Industri 4.0: Det nya Ethernet

Automatiseringspyramiden rasar. Tidigare var de enskilda nivåerna, från ERP-system till fältnivå, helt separata. En nivå kommunicerade bara med nivån direkt ovanför eller nedanför. Det fungerar inte i Smart Factories, där allt kommunicerar med allt annat. Beställningar i webbutiken utlöser omedelbart åtgärder i maskinen, sensorerna rapporterar till ERP-systemet och så vidare. Målet är tydligt: En seriestorlek på 1, där varje kund får en skräddarsydd produkt till samma pris som en massproducerad.

Detta får följder för kommunikationsnätverk i fabriker. Tidigare skickades sparsamma mängder data, via fältbussprotokoll. För att skydda sina produkter mot konkurrenter skapade många leverantörer egna fältbusstandarder, och det finns nu ett dussintal olika versioner, som alla är inkompatibla med varandra.

Användarna har fått nog av att brottas med dussintals överföringsstandarder, som dessutom samma problem: standard-Ethernet kan inte arbeta i realtid. Man har tvingats utveckla egna realtidsutbyggnader med särskilda nätverkskomponenter. Nätverket får då ”realtidsöar” som begränsar konsekvent och samexisterande överföring av realtids- och icke realtidsdata. Men det kan nu förändras.

När allt utväxlar data med varandra – från onlinebeställningar, via ERP- och MES-systemet, till maskinen, alla sensorer och tillbaka till molnet – måste det finnas en konsekvent standard som överför och bearbetar information tillförlitligt och korrekt på mindre än en millisekund.

De olika fältbusstandarderna är långt ifrån utdöda, men de tappar mycket mark till Ethernet, som har dominerat inom kontorskommunikation i årtionden. Eftersom kontoret och produktionslinjen behöver kommunicera sömlöst var det bara en tidsfråga innan Ethernet hittade till fabrikerna.

Bristen på realtidsförmåga åtgärdas nu av TimeSensitive Networking (TSN). Den här uppsättningen standarder baseras på ett förslag från IEEE*, och standardiseringen är grunden för att TSN sprids och stöds av många olika tillverkare.

Automatiserat finns många fördelar med TSN. Enheter i ett TSN-nätverk är tidssynkroniserade så att de utför rätt åtgärd vid exakt rätt tid. Prioriteringsmekanismer gör att viktig information, som inte får bli försenad, kan få förtur via bandbredd och tidsfack reserverade för ändamålet. Till exempel får enheter som måste förses med senaste data inom millisekunder mycket hög prioritet.

TSN är på väg att bli en standardiserad utbyggnad av standard-Ethernet. Kompatibiliteten mellan komponenter från olika tillverkare säkras för närvarande genom tester i globala TSN-testcenter. TSN finns ännu inte att köpa i produkter, men visades vid 2018 års branschmässa SPS IPC Drives.

TSN överför data i tid, men innehåller inte information om vart datan ska eller vad den innebär. Det tar standarden OPC-UA hand om; ett öppet kommunikationsprotokoll för att utväxla data från maskin till maskin samt mellan maskiner, ERP-system och molnet.

OPC-UA är nu accepterat som de facto-standard inom kommunikation för Industri 4.0. Och med TSN har OPC-UA nu fått realtidsfunktioner, som möjliggör standardisering av datanätverk, och låter information flöda obehindrat från basen till toppen av automatiseringspyramiden, som därmed försvinner.

LAPP stödjer OPC-UA och TSN och kan leverera lämpliga kablar. En ny trend är minskade storlekar. Kablar för Fast Ethernet har fyra par ledare. Skulle man inte klara sig med ett par? Ett enda par ledare är allt som krävs för att överföra data, och det går fortfarande att göra i 1 Gbit/s. Naturligtvis krävs kompatibla terminalenheter med nya, redan tillgängliga PHY-chips.

Sådana Ethernetkablar, med ett par, blir viktigare i framtiden. Särskilt när man ska ansluta sensorer. Kablarna är tunna, lätta, robusta, ryms i trånga utrymmen och kan ge en räckvidd på upp till 1 200 m i 10 Mbit/s. Och de är förstås utmärkt valuta för pengarna eftersom de är billigare att köpa och lättare att installera. Teknikerna behöver bara ansluta två ledare i stället för åtta. Vi på LAPP utvecklar för närvarande den sortens kablar.

OPC-UA med TSN och enparskablar gör Ethernet lämpat för smarta fabriker. Men det saknas fortfarande en pusselbit; TSN-kapabla aktiva komponenter, som switchar. Här krävs nya komponenter med realtidsfunktioner. Just nu finjusteras standarden och vi planerar att lansera denna typ av switchar inom två år.

LAPP – reliably connecting the world.

* IEEE (”I triple E”) = The Institute of Electrical and Electronics Engineers, som fastställer standarder inom elektronik, datateknik och radioteknik.