Hibrid vezérlőhálózatok megvalósítása ipari rendszerekben

Az ipari komplexumok, mint az olaj- és gázfinomítók, vegyi üzemek, folyékony földgáz-terminálok és hasonló létesítmények hatalmas méretűek, és ilyen esetekben a működési hatékonyság javítása, a termelés rugalmasságának biztosítása, a költségek csökkentése, és a biztonságos működés biztosítása komoly kihívásokkal jár. A termelési folyamatok folyamatos jellege csak fokozza ezeket a kihívásokat. Az optimális működés biztosításához ezen létesítményeken belül az ipari vezérlőhálózatoknak folyamatosan figyelniük kell a hőmérsékletet, a nyomást, a rezgést, az áramlást, és más egyéb paramétereket, méghozzá több ezer helyen. Előfordulhat, hogy a hálózatok több kilométeres kiterjedésűek, és megfelelő működésükhöz különböző réz- és üvegszál-alapú kommunikációs technológiák használatára lehet szükség a különböző eszközök támogatásához, az alacsony sávszélességű érzékelőktől kezdve a nagyobb sávszélességű valós idejű vezérlő- és biztonsági eszközökig.

E változatos követelmények teljesítéséhez a hálózati mérnököknek optimális arányban kell alkalmazniuk a réz- és a különböző típusú optikai kommunikációs eszközöket, amelyeket kompakt méretű, redundáns áramforrásokkal biztosított, távfelügyelt, valamint széles üzemi hőmérséklet-tartománnyal és fejlett biztonsági funkciókkal rendelkező ipari Ethernet-kapcsolók kapcsolnak össze egymással.

A cikk eleje az ipari Ethernetet (IE) tekinti át röviden, beleértve az üvegszál- illetve rézalapú hibrid adatkommunikációs hálózatok szükségességét, külön figyelemmel tárgyalva a száloptikai technológiát. Összehasonlítja az egymódusú (SM) és a multimódusú (MM) szálakat, megvizsgálja az üzem közben csatlakoztatható száloptikai modulok szabványait és a száloptikai modulok digitális diagnosztikai felügyeletének (DDM) működését, majd bemutat néhány száloptikai adatkommunikációs eszközt a Cisco Systems, a Phoenix Contact és az Intelligent Network Solutions gyártóktól, valamint a Red Lion Controls réz- és optikai csatlakozókat vegyesen tartalmazó, IP40-es védettségű házban található menedzselhető (paraméterezhető) ipari Ethernet-kapcsolóját.

Az IE az Ethernet protokollok használatán alapul, széles hőmérséklet-tartományú kapcsolókkal és a zord ipari környezeteknek ellenálló robusztus összeköttetésekkel. Az IE támogatja a valós idejű vezérlést és a determinizmust, és számos kommunikációs protokollt használ, például EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET és Modbus TCP.

Az IE-hálózatoktól elvárják, hogy bizonyos szintű átjárhatóságot biztosítsanak a régi és a jelenlegi rendszerek között, ugyanakkor kiszámítható teljesítményűek és könnyen karbantarthatók legyenek, hogy maximalizálják az üzemidőt. A nagy létesítményekben a réz és az optikai összeköttő elemeket gyakran használják kombinált formában. Indokolt esetben a réz alacsonyabb költségű alternatívát jelenthet, a száloptika használata azonban csökkentheti az elektromos zajjal kapcsolatos problémákat, elektromos szigetelést biztosíthat, valamint ez a technológia sokkal hosszabb összeköttetési távolságokat tesz lehetővé, ami különösen hasznos tud lenni a nagyméretű és szétszórt ipari komplexumokban.

