Robusztus IoT-alkalmazások tervezése ipari Ethernet-alapú táp- és adathálózatok használatával

A gyártóüzemek számára biztosított internetkapcsolat hatékonyság-, minőség- és termelékenység-növelési előnyökkel jár. A gépek például távolról programozhatók és vezérelhetők, a gép- és folyamatadatok folyamatosan elemezhetők a folyamathibák vagy az eltolódások kiszűrése céljából valamint távoli módosítások végezhetők a termelés finombeállításaihoz a zárt visszacsatolási láncon belül. Hosszabb távon az adatok felhasználhatók a jövőbeli átméretezések és az új gyártási technikák gyorsabb integrációjára való felkészülés céljából.

Bár szinte minden a csatlakoztathatóság mellett szól, komolyan meg kell fontolni a megvalósításának hogyan és mikéntjét. Számos lehetőség létezik, de az Ethernet egy elérhető és bevált megoldás a gyári hálózatok esetében. Világszerte ez a legszélesebb körben használt vezetékes hálózat, az alkatrészek elérhetőségét tekintve jó beszállítói támogatással, amely akadálytalanul integrálható a felhőtechnológiával. És ami még ennél is jobb, a kábelezés tápellátásra (Power over Ethernet, PoE) és adatátvitelre is használható, ami azt jelenti, hogy egyetlen kábel egyszerre képes kiszolgálni az információs hálózat igényeit valamint áramellátást biztosítani a csatlakoztatott érzékelők, működtető szervek és egyéb eszközök (például kamerák) számára.

A szabványos Ethernet azonban az ipari feladatok teljesítésére nem megfelelő. A hardverelemeket nem úgy tervezték, hogy képesek legyenek megbízhatóan működni a forró, szennyezett és rezgéseknek kitett gyári környezetekben. Emellett a szabványos Ethernet protokollok nem determinisztikusak, és ezért nem alkalmasak a gyári környezet igényeinek kielégítésére, ahol a gyártás a nagy sebességű folyamatok irányításához valós időhöz közeli vezérlést igényel.

Az ipari Ethernet magában hordozza a szabványos Ethernet minden előnyét, de robusztussággal és determinisztikus szoftverrel bővíti azt. Ez egy bevált és kiforrott technológia az ipari automatizálás terén, amely nemcsak a folyamatadatok felhőbe küldését teszi lehetővé, hanem azt is, hogy egy távoli operátor könnyen hozzá tudjon férni a gyártótérben lévő meghajtókhoz, PLC-khez és I/O eszközökhöz. Az Ethernet-szabvány egyik módosítása, az IEEE 802.3cg egyetlen vezetékpárt specifikál adatátvitelre, csökkentve a gyári kábelezés tömegét és költségeit.

Ez a cikk az ipari alkalmazásoknál előforduló csatlakoztathatósági problémákat tárgyalja, majd felvázolja az Ethernet és az ipari Ethernet közötti különbségeket. A cikk ezután a PoE és az egy érpáras Ethernet (Single Pair Ethernet, SPE) technológiák használatát vizsgálja, mielőtt bemutatna néhány valós hardverelemet az Amphenol-tól, és azt, hogyan lehet azokat egy ipari Ethernet hálózatba beépíteni.

Az ipar által támasztott kihívások az Ethernet felé

Habár a fogyasztói társadalomban a Wi-Fi a legnépszerűbb módszer az internethez való csatlakozásra, a kereskedelmi helyiségekben jellemzően az Ethernet alapú helyi hálózati (LAN) technológiát használják a számítógépek és egyéb berendezések összekapcsolására.

Az Ethernet kezdeti korszakában a hálózaton lévő számítógépek egyetlen buszon keresztül kommunikáltak egymással. Ez a legegyszerűbb hálózati topológia, amely egyben olcsó is és könnyen konfigurálható. Nagy hátránya viszont, hogy viszonylag kevéssé hatékony, mivel a csatlakoztatott számítógépeknek versengeniük kell a sávszélességért, ami torlódásokhoz, elveszett csomagokhoz és jelentős sávszélesség csökkenéshez vezet.

A mai irodai hálózatok jellemzően csillag, fa vagy háló topológia szerint épülnek fel, amelyekben kapcsolók (switchek) szabályozzák a hálózati hozzáférést a torlódások korlátozása és az átviteli sebesség fenntartása érdekében. Az Ethernet-forgalmat a kapcsolók úgy szabályozzák, hogy a közvetlen üzenetek csak az egymással kommunikációt folytató eszközök között menjenek, ahelyett, hogy azokat az egész hálózaton keresztül sugároznák (1. ábra).

