Cum transformă Ethernetul industrial IoT-ul din fabrici

Cum transformă Ethernetul industrial IoT-ul din fabrici

Articolul prezintă diferențele dintre Ethernetul industrial și cel utilizat în mediile de birou, explicând modul în care componentele specializate permit mașinilor să comunice în mod fiabil între ele. Analiza se concentrează asupra a trei elemente-cheie: switch-uri de rețea robuste, cabluri de calitate industrială, și panouri de conectare (patch panels) securizate, care împreună creează rețele capabile să funcționeze în condițiile dure specifice mediilor industriale.

Ce se întâmplă atunci când echipamentele Ethernet standard sunt utilizate în mediile de producție? Acestea se defectează rapid. În fabrici, echipamentele trebuie să reziste la temperaturi extreme (între -40°C și +75°C), vibrații constante și expunerea la substanțe chimice agresive. O defecțiune a rețelei industriale poate opri producția, ceea ce duce imediat la pierderi financiare semnificative.

Limitări ale performanței în mediile industriale

Internetul industrial al lucrurilor (IIoT) operează în condiții care pot scoate rapid din funcțiune echipamentele IT standard. În atelierele de producție, praful poate bloca sistemele de răcire, în timp ce umiditatea din mediile de procesare alimentară provoacă scurtcircuite și coroziune. Temperaturile extreme, vibrațiile constante și interferențele electromagnetice (EMI) generate de motoare pot compromite componentele convenționale ale rețelelor, ducând la defecțiuni și perioade costisitoare de întrerupere a producției.

Spre deosebire de rețelele de birou, unde întârzierile ocazionale sunt acceptabile, rețelele industriale trebuie să fie deterministe, asigurând că evenimentele se produc într-un interval de timp previzibil. Ethernetul standard este un protocol probabilistic, de tip “best effort”, care nu garantează timpii de livrare a pachetelor de date. În schimb, aplicațiile industriale necesită determinism și compatibilitate – mai ales în operațiuni critice precum controlul mișcării, unde chiar și întârzieri de ordinul milisecundelor pot duce la deteriorarea echipamentelor.

Menținerea compatibilității și determinismului

Protocoalele industriale funcționează la nivelul 7 (Layer 7) al modelului Open Systems Interconnection (OSI), utilizând rețele bazate pe PROFINET, așa cum se observă în Figura 1. PROFINET este împărțit în două variante principale:

• PROFINET RT (Real-Time) – ocolește procesarea TCP/IP standard pentru a reduce latența,
• PROFINET IRT (Isochronous Real-Time) – modifică regulile de comutare a traficului Ethernet pentru a acorda prioritate comunicațiilor critice din punct de vedere temporal.

Figura 1: Modelul OSI ilustrează felul în care funcționează protocoalele industriale la diferite niveluri de rețea. (Sursa imaginii: Eaton)

Deoarece PROFINET operează peste Ethernetul standard la nivelurile fizice (1–2), rețelele industriale pot interconecta echipamente convenționale Ethernet, asigurând în același timp sincronizare precisă pentru controlul mașinilor, flexibilitate a protocoalelor și extensibilitate a rețelei.

Componentele sistemului de automatizare IIoT și provocările operaționale

Switch-urile Ethernet industriale, cablurile și panourile de conectare (patch panels) reprezintă componente esențiale ale Internetului industrial al lucrurilor (IIoT) în cadrul sistemelor de automatizare a fabricilor. Fiecare dintre aceste trei elemente prezintă provocări operaționale specifice, dar și o serie de cerințe comune.

Provocări comune:

Toate componentele trebuie să fie protejate împotriva interferențelor electromagnetice (EMI) generate de utilajele industriale. Pentru aceasta: switch-urile și panourile de conectare sunt echipate cu carcase ecranate, în timp ce cablurile utilizează o construcție ecranată cu perechi torsadate ecranate (STP) sau perechi torsadate foliate (F/UTP). Switch-urile dispun de carcase robuste, rezistente la șocuri, cablurile sunt proiectate pentru a face față vibrațiilor și solicitărilor mecanice, iar panourile de conectare sunt fabricate din materiale durabile, precum oțelul laminat la rece, de calibru 14.

Provocări specifice:

Switch-uri Ethernet industriale

• Trebuie să funcționeze fiabil în condiții de temperaturi extreme (între -40°C și +75°C)
• Necesită intrări de alimentare cu curent continuu redundante și relee de alarmă pentru a asigura funcționarea stabilă în cazul unei alimentări industriale fluctuante
• Au nevoie de protocoale de calitate a serviciului (QoS) pentru a acorda prioritate fluxurilor de date industriale critice

Cabluri Ethernet industriale

• Sunt expuse direct la mediul înconjurător, necesitând conectori cu clasă de protecție IP68 pentru rezistență la praf și lichide
• Utilizează conectori M12 specializați, cu sistem de blocare filetat, pentru a preveni deconectarea accidentală cauzată de vibrații
• Pot fi echipate cu mufe în unghi drept, care facilitează instalarea în spații înguste, în jurul utilajelor

Panouri patch industriale

• Trebuie să gestioneze numeroase trasee de cabluri într-un spațiu restrâns, având designuri compacte și de înaltă densitate
• Includ bare de detensionare (strain relief bars) pentru a menține integritatea conexiunilor pe termen lung
• Utilizează porturi orientate la 90° în jos, pentru acces facil în rafturile aglomerate

Nota redacției:
Termenul patch panel desemnează un panou de conectare utilizat pentru organizarea și gestionarea conexiunilor de rețea, permițând interconectarea rapidă a echipamentelor prin cabluri scurte (patch cords).

