Conectarea instalațiilor de producție la internet conduce la creșterea eficienței, calității și productivității. De exemplu, utilajele pot fi programate și controlate de la distanță, datele de la utilaje și procesele pot fi analizate continuu pentru a verifica dacă există erori sau deviații ale procesului și se pot face ajustări de la distanță pentru a regla producția într-o buclă de reacție închisă. Pe termen mai lung, datele pot fi utilizate pentru a planifica extinderea viitoare și integrarea mai rapidă a noilor tehnici de producție.
Deși există argumente solide în favoarea conectivității, modul în care se realizează această conectivitate necesită o analiză serioasă. Există multe opțiuni, dar Ethernet oferă o soluție accesibilă și dovedită pentru rețeaua fabricii. Este cea mai utilizată opțiune de rețea cu fir, la nivel global, cu un bun suport din partea furnizorilor și cu o interoperabilitate perfectă cu cloud-ul. Mai mult decât atât, cablarea poate fi utilizată pentru a transporta atât energie (Power over Ethernet (PoE)), cât și date, ceea ce înseamnă că un singur set de cabluri poate atât să susțină rețeaua, cât și să alimenteze senzorii, actuatoarele și alte dispozitive conectate, cum ar fi camerele video.
Cu toate acestea, Ethernet-ul standard nu este la înălțimea activității industriale. Hardware-ul nu este prevăzut să opereze fiabil într-un mediu industrial fierbinte, murdar și predispus la vibrații. De asemenea, protocoalele Ethernet standard nu sunt deterministe și, prin urmare, nu sunt adaptate la nevoile mediului industrial în care producția necesită un control aproape în timp real pentru a gestiona procesele de mare viteză.
Industrial Ethernet oferă toate avantajele Ethernet-ului standard, dar adaugă la acestea robustețea și software-ul determinist. Este o tehnologie dovedită și matură pentru automatizarea industrială, care nu numai că permite trimiterea datelor de proces către cloud, dar permite și unui supraveghetor de la distanță să acceseze cu ușurință dispozitivele de comandă, PLC-urile și dispozitivele de I/O de pe platforma de producție. Un amendament la standardul Ethernet, IEEE 802.3cg, utilizează doar o singură pereche de fire pentru transportul datelor, reducând volumul și costul cablurilor din fabrică.
Ethernet Industrial − provocări
În timp ce Wi-Fi este cel mai popular mod de conectare al consumatorilor la internet, spațiile comerciale folosesc, de obicei, tehnologia Ethernet de rețea locală (LAN) cu fir pentru a conecta între ele calculatoare și alte echipamente.
La începuturile Ethernet, calculatoarele din rețea foloseau o singură magistrală pentru a comunica între ele. Acest tip de rețea este cea mai simplă configurație, fiind ieftină și ușor de instalat. Cu toate acestea, este relativ puțin eficientă, deoarece computerele conectate intră în competiție pentru lățimea de bandă, ceea ce duce la blocaje, pachete pierdute și o reducere semnificativă a lățimii de bandă.
Figura 1: Switch-urile Ethernet controlează accesul la rețea pentru a limita blocajele și a menține debitul. (© Amphenol)
Rețelele de birou actuale folosesc, de obicei, topologii de tip stea, arbore sau plasă (mesh) în care switch-urile controlează accesul la rețea pentru a limita blocajele și a menține debitul. Traficul Ethernet este controlat de către switch-uri astfel încât mesajele directe trec doar între dispozitivele care trebuie să comunice, în loc să fie difuzate în întreaga rețea (figura 1).
Bazat pe un standard actualizat în permanență (IEEE 802.3), Ethernet este dovedit, sigur, fiabil și oferă viteze de transfer de până la sute de gigabytes (GB). Deși nu face parte din standard, Ethernet utilizează, de regulă, TCP/IP (parte din suita Internet Protocol (IP)) pentru rutare și transport, ceea ce permite o conectivitate fără probleme cu internetul. De asemenea, permite rețelelor să se extindă cu ușurință cu ajutorul cablurilor, conectorilor și switch-urilor care sunt disponibile de la sute de furnizori.
