Design pro odolné aplikace IoT využívající výkonové a datové sítě na bázi průmyslového Ethernetu

Připojení výrobních zařízení k internetu má za následek zvýšení efektivity, kvality a produktivity. Stroje lze například programovat a ovládat na dálku, data ze strojů a procesů lze nepřetržitě analyzovat za účelem kontroly procesních chyb nebo odchylek a lze provádět vzdálená vylepšení pro vyladění výroby v uzavřené zpětnovazební smyčce. Z dlouhodobého hlediska mohou být data použita k plánování budoucího škálování a rychlejší integrace nových výrobních technik.

I když je argument pro konektivitu silný, způsob, jakým je toto připojení dosaženo, vyžaduje vážné zvážení. Existuje mnoho možností, ale Ethernet poskytuje dostupné a osvědčené řešení pro tovární síť. Jedná se o celosvětově nejrozšířenější možnost kabelové sítě s dobrou podporou dodavatele a bezproblémovou interoperabilitou s cloudem. Dobrou zprávou je též skutečnost, že kabeláž lze používat k přenosu napájení (Power over Ethernet (PoE)) i dat, což znamená, že jedna sada kabelů může podporovat síť a napájet připojené senzory, serva a další zařízení, jako jsou kamery.

Standardní Ethernet však není vhodný pro průmyslovou práci. Hardware není navržen tak, aby spolehlivě fungoval v horkém, špinavém a k vibracím náchylném továrním prostředí. Standardní ethernetové protokoly jsou také nedeterministické, a proto nevyhovují potřebám továrního prostředí, kde výroba vyžaduje řízení téměř v reálném čase pro řízení vysokorychlostních procesů.

Průmyslový Ethernet přináší všechny výhody standardního Ethernetu, ale přidává do mixu robustnost a deterministický software. Jedná se o osvědčenou a vyspělou technologii pro průmyslovou automatizaci, která umožňuje nejen odesílání procesních dat do cloudu, ale také umožňuje vzdálenému supervizorovi snadný přístup k diskům, PLC a I/O zařízením ve výrobním patře. Novela standardu Ethernet, IEEE 802.3cg, používá pro přenos dat pouze jeden pár vodičů, čímž snižuje objem a náklady na kabeláž v továrně.

Tento článek pojednává o problémech s konektivitou pro průmyslové aplikace, poté nastíní rozdíly mezi Ethernetem a průmyslovým Ethernetem. Článek se poté zabývá využitím technologií PoE a jednopárový Ethernet (SPE), následně představí reálný hardware od společnosti Amphenol a způsob jeho implementace v síti průmyslového Ethernetu.

Výzvy Ethernetu pro průmysl

Zatímco Wi-Fi může být nejoblíbenějším způsobem připojení spotřebitelů k internetu, komerční prostory obvykle k propojení počítačů a dalšího vybavení používají technologii ethernetové kabelové místní sítě (LAN).

V začátcích Ethernetu využívaly počítače v síti ke komunikaci jedinou sběrnici. Tento typ sítě je nejpřímější konfigurace a je levná a snadno se nastavuje. Je však poměrně neefektivní, protože připojené počítače soutěží o šířku pásma, což má za následek zahlcení, ztrátu paketů a výrazné snížení šířky pásma.

Dnešní kancelářské sítě obvykle používají hvězdicové, stromové nebo mesh topologie, ve kterých přepínače řídí přístup k síti, aby omezily přetížení a udržely propustnost. Ethernetový provoz je řízen přepínači tak, že přímé zprávy jdou pouze mezi zařízeními, která potřebují komunikovat, namísto toho, aby byly vysílány po celé síti (obrázek 1).

Obrázek 1: Ethernetové přepínače řídí přístup k síti za účelem omezení přetížení a zachování propustnosti. (Zdroj obrázku: Amphenol)

Ethernet založený na průběžně aktualizovaném standardu (IEEE 802.3) je osvědčený, bezpečný, spolehlivý a nabízí propustnost až stovky gigabajtů (Gbytů). I když Ethernet není součástí standardu, obvykle používá protokol TCP/IP (součást sady Internet Protocol (IP)) pro směrování a přenos, což umožňuje bezproblémové připojení k Internetu. Umožňuje také snadné škálování sítí pomocí kabelů, konektorů a přepínačů, které jsou k dispozici od stovek dodavatelů.

Ethernet se vyvinul tak, aby kombinoval napájení a komunikaci přes jediný ethernetový kabel CAT 3 nebo CAT 5, což konstruktérům umožňuje rychle a levně budovat ethernetové a napájecí sítě s nízkou údržbou ve srovnání s instalacemi využívajícími samostatné systémy. Technologie byla formalizována podle standardu IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) s názvem PoE. Hlavními výhodami technologie jsou její jednoduchost a fakt, že napájení je dostupné všude tam, kde je datová zásuvka. (Viz, „Úvod do Power over Ethernet “.)

Nedávný dodatek ke specifikaci Ethernet, IEEE 802.3cg, popisuje SPE alternativu pro přenos dat přes jeden pár namísto vícevláknového kabelu CAT 3 nebo CAT 5 standardního Ethernetu nebo PoE. SPE je vhodný pro aplikace průmyslové automatizace, protože umožňuje konstruktérům v továrnách a na trzích automatizace budov používat známé protokoly na bázi Ethernetu pro komunikaci na dlouhé vzdálenosti mezi průmyslovými řídicími jednotkami a senzory, přičemž výrazně snižuje objem kabeláže (obrázek 2).

Obrázek 2: Jednopárový Ethernet vzniká jako prostorově úsporná a levná forma Ethernetu pro řadu průmyslových a komerčních aplikací. (Zdroj obrázku: Amphenol)

Ethernet v zásadě představuje ideální způsob, jak propojit dohlížecí front office s výrobním provozem a efektivně překlenout propast mezi sítěmi informačních technologií (IT) a operačních technologií (OT).

Další technické problémy při implementaci Ethernetu přinášejí výrobní zařízení. Za prvé, továrny představují nebezpečné prostředí pro jemné kabely, konektory a přepínače. Prostředí je horké, prašné a plné chemikálií, které nejsou kompatibilní s kabelovými trasami o délce nad 100 m typickými pro tovární implementace. Kromě toho vlhkost a vibrace poškozují vodiče a kontakty. Továrny jsou také plné velkých motorů, které se neustále zapínají a vypínají, což způsobuje napěťové přechody a elektromagnetické rušení (EMI), které mohou narušit ethernetovou komunikaci.

Za druhé, výrobní závod je plný rychle se pohybujících robotů a synchronizovaných strojů, které potřebují řízení v reálném čase. Nedeterministické komunikační mechanismy standardního Ethernetu nejsou dostatečně vybaveny k tomu, aby poskytovaly tuto řídicí schopnost.

Hardware průmyslového Ethernetu

„Průmyslový Ethernet“ je běžný termín pro ethernetové systémy přizpůsobené pro tovární použití. Takové systémy se vyznačují robustními fyzickými vrstvami (PHY) a průmyslovými protokoly, jako je ModbusTCP, PROFINET a Ethernet/IP. Dále platí, že průmyslový Ethernet na rozdíl od standardních implementací Ethernetu obvykle používá linkové nebo kruhové topologie, které pomáhají zkrátit kabelové trasy (omezení dopadu EMI), snížit latenci a zabudovat určitý stupeň redundance.

Kabely jsou robustní a zahrnují stínění na ochranu proti elektromagnetickému rušení (EMI). Také konektory jsou podobně chráněny proti nepříznivým podmínkám v průmyslovém prostředí.