Eaton oferă o gamă extinsă de soluții Ethernet industriale, inclusiv switch-uri, cabluri și panouri de conectare (patch panels), care răspund provocărilor menționate anterior din mediile industriale.

Switch-uri Ethernet industriale

Seria NGI de la Eaton conectează dispozitivele din rețelele industriale, fiind disponibilă în mai multe variante dimensionale. Modelele compacte au cinci porturi, iar cele mari – până la 16 porturi. Modelele mici gestionează până la 14 Gbps de date. Modelele mari gestionează până la 32 Gbps. Toate porturile RJ45 funcționează la trei viteze: 10 Mbps, 100 Mbps și 1000 Mbps. Figura 2 prezintă imaginile produsului și componentele cheie pentru modelele NGI-U08A și NGI-U05C2POE4.

Figura 2: Componentele cheie ale switch-urilor Ethernet industriale din seria NGI de la Eaton. (Sursa imaginii: device.report)

Switch-ul de rețea NGI-U05POE4 are o carcasă metalică robustă, rezistentă la vibrații și șocuri, și poate funcționa la temperaturi cuprinse între -10°C și +60°C. Caracteristica sa principală constă în cele patru porturi PoE+, care pot furniza o putere de până la 30 W fiecare (cu un buget total de 120 W). Această funcționalitate rezolvă problema alimentării dispozitivelor precum camerele video sau senzorii, în zone în care prizele de curent alternativ nu sunt ușor accesibile.

Pentru funcționalități extinse, switch-ul de rețea NGI-U08A reprezintă o alegere excelentă, oferind o gamă de temperaturi de operare mai largă, de la -40°C la +75°C și o carcasă metalică rezistentă la vibrații. Funcția de redundanță a alimentării este deosebit de utilă în cazul fluctuațiilor de tensiune, iar suportul pentru EtherNet/IP QoS (EIP QoS) ajută la prioritizarea fluxurilor de date industriale, asigurând performanțe mai ridicate.

Cabluri Ethernet industriale

Cablurile Ethernet industriale furnizate de Eaton au o construcție ecranată (STP sau F/UTP) pentru a proteja semnalele împotriva interferențelor generate de motoare și utilaje grele. Acestea sunt proiectate să reziste la praf, umiditate și substanțe corozive, având conectori cu grad de protecție IP68 și manta CMX pentru utilizare în exterior.

Pentru a preveni defectarea conexiunilor cauzată de vibrațiile constante, cablurile utilizează conectori M12 circulari, robuști, cu un filet de blocare de 12 mm, asigurând o fixare sigură. Multe modele acceptă Power over Ethernet (PoE), permițând transmiterea simultană a energiei și datelor printr-o singură linie către dispozitive precum senzori și camere – o soluție ideală în zonele unde prizele de alimentare nu sunt disponibile.

Modelul N206-PC23-IND (Figura 3) are un grad de protecție IP68, ceea ce înseamnă că este complet protejat împotriva prafului și poate rezista la imersiune în apă la o adâncime de 1,5 metri timp de până la 60 de minute. Învelișul exterior cu certificare CMX îl face potrivit pentru aplicații în aer liber. Cablul este construit pentru a funcționa la temperaturi extreme, între -20°C și +80°C.

Construcție ecranată

Figura 3: Cablu Ethernet industrial Cat5e/Cat6 STP de la Eaton cu conectori RJ45 (model N206-PC23-IND). (Sursa imaginii: Eaton)

Construcția ecranată a cablului ajută la protejarea împotriva zgomotului EMI/RFI provenit de la surse precum utilajele grele – inclusiv motoarele electrice și echipamentele de sudură. Cablul suportă Power over Ethernet (PoE) pentru alimentarea dispozitivelor compatibile, cum ar fi camerele de supraveghere și telefoanele VoIP.

Cablurile industriale NM12-6A4-01M-BL (Figura 4) și NM12-602-02M-BL au conectori M12 și sunt conforme cu standardul IP68, oferind rezistență la praf și apă. Aceste modele suportă PoE de mare putere (60 W) și realizează conexiunea între un conector M12 X-Code tată și un conector RJ45 tată.

Figura 4: NM12-6A4-01M-BL de la Eaton – cablu industrial ecranat 10G Cat6a cu conector M12 în unghi drept și suport PoE de 60 W. (Sursa imaginii: Eaton)

Modelul NM12-6A4-01M-BL are un avantaj față de NM12-602-02M-BL, oferind o viteză de rețea mai mare (10 Gbps) și o ecranare globală cu folie (F/UTP) pentru protecție sporită împotriva interferențelor în aplicațiile de mare viteză. De asemenea, este echipat cu un conector M12 în unghi drept, prezentat în Figura 4, care reduce tensiunea mecanică asupra cablului și facilitează conexiunile în spații înguste. În schimb, dacă sunt necesari conectori M12 drepți, o lungime mai mare a cablului (6,6 ft) și viteze de rețea mai mici (1 Gbps), atunci modelul NM12-602-02M-BL reprezintă alegerea potrivită.