Ethernet-ul a evoluat pentru a combina alimentarea cu energie și comunicațiile printr-un singur cablu Ethernet CAT 3 sau CAT 5, permițând inginerilor să construiască rapid și ieftin rețele Ethernet și de alimentare care necesită puțină întreținere, în comparație cu instalațiile care utilizează sisteme separate. Tehnologia a fost oficializată în cadrul unui standard al Institutului Inginerilor Electricieni și Electroniști (IEEE) numit PoE. Principalele avantaje ale acestei tehnologii sunt simplitatea și faptul că alimentarea cu energie electrică este disponibilă oriunde există o priză de date. (Vedeți, “Introduction to Power over Ethernet”.)
Figura 2: Ethernet cu o singură pereche de cabluri se impune ca o formă de Ethernet care economisește spațiu și este ieftină pentru o serie de aplicații industriale și comerciale. (© Amphenol)
Un amendament recent la specificația Ethernet, IEEE 802.3cg, descrie alternativa SPE pentru transportarea datelor pe o singură pereche, mai degrabă decât pe cablul cu mai multe toroane (multistranded) CAT 3 sau CAT 5 al Ethernet-ului standard sau PoE. SPE este potrivit pentru aplicațiile de automatizare industrială deoarece permite proiectanților din piețele de automatizare a fabricilor și clădirilor să utilizeze protocoale familiare bazate pe Ethernet pentru comunicații pe distanțe lungi între controlere și senzori industriali, reducând semnificativ volumul de cablare (figura 2).
În principiu, Ethernet reprezintă o modalitate ideală de a lega un birou de supraveghere central de operațiunile de producție, reducând efectiv decalajul dintre tehnologia informației (IT) și rețelele de tehnologie de operare (OT).
Instalațiile de producție implică provocări inginerești suplimentare atunci când se implementează Ethernet-ul. În primul rând, fabricile reprezintă un mediu periculos pentru cabluri, conectori și switch-uri delicate. Mediul este fierbinte, prăfuit și plin de substanțe chimice care sunt incompatibile cu cablurile de peste 100 de metri (m), tipice implementărilor din fabrici. În plus, umiditatea și vibrațiile fac ravagii cu conductorii și contactele. În plus, fabricile sunt pline de motoare mari care se pornesc și se opresc în mod constant, cauzând tensiuni tranzitorii și interferențe electromagnetice (EMI) care pot perturba comunicațiile Ethernet.
În al doilea rând, o unitate de producție este plină de roboți care se mișcă rapid și de mașini sincronizate care au nevoie de control în timp real. Mecanismele de comunicație nedeterministe ale Ethernet-ului standard nu sunt echipate corespunzător pentru a oferi această capabilitate de control.
Ethernet Industrial − hardware
“Ethernet industrial” este termenul comun pentru sistemele Ethernet adaptate pentru uz industrial. Astfel de sisteme se caracterizează prin straturi fizice robuste (PHY) și protocoale industriale precum ModbusTCP, PROFINET și Ethernet/IP. În plus, spre deosebire de implementările Ethernet standard, Ethernet-ul industrial utilizează, de obicei, topologii în linie sau în inel, deoarece acestea contribuie la scurtarea traseelor de cablu (limitând impactul EMI), la reducerea latenței și la introducerea unui anumit grad de redundanță.
Cablurile sunt robuste și includ ecranare pentru protecția împotriva EMI, iar conectorii sunt protejați în mod similar împotriva rigorilor unui mediu industrial.