Az MM és SM típusú optikai szálak közötti különbségek

A fény annak köszönhetően terjed az optikai szál falának tengelye mentén, mert a mag és a burkolat eltérő törésmutatóval rendelkeznek és ez teljes belső fényvisszaverődést okoz. A mag átmérőjének kritikus jelentősége van. Ettől függ a szál befogadási fénykúpja, amely meghatározza azt a nyílásszöget, amely mentén a szálba belépő fény tovább terjedhet. Az SM (egymódusú) szálak kis, 10 mikrométeres maggal rendelkeznek, amely csak egy terjedési módot, az úgynevezett alapmódot képes támogatni. Az MM (multimódusú) optikai szálak magátmérője a továbbítandó fény hullámhosszához képest nagy. Ezek a nagyobb magok egyidejűleg többféle hullámhosszúságú fény terjedését is lehetővé teszik, vagyis több állóhullám-minta alakulhat ki a szálban (1. ábra). Az ISO/IEC 11801 szabvány az MM szálakra vonatkozólag a következő öt kategóriát definiálja, két magméret és különböző sávszélességi jellemzők alapján: OM1, OM2, OM3, OM4 és OM5. Az optikai kábelek a mag és a kábel átmérője alapján kategorizálhatók. A 62,5/125 µm-es multimódusú kábelek például az OM1 kategóriába tartoznak. Az 50/125 µm-es multimódusú kábelek az OM2, OM3, OM4 és OM5 kategóriákba, a 10/125 µm pedig egy példa egy egymódusú kábelre.

1. ábra: Az MM szálak viszonylag nagy átmérővel rendelkeznek, és egyidejűleg több különböző hullámhosszúságú fény terjedését is lehetővé teszik (kép: Cisco Systems)

Az MM szálak fénykibocsátó diódát (LED-et) tartalmazó fényforrásokkal is működtethetők, de a nagyobb teljesítményű konstrukciókban erre a célra felületsugárzó (VCSEL) lézereket használnak. VCSEL-ek használatával a multimódusú optikai kábeleket tartalmazó hálózatok több gigabites adatátviteli sebességet tesznek lehetővé.

A multimódusú (MM) optikai kábelek öt kategóriáját a fény hullámhossza (nm), a mag átmérője (μm) és a modális sávszélesség alapján határozzák meg. A modális sávszélesség a maximális jelátviteli sebesség MHz-ben megadott mérőszáma adott km-nyi távolságra vonatkozólag, illetve a maximális távolság egy adott frekvenciájú jel továbbítása esetén; a sávszélesség és a távolság szorzata: MHz·km. Adott típusú kábel esetén a távolság felére csökkentésével a maximális jelátviteli sebesség megduplázódik. Az ISO/IEC 11801 a multimódusú optikai kábeleket a következő osztályokba sorolja:

• OM1: 62,5 μm-es mag, 850 nm-es hullámhosszú fény, legalább 200 MHz·km modális sávszélesség;
• OM2: 50 μm-es mag, 850 nm-es hullámhossz, legalább 500 MHz·km modális sávszélesség;
• OM3: 50 μm-es mag, 850 nm-es hullámhossz, legalább 2000 MHz·km modális sávszélesség;
• OM4: 50 μm-es mag, 850 nm-es hullámhossz, legalább 4700 MHz·km modális sávszélesség;
• OM5: 50 μm-es mag, 850 nm-es hullámhossz, legalább 4700 MHz·km modális sávszélesség és 2470 MHz·km érték 953 nm-es hullámhosszú fény esetén.

Az OM3 szabványú kábeleket az IEEE 802.3 10GbE Ethernet szabványnak való megfeleléshez tervezték. VCSEL modulációval használva az OM3 MM típusú kábelekkel akár 300 méteres átviteli távolság is megvalósítható 10 Gbit/s sebességgel. Az 500 m-es távolságokig a legtöbb esetben az OM3 típusú MM szálas összeköttetések jelentik a legköltséghatékonyabb megoldást. Az OM4 típusú MM kapcsolatokkal akár 1 km-es távolság is áthidalható, míg ettől nagyobb távolságokhoz és adatátviteli sebességhez egymódusú (SM) szálakra van szükség.

