Nogle gange er den simple løsning den bedste.
I en tid hvor mere og mere komplekse teknologier sniger sig ind i industrien, er en gruppe ingeniører gået mod mængden for at udvikle et simpelt svar på en kompliceret udfordring — nemlig hvordan man effektivt får transporteret de stigende mængder af data mellem sensorer, aktuatorer og industricomputere (PLC’er).
Men for at forstå løsningen skal vi først en tur i lufthavnen. Her har det tidligere været ganske normalt at møde teknikere på vej til fjerne destinationer med deres værktøjskasser for at inspicere fabriksanlæg, der var gået i stykker. De blev nødt til at besøge anlæggene fysisk for at finde ud af, hvad der var galt med dem.
I hvert fald indtil for nylig. I dag er de nemlig blevet et mere sjældent syn. Flere maskinleverandører nøjes nu med at sidde bag en computer, når de skal finde fejl i deres kunders anlæg. I løbet af de sidste par år har en ny type sensorer fundet vej til fabrikkerne, og de kan indsamle og sende langt flere data tilbage til leverandøren end hidtil — ofte nok til, at man kan fejlfinde uden at være fysisk til stede ved maskinen.
“I dag har vi så meget data til rådighed, at man næsten forventer at kunne sidde på kontoret og følge udviklingen, som man følger elmåleren derhjemme. Det skyldes især, at de nye sensorer og aktuatorer af typen IO-Link er blevet en defacto standard inden for de seneste to år,” siger den nordiske direktør for ingeniørvirksomheden Bihl+Wiedemann, Jan Efland.
Forandringen er på den ene side en fordel for producenterne, mener han. De nye sensordata gør det eksempelvis lettere at forudsige fejl på maskinerne, minimere nedetid og automatisere flere opgaver. Men sensorerne har også deres udfordringer ifølge hans tyske kollega og produktleder hos Bihl+Wiedemann, Marcel Hilsamer.
“Sensorerne kræver en meget større båndbredde, fordi langt flere data skal transporteres ude fra felten og ind til PLC’en,” siger han og tilføjer:
“Vi har måttet opfinde en helt ny standard for dataoverførsler for at løse det på en effektiv måde.”
Flere sensordata forhindrer dyr nedetid
Når sensorer tidligere var simplere, stillede de heller ikke så høje krav til båndbredden og dermed kablingen mellem sensor og PLC. Typisk ville en optisk sensor ved et transportbånd sende en enkelt bit data afsted, når den registrerede et emne på båndet. Men i en tid hvor færre masseproducerer de samme varer, og man i stigende grad producerer og tilpasser hver enkelt vare på bestilling, kan de gamle sensorer ikke længere følge med. Det er nemlig ikke længere et spørgsmål om blot at registrere et produkt, men også at forstå, hvilket produkt der er tale om.
Flere er derfor begyndt at bruge avancerede sensorer, som kan registrere forskelle på de enkelte emner og i øvrigt indsamle data på hundredvis af forskellige parametre — heriblandt temperatur og den tid, sensoren har været i drift.
“På den måde kan man også forudsige, når sensoren skal udskiftes og dermed forhindre dyre driftsstop. Det kan være en ganske betydelig besparelse,” siger han.
Trods besparelserne har den nye generation af sensorer dog nogle ekstraomkostninger, som ikke alle tager højde for ifølge Jan Efland. Sensorerne har behov for at sende langt flere datamængder afsted end sine forgængere. Og det stiller både højere krav til båndbredden og cyklustiden — den tid der går fra sensorens måling til aktuatorens reaktion — på de kabler, der forbinder den.
Nyt industrielt kablingssystem er som “at gå fra fastnettelefon til ADSL”
For at leve op til de højere krav slog en gruppe ingeniører sig sammen for 10 år siden og begyndte udviklingen af et nyt kabelsystem. Finten med systemet var, at det både skulle være billigt og simpelt at sætte op, men samtidig være robust og hurtigt nok til at understøtte de nye og mere datatunge sensorer.
Efter 200.000 arbejdstimer blev kabelsystemet ASi-5 færdigt i slutningen af 2018. Systemet er en opdatering af det udbredte fieldbus-kablingssystem ASi-3, som ikke havde båndbredde nok til at stille industriens appetit på data fra sensorerne. ASi-kablet består kun af to ledninger, hvilket ifølge Marcel Hilsamer både gør det mere robust og billigere end det ellers udbredte alternativ: ethernet, der som bekendt klemmer otte ledninger ind i et kabel af samme tykkelse.
