To nie rozmiar, typ ani model suwnicy czy układarki w zakładzie metalurgicznym ogranicza produkcję. Decydujące znaczenie ma natomiast to, jak dobrze to wyposażenie potrafi utrzymać łączność z systemami sterowania w trudnych warunkach środowiskowych.

Stawka utraty łączności jest wysoka: gdy krytyczna maszyna nie może pozostać połączona z dyspozytornią, ryzyko nie ogranicza się wyłącznie do przestojów. Obejmuje ono również spadające ładunki, uszkodzenie majątku oraz obrażenia pracowników.

Wraz z przechodzeniem zakładów na coraz bardziej zautomatyzowane operacje, sieci bezprzewodowe łączące maszyny, sterowniki PLC i sterownie stają się równie kluczowe jak samo wyposażenie. Ta transformacja ujawnia ograniczenia tradycyjnych rozwiązań przewodowych i bezprzewodowych, tworząc silne uzasadnienie dla przemysłowych sieci bezprzewodowych opartych na PRP, które utrzymują sterowanie w czasie rzeczywistym oraz zapewniają bezpieczeństwo produkcji i ludzi.

Bezprzewodowe sieci metalurgiczne muszą zapewniać wysoką wydajność

Przemysłowe sieci bezprzewodowe umożliwiają kluczowe połączenia między urządzeniami a centrami sterowania, wspierając sterowanie w czasie rzeczywistym, informacje zwrotne o stanie oraz monitoring bezpieczeństwa w zautomatyzowanych operacjach.

Aby sprostać tym wymaganiom, sieć bezprzewodowa w zakładzie metalurgicznym musi niezawodnie przesyłać dane sterowników PLC oraz obraz wideo z systemów CCTV z maszyn do komputera nadrzędnego i sterowni, zgodnie z różnymi wymaganiami transmisyjnymi.

Dane sterujące PLC

Podczas transmisji danych sterujących PLC wymagana jest wysoka stabilność i niskie opóźnienia, aby zagwarantować dokładność i bezpieczeństwo pracy urządzeń:

• współczynnik utraty pakietów poniżej 1‰ (nie więcej niż dwie kolejne utraty pakietów),

• maksymalne opóźnienie transmisji poniżej 50 ms.

Dane wideo CCTV

Aby zapewnić niezawodne wsparcie wizualne dla zdalnego monitoringu i podejmowania decyzji, konieczne jest zagwarantowanie wyraźnego obrazu oraz transmisji danych w czasie rzeczywistym:

• brak utraty klatek i opóźnień,

• maksymalne opóźnienie transmisji poniżej 50 ms.

Dlaczego starsze sieci nie spełniają wymagań zakładów metalurgicznych

Tradycyjne rozwiązania sieci przewodowych i bezprzewodowych mają trudności z jednoczesnym zapewnieniem stabilności i wydajności, które są kluczowe dla operacji metalurgicznych.

Wraz ze wzrostem rozmiarów i mobilności urządzeń, starsze podejścia stają się coraz mniej odpowiednie dla tych surowych, wysoce dynamicznych środowisk z dwóch głównych powodów.

1. Systemy przewodowe zwiększają awaryjność i potrzeby utrzymaniowe

Koparki kołowe, układarki i zwałowarki często wykorzystują fotoelektryczne kable zespolone (rozwiązanie przewodowe, w którym kabel rozwija się i zwija, podążając za ruchem urządzenia).

Prowadzi to jednak do wielu problemów:

• Poważne zużycie mechaniczne: długotrwałe tarcie i zginanie powodują pękanie kabli. Na przykład, z powodu ciągłego ruchu i wielokrotnego zginania pod dużym obciążeniem, cykl wymiany kabli w suwnicach może wynosić zaledwie od trzech do sześciu miesięcy.

• Wysokie koszty utrzymania: wymiana kabli wymaga przestoju. Jedna sesja serwisowa trwa od czterech do ośmiu godzin, co wpływa na harmonogram produkcji.

• Znaczna kumulacja kosztów: pojedynczy kabel optoelektroniczny może kosztować tysiące dolarów. W połączeniu z częstą wymianą, długoterminowe koszty są znacznie wyższe niż w przypadku rozwiązania bezprzewodowego.