SFP modulok réz- és száloptikai kapcsolatokhoz

Az SFP (Small Form-Factor Pluggable) interfész az adatkommunikációs és távközlési hálózatokban használt kompakt, üzem közben is dugaszolható hálózati csatlakozási formátum. A hálózati hardverelemeken, például az Ethernet-kapcsolókon lévő SFP-interfészek médiaspecifikus adó-vevők, például réz- vagy optikai kábelek csatlakoztatására szolgáló moduláris foglalatok. Az SFP interfészek lehetővé teszik, hogy a különböző csatlakozókat szükség szerint különböző típusú adó-vevőkkel szereljék fel. Az SFP a korábban kifejlesztett és nagyobb méretű gigabites interfész-átalakítót (GBIC) váltotta fel, és néha „mini-GBIC”-nek is nevezik. Vállalalatközi együttműködés eredményeként a Small Form Factor Committee létrehozta az MSA (Multi-source Agreement) SFF-8472 egyezményt, melyben meghatározták a méretformátumot, a mechanikus reteszeléseket és az elektromos interfészeket (2. ábra). A szabványos SFP-interfészeken kívül az SFP+ használatával nagyobb, akár 10 Gbit/s-os sebesség, illetve az SFP28 interfész használatával akár 25 Gbit/s-os sebesség is elérhető.

2. ábra: A száloptikai SPF csatlakozók mechanikai részei. Az ábrán a reteszelő elemek és a rögzítő mechanizmus, valamint a száloptikai és elektromos csatlakozások vannak megjelölve (kép: Intelligent Network Solutions és Jeff Shepard)

Az SFP száloptikai adó-vevők támogatják a szinkron optikai hálózatot (SONET), a gigabites Ethernetet, a Fibre Channel-t, a passzív optikai hálózatot (PON) és más kommunikációs szabványokat.

Digitális diagnosztikai felügyelet

Az MSA SFF-8472 szabványban meghatározták az optikai adó-vevő készülékek digitális diagnosztikai felügyeleti (DDM) funkióit is. A DDM-et néha digitális optikai felügyeletnek (DOM) is nevezik. A DDM lehetővé teszi a hálózati rendszergazdák számára az optikai bemeneti/kimeneti teljesítmény, a hőmérséklet, a lézer előfeszítő áramának és az adó-vevő tápfeszültségének valós idejű felügyeletét (3. ábra). A DDM a GBIC specifikációiban definiált soros ID-interfész kiterjesztése. A DDM riasztások és figyelmeztető jelzők segítségével működik, figyelmeztetést küldve, ha az üzemi paraméterek a normál üzemi gyári beállításokon kívülre kerülnek.

3. ábra: DDM segítségével az SFP optikai adó-vevők működése figyelhető, és a rendszer riasztást küld, ha valamelyik paraméter a névleges üzemi tartományon kívülre kerül (kép: Intelligent Network Solutions)

A DDM-et úgy tervezték, hogy megelőző karbantartás céljából segítsen előre jelezni a meghibásodásokat ahhoz, hogy a hálózat maximális rendelkezése állása biztosítható legyen. Az adó-vevők gyártói különböző DDM küszöbértékeket állítanak be az adott különböző paraméterekre vonatkozólag. Ha az adó-vevő úgy üzemel, hogy bármely paramétere a küszöbértéken kívül van, az teljesítményromláshoz vezet, és potenciális átviteli hibákat okozhat. Az adó-vevő riasztást küld, ha egy paraméter értéke túllépi a megadott küszöbértéket. A modul ezenkívül leállítja az adatátvitelt, és a vevő nem fogadja az üzeneteket. Nem ritka, hogy egyszerre több riasztás is megjelenik, például ha az optikai adási teljesítmény túl magas, akkor jó eséllyel a hőmérséklet is magas lesz.

Míg a DDM leállítja és védi a rendszert az előre beállított küszöbértékek túllépése esetén, arra is használható, hogy figyelemmel kísérje az adó-vevő üzemi paramétereit, hogy a kezelők még azelőtt észrevegyék a rossz irányba mozgó értékeket, mielőtt azok meghaladnák a káros szintet, lehetőséget adva így a megelőző karbantartás beütemezésére.