1. ábra: Ethernet-kapcsolók szabályozzák a hálózatokhoz való hozzáférést a torlódások elkerüléséhez és az átviteli sebesség fenntartásához (kép: Amphenol)

A folyamatosan frissített szabványon (IEEE 802.3) alapuló Ethernet egy bevált, biztonságos és megbízható technológia, amely akár több Gbájt átviteli sebességet is kínál. Bár nem része a szabványnak, az Ethernet általában a TCP/IP (az Internet Protocol (IP) csomag része) protokollt használja az útválasztáshoz és a szállításhoz, ami zökkenőmentes kapcsolatot biztosít az internettel, továbbá lehetővé teszi a hálózatok egyszerű átméretezését a több száz gyártó által kínált kábelek, csatlakozók és kapcsolók segítségével.

Az Ethernet fejlődésen esett át úgy, hogy most már az áramellátás és a kommunikáció egyetlen Ethernet CAT 3 vagy CAT 5 kábelen egyesíthető, lehetővé téve a mérnökök számára, hogy gyorsan és olcsón, alacsony karbantartási igényű, egyidejűleg Ethernet-kapcsolatot és áramellátást biztosító hálózatokat építsenek ki a két külön hálózatra épülő berendezésekhez képest. A technológiát az Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) szabványa, a PoE formalizálta. Ezen technológia legfontosabb előnye az egyszerűsége és az a tény, hogy ahol van adatcsatlakozó, ott az áramellátás mindenhol biztosítható. (Lásd az „Introduction to Power over Ethernet” című cikket.)

Az Ethernet szabvány közelmúltbeli módosítása, az IEEE 802.3cg az SPE alternatívát írja le, amely a szabványos Ethernetnél vagy PoE-nél használt többeres CAT 3 vagy CAT 5 kábelek helyett egyetlen érpáron keresztül történő adatátvitelt tesz lehetővé. Az SPE azért alkalmas ipari automatizálási használatra, mert a gyár- és épületautomatizálási tervezők számára lehetővé teszi, hogy az általuk jól ismert Ethernet-alapú protokollokat használják az ipari vezérlők és érzékelők közötti nagy távolságú kommunikációra, de jelentősen csökkentve a kábelezés mennyiségét (2. ábra).

2. ábra: Az egy érpáras Ethernet számos ipari és kereskedelmi alkalmazásban elterjedőben van a klasszikus Ethernet helytakarékos és olcsó alternatívájaként (kép: Amphenol)

Az Ethernet elvben egy ideális módszer a felügyeleti irodai hálózat összekapcsolására a gyártási műveletekkel, és amely hatékonyan képes áthidalni az információs hálózatok (IT) valamint a szenzor- és gépvezérlési hálózatok (OT) közötti szakadékot.

Az Ethernet gyártóüzemekbe történő bevezetése további problémákat jelent a mérnököknek. Először is, a gyárak környezete veszélyes az érzékeny kábelek, csatlakozók és kapcsolók számára. A környezet forró, poros és olyan vegyi anyagokkal teli, amelyek nem kompatibilisek a gyári megvalósításokra jellemző 100 méteres vagy annál hosszabb lefektetett kábelekkel. Ráadásul a nedvesség és a rezgés is felfordulást tud csinálni az áramvezetők és az érintkezők terén. Emellett a gyárak tele vannak nagyméretű, folyamatosan be- és kikapcsoló motorokkal, ami lökőfeszültségeket és elektromágneses interferenciát (EMI) okoz, melyek zavarhatják az Ethernet-kommunikációt.

Másodsorban, a gyártóüzemekben nagyszámú, valós idejű vezérlést igénylő, gyorsan mozgó robot és szinkronizált gép található. A szabványos Ethernet nem-determinisztikus kommunikációs mechanizmusai nem alkalmasak arra, hogy ezek irányítását biztosítsák.

Az ipari Ethernet hardverelemei

Az „ipari Ethernet” a gyári használatra adaptált Ethernet-rendszerek általános megnevezése. Ezen rendszerek ismérvei a robusztus fizikai réteg (PHY) és az ipari protokollok, például a ModbusTCP, a PROFINET és az Ethernet/IP használata. Ezenfelül a szabványos Ethernet implementációktól eltérően az ipari Ethernet jellemzően sín- vagy gyűrű topológiákat használ, mivel ezek a kialakítások rövid kábelhosszakat tesznek lehetővé (redukálva ezzel az EMI-érzékenységet) és segítenek a várakozási idők csökkentésében és egy bizonyos fokú redundancia kiépítésében.

A kábelek robosztus kialakításúak és árnyékoltak az EMI elleni védelemhez, és ehhez hasonlóan a csatlakozók is védettek a durva ipari környezeti hatások ellen.