Panouri patch industriale

Panourile patch industriale sunt echipate cu porturi RJ45 complet ecranate, care oferă o protecție esențială împotriva interferențelor electromagnetice (EMI) și de radiofrecvență (RFI), tipice mediilor de producție. Acest design ecranat previne coruperea datelor, reducând pierderea de pachete și necesitatea retransmisiilor. Opțiunile compacte și eficiente din punct de vedere al spațiului includ modele standard 1U și variante 0,5U, care economisesc spațiu, permițând o densitate mai mare a porturilor în rack-uri cu spațiu limitat.

Figura 5: Panoul patch industrial Eaton (modelul N254-024-SH-D) evidențiind caracteristicile industriale cheie. (Sursa imaginii: Eaton)

După cum se arată în Figura 5, modelul N254-024-SH-D dispune de porturi RJ45 orientate în jos la un unghi de 90° (C), facilitând o mai bună gestionare a cablurilor în spațiile industriale înguste și reducând tensiunea mecanică asupra cablurilor și conectorilor. Firul de împământare dedicat (D) asigură o legătură electrică sigură pentru ecranare, maximizând protecția EMI/RFI în medii cu zgomot electric ridicat.

Strategii de integrare pentru optimizarea fiabilității rețelelor industriale

Atunci când integrați componente Ethernet industriale, asigurați-vă că specificațiile sunt conforme cu cerințele mediului de instalare. De exemplu, instalațiile de procesare a alimentelor necesită o protecție mai mare împotriva umidității decât depozitele cu nivel ridicat de praf, în timp ce zonele cu echipamente de sudură impun o protecție suplimentară împotriva interferențelor electromagnetice (EMI).

Planificați dezvoltarea rețelei alegând componente scalabile, precum carcase cu spațiu de extindere, cabluri cu lățime de bandă superioară și switch-uri cu porturi de rezervă. Asigurați interoperabilitatea menținând specificații de performanță consecvente în întreaga infrastructură – dacă switch-ul acceptă 10 Gbps, utilizați cabluri capabile să suporte aceeași viteză de transfer.

Luați în considerare latența și jitterul atunci când proiectați aplicații sensibile la timp. În spațiile limitate, optați pentru carcase montate pe perete, iar pentru dispozitive amplasate la distanță, extindeți lungimea cablurilor pentru a atinge pozițiile optime.

Concluzie

Rețelele industriale funcționează fiabil acolo unde echipamentele standard nu pot face față, reducând timpul de nefuncționare și costurile de întreținere, în timp ce furnizează date consistente pentru analiză. Atunci când producătorii combină Ethernetul standard cu protocoalele industriale, obțin beneficii semnificative: conectivitate universală și un control precis al sincronizării – elemente esențiale pentru aplicații precum gemeni digitali și întreținerea predictivă.

Pe măsură ce fabricile adoptă soluții IIoT, o infrastructură robustă devine un factor decisiv. Companiile care investesc într-o rețea Ethernet industrială solidă beneficiază imediat de îmbunătățiri operaționale și se pregătesc pentru transformările Industriei 4.0, unde fiabilitatea rețelei este o cerință fundamentală în toate unitățile de producție.

Despre autor

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto.

Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.

DigiKey   |   https://www.digikey.ro

Glosar de termeni

• Ethernet industrial – versiune a protocolului Ethernet proiectată pentru medii dure, care oferă timpi de răspuns predictibili și fiabilitate ridicată.
• Determinism – capacitatea unui sistem de a efectua operațiuni în intervale de timp previzibile.
• Best-effort protocol – metodă de comunicare în care livrarea pachetelor nu este garantată; utilizată în rețelele Ethernet obișnuite.
• PROFINET RT / IRT – protocoale industriale bazate pe Ethernet care oferă comunicare în timp real (RT) și sincronizare precisă (IRT).
• QoS (Quality of Service) – funcție care prioritizează traficul de rețea pentru aplicații critice.
• Switch Ethernet industrial – dispozitiv care conectează mai multe echipamente într-o rețea industrială, oferind fiabilitate și protecție împotriva EMI.
• STP / F/UTP – tipuri de cabluri Ethernet ecranate, utilizate pentru a reduce interferențele electromagnetice.
• Patch panel – panou de conectare utilizat pentru organizarea și gestionarea conexiunilor de rețea.
• RFI (Radio Frequency Interference) – interferență produsă de semnale radio, similară EMI, dar în domeniul frecvențelor radio.
• PoE (Power over Ethernet) – tehnologie care permite furnizarea simultană de energie și date prin același cablu Ethernet.
• Jitter – variație a întârzierii semnalului de la un pachet la altul, importantă în aplicațiile sensibile la timp.