Slik implementeres hybridkontrollnettverk i industrielle bruksområder

Industrikomplekser som olje- og gassraffinerier, kjemiske anlegg, terminaler for flytende naturgass og lignende anlegg er massive og utfordres for å forbedre driftseffektiviteten, støtte fleksibel produksjon, redusere kostnadene og sikre sikker og sikker drift. Den kontinuerlige karakteren av produksjonsprosessene øker utfordringene. For å sikre optimal drift, må industristyringsnettverk i disse anleggene konstant overvåke temperatur, trykk, vibrasjon, flyt og andre parametere på tusenvis av steder. Nettverk kan strekke seg over flere kilometer (km) og krever ulike kobber- og fiberoptiske datakommunikasjonsteknologier for å støtte en rekke enheter, fra sensorer med lav båndbredde til sanntidsstyringer og sikkerhetsenheter med høyere båndbredde.

For å oppnå disse forskjellige kravene må nettverksingeniører distribuere en optimal blanding av kobber og forskjellige typer fiberoptiske kommunikasjonsenheter, alle koblet til kompakte industrielle Ethernet-switcher med redundante strømkilder, brede driftstemperaturfunksjoner, fjernovervåking og avanserte sikkerhetsfunksjoner.

Denne artikkelen begynner med en kort oversikt over industrielt Ethernet (IE), inkludert behovet for datakommunikasjonsnettverk basert på hybrid fiber/kobber, med spesielt fokus på fiberoptikk. Den sammenligner fibre som er enkeltmodus (single mode – SM) - og flermodus (multimode – MM), ser på standarder for fiberoptiske moduler som kan kobles til, og hvordan digital diagnostisk overvåking (DDM) av fiberoptiske moduler fungerer, og presenterer deretter en rekke fiberoptiske datakommunikasjonsenheter fra Cisco Systems, Phoenix Contact og Intelligent Network Solutions, sammen med en administrert industriell Ethernet-switcher med en blanding av kobber- og fiberoptiske porter i et herdet IP40-kabinett fra Red Lion Controls.

IE er basert på bruk av Ethernet-protokoller med switcher med utvidede temperaturområder, og robuste forbindelser for å tåle tøffe miljøer. IE kan støtte sanntidsstyring og determinisme og implementeres ved hjelp av en rekke kommunikasjonsprotokoller som EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET og Modbus TCP.

IE-nettverk forventes å gi et visst nivå av interoperabilitet mellom eldre og nåværende systemer, og fortsatt produsere forutsigbar ytelse og enkelt vedlikeholdes for å maksimere oppetiden. En kombinasjon av kobber- og fiberoptiske forbindelser brukes ofte i store anlegg. Når det er hensiktsmessig, kan kobber gi et billigere alternativ. Imidlertid kan bruk av fiberoptikk redusere problemer forbundet med elektrisk støy, gi elektrisk isolasjon og støtte mye lengre sammenkoblingslengder som kan være spesielt nyttige i store og spredte industrikomplekser.

MM-fiber kontra SM-fiber

Lyset beveger seg nedover en optisk fiber på grunn av ubalansen mellom den optiske indeksen mellom kjernen og kledningen og forårsaker fullstendig indre refleksjon. Diameteren på kjernen er kritisk og definerer akseptkjeglen som inneholder vinklene der lys som kommer inn i fiberen kan fortsette å forplante seg. SM-fiber bruker en liten kjerne på 10 mikrometer (µm) som kan støtte bare én modus for forplantningsform, kalt basismodus. MM-optiske fibre har store kjernediametre i forhold til lysets driftsbølgelengde. Disse større kjernene leder samtidig mange moduser, også kalt stående bølgemønstre, av lys (figur 1). ISO/IEC 11801-standarden definerer fem klasser av MM-fiber basert på to kjernestørrelser og forskjellige båndbreddeegenskaper: OM1, OM2, OM3, OM4 og OM5. Fiberoptiske kabler kan kategoriseres basert på kjernens og kabelens diameter. For eksempel refererer 62,5/125 µm til OM1 MM. 50/125 µm kabler brukes for OM2, OM3, OM4 og OM5 MM, og 10/125 µm er et eksempel på en SM-kabel.

Figur 1: MM-fibre er relativt store i diameter og kan støtte overføringen av mange lysmoduser samtidig. (Bildekilde: Cisco Systems)

MM-fibre kan betjenes med lysdiodekilder (light emitting diode – LED), men i konstruksjoner med høyere ytelse brukers VCSEL-lasere (vertical cavity surface emitting lasers). Ved hjelp av VCSEL-er kan MM-fibernett levere datahastigheter på flere gigabit.