Producătorii încadrează robustețea produselor lor în funcție de sistemul de clasificare IP. Ratingul IP indică gradul de protecție oferit de produs și este definit de standardul internațional EN 60529. Sistemul cuprinde două cifre. Prima reprezintă nivelul de protecție împotriva obiectelor solide, de la unelte sau degete care ar putea fi periculoase dacă ar întâlni conductori electrici, până la murdărie și praf în suspensie în aer care ar putea deteriora circuitele. A doua cifră definește nivelul de protecție împotriva picăturilor de apă, a stropirii sau a scufundării. Gama se întinde de la IP00 (nicio protecție împotriva prafului sau a apei) la IP69 (protecție totală împotriva prafului și a jeturilor de apă puternice, la temperaturi ridicate).
Conectorii pentru Ethernet industrial sunt, de obicei, încapsulați într-o gamă de carcase de protecție de până la IP67. În acest caz, un rating de șase înseamnă că nu se va infiltra praf sau murdărie dăunătoare în interiorul acestuia, chiar și după un contact direct timp de opt ore cu contaminarea. Un indice de protecție la apă de șapte înseamnă că dispozitivul poate fi scufundat până la un metru în apă proaspătă timp de 30 de minute fără a fi deteriorat.
Atunci când selectează PHY-uri, cabluri și conectori pentru Ethernet industrial, proiectantul trebuie să verifice imunitatea la EMI prin scanarea fișei tehnice pentru următoarele standarde IEC și EN:
- IEC 61000-4-5 supratensiune
- IEC 61000-4-4 tranziții electrice rapide (EFT)
- IEC 61000-4-2 ESD
- IEC 61000-4-6 imunitate la perturbații conduse, induse de câmpuri de radiofrecvenţă
- EN 55032 emisii radiate
- EN 55032 emisii conduse
Figura 3: NDHN200 este un conector dreptunghiular cu grad de protecție IP67 pentru aplicații Ethernet industriale. (© Amphenol)
Respectarea unora sau a tuturor acestor standarde oferă asigurări că performanța EMI a sistemului Ethernet industrial în mediul din fabrică va fi satisfăcătoare.
Conectori robuști
Fie că sunt încorporați în panourile de control ale mașinilor, în switch-urile Ethernet sau în cablaj, conectorii sunt esențiali pentru performanța sistemului Ethernet Industrial. Fără o selecție atentă, o singură defecțiune a unui conector în timp ce se află sub stresul unei producții de mare viteză poate provoca defecțiuni sau oprirea unor mașini de milioane de dolari.
Există mai mulți furnizori care oferă conectori pentru Ethernet Industrial fiabili și de încredere pentru o gamă de aplicații Ethernet, PoE și SPE. De exemplu, soluția de cablu și conector industrial ‘push-pull’ rectangular IP6X de la Amphenol oferă conectivitate Ethernet CAT 6A folosind o interfață de conectare IEC 61076-3-124 și etanșare completă conform specificațiilor IP65, IP66 și IP67. În special, conectorii sunt destinați utilizării în aplicațiile Ethernet industriale care necesită protecții suplimentare și sunt potriviți pentru orice condiții de mediu dur/rezistent de interior sau exterior.
Figura 4: NDHN3A2 este un conector IP67 cu mufă, care include un sistem de blocare cu zăvorâre și turnare ecranată. (© Amphenol)
Familia include carcasa dreptunghiulară a conectorului NDHN200 IP67 cu montare pe panou, prezentată în figura 3. Conectorul cu fișă NDHN3A2 cu 10 poziții, multifuncțional, fără lipire (figura 4), este proiectat pentru a se potrivi cu NDHN200. Conectorul cu fișă include blocare cu clichet și turnare ecranată. Are o valoare nominală de 50VCA sau 60VCC, 1,5 A, și poate fi cuplat/decuplat de până la 250 de ori.
Amphenol a lansat, de asemenea, conectori SPE pentru conectivitatea Ethernet a dispozitivelor periferice, cum ar fi senzori, actuatoare și videocamere, care funcționează la viteze de până la un gigabit pe secundă (Gbit/s). Factorul de formă SPE reduce dimensiunea, greutatea și costul în comparație cu Ethernet-ul standard. Conectorii sunt clasificați IP67 și au un factor de formă circular de dimensiune M12. Aceștia se cuplează cu fișe care pot fi conectate pe teren, oferind o interfață complet ecranată cu funcții de blocare. Capacitatea lor de manipulare a tensiunii/curentului de 60 VCC și până la 4 A suportă PoE pe o distanță de până la 1 km. Un exemplu este MSPEJ6P2B02, un conector SPE 2P2C (figura 5).