A gyártók a termékeik védettségét az IP-védettségi fokozatok szerint osztályozzák. Az IP-besorolás a termék által nyújtott védelemnek az EN 60529 nemzetközi szabvány alapján meghatározott mértékét jelzi. A kódrendszer két számjegyből áll. Az első a szilárd tárgyakkal szembeni védelem szintjére utal, kezdve a szerszámoktól vagy ujjaktól, amelyek veszélyt jelenthetnek elektromos vezetékekkel való érintkezés esetén, egészen a levegőben szálló szennyeződésekig és porig, amelyek károsíthatják az áramköröket. A második számjegy határozza meg a vízcseppekkel, vízpermettel vagy víz alá merüléssel szembeni védelmet. A besorolási tartomány az IP00-tól (por és víz elleni védelem nélkül) az IP69-ig (teljes védelem a por és az erős, magas hőmérsékletű vízsugarak ellen) terjed.

Az ipari Ethernet-csatlakozókat jellemzően különböző típusú, akár IP67-es védettségű házakba burkolják. Ebben az esetben a hatos minősítés azt jelenti, hogy egy szennyező anyaggal nyolc órán keresztül való közvetlen érintkezés esetén sem juthat be káros por vagy szennyeződés a készülékbe. A hetes vízállósági fokozat pedig azt jelenti, hogy a készülék édesvíz esetén akár 30 percen át egy méteres vízmélységig is a vízben maradhat károsodás nélkül.

Az ipari Ethernet fizikai rétegének elemei, a kábelek és a csatlakozók kiválasztásakor a tervezőnek ellenőriznie kell azok ellenállóságát az EMI-vel szemben azáltal, hogy az eszköz adatlapjának áttekintésével megállapítja, hogy az mely következő IEC- és EN-szabványoknak felel meg:

• IEC 61000-4-5 feszültség/áramimpulzus tűrés
• IEC 61000-4-4 villamos tranziensek elleni védettség
• IEC 61000-4-2 elektrosztatikus kisülés
• IEC 61000-4-6 zavartűrés a rádiófrekvenciás mezők által kiváltott vezetési zavarokkal szemben
• EN 55032 kibocsátott sugárzás
• EN 55032 vezetett sugárzás

Ezen szabványok némelyikének vagy mindegyikének való megfelelés biztosíték arra, hogy az ipari Ethernet rendszer működése az elektromágneses zajkibocsátást tekintve kielégítő lesz a gyári környezetben.

Strapabíró csatlakozók

Akár a gépvezérlő panelekbe vagy az Ethernet-kapcsolókba vannak beépítve, vagy a kábelek végein találhatók, a csatlakozók létfontosságúak az ipari Ethernet-rendszerek működési teljesítménye szempontjából. Gondos kiválasztás nélkül a viharos nagysebességű termelés alatt egyetlen csatlakozó meghibásodása miatt millió dolláros gépek hibásodhatnak meg vagy állhatnak le.

Számos gyártó kínál bevált és megbízható ipari Ethernet-csatlakozókat különböző Ethernet-, PoE- és SPE-alkalmazásokhoz. Például az Amphenol Industrial IP6X négyszögletes push-pull csatlakozós és kábelezési megoldása CAT 6A Ethernet csatlakozást biztosít az IEC 61076-3-124-es csatlakozási interfész használatával, valamint teljes tömítettséget az IP65, IP66 és IP67 specifikációknak megfelelően. A csatlakozókat olyan ipari Ethernet rendszerekben való használatra szánják, amelyeknél kiegészítő védelmet kell nyújtani a külső környezeti hatásokkal szemben, és alkalmasak bármilyen beltéri vagy kültéri viszontagságos környezetben való használatra.

Ehhez a termékcsaládhoz tartozik a 3. ábrán látható panelre szerelhető NDHN200, amely egy IP67-es védettségű téglalap alakú csatlakozóház. A 10-pozíciós, univerzális, forrasztásmentes NDHN3A2 dugós csatlakozót (4. ábra) az NDHN200-zal való párosításra tervezték. A dugós csatlakozó reteszelő zárral és árnyékolt öntött házzal rendelkezik. Névleges feszültsége 50 V AC vagy 60 V DC, névleges árama 1,5 A, és akár 250 csatlakoztatási ciklus elviselésére is képes.