“Problemet med ethernetkabler er, at de både er dyre, dårligere afskærmet og har lettere ved at gå i stykker — eksempelvis hvis de er forbundet med en sensor på en bevægelig robotarm,” siger Marcel Hilsamer og tilføjer, at det tredje alternativ — parallelfortrådet kabling — ofte giver endnu flere udfordringer:
“Det ender typisk med et spaghetti-hav af kabler, der er meget besværligt at holde styr på.”
Udfordringen med den nye ASi-5 standard var imidlertid, at beholde kablets robusthed og simple opbygning samtidig med at øge båndbredden og cyklustiden markant. I første omgang var det nødvendigt at øge frekvensen i kablerne fra 170 kHz op i megahertz-området for på den måde at øge båndbredden. Men det førte også nogle særlige problemer med sig.
“Problemet er, at de højere frekvenser bliver langt mere påvirket af elektromagnetisk støj fra omgivelserne. Så det krævede en del arbejde at bevare kablernes robusthed,” siger Marcel Hilsamer.
For at løse udfordringen blev ingeniørerne inspireret af de samme teknikker, som i sin tid havde gjort det muligt at udnytte fastnettelefonernes kobbernet til at gå på nettet med ADSL. Metoden — også kendt som ortogonal frekvensdelingsmultiplex (OFDM) — består i at kommunikere med sensorerne i flere forskellige frekvenser. Så snart en frekvens bliver påvirket af udefrakommende støj, ændrer systemet til en ny frekvens.
“Det bevarer kablernes redundans og robusthed samtidig med, at vi har øget deres båndbredde og hastighed,” siger Marcel Hilsamer.
Ortogonal frekvensdelingsmultiplex er en metode til at sende flere forskellige signaler gennem samme medium på samme tid. Billedet illustrerer fire forskellige signaler, der hver har deres egen basisfunktion og dermed kan separeres fra de andre af afsender og modtager.
Avanceret teknologi udfordrer de omkostningsbevidste
Selvom kabel-udfordringerne kan virke som en lille brik i et stort puslespil, fylder de alligevel godt i bevidstheden hos mange ifølge Jan Efland. Når alt fra avancerede sensorer til aktuatorer skal sættes op, kan det være svært at få regnestykket til at gå op. Ofte viser det sig mere kompliceret at sætte et nyt anlæg anlæg i drift — og ikke mindst få styr på kabelføringen — end først forventet.
“Der er mange, der taber penge på at sætte maskiner i drift hos kunderne, fordi opsætningen tager længere tid end forventet. For de mest omkostningsbevidste, så fylder det her med kablerne også relativt meget,” siger Jan Efland.
Når ethernetkabler skal lægges ud, skal man normalt kende den præcise afstand til de forskellige IO-blokke, som forbinder de enkelte sensorer og aktuatorer. Men dette er ikke nødvendigt med ASi-kablerne, tilføjer Marcel Hilsamer. Man kan forbinde en hvilket som helst del af kablet ved blot at gennembore det med en nål det pågældende sted. På den måde skal kablet ikke “klippes til” i den rigtige længde på forhånd, men kan blot løbe igennem anlægget, hvorefter sensorerne forbindes bagefter.
“Det betyder i sidste ende, at man — udover prisen på kabelsystemet — også sparer på omkostningerne til teknikerne, fordi det er hurtigere at installere,” afslutter Jan Efland.
Jochen Bihl forklarer, hvordan brugere kan drage fordel af kortere cyklustider og større databåndbredde — og hvor nemt det er at bruge ASi-5 og ASi-3 sammen.
ASi-5 — nyt kablingssystem til sensorer og aktuatorer
ASi-5 er en ny opdatering til det udbredte fieldbus-kablingssystem ASi-3 (Actuator Sensor Interface) baseret på 10 år og 200.000 timers udviklingsarbejde. Systemet er et billigere og mere robust alternativ til ethernetkabling, mens ydelsen i ASi-5 nu er oppe på et niveau, der understøtter de højere krav fra intelligente sensorer som IO-Link m.v.
