Proiectare pentru aplicații IoT robuste utilizând rețele de date și alimentare bazate pe Ethernet industrial

Conectarea unităților de producție la internet duce la creșterea eficienței, a calității și a productivității. De exemplu, utilajele pot fi programate și controlate de la distanță, datele de la utilaje și procese pot fi analizate în permanență pentru a verifica dacă există erori sau abateri ale procesului și pot fi efectuate modificări de la distanță pentru a regla producția într-o buclă de feedback închisă. Pe termen mai lung, datele pot fi utilizate pentru a planifica extinderea viitoare și integrarea mai rapidă a noilor tehnici de producție.

Deși există argumente solide în favoarea conectivității, modul în care se realizează această conectivitate trebuie analizat cu seriozitate. Există mai multe opțiuni, dar Ethernet oferă o soluție accesibilă și dovedită pentru rețeaua fabricilor. Este cea mai utilizată opțiune de rețea cu fir, la nivel global, cu un bun suport din partea furnizorilor și o interoperabilitate perfectă cu cloud-ul. Mai mult decât atât, cablajul poate fi utilizat pentru a transporta atât energie (Power over Ethernet (PoE)), cât și date, ceea ce înseamnă că un singur set de cabluri poate susține rețeaua și poate alimenta senzorii, mecanismele de acționare și alte dispozitive conectate, cum ar fi camerele de luat vederi.

Cu toate acestea, Ethernet-ul standard nu este potrivit pentru sarcinile industriale. Hardware-ul nu este conceput pentru a funcționa fiabil în mediul fierbinte, murdar și predispus la vibrații din fabrici. De asemenea, protocoalele Ethernet standard sunt nedeterministe și, prin urmare, sunt nepotrivite pentru cerințele mediului de fabrică, unde producția necesită un control în timp real pentru a gestiona procesele de mare viteză.

Ethernet-ul industrial aduce toate avantajele Ethernet-ului standard, dar adaugă la acestea robustețea și software-ul determinist. Este o tehnologie dovedită și matură pentru automatizarea industrială, care nu numai că permite trimiterea datelor de proces în cloud, dar permite și unui supraveghetor de la distanță să acceseze cu ușurință acționările, PLC-urile și dispozitivele I/O din zona de producție. Un amendament la standardul Ethernet, IEEE 802.3cg, utilizează doar o singură pereche de fire pentru transportul datelor, reducând volumul și costul cablurilor din fabrică.

Acest articol prezintă provocarea conectivității pentru aplicațiile industriale, apoi subliniază diferențele dintre Ethernet și Ethernet industrial. Articolul analizează apoi utilizarea tehnologiilor PoE și SPE (Single Pair Ethernet) înainte de a prezenta hardware-ul real de la Amphenol și modul în care acesta poate fi implementat într-o rețea Ethernet industrială.

Provocările Ethernet pentru industrie

Deși Wi-Fi este cel mai popular mod în care consumatorii se conectează la internet, spațiile comerciale folosesc, de obicei, tehnologia de rețea locală (LAN) cu fir Ethernet pentru a conecta computere și alte echipamente.

La începuturile Ethernet-ului, computerele din rețea foloseau o singură magistrală pentru a comunica. Acest tip de rețea este cea mai simplă configurație, fiind ieftină și ușor de instalat. Cu toate acestea, este relativ ineficientă, deoarece computerele conectate concurează pentru lățimea de bandă, ceea ce duce la supraîncărcare, pachete pierdute și o reducere semnificativă a lățimii de bandă.

Rețelele din birourile actuale folosesc în mod obișnuit topologii de tip stea, arbore sau mesh, în care switch-urile controlează accesul la rețea pentru a limita supraîncărcarea și a menține debitul. Traficul Ethernet este controlat de către switch-uri astfel ca mesajele directe să se deplaseze doar între dispozitivele care trebuie să comunice, în loc să fie difuzate în întreaga rețea (Figura 1).