3. ábra: Az NDHN200 egy IP67-es védettségű, téglalap alakú ipari Ethernet alkalmazásra tervezett csatlakozóház (kép: Amphenol)

4. ábra: Az NDHN3A2 egy IP67-es védettségű, reteszelő zárral és árnyékolt öntött házzal rendelkező dugós csatlakozó (kép: Amphenol)

Az Amphenol olyan perifériás eszközök, például érzékelők, működtető elemek és kamerák Ethernet-csatlakozására szolgáló SPE-csatlakozókat is gyárt, amelyek akár 1 Gbit/s sebességgel tudnak működni. Kialakításából adódóan az SPE csökkenti a méretet, a súlyt és a költségeket a szabványos Ethernethez képest. A csatlakozók IP67-es védettségűek, és M12-es méretű kör alakúak. Terepi csatlakozó dugókhoz illeszkednek, és teljesen árnyékolt csatlakozást biztosítanak reteszelő funkciókkal. A 60 V DC / 4 A névleges értékeiknek köszönhetően akár 1 km-es PoE távolságokat is támogatnak. Az egyik példa erre az MSPEJ6P2B02, egy 2P2C típusú SPE csatlakozó (5. ábra).

5. ábra: Az IP67-es védettségű MSPEJ6P2B02 SPE-csatlakozót az elterjedt M12-es méretű, kör alakú formátumban gyártják (kép: Amphenol)

A vállalat hasonló SPE-csatlakozókat kínál téglalap alakú dugós formátummal is, amelyek nem IP67-es, hanem IP20-as védettségűek. Ez a megoldás az M12-es termékcsaláddal azonos elektromos teljesítményt nyújt, de olcsóbb. Az egyik példa erre az MSPE-P2L0-2A0 moduláris SPE csatlakozó (6. ábra).

6. ábra: Az MSPE-P2L0-2A0 moduláris SPE IP20 csatlakozó egy költséghatékony megoldás a kevésbé veszélyes környezetekhez (kép: Amphenol)

Ipari Ethernet protokollok

A szabványos Ethernet kommunikációs mechanizmusa az irodák vagy kisvállalkozások viszonylag nyugodt forgalmát ki tudja elégíteni. Ez a mechanizmus azonban érzékeny a zavarokra és az elveszett csomagokra, aminek következtében késések lépnek fel (nőnek a várakozási idők), és emiatt alkalmatlan a gyors működésű, szinkronizált gyártósorok közel valós idejű vezérlési igényeinek kielégítésére. Mint említettük, ilyen környezetekben determinisztikus protokollra van szükség, amely biztosítja, hogy a gépi utasítások mindig időben érkezzenek, a hálózat terheltségétől függetlenül.

E problémák leküzdése érdekében az ipari Ethernet hardverelemeihez „ipari” szoftver párosul. Számos bevált ipari Ethernet protokoll áll rendelkezésre, köztük az Ethernet/IP, a ModbusTCP és a PROFINET. Mindegyiket úgy tervezték, hogy determinisztikus működést biztosítson az ipari automatizálási rendszerek számára.

Az Ethernet és az ipari Ethernet típusú szoftverek közötti különbség leginkább az ISO/OSI hétrétegű absztrakciós modell segítségével írható le, amely a fizikai, adatkapcsolati, hálózati, szállítási, viszony, megjelenítési és alkalmazási rétegekből áll. A szabványos Ethernet a fizikai, az adatkapcsolati, a hálózati és a szállítási réteget foglalja magában (amelyek a TCP/IP vagy UDP/IP-t protokollt használják szállításra), és egy hatékonyságot, sebességet és sokoldalúságot biztosító kommunikációs mechanizmusnak tekinthető.

Ezzel szemben az ipari Ethernet protokollok, például a PROFINET, az ipari Ethernet modell alkalmazási rétegét használják. A PROFINET egy olyan kommunikációs protokoll, amelyet a gépek és vezérlők közötti információcserére terveztek automatizálási környezetekben való használatra, és amely a standard Ethernet szabványt használja kommunikációs mechanizmusként (7. ábra).

7. ábra: Az ipari Ethernet szoftverkörnyezetét ábrázoló ISO/OSI hétrétegű absztrakciós modell. Az ipari Ethernet protokollok, mint például a PROFINET az alkalmazási rétegben találhatók (kép: Profinet)

Az ipari Ethernet szoftverek más, kifejezetten a felhőbe történő adatátvitelre tervezett protokollokat is használhatnak. Ilyen például az MQTT vagy az SNMP protokoll.

Összegzés

A gyári zord környezetek és valós idejű követelmények figyelembevétele érdekében az ipari Ethernet strapabíró hardverelemeket (kapcsolókat, kábeleket, csatlakozókat) és ipari szoftvereket használ a gyári IT- és OT-hálózatok megbízható összekapcsolására.

Amint az bemutattuk, a kereskedelmi forgalomban kapható bevált csatlakoztatási megoldások segítségével a mérnökök egyszerűen hasznosítani tudják az ipari Ethernet által kínált előnyöket a nagy sebességű ipari automatizálási rendszerek programozása és vezérlése terén, és közben hosszú távra szóló adatokat tudnak gyűjteni, amelyek a gyártási műveletek javítására és a jövőbeli átméretezésekhez használhatók.