Беспроводная передача I/O в промышленной автоматизации: Ethernet, Wi-Fi или Radio I/O?

Беспроводная передача I/O в промышленной автоматизации: Ethernet, Wi-Fi или Radio I/O?

Во многих проектах промышленной автоматизации проблема возникает в тот момент, когда PLC установлен в одном шкафу, а часть датчиков, исполнительных механизмов или другой шкаф находятся на расстоянии нескольких десятков или сотен метров.

Традиционное решение обычно очевидно:

Проложить кабель.

Но главный вопрос не всегда заключается в том, как передать эти несколько сигналов.

Иногда гораздо важнее спросить:

Действительно ли необходимо вести все эти провода обратно к PLC?

Когда количество I/O невелико, расстояние большое, прокладка кабеля затруднена или оборудование распределено по разным участкам объекта, выбор архитектуры может быть гораздо важнее выбора типа кабеля.

В таких условиях одним из вариантов, который стоит рассмотреть, является использование Remote I/O и промышленной беспроводной связи.

Простой пример

Предположим, основной PLC расположен в помещении управления.

На расстоянии 300 или 500 метров находится небольшая машина или шкаф, содержащий всего несколько сигналов:

• состояние датчика

• команда Start/Stop

• состояние двигателя

• команда управления клапаном

• аварийный сигнал оборудования

• несколько других дискретных входов

Традиционный подход заключается в том, чтобы передать все эти сигналы по кабелю в шкаф PLC.

На первый взгляд задача кажется простой.

Однако при реализации реального проекта могут возникнуть:

• длинные кабельные трассы

• кабельные лотки

• трубы или механическая защита

• сложные участки трассы

• земляные и строительные работы

• многожильные кабели

• клеммы и комплектующие

• монтаж и подключение

• тестирование и поиск неисправностей

• увеличение сроков выполнения проекта

• сложности с дальнейшим расширением системы

Поэтому реальные затраты и сложность определяются не только стоимостью самого кабеля.

Стоимость прокладки кабеля ≠ цена кабеля

В промышленном проекте необходимо учитывать общую стоимость создания коммуникационной линии, а не только стоимость провода.

Можно ли разместить I/O рядом с оборудованием?

Да.

Один из распространённых подходов в современной автоматизации заключается в размещении части I/O рядом с оборудованием вместо того, чтобы вести все провода обратно в шкаф PLC.

Например:

Датчики и исполнительные механизмы → Remote I/O → Канал связи между двумя точками → PLC

При такой архитектуре нет необходимости прокладывать отдельную длинную линию для каждого сигнала.

Remote I/O устанавливается рядом с оборудованием и передаёт информацию I/O в систему управления через канал связи.

Связь может быть организована различными способами:

• Ethernet

• Wi-Fi

• промышленные сети

• специализированная радиосвязь I/O

Однако эти варианты не являются полностью одинаковыми.

В чём разница между Ethernet, Wi-Fi и Radio I/O?

В проектах эти три понятия иногда рассматриваются вместе, и может возникнуть впечатление, что это просто разные способы «сделать PLC беспроводным».

На самом деле речь идёт о разных архитектурах.

1. Ethernet

Ethernet — это проводная сетевая технология связи.

Если на объекте уже существует подходящая сетевая инфраструктура и между двумя точками можно проложить необходимый кабель, Remote I/O или сетевое оборудование можно подключить к PLC или системе управления через Ethernet.

Преимущества такого решения могут включать:

• подходящую скорость передачи данных

• стандартизированную технологию

• возможность использования существующей сетевой инфраструктуры

• более простую диагностику во многих проектах

• пригодность для крупных сетевых систем

Однако Ethernet по-прежнему требует физической сетевой инфраструктуры.

Если между двумя точками несколько сотен метров и существующей инфраструктуры нет, её создание становится частью проекта.

2. Wi-Fi

Wi-Fi — это беспроводная связь на основе IP-сети.

Во многих проектах Remote I/O или промышленное устройство можно подключить к сети через Wi-Fi.

Однако промышленный Wi-Fi — это не просто установка Access Point.