Figura 1: switch-urile Ethernet controlează accesul la rețea pentru a limita supraîncărcarea și a menține debitul. (Sursa imaginii: Amphenol)

Bazat pe un standard actualizat în permanență (IEEE 802.3), Ethernet este dovedit, sigur, fiabil și oferă viteze de transfer de până la sute de gigaocteți (Gbytes). Deși nu face parte din standard, Ethernet utilizează în mod obișnuit TCP/IP (parte a suitei de protocoale Internet (IP)) pentru rutare și transport, ceea ce permite o conectivitate perfectă cu internetul. De asemenea, permite rețelelor să se extindă cu ușurință cu ajutorul cablurilor, conectorilor și switch-urilor disponibile de la sute de furnizori.

Ethernet a evoluat într-o combinație de alimentare cu energie și comunicații printr-un singur cablu Ethernet CAT 3 sau CAT 5, oferind inginerilor posibilitatea de a construi rețele Ethernet și de alimentare cu întreținere redusă, într-un mod rapid și ieftin, comparativ cu instalațiile care utilizează sisteme separate. Tehnologia a fost formalizată în cadrul unui standard al Institutul Inginerilor Electrotehniști și Electroniști (IEEE) numit PoE. Principalele avantaje ale acestei tehnologii sunt simplitatea și faptul că energia este disponibilă oriunde există o priză de date. (Consultați „Introducere în Power over Ethernet”.)

Un amendament recent la specificația Ethernet, IEEE 802.3cg, descrie alternativa SPE pentru transportarea datelor pe o singură pereche, în loc de cablul CAT 3 sau CAT 5 cu mai multe fire din standardul Ethernet sau PoE. SPE este potrivit pentru aplicațiile de automatizare industrială, deoarece permite proiectanților de pe piețele de automatizare a fabricilor și clădirilor să utilizeze protocoale familiare bazate pe Ethernet pentru comunicarea pe distanțe lungi între controlerele industriale și senzori, reducând în același timp în mod semnificativ volumul de cablare (Figura 2).

Figura 2: Ethernet cu o singură pereche se impune ca o formă de Ethernet care economisește spațiu și bani pentru o serie de aplicații industriale și comerciale. (Sursa imaginii: Amphenol)

În principiu, Ethernet reprezintă o modalitate ideală de a conecta un front office de supervizare la operațiunile de producție, reducând în mod eficient decalajul dintre tehnologia informației (IT) și rețelele de tehnologie de operare (OT).

Instalațiile de producție aduc provocări tehnice suplimentare atunci când se implementează Ethernet. În primul rând, fabricile reprezintă un mediu periculos pentru cabluri, conectori și comutatoare delicate. Mediul este fierbinte, prăfuit și plin de substanțe chimice care sunt incompatibile cu cablurile de peste 100 de metri (m), tipice pentru implementările din fabrică. În plus, umiditatea și vibrațiile fac ravagii asupra conductorilor și contactelor. De asemenea, fabricile sunt pline de motoare mari care se pornesc și se opresc în mod constant, provocând fenomene tranzitorii de tensiune și interferențe electromagnetice (EMI) care pot perturba comunicațiile Ethernet.

În al doilea rând, o unitate de producție este plină de roboți care se mișcă rapid și de mașini sincronizate care au nevoie de control în timp real. Mecanismele de comunicare nedeterministe ale Ethernet-ului standard nu sunt echipate corespunzător pentru a oferi această capacitate de control.

Hardware-ul Ethernet-ului industrial

„Ethernet industrial” este termenul comun pentru sistemele Ethernet adaptate pentru uz industrial. Astfel de sisteme se caracterizează prin straturi fizice robuste (PHY) și protocoale industriale, cum ar fi ModbusTCP, PROFINET și Ethernet/IP. În plus, spre deosebire de implementările Ethernet standard, Ethernet-ul industrial utilizează de obicei topologii în linie sau în inel, deoarece acestea contribuie la scurtarea traseelor de cablu (limitând impactul EMI), la reducerea latenței și la introducerea unui anumit grad de redundanță.

Cablurile sunt robuste și includ ecranare pentru protecție împotriva EMI, iar conectorii sunt protejați în mod similar împotriva solicitărilor unui mediu industrial.