De fem kategoriene av MM-fibre er basert på lysbølgelengde (i nanometer, nm), kjernediameter i μm og modal båndbredde. Modal båndbredde er et mål på den maksimale signalhastigheten i megahertz (MHz) for en gitt avstand i km, eller den maksimale avstanden for en gitt signalhastighet, og er produktet av båndbredde og avstand, Mhz/km (bølgelengde i kilometer). For en gitt kabel, når avstanden er kuttet i to, dobles den maksimale signalhastigheten. MM-fiberklassene definert av ISO/IEC 11801 er:

• OM1: 62,5 μm kjerne med en minste modale båndbredde på 200 MHz·km ved 850 nm
• OM2: 50 μm kjerne med en minste modale båndbredde på 500 MHz·km ved 850 nm
• OM3: 50 μm kjerne med en minste modale båndbredde på 2000 MHz·km ved 850 nm
• OM4: 50 μm kjerne med en minste modale båndbredde på 4700 MHz·km ved 850 nm
• OM5: 50 μm kjerne med en minste modale båndbredde på 4700 MHz·km ved 850 nm og 2470 MHz·km ved 953 nm

OM3-standarden ble utviklet for å støtte IEEE 802.3 10GbE Ethernet-standarden. Når det brukes med VCSEL-modulasjon, kan OM3 MM-kabler levere 10 gigabit per sekund (Gb/s) på avstander opp til 300 meter. I de fleste tilfeller er OM3 MM-fiberkoblinger de mest kostnadseffektive løsningene for bruksområder opptil ca. 500 meter. OM4 MM-lenker kan støtte avstander opptil 1 km. For lengre avstander og høyere datahastigheter er SM-fibre nødvendig.

SFP for kobber og fiber

SFP-grensesnittet (small form-factor pluggable) er et kompakt, varmepluggbart nettverksmodulformat som brukes til datakommunikasjons- og telekommunikasjonsnettverk. Et SFP-grensesnitt på nettverksmaskinvare som en Ethernet-switch er et modulært spor for en mediespesifikk transceiver, for eksempel en kobber- eller fiberoptisk kabel. SFP-er gjør det mulig å utstyre porter med forskjellige typer transceivere etter behov. SFP erstattet den tidligere utviklede og større gigabit-grensesnittkonverteren (GBIC) og kalles noen ganger «mini-GBIC». Komiteen for små formfaktorer har spesifisert formfaktor, mekaniske sperrer og elektriske grensesnitt gjennom en multikildeavtale, MSA SFF-8472 (figur 2). I tillegg til standard SFP-grensesnitt, kan høyere hastigheter oppnås ved hjelp av SFP+ for opptil 10 Gbit/s og SFP28 for hastigheter på 25 Gbit/s.

Figur 2: Mekaniske elementer i en fiberoptisk SPF-modul som fremhever låsemekanismene og de fiberoptiske og elektriske tilkoblingene. (Bildekilde: Intelligent Network Solutions og Jeff Shepard)

SFP fiberoptiske transceivere er tilgjengelige som støtter synkron optisk nettverk (Sonet), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, passiv optisk nettverk (PON) og andre kommunikasjonsstandarder.

Digital diagnostisk overvåking

MSA SFF-8472 definerer også DDM-funksjonene for fiberoptiske transceivere. DDM kalles noen ganger digital optisk overvåking (DOM). DDM lar nettverksadministratorer overvåke optisk inngangs-/utgangseffekt, temperatur, laserens biasstrøm og transceiver forsyningsspenning i sanntid (figur 3). DDM er en utvidelse av det serielle ID-grensesnittet som er definert i GBIC-spesifikasjonen. DDM inkluderer alarmer og advarselsflagg som sender varsler hvis driftsparametere er utenfor en fabrikkinnstilling for normal drift.

Figur 3: DDM kan overvåke ytelsen til optiske SFP-transceivere og sende varsler hvis noen parametere faller utenfor nominelle driftsområder. (Bildekilde: Intelligent Network Solutions)

DDM er konstruert for å forutsi feil og støtte forebyggende vedlikehold for å sikre maksimal oppetid på nettverk. Transceiver-produsenten setter DDM-terskler for ulike parametere. Bruk av transceiveren over eventuelle terskler, vil føre til forringet ytelse og potensielt forårsake overføringsfeil. Transceiveren sender en alarm når en parameterverdi overskrider en spesifisert terskel. I tillegg vil modulen slutte å overføre data, og mottakeren vil nekte å motta noen meldinger. Det er ikke uvanlig at flere alarmer utstedes samtidig, for eksempel hvis den optiske strømmen er for høy, kan temperaturen også være høy.