Необходимо учитывать:

• зону радиопокрытия

• место установки Access Point

• физические препятствия

• радиопомехи

• безопасность сети

• стабильность связи

• управление сетью

• Roaming при движении оборудования

• зависимость от существующей сетевой инфраструктуры

Поэтому если на предприятии уже существует подходящая промышленная Wi-Fi-сеть, её использование может быть логичным решением.

Но если задача заключается только в том, чтобы передать несколько I/O между двумя точками, возникает другой вопрос:

Действительно ли нам нужна общая Wi-Fi-сеть?

3. Industrial Radio I/O

Здесь архитектура отличается.

Основная задача системы Industrial Radio I/O заключается не в создании общей беспроводной сети для всего предприятия.

Цель — напрямую соединить I/O двух или нескольких промышленных точек.

Например:

Датчики и исполнительные механизмы
↓
Remote I/O
↓
Radio
↓
PLC / Remote I/O

В этом случае создаётся выделенный радиоканал именно для передачи I/O.

Такой подход может быть интересен, когда:

• расстояние между двумя точками велико

• прокладка кабеля сложна или дорога

• количество I/O относительно небольшое

• между точками нет подходящей сетевой инфраструктуры

• создание Wi-Fi-сети для данной задачи нецелесообразно

• оборудование распределено по разным участкам

• прокладка кабеля занимает много времени

• важно обеспечить дальнейшее расширение системы без повторной прокладки кабелей

Важно отметить:

Radio I/O не обязательно является заменой Ethernet или Wi-Fi.

Каждая технология предназначена для решения определённых задач.

Когда использование Radio I/O имеет смысл?

Нельзя установить фиксированное расстояние, например 100, 300 или 500 метров, после которого радиосвязь всегда будет лучшим вариантом.

Решение зависит от условий конкретного проекта.

Например, два проекта с расстоянием 300 метров могут значительно отличаться друг от друга.

Проект 1

Два шкафа находятся в одном промышленном помещении.

Между ними уже существует кабельный лоток, а Ethernet доступен в обеих точках.

В такой ситуации использование существующей инфраструктуры может быть самым простым решением.

Проект 2

Две точки находятся на расстоянии 300 метров, но подходящей кабельной трассы между ними нет.

Необходимо установить новый кабельный лоток, выполнить часть земляных работ и проложить промышленный кабель.

В такой ситуации радиосвязь может заслуживать серьёзного рассмотрения.

Поэтому правильный вопрос:

«Радио лучше кабеля?»

не является главным.

Правильный вопрос:

«Какая архитектура является наиболее подходящей для такого количества I/O, такого расстояния и таких условий объекта?»

Какова реальная стоимость прокладки кабеля?

Сравнение только по цене кабеля может привести к неправильному выводу.

Для длинной кабельной трассы могут потребоваться дополнительные затраты на:

Прямые расходы

• кабель

• кабельные лотки

• трубы и защиту

• кабельные вводы

• разъёмы

• клеммы

• распределительные коробки

• монтажные принадлежности

Затраты на выполнение работ

• прокладку кабеля

• монтаж проводки в шкафу

• установку оборудования

• тестирование

• поиск неисправностей

• ввод в эксплуатацию

Проектные затраты

• земляные работы

• строительные работы

• простой или ограничения производства

• время выполнения проекта

• сложность доступа к трассе

Есть и ещё один важный вопрос:

Будущее расширение.

Если сегодня нам нужны только четыре сигнала, а в следующем году потребуется 12, насколько выбранная архитектура позволит легко расширить систему?

Radio I/O тоже требует затрат

Конечно, использование радиосвязи не означает полного отсутствия затрат.

Промышленная радиосистема может включать:

• модули I/O

• радиомодули

• антенны

• монтажные принадлежности

• источник питания

• настройку и конфигурацию

• тестирование радиоканала

• ввод в эксплуатацию

Поэтому корректное сравнение должно выполняться на основе общей стоимости решения, а не только по принципу:

«цена кабеля против цены радиосистемы».

Несколько реальных сценариев

Сценарий 1: два шкафа с несколькими сигналами

• Один шкаф PLC находится в помещении управления.

• Второй шкаф расположен в 400 метрах и имеет только 6 входов и 4 выхода.