2. Konwencjonalne przemysłowe sieci bezprzewodowe pozostawiają krytyczne luki

Rozwiązania bezprzewodowe typu punkt-punkt, roamingowe oraz 5G eliminują problem „ciągnięcia kabla” przez ruchome urządzenia, lecz wprowadzają nowe wyzwania. W szczególności nie radzą sobie one z ekstremalnymi warunkami środowiskowymi i rygorystycznymi wymaganiami transmisji danych w zakładach metalurgicznych.

Pojedyncze punkty awarii zagrażają bezpieczeństwu produkcji

Typowe rozwiązania bezprzewodowe opierają się na pojedynczym łączu transmisyjnym. W przypadku awarii może to prowadzić do utraty sterowania nad urządzeniem (np. awaryjnego zatrzymania suwnicy) lub do wypadków (np. upadku zwoju stali).

Przyczyny awarii sieci bezprzewodowych obejmują m.in.:

• Problemy sprzętowe: wysokie temperatury lub drgania uszkadzają przełączniki, moduły optyczne, kable sieciowe lub inne elementy.

• Zakłócenia środowiskowe: sygnały są blokowane przez pył metalowy, wysoka temperatura przyspiesza starzenie się sprzętu, a drgania mechaniczne powodują luzowanie się złączy.

• Konflikty bezprzewodowe: inne aplikacje bezprzewodowe w fabryce, takie jak przejeżdżające pojazdy, przenośne terminale danych czy systemy monitoringu, zajmują kanały i powodują interferencje.

Rygorystyczne wymagania niezawodności i opóźnień

Przemysłowe protokoły komunikacyjne stosowane w metalurgii (takie jak PROFINET, PROFIBUS czy PROFIsafe) mają bardzo wysokie wymagania czasu rzeczywistego. Konwencjonalne rozwiązania bezprzewodowe nie są w stanie zapewnić takiej wydajności z wielu powodów:

• Zawodna linia widoczności: bezprzewodowe połączenia punkt-punkt są podatne na przeszkody, a utrata pakietów gwałtownie rośnie przy przerwaniu sygnału.

• Nadmierne opóźnienia przełączania: opóźnienie w rozwiązaniach roamingowych wynosi od 100 do 300 ms, znacznie przekraczając próg 50 ms.

• Niestabilne środowisko radiowe: kompatybilność 5G z protokołami przemysłowymi jest ograniczona, a w obszarach o dużej gęstości metalu często występują odbicia i tłumienie sygnału, co prowadzi do wahań opóźnień.

Stosowanie sprzętu klasy komercyjnej w środowisku przemysłowym

W celu obniżenia kosztów niektóre zakłady metalurgiczne stosują bezprzewodowy sprzęt klasy komercyjnej. Nie jest on jednak projektowany do pracy w warunkach wysokiej temperatury, drgań i zapylenia. Choć może działać krótkoterminowo, w dłuższej perspektywie stwarza istotne ryzyko.

Na przykład w środowiskach o temperaturze powyżej 60°C żywotność urządzeń skraca się do zaledwie kilku miesięcy. Pył powoduje zwarcia i prowadzi do kaskadowych awarii.

Technologia bezprzewodowa PRP dobrze sprawdza się w zakładach metalurgicznych

Protokół równoległej redundancji (PRP – Parallel Redundancy Protocol) stał się kluczową technologią pomagającą rozwiązać wyzwania sieci bezprzewodowych w branży metalurgicznej. Dzięki unikalnemu mechanizmowi podwójnego łącza w trybie gorącej rezerwy eliminuje on problemy wielu tradycyjnych rozwiązań.

Jego główną zaletą jest możliwość utrzymania równoległej transmisji przez dwa fizyczne łącza, co pozwala osiągnąć zerową utratę pakietów i redundancję bez opóźnień, bez konieczności przełączania.

Jak działa PRP w praktyce

Tradycyjne protokoły redundancji, takie jak pierścieniowy protokół STP, działają w modelu „awaria – potem przełączenie”, w którym ruch jest przekierowywany na łącze zapasowe dopiero po wykryciu usterki, co powoduje opóźnienia.