Figura 5: Conectorul SPE MSPEJ6P2B02 IP67 vine în popularul factor de formă circular de dimensiune M12. (© Amphenol)
Compania oferă, de asemenea, o gamă similară de conectori SPE cu un format de priză dreptunghiulară, clasificat mai degrabă la IP20 decât la IP67. Soluția oferă aceleași performanțe electrice ca și gama M12, dar este mai ieftină. Un exemplu este conectorul SPE modular MSPE-P2L0-2A0 (figura 6).
Ethernet Industrial − protocoale
Mecanismul de comunicație Ethernet standard este satisfăcător pentru traficul relativ discret al unui birou sau al unei întreprinderi mici. Dar acest mecanism este susceptibil la întreruperi și pachete pierdute, ceea ce duce la o latență crescută care îl face nepotrivit pentru cerințele aproape în timp real ale unei linii de producție în mișcare rapidă și sincronizată. După cum s-a menționat, un astfel de mediu necesită un protocol determinist pentru a se asigura că instrucțiunile mașinii ajung la timp, de fiecare dată, indiferent de cât de mare este încărcarea rețelei.
Figura 6: Conectorul modular SPE IP20 MSPE-P2L0-2A0 este o opțiune rentabilă pentru mediile mai puțin periculoase. (© Amphenol)
Pentru a depăși această provocare, hardware-ul Industrial Ethernet este completat de un software la fel de “industrial”. Sunt disponibile mai multe protocoale Ethernet industrial dovedite, inclusiv Ethernet/IP, ModbusTCP și PROFINET. Fiecare dintre acestea este proiectat pentru a asigura determinismul în aplicațiile de automatizare industrială.
Diferența dintre software-ul Ethernet și software-ul Ethernet industrial poate fi cel mai bine descrisă prin luarea în considerare a modelului de abstractizare pe șapte straturi (“stivă”) ISO/OSI, care cuprinde straturile PHY, data link, rețea, transport, sesiune, prezentare și aplicație. Ethernet standard cuprinde straturile PHY, data link, rețea și transport (care utilizează fie TCP/IP, fie UDP/IP ca mijloc de transport) și poate fi considerat un mecanism de comunicație care aduce eficiență, viteză și versatilitate.
Figura 7: Modelul de abstractizare cu șapte straturi ISO/OSI reprezentând stiva software Ethernet industrial. Protocoalele Ethernet Industrial, cum ar fi PROFINET, se află în stratul de aplicații. (© Profinet)
În schimb, protocoalele Industrial Ethernet, de exemplu, PROFINET, utilizează layer-ul de aplicație al stivei Industrial Ethernet. PROFINET este un protocol de comunicație creat pentru a face schimb de informații între mașini și controlere într-un cadru de automatizare, utilizând Ethernet standard ca mecanism de comunicație (figura 7).
Software-ul Industrial Ethernet poate, de asemenea, să valorifice alte protocoale care sunt proiectate special pentru trimiterea de date către cloud. Printre exemple se numără protocoale precum MQTT sau SNMP.
Concluzie
Pentru a ține cont de mediul dur al fabricii și de cerințele în timp real, Ethernet-ul industrial utilizează hardware robust, cum ar fi switch-uri, cabluri și conectori, precum și software industrial, pentru a conecta în mod fiabil rețelele IT și OT ale fabricii.
După cum s-a arătat, soluțiile de conectare comerciale dovedite le permit inginerilor să profite cu ușurință de Industrial Ethernet pentru a programa și controla automatizarea industrială de mare viteză, colectând în același timp datele profunde necesare pentru a îmbunătăți și a extinde operațiunile de fabricație.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.
Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro
