Způsob implementace hybridních řídicích sítí v průmyslových aplikacích

Průmyslové komplexy, jako jsou ropné a plynové rafinerie, chemické továrny, terminály na zkapalněný zemní plyn a podobné provozy, mají masivní objemy a čelí výzvám zlepšení provozní efektivity, podpory flexibilní výroby, snížení nákladů a zajištění bezpečného provozu. Kontinuální povaha výrobních procesů zvyšuje náročnost. Aby byl zajištěn optimální provoz, musí průmyslové řídicí sítě v těchto zařízeních neustále monitorovat teplotu, tlak, vibrace, průtok a další parametry na tisícovkách míst. Sítě se mohou rozprostírat přes několik kilometrů (km) a vyžadovat různé datové komunikační technologie z mědi a optických vláken pro podporu celé řady zařízení od snímačů s nízkou šířkou pásma až po regulaci v reálném čase s vyšší šířkou pásma a bezpečnostní zařízení.

Aby síťoví inženýři dosáhli těchto různorodých požadavků, musí nasadit optimální kombinaci mědi a různých typů optických komunikačních zařízení, vše propojené s kompaktními průmyslovými ethernetovými přepínači s redundantními zdroji napájení, širokými možnostmi provozní teploty, vzdáleným monitorováním a pokročilými bezpečnostními funkcemi.

Tento článek začíná stručným pojednáním o průmyslovém Ethernetu (IE) včetně potřeby hybridních optických/měděných datových komunikačních sítí se zvláštním zaměřením na vláknovou optiku. Porovnává vlákna s jednovidová (SM) a vícevidová vlákna (MM), zabývá se standardy modulů optických vláken připojitelných za provozu a principem funkce digitální diagnostiky (DDM) modulů optických vláken, poté představuje řadu optických datových komunikačních zařízení od společností Cisco Systems, Phoenix Contact a Intelligent Network Solutions společně se spravovaným přepínačem průmyslového Ethernetu s kombinací měděných a optických portů v tvrzeném krytu IP40 od společnosti Red Lion Controls.

Průmyslový Ethernet (IE) je založen na použití ethernetových protokolů s přepínači s rozšířeným rozsahem provozních teplot a odolných propojeními, která zajišťují odolnost v náročných prostředích. IE schopný podporovat řízení v reálném čase a determinismus je implementován pomocí řady komunikačních protokolů jako EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET a Modbus TCP.

Očekává se, že sítě IE budou poskytovat určitou úroveň interoperability mezi staršími a současnými systémy a současně produkovat předvídatelný výkon a umožňovat snadnou údržbu, aby se maximalizovala doba provozuschopnosti. Ve velkých zařízeních se často používá kombinace měděných a optických propojení. V případě potřeby může měď poskytnout levnější alternativu. Použití optických vláken však může snížit problémy spojené s elektrickým šumem, zajistit elektrickou izolaci a podporovat mnohem delší délky spojení, což může být užitečné zejména ve velkých a rozptýlených průmyslových komplexech.

MM vs. SM vlákno

Světlo se šíří po optickém vláknu, protože neshoda optického indexu jádra a pláště způsobuje úplný vnitřní odraz. Průměr jádra je kritický a definuje vstupní kužel vlákna obsahující úhly, pod kterými se světlo vstupující do vlákna může dále šířit. SM vlákno používá malé jádro o průměru 10 µm, které může podporovat pouze jeden režim šíření, nazývaný základní vid. MM optická vlákna mají velké průměry jádra vzhledem k provozní vlnové délce světla. Tato větší jádra současně vedou mnoho optických vidů nazývaných také vzory stojatých vln (obrázek 1). Norma ISO/IEC 11801 definuje pět tříd MM vláken na základě dvou velikostí jádra a různých charakteristik šířky pásma: OM1, OM2, OM3, OM4 a OM5. Kabely z optických vláken lze kategorizovat podle průměru jádra a kabelu. Například označení 62,5/125 µm odkazuje na OM1 MM. Kabely 50/125 µm se používají pro šířky pásma OM2, OM3, OM4 a OM5 MM a 10/125 µm je příkladem kabelu SM.

Obrázek 1: MM vlákna mají relativně velký průměr a mohou podporovat přenos mnoha optických vidů současně. (Zdroj obrázku: Cisco Systems)

MM vlákna lze provozovat se zdroji s diodami emitujícími světlo (LED), výkonnější konstrukce však používají laser s vertikální dutinou (VCSEL). Díky laseru VCSEL mohou optické sítě MM poskytovat multigigabitové datové rychlosti.

Pět kategorií MM vláken je založeno na vlnové délce světla (v nanometrech, nm), průměru jádra v μm a modální šířce pásma. Modální šířka pásma je mírou maximální rychlosti signálu v MHz pro danou vzdálenost v km nebo maximální vzdálenosti pro danou rychlost přenosu signálu a je součinem šířky pásma a vzdálenosti, MHz·km. Pokud se vzdálenost pro daný kabel zkrátí na polovinu, maximální rychlost přenosu signálu se zdvojnásobí. Norma ISO/IEC 11801 definuje následující třídy optických MM vláken:

• OM1: 62,5μm jádro s minimální modální šířkou pásma 200 MHz·km při 850 nm
• OM2: 50μm jádro s minimální modální šířkou pásma 500 MHz·km při 850 nm
• OM3: 50μm jádro s minimální modální šířkou pásma 2000 MHz·km při 850 nm
• OM4: 50μm jádro s minimální modální šířkou pásma 4700 MHz·km při 850 nm
• OM5: 50μm jádro s minimální modální šířkou pásma 4700 MHz·km při 850 nm a 2470 MHz·km při 953 nm

Standard OM3 byl navržen tak, aby podporoval normu Ethernet IEEE 802.3 10 GbE. Při použití s modulací VCSEL mohou kabely OM3 MM zajišťovat rychlost 10 gigabitů za sekundu (Gb/s) na vzdálenost až 300 m. Ve většině případů jsou optické linky OM3 MM nákladově nejefektivnějším řešením pro aplikace do vzdálenosti kolem 500 m. Spoje OM4 MM mohou podporovat vzdálenosti až 1 km. Pro delší vzdálenosti a vyšší datové rychlosti jsou zapotřebí SM vlákna.

Rozhraní SFP pro měď a vlákna

Small form-factor pluggable (SFP) rozhraní představuje kompaktní formát síťového modulu připojitelného za provozu, který se používá pro datové komunikační a telekomunikační sítě. Rozhraní SFP na síťovém hardwaru, jako je ethernetový přepínač, je modulární slot pro transceiver specifický pro média, jako jsou měděné nebo optické kabely. Rozhraní SFP umožňují podle potřeby vybavit porty různými typy transceiverů. Rozhraní SFP nahradilo dříve vyvinutý a větší převodník gigabitového rozhraní (GBIC) a je někdy nazýváno „mini-GBIC“. Výbor pro malé rozměry definoval tvarový faktor, mechanická blokování a elektrická rozhraní prostřednictvím vícezdrojové smlouvy MSA SFF-8472 (obrázek 2). Kromě standardních rozhraní SFP lze vyšších rychlostí dosáhnout pomocí rozhraní SFP+ pro rychlosti až 10 Gbit/s a SFP28 pro rychlosti 25 Gbit/s.

Obrázek 2: mechanické prvky optického SPF modulu se zvýrazněním západkových a blokovacích mechanismů, optických a elektrických spojů. (Zdroj obrázku: Intelligent Network Solutions a Jeff Shepard)

K dispozici jsou optické transceivery SFP, které podporují synchronní optické sítě (SONET), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, pasivní optické sítě (PON) a další komunikační standardy.

Digitální diagnostické monitorování

MSA SFF-8472 také definuje funkce diagnostiky DDM pro transceivery z optických vláken. Diagnostika DDM se někdy nazývá digitální optické monitorování (DOM). DDM umožňuje správcům sítě monitorovat výkon optického vstupu/výstupu, teplotu, klidový proud laseru a napájecí napětí transceiveru v reálném čase (obrázek 3). DDM je rozšířením rozhraní sériového ID definovaného ve specifikaci GBIC. DDM obsahuje alarmy a varovné příznaky odesílající výstrahy, pokud provozní parametry překročí tovární nastavení pro normální provoz.

Obrázek 3: diagnostika DDM je schopná monitorovat výkon optických transceiverů SFP a odesílat upozornění, pokud některé parametry překročí nominální provozní rozsahy. (Zdroj obrázku: Intelligent Network Solutions)

Diagnostika DDM je navržena tak, aby pomáhala předvídat poruchy a podporovala preventivní údržbu pro maximální dobu provozuschopnosti sítě. Výrobce transceiveru nastavuje prahové hodnoty diagnostiky DDM pro různé parametry. Provoz transceiveru mimo prahové hranice bude mít za následek zhoršení výkonu a potenciální vznik chyby přenosu. Pokud hodnota parametru překročí zadanou prahovou hodnotu, transceiver odešle alarm. Modul dále přestane vysílat data a přijímač odmítne přijímat jakékoli zprávy. Současné spuštění více alarmů není neobvyklé; pokud je například přenosový optický výkon příliš vysoký, může být vysoká i teplota.

Ačkoli diagnostika DDM vypíná a chrání systém, dojde-li k překročení přednastavených prahových hodnot, lze ji využívat také k monitorování provozních parametrů transceiveru a umožnit operátorům zobrazit hodnoty, které se pohybují nesprávným směrem, než překročí úroveň poškození. Tím je umožněno plánování preventivní údržby.

MM vlákno a dosah 1 km

Konstruktéři průmyslových řídicích sítí mohou využívat gigabitový SFP modul 2891754 od společnosti Phoenix Contact pro podporu přenosů do vzdálenosti 1 km pomocí vláken navržených pro provoz na vlnové délce 850 nm (obrázek 4). Tento modul je vhodný pro průmyslové aplikace a má rozsah provozních teplot -40 až 85 °C a až 95% vlhkosti. Přenosová vzdálenost závisí na použitém vláknu:

• 275 m s 62,5/125 µm (OM1)
• 550 m s 50/125 µm (OM2)
• 800 m s 50/125 µm (OM3)
• 1000 m s 50/125 µm (OM4)

Obrázek 4: Tento optický transceiver SFP má dosah 1 km při provozu na vlnové délce 850 nm s kabelem OM4. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Dosah 20 km s SM vláknem

Modul SFP INT 506724 od společnosti Intelligent Network Solutions podporuje datové přenosy 1000Base-LX do vzdálenosti 20 km přes jednovidové vlákno 9/125 µm pomocí 1310nm laseru. Modul podporuje diagnostiku DDM a jeho kovové pouzdro snižuje elektromagnetické rušení (EMI) a zvyšuje odolnost (obrázek 5). Má rozsah provozních teplot 0 až 70 °C a je určen pro použití v prostředí s 10 až 85 % relativní vlhkosti (RH).

Obrázek 5: Modul SFP INT 506724 společnosti Intelligent Network Solutions podporuje datové přenosy 1000Base-LX do vzdálenosti 20 km přes jednovidové vlákno 9/125 µm pomocí 1310nm laseru. (Zdroj obrázku: Intelligent Network Solutions)

10km SFP transceivery

Transceivery SFP-10G-BXD-I a SFP-10G-BXU-I od společnosti Cisco pracují s SM vláknem a podporují přenosové vzdálenosti až 10 km při zapojení do portu SFP+. Tyto transceivery se vyznačují optickou interoperabilitou s rozhraními 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 a 10GBASE XFP na stejné lince a zahrnují funkce DOM monitorující výkon v reálném čase. Při použití se transceiver SFP-10G-BXD-I vždy připojuje k SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I vysílá 1330nm kanál a přijímá 1270nm signál a SFP-10G-BXU-I vysílá na vlnové délce 1270 nm a přijímá 1330nm signál (obrázek 6).

Obrázek 6: Tyto optické transceivery používají různé vlnové délky pro vysílání a příjem dat. (Zdroj obrázku: Cisco Systems)

Přepínač řízený průmyslovým Ethernetem

Síťoví inženýři, kteří potřebují 12portový spravovaný gigabitový ethernetový přepínač s osmi porty, čtyřmi kombinovanými SFP porty a monitorováním Modbus, mohou využít model Sixnet SLX-8MG-1 od společnosti Red Lion. Přepínač SLX-8MG-1 obsahuje osm portů 10/100/1000Base-T(X) se čtyřmi kombinovanými porty SFP (podporující optické transceivery 100Base nebo 1000Base). SLX-8MG je umístěn v tenkém krytu na DIN lištu z tvrzeného kovu pro použití v náročných průmyslových prostředích, podporuje redundantní 10-30V DC napájecí vstupy a pracuje v rozsahu provozních teplot -40 až 75 °C. Zahrnuje také vzdálené monitorování Modbus/TCP, pokročilé bezpečnostní funkce, zvýšenou odolnosti proti otřesům a vibracím a vysokou úroveň odolnosti proti elektrickému šumu a přepětí.

Obrázek 7: Spravovaný gigabitový ethernetový přepínač SLX-8MG-1 obsahuje osm portů 10/100/1000Base-T(X) se čtyřmi kombinovanými porty SFP (vlevo nahoře). (Zdroj obrázku: Red Lion)

Závěr

Hybridní optické a měděné sítě mohou pomoci zlepšit provozní efektivitu, podpořit flexibilní výrobu, snížit náklady a zajistit bezpečný a bezpečný provoz ve velkých průmyslových provozech, jako jsou ropné a plynové rafinerie a chemické závody. Síťoví inženýři mohou používat řízené gigabitové ethernetové přepínače k nasazení kombinace optických a měděných komunikačních linek. Použití MM a SM vláken podporuje optimální modální šířky pásma a zahrnutí diagnostiky DDM umožňuje provádět preventivní údržbu pro zajištění maximální doby provozuschopnosti sítě.