Producătorii clasifică rezistența produselor lor în funcție de sistemul de clasificare IP. Clasificarea IP indică gradul de protecție oferit de produs și este definit de standardul internațional EN 60529. Schema include două cifre. Prima reprezintă nivelul de protecție împotriva obiectelor solide, de la unelte sau degete care ar putea cauza situații periculoase dacă ar intra în contact cu conductori electrici, până la murdărie și praf în suspensie care ar putea deteriora circuitele. A doua cifră definește protecția împotriva picăturilor de apă, a stropirii sau a scufundării. Gama se extinde de la IP00 (fără protecție împotriva prafului sau a apei) la IP69 (protecție totală împotriva prafului și a jeturilor de apă puternice, la temperaturi ridicate).

De obicei, conectorii Ethernet industriali sunt înveliți într-o gamă de carcase de protecție de până la IP67. În acest caz, o clasificare de șase înseamnă că în unitate nu se va infiltra praf sau murdărie dăunătoare, nici măcar după un contact direct cu factorii contaminanți timp de opt ore. Un grad de protecție împotriva apei de șapte înseamnă că dispozitivul poate fi scufundat în apă dulce până la un metru timp de 30 de minute fără a fi deteriorat.

La selectarea PHY-urilor, cablurilor și conectorilor pentru Ethernet industrial, proiectantul trebuie să verifice imunitatea la EMI prin scanarea fișei tehnice pentru următoarele standarde IEC și EN:

• IEC 61000-4-5 supratensiune
• IEC 61000-4-4 impuls electric tranzitoriu rapid (EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 imunitate la conducție
• EN 55032 emisii radiate
• EN 55032 emisii conduse

Respectarea unora sau a tuturor acestor standarde oferă asigurări că performanța EMI a sistemului Ethernet industrial în mediul industrial va fi satisfăcătoare.

Conectori robuști

Fie că sunt încorporați în panourile de control ale utilajelor, în switch-urile Ethernet sau în cabluri, conectorii sunt esențiali pentru performanța sistemului Ethernet industrial. Fără o selecție atentă, o singură defecțiune a unui conector sub solicitarea unei producții de mare viteză poate provoca defecțiuni sau oprirea unor utilaje, ce ar putea costa milioane de dolari.

Există mai mulți furnizori care oferă conectori Ethernet industriali dovediți și fiabili pentru o gamă largă de aplicații Ethernet, PoE și SPE. De exemplu, soluția de cablu și conector push-pull dreptunghiular industrial IP6X de la Amphenol asigură conectivitate Ethernet CAT 6A utilizând interfața de cuplare IEC 61076-3-124 și etanșare completă conform specificațiilor IP65, IP66 și IP67. În special, conectorii sunt prevăzuți pentru utilizare în aplicațiile Ethernet industriale care necesită o protecție suplimentară împotriva mediului și sunt potriviți pentru orice mediu solicitant/dur de interior sau exterior.

Familia include carcasa dreptunghiulară a conectorului NDHN200 IP67 pentru montare pe panou, prezentată în Figura 3. Conectorul cu fișă NDHN3A2 cu 10 poziții, multifuncțional, fără lipire (Figura 4), este proiectat pentru a se potrivi cu NDHN200. Conectorul cu fișă include o încuietoare cu zăvor și o matriță ecranată. Are o tensiune nominală de 50 de volți c.a. sau 60 de volți c.c., 1,5 amperi (A) și poate fi cuplat/decuplat de până la 250 de ori.

Figura 3: NDHN200 este o carcasă de conector dreptunghiulară cu grad de protecție IP67 pentru aplicații Ethernet industriale. (Sursa imaginii: Amphenol)

Figura 4: NDHN3A2 este un conector cu fișă IP67 care include o încuietoare cu zăvor și o matriță ecranată. (Sursa imaginii: Amphenol)

Amphenol a lansat și conectori SPE pentru conectivitatea Ethernet a dispozitivelor periferice, cum ar fi senzori, mecanisme de acționare și camere, care funcționează la viteze de până la un gigabit pe secundă (Gbit/s). Factorul de formă SPE reduce dimensiunile, greutatea și costurile în comparație cu Ethernet standard. Conectorii sunt clasificați IP67 și au un factor de formă circular de dimensiune M12. Aceștia se potrivesc cu fișele care pot fi conectate pe teren, oferind o interfață complet ecranată cu caracteristici de blocare. Capacitatea de gestionare a tensiunii/curentului de 60 de volți c.c. și până la 4 A permite PoE pe o distanță de până la 1 kilometru (km). Un exemplu este MSPEJ6P2B02, un conector SPE 2P2C (Figura 5).