MM szál és 1 km-es átviteli távolság

Az ipari vezérlőhálózatok tervezői a Phoenix Contact 2891754 gigabites SFP moduljával akár 1 km-es átvitelt is megvalósíthatnak a 850 nm-es hullámhosszra tervezett szálak segítségével (4. ábra). Ez a modul ipari alkalmazásra készült, üzemi hőmérséklettartománya -40 °C és +85 °C között van, és 95%-os páratartalomig használható. Az átviteli távolság a használt száltól függ:

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

4. ábra: Ez az SFP optikai adó-vevő átviteli távolsága 1 km 850 nm-es hullámhosszú fény és OM4 típusú kábel használata esetén (kép: DigiKey)

20 km-es átviteli távolság SM szálakkal

Az Intelligent Network Solutions INT 506724 SFP modulja 1310 nm-es lézer használatával 1000Base-LX adatátvitelt támogat akár 20 km-es távolságig, egymódusú 9/125 µm-es szálon. DDM kompatibilis, a fémház pedig csökkenti az elektromágneses interferenciát (EMI-t) és növeli a tartósságot (5. ábra). Üzemi hőmérséklettartománya 0 és 70 °C között van, és 10–85% közötti relatív páratartalomon (RH) belüli működésre specifikálták.

5. ábra: Az Intelligent Network Solutions INT 506724 SFP modulja 1310 nm-es lézer használatával 1000Base-LX adatátvitelt támogat akár 20 km-es távolságig, egymódusú 9/125 µm-es szálon (kép: Intelligent Network Solutions)

10 km átviteli távolságú SFP adó-vevők

A Cisco SFP-10G-BXD-I és SFP-10G-BXU-I jelű eszközei SM szálakkal működnek és SFP+ portba csatlakoztatva akár 10 km-es átviteli távolságot is támogatnak. Ezek az adó-vevők optikai átjárhatóságot biztosítanak ugyanazon link 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 és 10GBASE XFP interfészeivel, és tartalmazzák a valós idejű működést figyelő DOM funkciókat. Használat esetén egy SFP-10G-BXD-I mindig egy SFP-10G-BXU-I-hez csatlakozik. Az SFP-10G-BXD-I 1330 nm-es csatornán sugároz és 1270 nm-es jelet fogad, az SFP-10G-BXU-I pedig 1270 nm-es hullámhosszon sugároz és 1330 nm-es jelet fogad (6. ábra).

6. ábra: Ezek az optikai adó-vevők különböző hullámhosszokat használnak az adatok küldésére és fogadására (kép: Cisco Systems)

Ipari menedzselhető Ethernet switch

Azok a hálózati mérnökök, akiknek egy 12 portos menedzselhető gigabites Ethernet switchre van szükségük, nyolc Ethernet csatalakozóval, négy kombinált SFP porttal és amely Modbus monitorozási lehetőséget biztosít a Red Lion Sixnet SLX-8MG-1 készülékéhez fordulhatnak. Az SLX-8MG-1 nyolc 10/100/1000Base-T(X) csatlakozóval és négy kombinált SFP porttal rendelkezik (melyek támogatják a 100Base vagy 1000Base száloptikai adó-vevőket). Az SLX-8MG egy DIN-sínre pattintható, edzett fémből készült, vékony, durva ipari környezetekben való használatra is alkalmas házzal rendelkezik, támogatja a redundáns 10–30 VDC tápbemeneteket, és a -40 °C és +75 °C közötti hőmérséklet-tartományban használható. Modbus/TCP protokollon keresztül távolról is felügyelhető, fejlett biztonsági funkciókkal rendelkezik, ütés- és rezgésálló, valamint magas szintű védelmet biztosít az elektromos zaj és túlfeszültség ellen.

7. ábra: Az SLX-8MG-1 menedzselhető gigabites Ethernet kapcsoló nyolc 10/100/1000Base-T(X) porttal és négy kombinált SFP porttal rendelkezik (balra fent) (kép: Red Lion)

Összegzés

Az optikai és réz elemekből felépülő hibrid hálózatok segíthetnek a működési hatékonyság javításában, a termelés rugalmasságának biztosításában, a költségek csökkentésében és a biztonságos működés megvalósításában a nagy kiterjedésű ipari komplexusokban, például az olaj- és gázfinomítókban és a vegyi üzemekben. A menedzselhető gigabites Ethernet kapcsolók lehetővé teszik a hálózati mérnökök számára, hogy vegyesen telepítsenek száloptikai és rézalapú kommunikációs kapcsolatokat. Megfelelően választott MM és SM szálakkal optimális modális sávszélesség érhető el, és a DDM-képesség beépítése lehetővé teszi a megelőző karbantartást a hálózat maximális rendekezésre állásának biztosításához.