Можно рассмотреть три основных решения:

• Решение 1: прямая кабельная связь I/O

• Решение 2: Remote I/O + Ethernet

• Решение 3: Remote I/O + Industrial Radio

Окончательный выбор зависит от существующей инфраструктуры, кабельной трассы, условий окружающей среды, стоимости монтажа и требований проекта.

Сценарий 2: добавление новой машины

Предположим, что на существующей производственной линии PLC находится в основном шкафу.

Теперь новая машина устанавливается на удалённом участке.

Если необходимо провести большое количество кабелей от новой машины обратно в основной шкаф, проект может значительно усложниться.

Вместо этого рядом с машиной можно установить Remote I/O и организовать только канал связи между двумя точками.

Структура системы может стать проще:

Machine → Local I/O → Communication Link → PLC

Сценарий 3: распределённое оборудование

На некоторых предприятиях оборудование расположено в разных местах:

• насосы

• клапаны

• датчики

• локальные шкафы

• машины

• измерительное оборудование

Если от каждого участка необходимо прокладывать несколько кабелей до помещения управления, инфраструктура постепенно становится всё более сложной.

В таких проектах можно рассмотреть архитектуру Distributed I/O.

Если организация проводного соединения затруднена, Wireless I/O также может быть одним из вариантов.

Надёжность: радиосвязь — это не только расстояние

В промышленном проекте недостаточно знать, что радиоканал способен работать на определённом расстоянии.

Необходимо оценивать реальные условия объекта.

Важны:

• препятствия

• металлические конструкции

• положение антенны

• радиопомехи

• условия окружающей среды

• электропитание

• качество монтажа

• Fail-Safe

• поведение системы при потере связи

Поэтому проектирование Radio I/O должно выполняться так же тщательно, как и проектирование других частей системы автоматизации, с учётом реальных условий объекта.

Для каких задач подходит Radio I/O?

Эта технология может рассматриваться для:

• передачи Digital I/O между двумя шкафами

• управления оборудованием, расположенным далеко от основного шкафа

• передачи состояния датчиков

• управления клапанами

• Start/Stop оборудования

• передачи аварийных сигналов

• распределённых машин

• крупных производственных линий

• насосов и оборудования на территории предприятия

• проектов, где прокладка кабеля затруднена

Однако для каждого проекта подходящая архитектура должна оцениваться отдельно.

ESP-Rline — решение для беспроводной передачи I/O

Для подобных задач компания ESP разработала продуктовую линейку ESP-Rline.

ESP-Rline предназначена для беспроводной передачи I/O между различными точками промышленной системы.

Например:

Field Devices
↓
ESP-Rline I/O
↓
Wireless Radio Link
↓
ESP-Rline I/O
↓
PLC / Control System

В такой архитектуре I/O располагается рядом с оборудованием, а связь между двумя точками осуществляется по радиоканалу.

Такая архитектура может рассматриваться в проектах, где длинная кабельная трасса или создание сетевой инфраструктуры для небольшого количества I/O не являются практичными.

Важный момент при выборе решения

Цель Wireless I/O не заключается в полном отказе от проводных соединений.

На одном предприятии все три технологии могут использоваться одновременно:

Ethernet — для основной сети

Wi-Fi — для задач, требующих беспроводной сети

Industrial Radio I/O — для прямого соединения отдельных удалённых точек

И наряду с ними:

Кабель — для многих локальных устройств.

Хорошая инженерная практика заключается в выборе подходящей технологии для каждой части системы.

Заключение

Когда оборудование находится далеко от PLC, первой мыслью обычно является прокладка кабеля.

Но перед окончательным выбором стоит задать несколько вопросов:

• Сколько I/O действительно необходимо передать?

• Каково расстояние между двумя точками?

• Как проходит кабельная трасса?

• Существует ли Ethernet-инфраструктура?

• Доступна ли подходящая Wi-Fi-сеть?

• Какова реальная стоимость прокладки кабеля?

• Важно ли дальнейшее расширение системы?

• Может ли выделенный радиоканал упростить архитектуру?

• Каковы условия окружающей среды и требования к надёжности?

В конечном счёте вопрос заключается не просто в выборе «кабель или радио».

Главная задача — выбрать подходящую архитектуру для передачи информации между различными точками системы автоматизации.

Иногда вместо того, чтобы вести провода к PLC, гораздо логичнее переместить I/O ближе к оборудованию.