Design for robuste IoT-utrustninger ved bruk av industrielle Ethernet-baserte strøm- og datanettverk

Å koble produksjonsanlegg til Internett resulterer i forberinger i effektivitet/virkningsgrad, kvalitet og produktivitet. For eksempel kan maskiner programmeres og fjernstyres, data fra maskiner og prosesser kan analyseres kontinuerlig for å se etter prosessfeil eller drift, og fjernjusteringer kan gjøres for å justere produksjonen i en lukket tilbakemeldingssløyfe. På lengre sikt kan dataene brukes til å planlegge for fremtidig skalering og raskere integrering av nye produksjonsteknikker.

Selv om saken er sterk for tilkobling, krever hvordan denne tilkoblingen oppnås seriøs vurdering. Det er mange alternativer, men Ethernet gir en tilgjengelig og velprøvd løsning for fabrikknettverket. Det er det mest brukte alternativet for kablet nettverk globalt, med god leverandørstøtte og sømløs interoperabilitet med skyen. Enda bedre, kablene kan brukes til å føre strøm (Power over Ethernet – PoE) så vel som data som betyr at ett sett med ledninger både kan støtte nettverket og gi strøm til tilkoblede sensorer, aktuatorer og andre enheter som kameraer.

Standard Ethernet er imidlertid ikke opp til den industrielle jobben. Maskinvaren er ikke utviklet for pålitelig drift i det varme, skitne og vibrasjonsutsatte fabrikkmiljøet. Standard Ethernet-protokoller er også ikke-deterministiske og egner seg derfor dårlig til behovene til fabrikkmiljøet der produksjonen krever nesten sanntidsstyring for å håndtere høyhastighetsprosesser.

Industrielt Ethernet gir alle fordelene med standard Ethernet, men legger til robusthet og deterministisk programvare til blandingen. Det er en velprøvd og moden teknologi for industriautomatisering, som ikke bare lar prosessdata sendes til skyen, men lar også en ekstern overvåker (supervisor) enkelt få tilgang til stasjoner, PLS-er og I/O-enheter på produksjonsgulvet. En endring av Ethernet-standarden, IEEE 802.3cg, bruker kun ett enkelt par ledninger for datatransport, noe som reduserer bulken og kostnadene for fabrikkabling.

Denne artikkelen diskuterer tilkoblingsutfordringen for industrielle utrustninger før den skisserer forskjellene mellom Ethernet og Industrielt Ethernet. Artikkelen vurderer deretter bruken av PoE og single-pair Ethernet (SPE)-teknologier før den introduserer virkelig maskinvare fraAmfenol , og hvordan det kan implementeres i et industrielt Ethernet-nettverk.

Ethernet-utfordringene for industrien

Selv om Wi-Fi kan være den mest populære måten forbrukere kobler til Internett på, bruker kommersielle lokaler vanligvis Ethernet kablet lokalnettverk (LAN)-teknologi for å koble sammen datamaskiner og annet utstyr.

I Ethernets barndom brukte datamaskiner på nettverket en enkelt buss for å kommunisere. Denne typen nettverk er den mest enkle konfigurasjonen og er billig og enkel å sette opp. Det er imidlertid relativt ineffektivt fordi tilkoblede datamaskiner konkurrerer om båndbredde, noe som resulterer i overbelastning, pakketap og en markant reduksjon i båndbredde.

Dagens kontornettverk bruker typisk utforminger som stjerne-, tre- eller mesh-topologier, der switcher kontrollerer tilgang til nettverket for å begrense overbelastning for å opprettholde gjennomstrømming. Ethernet-trafikk styres av switchene slik at direkte meldinger går mellom bare enhetene som trenger å kommunisere, i stedet for å kringkaste den over hele nettverket (Figur 1).

