Systemy łączności w autmatyce przemysłowej

Przedsiębiorstwa przemysłowe w dzisiejszych czasach mają wiele do zaoferowania, nie tylko klientom ale i również swoim pracownikom, komunikacja między poszczególnymi segmentami w erze cyfrowej transformacji przemysłu, systemy łączności stanowią ważny element efektywnego funkcjonowania przemysłu. Początkowo sterowanie zakładami produkcyjnymi i procesowymi odbywało się mechanicznie – ręcznie lub za pomocą sterowników hydraulicznych. Obecnie w automatyce przemysłowej, nieprzerywalne połączenia z maszyną to podstawa do stałego monitorowania trwającej produkcji. Gdy dyskretna elektronika stała się popularna, mechaniczne systemy sterowania zostały zastąpione elektronicznymi pętlami sterowania wykorzystującymi przetworniki, przekaźniki i przewodowe obwody sterowania. Systemy te były ogromne i zajmowały dużo miejsca, często wymagając wielu kilometrów okablowania, zarówno do pola, jak i do połączenia obwodów sterujących. Wraz z wynalezieniem układów scalonych i mikroprocesorów, funkcjonalność wielu analogowych systemów sterowania mogła zostać odtworzona przez pojedynczy sterownik cyfrowy. Sterowniki cyfrowe zaczęły stopniowo zastępować sterowanie analogowe, chociaż komunikacja z polem nadal odbywała się za pomocą sygnałów analogowych. Przejście na systemy cyfrowe zaowocowało potrzebą opracowania nowych protokołów komunikacji w terenie, a także między sterownikami.

Osiągnięcia technologiczne ostatnich lat umożliwiły rozwój zaawansowanych systemów komunikacji, które nie tylko usprawniają procesy produkcyjne, ale również pozwalają na monitorowanie i zarządzanie instalacjami przemysłowymi w sposób bardziej efektywny niż kiedykolwiek wcześniej. Wśród tych rozwiązań znajdują się sieci przemysłowe, radiowo-modemowe oraz technologia GPRS, które rewolucjonizują sposób, w jaki przemysł wykorzystuje komunikację w codziennych operacjach.

Jakie zwiększyć bezpieczeństwo przy korzystaniu z systemów łączności w firmie? jak radiowo-modemowe połączenia umożliwiają zdalne monitorowanie i kontrolę? A także, dlaczego technologia GPRS stała się nieodłącznym elementem przemysłowej rewolucji IoT (Internetu rzeczy)?

Systemy Łączności: podstawowe zagadnienia

Choć najnowsze osiągnięcia w dziedzinie sieci przemysłowych, takie jak wdrażanie technologii Ethernet, zaczynają zacierać granicę pomiędzy sieciami przemysłowymi a komercyjnymi, istnieją fundamentalne różnice między nimi. Najważniejszą z tych różnic jest to, że sieci przemysłowe są fizycznie zintegrowane z urządzeniami i infrastrukturą przemysłową oraz służą do monitorowania i kontrolowania rzeczywistych operacji i warunków w środowisku przemysłowym.

Sieci przemysłowe to nic innego jak dedykowane infrastruktury komunikacyjne, zaprojektowane specjalnie z myślą o potrzebach przemysłu. Ich celem jest zapewnienie niezawodnej i wydajnej komunikacji między różnymi urządzeniami, systemami, a także między człowiekiem a maszyną w zakładach przemysłowych. W przemyśle, nawet krótka przerwa w komunikacji może prowadzić do poważnych problemów, takich jak awarie maszyn czy spowolnienie produkcji, które wpływają na straty finansowe dla przedsiębiorstwa. Dlatego też systemy łączności są projektowane tak, aby działać w najtrudniejszych warunkach przemysłowych, czyli muszą być odporne na zakłócenia elektromagnetyczne oraz wszelkiego rodzaju drgania, taki efekt zagwarantuje stałą dostępność i ciągłość komunikacji.