PRP natomiast wykorzystuje model „dwa aktywne łącza z wyborem pierwszego pakietu”, w którym oba łącza jednocześnie przesyłają te same dane. Wykorzystywany jest pakiet, który dotrze jako pierwszy, a jego duplikat jest odrzucany.

Cechy sieci PRP istotne dla zakładów metalurgicznych

Technologia PRP jest zgodna z normą IEC 62439 – międzynarodowym standardem definiującym redundancję o zerowym czasie odtwarzania dla krytycznych sieci przemysłowego Ethernetu. Została zaprojektowana tak, aby utrzymać komunikację nawet w przypadku awarii łączy lub urządzeń.

Ta zgodność ze standardami umożliwia realizację kluczowych funkcji istotnych dla metalurgii:

• Zerowy czas odtwarzania: w przypadku awarii jednego łącza drugie natychmiast przejmuje transmisję bez utraty pakietów i przerw, spełniając wymagania opóźnień dla danych PLC i wideo.

• Przezroczysta kompatybilność warstwy 2: PRP działa w warstwie 2, nie wymaga zmian w oprogramowaniu warstwy aplikacji i bezproblemowo obsługuje protokoły przemysłowe, takie jak PROFINET i PROFIBUS.

• Elastyczne dopasowanie topologii: obsługuje dowolne topologie sieci, w tym gwiazdę, łańcuch i pierścień, dostosowując się do złożonego rozmieszczenia urządzeń w zakładach metalurgicznych.

• Niezależne wdrożenie dwóch łączy: oba łącza są fizycznie lub logicznie odseparowane (różne pasma częstotliwości, trasy, miejsca montażu itp.), aby pojedyncza awaria lub przeszkoda nie wpływała jednocześnie na oba połączenia.

Wpływ PRP na operacje metalurgiczne

W codziennej eksploatacji sieci PRP zapewniają wyraźne korzyści w zakresie stabilności, bezpieczeństwa i kosztów:

• Lepsza stabilność sieci: podwójne łącza w trybie gorącej rezerwy eliminują pojedyncze punkty awarii u podstaw, utrzymując współczynnik utraty pakietów poniżej 0,1‰ i praktycznie eliminując ryzyko ciągłej utraty pakietów.

• Odporność na warunki środowiskowe: fizyczna separacja dwóch łączy zapobiega skumulowanemu wpływowi pyłu, wysokiej temperatury i metalowych przeszkód.

• Poprawa bezpieczeństwa produkcji: zapobieganie utracie sterowania nad urządzeniami wskutek awarii sieci zmniejsza liczbę zdarzeń niebezpiecznych.

• Długoterminowa optymalizacja kosztów: zmniejsza się częstotliwość prac serwisowych i przestojów. Choć początkowy koszt wdrożenia jest wyższy niż w przypadku rozwiązania z pojedynczym łączem, całkowity koszt cyklu życia spada o ponad 30%.

Belden pomaga zakładom metalurgicznym modernizować sieci bezprzewodowe

Zespół ekspertów Belden w dziedzinie sieci przemysłowych opracował kompletne rozwiązanie łączności dla branży metalurgicznej oparte na protokole PRP, które z powodzeniem działa już w wielu krajowych hutach stali.

Dzięki podwójnej redundancji łączy, sprzętowi klasy przemysłowej przystosowanemu do trudnych warunków (zakres temperatur pracy od –40°C do 70°C), odporności IP67 na kurz i wodę oraz pełnej kompatybilności z protokołami przemysłowymi, rozwiązanie to zapewnia niezawodną i odporną transmisję dla urządzeń takich jak suwnice, układarki i zwałowarki.

Nasze Centra Innowacji Klienta (Customer Innovation Centers – CIC) umożliwiają zapoznanie się z tymi rozwiązaniami zaprojektowanymi, przetestowanymi i zweryfikowanymi w rzeczywistych warunkach. Na przykład w CIC w Szanghaju można zobaczyć technologię PRP w działaniu i lepiej zrozumieć, w jaki sposób modernizacja sieci bezprzewodowych poprawia wydajność i bezpieczeństwo produkcji metalurgicznej.