Figur 1: Ethernet-switcher styrer tilgangen til nettverket for å begrense overbelastning og opprettholde gjennomstrømning. (Bildekilde: Amphenol)

Basert på en kontinuerlig oppdatert standard (IEEE 802.3), er Ethernet utprøvd, sikker, pålitelig og tilbyr gjennomstrømningshastigheter på opptil hundrevis av gigabyte (Gbyte). Selv om det ikke er en del av standarden, bruker Ethernet vanligvis TCP/IP (en del av Internet Protocol (IP)-pakken) for ruting og transport, noe som gir sømløs tilkobling til Internett. Det gjør det også mulig for nettverk å enkelt skalere med kabler, kontakter og switcher som er tilgjengelige fra hundrevis av leverandører.

Ethernet har utviklet seg til å kombinere strøm og kommunikasjon over én enkelt Ethernet CAT 3- eller CAT 5-kabel, noe som gjør det mulig for ingeniører å konstruere Ethernet- og strømnettverk med lite vedlikehold raskt og billig, i forhold til installasjoner som bruker separate systemer. Teknologien har blitt formalisert under en Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) standard kalt PoE. De fremste fordelene med teknologien er dens enkelhet og det faktum at strøm er tilgjengelig uansett hvor det er et datauttak. (Se, «Introduksjon til Strøm over Ethernet (Power over Ethernet – PoE)».)

En nylig endring av Ethernet-spesifikasjonen, IEEE 802.3cg, beskriver SPE-alternativet for å overføre data over et enkelt par i stedet for den flertrådede CAT 3- eller CAT 5-kabelen med standard Ethernet eller PoE. SPE er egnet for utrustninger i industriautomatisering, fordi den lar designere i fabrikk- og byggautomatiseringsmarkedene bruke kjente Ethernet-baserte protokoller for langdistansekommunikasjon mellom industrielle styringer og sensorer, samtidig som volumet av ledninger reduseres betydelig (Figur 2).

Figur 2: Enkeltpars Ethernet dukker opp som en plassbesparende og rimelig form for Ethernet for en rekke industrielle og kommersielle utrustninger. (Bildekilde: Amphenol)

I prinsippet representerer Ethernet en ideell måte å koble et tilsynskontor til produksjonsoperasjonen, og effektivt bygge bro mellom nettverk med informasjonsteknologi (IT) og driftsteknologi (OT).

Produksjonsanlegg gir ytterligere tekniske utfordringer ved implementering av Ethernet. Fabrikker representerer for det første et farlig miljø for delikate kabler, kontakter og switcher. Miljøet er varmt, støvete og fullt av kjemikalier som er uforenlige med mer enn 100 meter kabelføringer som er typiske for fabrikkimplementeringer. Dessuten spiller fuktighet og vibrasjoner ødeleggelse for ledere og kontakter. I tillegg er fabrikkene fulle av store motorer som hele tiden slår seg på og av og forårsaker spenningstransienter og elektromagnetisk interferens (EMI) som kan forstyrre Ethernet-kommunikasjon.

For det andre er et produksjonsanlegg fullt av hurtiggående roboter og synkroniserte maskiner som trenger sanntidsstyring. Standard Ethernets ikke-deterministiske kommunikasjonsmekanismer er dårlig utstyrt for å gi denne styringsevnen.

Industrielt Ethernet-maskinvare

«Industrielt Ethernet» er fellesbetegnelsen for Ethernet-systemer tilpasset fabrikkbruk. Slike systemer er preget av robuste fysiske lag (PHY) og industrielle protokoller som ModbusTCP, PROFINET og Ethernet/IP. Dessuten, i motsetning til standard Ethernet-implementeringer, bruker Industrielt Ethernet vanligvis linje- eller ringtopologier fordi de bidrar til å forkorte kabelføringer (begrenser virkningen av EMI), redusere latens og bygge inn en grad av redundans.

Kablene er robuste og inkluderer skjerming for å beskytte mot elektromagnetisk interferens (EMI), og kontakter er på samme måte beskyttet mot påkjenningene i en industriell setting.