Mens DDM vil slå seg av og beskytte systemet når forhåndsinnstilte terskler overskrides, kan det også brukes til å overvåke driftsparametrene til transceiveren og la operatørene se verdier som beveger seg i feil retning før de overskrider skadelige nivåer, slik at forebyggende vedlikehold kan planlegges.

MM-fiber og 1 km rekkevidde

Designere av industristyringsnettverk kan bruke 2891754 Gigabit SFP-modulen fra Phoenix Contact for å støtte overføringer opptil 1 km ved hjelp av fibre konstruerte for å operere med en bølgelengde på 850 nm (figur 4). Denne modulen er egnet for industrielle bruksområder og har et driftstemperaturområde fra -40 til 85 °C og opptil 95 % fuktighet. Overføringsavstanden avhenger av fiberen som brukes:

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

Figur 4: Denne optiske SFP-transceiveren har en rekkevidde på 1 km ved drift med en bølgelengde på 850 nm og en OM4-kabel. (Bildekilde: DigiKey)

20 km rekkevidde med SM-fiber

SFP-modulen INT 506724 fra Intelligent Network Solutions støtter 1000Base-LX-dataoverføringer opptil 20 km via en 9/125 µm-fiber med enkeltmodus, ved hjelp av en laser på 1310 nm. Den støtter DDM, og metallhuset reduserer elektromagnetisk interferens (EMI) og øker holdbarheten (figur 5). Den har et driftstemperaturområde på 0 til 70 °C og er spesifisert for 10 til 85 % relativ fuktighet (RH).

Figur 5: SFP-modulen INT 506724 fra Intelligent Network Solutions støtter 1000Base-LX-dataoverføringer opptil 20 km via en 9/125 µm-fiber med enkeltmodus, ved hjelp av en laser på 1310 nm. (Bildekilde: Intelligent Network Solutions)

SFP-transceivere for 10 km

SFP-10G-BXD-I og SFP-10G-BXU-I fra Cisco opererer med SM-fiber, og støtter overføringsavstander på opptil 10 km når de er koblet til en port av typen SFP+. Disse transceiverne har optisk driftskompatibilitet med 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 og 10GBASE XFP-grensesnitt på samme kobling, og inkluderer DOM-funksjoner som overvåker sanntidsytelsen. Når den brukes, kobles en SFP-10G-BXD-I alltid til en SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I sender en 1330-nm kanal og mottar et 1270-nm signal, og SFP-10G-BXU-I sender med en 1270-nm bølgelengde og mottar et 1330-nm signal (figur 6).

Figur 6: Disse optiske transceiverne bruker forskjellige bølgelengder for å sende og motta data. (Bildekilde: Cisco Systems)

Industriell Ethernet-administrert switch

Nettverksingeniører som trenger en 12-porters administrert Gigabit Ethernet-switch som har åtte porter med fire SFP-kombinasjonsporter, og Modbus-overvåking kan bruke Sixnet Sixnet SLX-8MG-1 fra Red Lion. SLX-8MG-1 har åtte 10/100/1000Base-T (X) porter med fire SFP-kombinasjonsporter (støtter 100Base eller 1000Base fiber transceivere). SLX-8MG er plassert i et slankt, herdet kabinett i metall med DIN-skinner som støtter overflødige 10-30 VDC-strøminnganger og driftstemperaturområde på -40 til 75 °C, for bruk i utfordrende industrimiljøer. Det inkluderer også Modbus/TCP fjernovervåking, avanserte sikkerhetsfunksjoner, utvidet støt- og vibrasjonskapasitet og høyt immunitetsnivå for å motvirke elektrisk støy- og overspenninger.

Figur 7: SLX-8MG-1 administrert Gigabit Ethernet-switch har åtte 10/100/1000Base-T (X)-porter med fire SFP-kombinsjonsporter (øverst til venstre). (Bildekilde: Red Lion)

Konklusjon

Hybridfiberoptiske nettverk og kobbernettverk kan bidra til å forbedre driftseffektiviteten, støtte fleksibel produksjon, redusere kostnader og sikre sikker og sikker drift i storskala industriell virksomhet som olje- og gassraffinerier og kjemiske anlegg. Nettverksingeniører kan bruke administrerte Gigabit Ethernet-switcher til å distribuere en blanding av lenker md fiberoptikk og kobberkommunikasjon. Bruk av MM- og SM-fibre støtter optimal modal båndbredde og inkluderer DDM-funksjonalitet som muliggjør forebyggende vedlikehold for å sikre maksimal oppetid på nettverk.