkoleniu własnych pracowników, którzy w większości przypadków przejmują następnie rolę jego administratorów w czasie późniejszej eksploatacji.

Respondenci zapytani o to, jak oceniają poziom usług serwisowych ze strony dostawców swoich systemów automatyki, w większości uznali go za dobry (53,57%) i dostateczny (26,19%). Niecałe 18% oceniło go jako bardzo dobry i co pocieszające, tylko 2,38% jako niewystarczający. Oznacza to, że większość dostawców ma świadomość znaczenia tego obszaru swej działalności.

Wspomniano już wcześniej, że zapewnienie odpowiedniego wsparcia technicznego dla realizowanego w przedsiębiorstwie systemu automatyki to z punktu widzenia użytkowników istotny czynnik decydujący o wyborze konkretnego dostawcy i oferowanych przez niego rozwiązań. Potwierdzają to wyniki analizy kolejnych odpowiedzi ankietowanych, spośród których aż niemal 74% stwierdziło, iż zasadniczy wpływ na dokonywany przez nich wybór nowoczesnego standardu systemu magistralowego automatyki ma zaufanie do znanego im już dostawcy, zaufanie, które wynika z wcześniejszych kontaktów z nim, doświadczeń ze współpracy i oferowanego przez niego zakresu wsparcia technicznego. Nieco ponad 20% respondentów stwierdziło, że nie przywiązuje wagi do tej kwestii.

Podsumowanie

Rozwój systemów automatyki bazujących na komunikacji sieciowej, magistralowej, to proces niezwykle dynamiczny, zwłaszcza w ostatnich latach. Przyczynia się do tego szybki rozwój technik mikroprocesorowych, teleinformatycznych, a także postęp w zakresie bezpieczeństwa transmisji danych zarówno w sieciach z przewodowym, jak i bezprzewodowym medium komunikacyjnym. Dzięki udoskonaleniom protokołu komunikacyjnego coraz bardziej popularyzuje się również idea wykorzystania w sieciach automatyki przemysłowej standardu Ethernet, a wraz z nim możliwości pełnej integracji infrastruktury sieciowej całego przedsiębiorstwa – sfery produkcyjnej i biznesowej. Wyniki przeprowadzonej wśród czytelników ankiety oraz ogólne tendencje obserwowane na rynku wskazują na to, że właśnie ten standard, wraz z bezprzewodowymi technikami komunikacji, zdominuje w najbliższych latach branżę automatyki przemysłowej, zapewniając użytkownikom pełną elastyczność konfigurowania systemu automatyki, jego monitoringu i zdalnego sterowania, zarządzania aktywami przedsiębiorstwa, przy zachowaniu wysokiego poziomu bezpieczeństwa transmisji danych oraz ich ochrony przed nieautoryzowanym dostępem.

ce

Autor jest adiunktem w Katedrze Automatyki
Napędu i Urządzeń Przemysłowych w Akademii