Figura 5: conectorul SPE IP67 MSPEJ6P2B02 este disponibil în popularul factor de formă circular de dimensiune M12. (Sursa imaginii: Amphenol)

De asemenea, compania oferă o gamă similară de conectori SPE cu un format de fișă dreptunghiulară cu un grad de protecție IP20 în loc de IP67. Soluția oferă aceleași performanțe electrice ca și gama M12, dar este mai ieftină. Un exemplu este conectorul SPE modular MSPE-P2L0-2A0 (Figura 6).

Figura 6: conectorul modular SPE IP20 MSPE-P2L0-2A0 este o opțiune rentabilă pentru mediile mai puțin periculoase. (Sursa imaginii: Amphenol)

Protocoale Ethernet industrial

Mecanismul de comunicare Ethernet standard este satisfăcător pentru traficul relativ liniștit al unui birou sau al unei întreprinderi mici. Dar acest mecanism este susceptibil la întreruperi și pachete pierdute, ceea ce duce la o latență crescută care îl face nepotrivit pentru cerințele aproape în timp real ale unei linii de producție sincronizate și care se mișcă cu viteză rapidă. După cum s-a menționat, un astfel de mediu necesită un protocol determinist pentru a se asigura că instrucțiunile utilajului ajung la timp, de fiecare dată, indiferent de gradul de încărcare a rețelei.

Pentru a depăși această provocare, hardware-ul Ethernet industrial este completat de un software la fel de „industrial”. Sunt disponibile mai multe protocoale Ethernet industriale dovedite, inclusiv Ethernet/IP, ModbusTCP și PROFINET. Fiecare dintre acestea este conceput pentru a asigura determinismul pentru aplicațiile de automatizare industrială.

Diferența dintre software-ul Ethernet și Ethernet industrial poate fi cel mai bine descrisă prin luarea în considerare a modelului de abstractizare pe șapte straturi ISO/OSI („stivă”), care cuprinde straturile PHY, legătură de date, rețea, transport, sesiune, prezentare și aplicație. Ethernet-ul standard cuprinde straturile PHY, legătură de date, rețea și transport (care utilizează fie TCP/IP, fie UDP/IP ca mijloc de transport) și poate fi considerat un mecanism de comunicare care aduce eficiență, viteză și versatilitate.

În schimb, protocoalele Ethernet industrial, de exemplu, PROFINET, utilizează stratul de aplicație al stivei Ethernet industrial. PROFINET este un protocol de comunicare conceput pentru a face schimb de informații între mașini și controlere într-un cadru de automatizare, utilizând Ethernet standard ca mecanism de comunicare (Figura 7).

Figura 7: modelul de abstractizare cu șapte straturi ISO/OSI care reprezintă stiva de software Ethernet industrial. Protocoalele Ethernet industriale, cum ar fi PROFINET, se află în stratul de aplicație. (Sursa imaginii: Profinet)

Software-ul Ethernet industrial poate, de asemenea, să valorifice alte protocoale care sunt concepute special pentru a trimite date în cloud. Printre exemple se numără protocoale precum MQTT sau SNMP.

Concluzie

Pentru a ține cont de mediul dur al fabricii și de cerințele în timp real, Ethernet industrial utilizează hardware robust, cum ar fi switch-uri, cabluri și conectori, precum și software industrial, pentru a conecta în mod fiabil rețelele IT și OT ale fabricii.

După cum s-a arătat, soluțiile de conectare comerciale dovedite oferă inginerilor posibilitatea de a utiliza Ethernet industrial pentru a programa și controla automatizarea industrială de mare viteză, colectând în același timp datele detaliate necesare pentru a îmbunătăți și a extinde operațiunile de producție.