Produsenter kategoriserer hardheten til produktene sine i henhold til IP-klassifiseringssystemet. IP-klassifiseringen angir graden av beskyttelse som produktet tilbyr, og er definert av den internasjonale standarden EN 60529. Ordningen består av to sifre. Den første representerer nivået av beskyttelse mot faste gjenstander, alt fra verktøy eller fingre som kan være farlige hvis de støter på elektriske ledere, til luftbåren skitt og støv som kan skade kretsene. Det andre sifferet definerer beskyttelsen mot vanndrypp, sprut eller nedsenking. Området strekker seg fra IP00 (ingen beskyttelse mot støv eller vann) til IP69 (full beskyttelse mot støv og kraftige vannstråler med høy temperatur).

Industrielle Ethernet-kontakter er vanligvis innkapslet i en rekke beskyttende hus opp til IP67. I dette tilfellet betyr en vurdering på seks at ingen skadelig støv eller smuss vil sive inn i enheten selv etter direkte kontakt med forurensningen i åtte timer. En vannbeskyttelsesgrad på syv betyr at enheten kan bli senket ned i opptil én meters dybde i ferskvann i 30 minutter uten skade.

Når du velger PHY-er, kabler og kontakter for industrielt Ethernet, bør designeren sjekke immunitet mot EMI ved å skanne dataarket for følgende IEC- og EN-standarder:

• IEC 61000-4-5 overspenning
• IEC 61000-4-4 spenningstransienter (EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 ledet immunitet
• EN 55032 utstrålte utslipp
• EN 55032 ledende utslipp

Overholdelse av noen eller alle disse standardene gir forsikring om at EMI-ytelse i industrielle Ethernet-systemer i fabrikkmiljøet vil være tilfredsstillende.

Robuste kontakter

Enten de er innebygd i maskinkontrollpaneler (styringspaneler), Ethernet-switcher eller kabling, er koblinger avgjørende for ytelsen til det industrielle Ethernet-systemet. Uten nøye valg kan en enkelt koblingsfeil mens den er under stress av høyhastighetsproduksjon føre til at million-dollar-maskiner ikke fungerer eller stopper.

Det er flere leverandører som tilbyr velprøvde og pålitelige industrielle Ethernet-kontakter for en rekke Ethernet-, PoE- og SPE-utrustninger. For eksempel Amphenol sin rektangulær push-pull-kontakt og kabelløsning Industrial IP6X gir CAT 6A-Ethernet-tilkobling ved hjelp av IEC 61076-3-124-paringsgrensesnittet, og full forsegling til IP65, IP66 og IP67 spesifikasjoner. Spesielt er kontaktene beregnet for bruk i utrustninger som industriell Ethernet, som krever ekstra miljøvern og er egnet for alle innendørs eller utendørs robuste/tøffe miljøer.

Familien inkluderer panelfestetNDHN200 IP67 rektangulært kontakthus vist i figur 3. DeNDHN3A2 10-posisjons, flerbruks, loddefri plugg/støpsel (Figur 4), er utviklet for å passe sammen med NDHN200. Pluggen/støpselet inkluderer en låsemekanisme og skjermet list. Den har en klassifisering på 50 volt AC eller 60 volt DC, 1,5 Ampere (A), og kan pares/separeres opptil 250 ganger.

Figur 3: NDHN200 er et IP67-klassifisert rektangulært kontakthus for industrielt Ethernet-utrustninger. (Bildekilde: Amphenol)

Figur 4: NDHN3A2 er en Ip67-plugg/støpsel som inkluderer en låselås og skjermet list. (Bildekilde: Amphenol)

Amphenol har også gitt ut SPE-kontakter for Ethernet-tilkobling av perifere enheter som sensorer, aktuatorer og kameraer som opererer med hastigheter opptil én gigabit per sekund (Gbit/s). SPE-formfaktoren reduserer størrelse, vekt og kostnad sammenlignet med standard Ethernet. Kontaktene er IP67-klassifisert med en sirkulær formfaktor i størrelse M12. De passer sammen med feltterminerbare plugger og gir et fullstendig skjermet grensesnitt med låsefunksjoner. Deres spennings-/strømhåndteringsevne på 60 volt DC og opptil 4 A støtter PoE over en avstand på opptil 1 kilometer (km). Et eksempel erMSPEJ6P2B02, en 2P2C SPE-kontakt (Figur 5)