Výrobci kategorizují odolnost svých výrobků podle klasifikačního systému IP. Stupeň krytí IP udává stupeň ochrany poskytovaný produktem a je definován mezinárodní normou EN 60529. Schéma obsahuje dvě číslice. První představuje úroveň ochrany před pevnými předměty, od nástrojů nebo prstů, které by mohly být nebezpečné, pokud by narazily na elektrické vodiče, až po vzduchem přenášené nečistoty a prach, které by mohly poškodit obvody. Druhá číslice definuje ochranu před kapající vodou, stříkající vodou nebo ponořením. Rozsah sahá od stupně IP00 (žádná ochrana proti prachu nebo vodě) až po IP69 (úplná ochrana proti prachu a silným proudům vody s vysokou teplotou).

Konektory průmyslového Ethernetu jsou obvykle zapouzdřeny v řadě ochranných krytů až do IP67. V tomto případě hodnocení šest znamená, že do jednotky nepronikne žádný škodlivý prach nebo nečistoty ani po přímém kontaktu s nečistotou po dobu osmi hodin. Stupeň ochrany proti vodě sedm znamená, že zařízení může být ponořeno až do jednoho metru sladké vody po dobu 30 minut bez poškození.

Při výběru vrstev PHY, kabelů a konektorů pro průmyslový Ethernet by měl konstruktér zkontrolovat odolnost vůči EMI naskenováním katalogového listu pro následující normy IEC a EN:

• IEC 61000-4-5 přepětí
• IEC 61000-4-4 elektrický rychlý přechodový jev (EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 řízená imunita
• EN 55032 vyzařované emise
• EN 55032 vedené emise

Dodržování některých nebo všech těchto norem poskytuje jistotu, že EMI systému průmyslového Ethernetu v továrním prostředí bude uspokojivé.

Robustní konektory

Ať už jsou zabudovány do ovládacích panelů stroje, ethernetových přepínačů nebo kabeláže, konektory jsou životně důležité pro výkon systému průmyslového Ethernetu. Bez pečlivého výběru může selhání jediného konektoru ve stresu vysokorychlostní výroby způsobit poruchu nebo zastavení strojů za miliony dolarů.

Existuje několik prodejců, kteří nabízejí osvědčené a spolehlivé průmyslové ethernetové konektory pro řadu ethernetových, PoE a SPE aplikací. Například obdélníkový dvojčinný konektor a kabelové řešení Industrial IP6X od společnosti Amphenol poskytuje ethernetovou konektivitu CAT 6A pomocí párovacího rozhraní IEC 61076-3-124 a plné utěsnění podle specifikací IP65, IP66 a IP67. Konektory jsou určeny pro použití v průmyslových ethernetových aplikacích vyžadujících dodatečnou ochranu proti vlivům okolního prostředí a jsou vhodné pro jakékoli vnitřní nebo venkovní náročné/nepříznivé prostředí.

Skupina zahrnuje těleso obdélníkového konektoru NDHN200 pro montáž na panel s krytím IP67 znázorněné na obrázku 3. Model NDHN3A2 je 10pólový, víceúčelový nepájivý konektor (obrázek 4) navržený na připojení k NDHN200. Konektor obsahuje západkový zámek a stíněný výlisek. Disponuje jmenovitým napětím 50 V AC nebo 60 V DC, 1,5 A a lze jej připojit/odpojit až 250krát.

Obrázek 3: NDHN200 je těleso obdélníkového konektoru s krytím IP67 pro aplikace průmyslového Ethernetu. (Zdroj obrázku: Amphenol)

Obrázek 4: NDHN3A2 je konektor s krytím IP67, který obsahuje západkový zámek a stíněný výlisek. (Zdroj obrázku: Amphenol)

Společnost Amphenol uvedla na trh také SPE konektory pro ethernetové připojení periferních zařízení, jako jsou senzory, serva a kamery, které pracují rychlostí až jeden gigabit za sekundu (Gbit/s). Tvarový faktor SPE snižuje velikost, hmotnost a náklady ve srovnání se standardním Ethernetem. Konektory mají krytí IP67 s kruhovým tvarem velikosti M12. Spojují se se zástrčkami, které lze namontovat v místě provozu, a poskytují plně stíněné rozhraní s aretačními funkcemi. Jejich schopnost zpracovávat napětí/proud 60 VDC a 4 A odpovídá PoE na vzdálenost až 1 km. Příkladem je konektor 2P2C SPE MSPEJ6P2B02 (obrázek 5)