Zanane technologie komunikacyjne

Sieć radiowa GSM opiera się na systemie stacji bazowych, których głównymi elementami są anteny obsługujące kilka częstotliwości, na których może odbywać się komunikacja między siecią a jednostkami komunikacyjnymi. Transmisja na każdej częstotliwości podzielona jest na 8 szczelin czasowych. Połączenie zazwyczaj zajmuje jedną szczelinę czasową na transmisję danych z telefonu komórkowego do stacji bazowej i jedną na transmisję w przeciwnym kierunku.

Wraz z pojawianiem się i polepszeniem technologii bezprzewodowych, zacierają się granice ich zastosowań. Technologie bezprzewodowe, które kiedyś były przeznaczone do konkretnych działań, mogą teraz robić wiele więcej niż tylko sprawdzenie poprawności danych, najbardziej oczywistym przykładem jest General Packet Radio Service czyli w skrócie GPRS, technice związanej z pakietowym przesyłaniem danych w sieciach GSM. Integracja tych dwóch technologii umożliwia operatorom komórkowym spełnienie części wymagań dotyczących usług 3G, co pozwala na świadczenie usług transmisji danych wysokiej jakości, które mogą być postrzegane jako zbliżone do tych oferowanych przez technologię 3G. GPRS różni się od tradycyjnych usług GSM, ponieważ przesyła dane w postaci pakietów. Oznacza to, że dane są dzielone na małe fragmenty, które są następnie przesyłane przez sieć. Dostęp do sieci odbywa się poprzez przydzielanie szczelin czasowych na nośniku radiowym. Te szczeliny czasowe są używane do transmisji danych i dostępne są wtedy, gdy są potrzebne, co oznacza, że nie zajmują całego czasu połączenia. GPRS jest często używany w aplikacjach związanych z Internetem rzeczy (czyli IoT), gdzie wiele urządzeń zbiera i przesyła dane do centralnej bazy danych. Taki zabieg umożliwia monitoring i kontrolę urządzeń przemysłowych z różnych lokalizacji bez konieczności utraty pakietów. Dlatego radiowo-modemowe połączenia pozwalają na zdalny dostęp do urządzeń i systemów w zakładzie produkcyjnym. Operatorzy dzięki temu mogą monitorować pracę maszyn, zbierać dane i kontrolować procesy z dowolnego miejsca, korzystając z odpowiednich aplikacji i narzędzi.

Systemy łączności: Tworzenie Podstaw Efektywnego Komunikowania

Systemy łączności w przedsiębiorstwach są zazwyczaj znacznie bardziej skomplikowane pod względem architektury niż sieci komercyjne. W przypadku firmowej sieci komputerowej, może to być zestaw oddzielnych lokalnych sieci w różnych oddziałach lub biurach, połączonych za pomocą głównej sieci szkieletowej lub rozległej. W przeciwieństwie do tego, nawet niewielkie sieci przemysłowe zazwyczaj posiadają hierarchię składającą się z trzech lub czterech poziomów. Na przykład, na jednym poziomie mogą być połączone urządzenia z kontrolerami, na kolejnym kontrolery mogą mieć ze sobą interakcję, powyżej znajduje się interfejs człowiek-maszyna (czyli wymieniony we wcześniejszym artykule HMI), a na górze końcowa warstwa odpowiedzialna za zbieranie danych i komunikację z zewnętrznymi systemami. Na każdym poziomie często używane są różne protokoły i/lub medium transmisyjne, co wymaga stosowania urządzeń bramowych ułatwiających komunikację. Mimo że nowoczesne protokoły i technologie sieci przemysłowych skutkują pewnym spłaszczeniem tradycyjnych hierarchii przemysłowych, zwłaszcza w warstwach wyższych, to jednak architektura sieci wciąż jest projektowana z uwzględnieniem hierarchii funkcjonalnej kontrolowanego sprzętu, a więc nie jest ona tak spłaszczona, jak to czasem możliwe w sieciach komercyjnych.

Komponenty sieci przemysłowych

Sieci przemysłowe składają się również z szczegółowych komponentów, do których należą chcoiażby programowalne sterowniki logiczne (PLC), systemy kontroli nadzorczej i gromadzenia danych (SCADA) oraz rozproszone systemy sterowania (DCS). Sieci przemysłowe zajmują się przede wszystkim komunikacją w ramach tych komponentów i systemów oraz pomiędzy nimi.