Figur 5: MSPEJ6P2B02 IP67 SPE-kontakten kommer i den populære sirkulære formfaktoren M12. (Bildekilde: Amphenol)

Selskapet tilbyr også et lignende utvalg av SPE-kontakter med et rektangulært pluggformat vurdert til IP20 i stedet for IP67. Løsningen har samme elektriske ytelse som M12-serien, men er rimeligere. Et eksempel er den modulære SPE-kontakten MSPE-P2L0-2A0 (Figur 6).

Figur 6: MSPE-P2L0-2A0 modulær SPE IP20-kontakt er et kostnadseffektivt alternativ for mindre farlige miljøer. (Bildekilde: Amphenol)

Industrielle Ethernet-protokoller

Standard Ethernets kommunikasjonsmekanisme er tilfredsstillende for den relativt sedate trafikken til et kontor eller en liten bedrift. Men den mekanismen er mottakelig for forstyrrelser og pakketap, noe som resulterer i økt latens som gjør den uegnet for nesten sanntidskravene til en raskt bevegelig og synkronisert produksjonslinje. Som nevnt krever et slikt miljø en deterministisk protokoll for å sikre at maskininstruksjoner kommer i tide, hver gang, uansett hvor høy belastningen er på nettverket.

For å overvinne denne utfordringen kompletteres industriell Ethernet-maskinvare med lignende «industriell» programvare. Det er flere velprøvde industrielle Ethernet-protokoller tilgjengelig, inkludert Ethernet/IP, ModbusTCP og PROFINET. Hver er de er utviklet for å sikre determinisme for industrielle automasjonsutrustninger.

Forskjellen mellom Ethernet og Industrielt Ethernet-programvare kan best beskrives ved å vurdere ISO/OSI syvlags abstraksjonsmodellen («stack»), som omfatter PHY, datalink, nettverk, transport, sesjon, presentasjon og applikasjonslag. Standard Ethernet omfatter PHY, datalink, nettverk og transportlag (som bruker enten TCP/IP eller UDP/IP som transport) og kan betraktes som en kommunikasjonsmekanisme som bidrar til effektivitet/virkningsgrad, hastighet og allsidighet.

I motsetning til dette bruker Industrielt Ethernet-protokollene, for eksempel PROFINET, applikasjonslaget til Industrielt Ethernet-stacken. PROFINET er en kommunikasjonsprotokoll designet for å utveksle informasjon mellom maskiner og kontrollere i en automatiseringsinnstilling, ved å bruke standard Ethernet som kommunikasjonsmekanisme (Figur 7).

Figur 7: Sjulags (7-lags) ISO/OSI-abstraksjonsmodellen som representerer Industrielt Ethernet-programvarestabelen. Industrielle Ethernet-protokoller som PROFINET sitter i applikasjonslaget. (Bildekilde: Profinet)

Industriell Ethernet-programvare kan også utnytte andre protokoller som er utviklet spesielt for å sende data til skyen. Eksempler inkluderer protokoller som MQTT eller SNMP.

Konklusjon

For å ta hensyn til fabrikkens tøffe miljø og sanntidskrav, bruker Industrielt Ethernet robust maskinvare som switcher, kabler og kontakter, samt industriprogramvare, for pålitelig å koble sammen fabrikkens IT- og OT-nettverk.

Som vist gjør velprøvde kommersielle koblingsløsninger det enkelt for ingeniører å dra nytte av Industrielt Ethernet for å programmere og kontrollere høyhastighets industriautomatisering, samtidig som de samler inn de dype dataene som trengs for å forbedre og skalere produksjonsoperasjoner.