Obrázek 5: Konektor MSPEJ6P2B02 IP67 SPE je dodáván v oblíbené velikosti M12 s kruhovým tvarovým faktorem. (Zdroj obrázku: Amphenol)

Společnost také nabízí podobnou řadu konektorů SPE s pravoúhlým formátem zástrčky s krytím IP20 namísto IP67. Řešení nabízí stejný elektrický výkon jako řada M12, ale je levnější. Příkladem je modulární konektor SPE MSPE-P2L0-2A0 (obrázek 6).

Obrázek 6: Modulární konektor SPE IP20 MSPE-P2L0-2A0 je cenově výhodná varianta pro méně nebezpečná prostředí. (Zdroj obrázku: Amphenol)

Protokoly průmyslového Ethernetu

Standardní komunikační mechanismus Ethernetu je uspokojivý pro relativně klidný provoz v kanceláři nebo malé firmě. Tento mechanismus je však náchylný k rušení a ztrátě paketů, což má za následek zvýšenou latenci, díky které se stává nevhodným pro požadavky na rychle se pohybující a synchronizované výrobní linky téměř v reálném čase. Jak již bylo zmíněno, takové prostředí vyžaduje deterministický protokol, který zajistí, že strojové instrukce dorazí vždy včas bez ohledu na stupeň zatížení sítě.

K překonání této výzvy je hardware průmyslového Ethernetu doplněn podobně „průmyslovým“ softwarem. K dispozici je několik osvědčených protokolů průmyslového Ethernetu, včetně Ethernet/IP, ModbusTCP a PROFINET. Každý z nich je navržen tak, aby zajistil determinismus pro aplikace průmyslové automatizace.

Rozdíl mezi softwarem pro Ethernet a průmyslový Ethernet lze nejlépe popsat na sedmivrstvém abstraktním modelu ISO/OSI („stack“), který zahrnuje vrstvy PHY, datová linka, síť, přenos, relace, prezentace a aplikace. Standardní Ethernet zahrnuje PHY, datové spojení, síť a transportní vrstvy (které jako transport používají buď TCP/IP nebo UDP/IP) a lze jej považovat za komunikační mechanismus, který přináší efektivitu, rychlost a všestrannost.

Naproti tomu protokoly průmyslového Ethernetu, například PROFINET, využívají aplikační vrstvu zásobníku průmyslového Ethernetu. PROFINET je komunikační protokol navržený pro výměnu informací mezi stroji a řídicími systémy v automatizačním prostředí, přičemž jako komunikační mechanismus využívá standardní Ethernet (obrázek 7).

Obrázek 7: Sedmivrstvý abstraktní model ISO/OSI představující softwarový balík průmyslového Ethernetu. Protokoly průmyslového Ethernetu, jako je PROFINET, jsou součástí aplikační vrstvy. (Zdroj obrázku: Profinet)

Software průmyslového Ethernetu může také využít další protokoly, které jsou navrženy speciálně pro odesílání dat do cloudu. Příklady zahrnují protokoly jako MQTT nebo SNMP.

Závěr

Aby bylo možné zohlednit nepříznivé prostředí výroby a požadavky v reálném čase, používá průmyslový Ethernet robustní hardware, jako jsou přepínače, kabely a konektory, jakož i průmyslový software, aby bylo možné spolehlivě propojit tovární IT a OT sítě.

Jak je ukázáno, osvědčená komerční řešení konektorů usnadňují konstruktérům využívání výhod průmyslového Ethernetu k programování a řízení vysokorychlostní průmyslové automatizace při současném shromažďování hloubkových dat potřebných k vylepšení a škálování výrobních operací.