W międzyczasie architektura sterowników PLC znacznie ewoluowały i są obecnie dostępne w szerokim zakresie kosztów i możliwości. Nowoczesne sterowniki PLC mogą obsługiwać zarówno binarne, jak i analogowe wejścia i wyjścia, a także realizować pętle sterowania proporcjonalnego, całkującego i pochodnego. Sterowniki PLC zazwyczaj składają się z zasilacza, procesora, modułu wejścia/wyjścia i modułu komunikacyjnego. Moduły te są zwykle oddzielne i wymienne, zwłaszcza w większych, bardziej wydajnych sterownikach PLC. Ta modułowość pozwala na łatwiejszą konserwację i większą elastyczność instalacji – więcej niż jeden moduł każdego typu i moduły o różnej funkcjonalności mogą być łączone zgodnie z wymaganiami systemu, który ma być kontrolowany. Opracowanie i wdrożenie sterowników PLC było pierwszym krokiem w kierunku dzisiejszych wysoce połączonych sieci sterowania przemysłowego. Więcej na temat programowania PLC dowiecie się czytając nasz artykuł na temat Programisty PLC.

Bezpieczeństwo systemów łączności

W okresie początkowej implementacji i rozwoju cyfrowych systemów automatyki, strategia „bezpieczeństwa poprzez izolację” była uważana za właściwy środek ochrony. Sieci sterowania często były fizycznie oddzielane od innych systemów i korzystały z technologii rzadko stosowanych poza przemysłem. W tamtych czasach główne zagrożenia dla integralności systemu wynikały z przypadkowych zakłóceń lub potencjalnie wrogich działań niezadowolonych pracowników.

Aby skutecznie uchronić sieci łączności w firmie produkcyjnej przed atakami i zapewnić odpowiednie zabezpieczenia, można wdrożyć kilka kluczowych środków bezpieczeństwa. Pierwszorzędną rzeczą jaką należy zrobić jest wdrożenie firewalli sieciowych, które pozwalają na kontrolowanie ruchu wewnątrz sieciowego i blokowanie nieautoryzowanych dostępów do danych. Działa to jako pierwsza linia obrony przed potencjalnymi atakami z zewnątrz. Aby jednak się bardziej wystrzec należy podzielić sieć na różne segmenty, poprzez ograniczenie dostępu do niektórych usług.

Jednak najlepszym sposobem, który przez ostatnią dekadę rósł w siłę jest wewnętrzny VPN. Kluczem do dobrego zabezpieczenia danych jest dostosowanie VPN z silnym szyfrowaniem, takim jak protokół SSL/TLS lub IPSec, który zapewnia, że dane przesyłane przez sieć są chronione przed przechwyceniem przez niepowołane osoby.

Przestrzeganie tych zasad i wdrażanie środków bezpieczeństwa pomaga w zapewnieniu, że sieć wewnętrzna firmy (intranet) i pomoc technologii VPN zapewni skutecznie zabezpieczenie przed cyberatakami.

1. Relokacja maszyn i urządzeń
2. SCADA: Bezpieczny nadzór procesu produkcyjnego
3. Czym jest OEE? Korzyści z jego monitorowania
4. Dyrektywa Maszynowa – obowiązki producenta, odpowiedzialność pracodawcy
5. Zabezpieczenia nadprądowe
6. Robot spawalniczy
7. Automatyzacja produkcji
8. Automatyka przemysłowa
9. Prefabrykacja szaf sterowniczych – dlaczego warto stosować standardy?
10. Projektowanie instalacji elektrycznych – maszyny
11. Kim jest integrator automatyki przemysłowej?
12. Zastosowanie robotów przemysłowych w różnych branżach i gałęziach przemysłu
13. Projektowanie i budowa maszyn przemysłowych
14. Linie produkcyjne i technologiczne
15. Certyfikacja maszyn CE
16. Analiza ryzyka, jego ocena oraz redukcja