Cum se implementează rețelele de control hibride în aplicațiile industriale

Complexele industriale, cum ar fi rafinăriile de petrol și gaze, uzinele chimice, terminalele de gaze naturale lichide și alte instalații similare, sunt masive și trebuie să îmbunătățească eficiența operațională, să susțină o producție flexibilă, să reducă costurile și să asigure o funcționare sigură și securizată. Natura continuă a proceselor de producție sporește provocările. Pentru a asigura o funcționare optimă, rețelele de control industrial din aceste instalații trebuie să monitorizeze constant temperatura, presiunea, vibrațiile, debitul și alți parametri în mii de locații. Rețelele se pot întinde pe mai mulți kilometri (km) și necesită diverse tehnologii de comunicații de date pe bază de cupru și fibră optică pentru a susține o gamă largă de dispozitive, de la senzori cu lățime de bandă redusă la dispozitive de control în timp real și de siguranță cu lățime de bandă mai mare.

Pentru a îndeplini aceste cerințe variate, inginerii de rețea trebuie să implementeze o combinație optimă de cupru și diverse tipuri de dispozitive de comunicații prin fibră optică, toate conectate cu switch-uri Ethernet industriale compacte cu surse de alimentare redundante, capacități pentru un interval extins al temperaturii de funcționare, monitorizare de la distanță și caracteristici de securitate avansate.

Acest articol începe cu o scurtă prezentare generală a Ethernet-ului industrial (IE), inclusiv a necesității de utilizare a rețelelor de comunicații de date hibride fibră/cupru, punând accentul pe fibra optică. Compară fibrele monomodale (SM) și multimodale (MM), analizează standardele modulelor de fibră optică cu conectare la cald și felul în care funcționează monitorizarea digitală de diagnosticare (DDM) a modulelor de fibră optică, iar apoi prezintă o gamă de dispozitive de comunicații de date prin fibră optică de la Cisco Systems, Phoenix Contact și Intelligent Network Solutions, împreună cu un switch Ethernet industrial gestionat cu un amestec de porturi de cupru și fibră optică într-o carcasă IP40 securizată de la Red Lion Controls.

IE se bazează pe utilizarea protocoalelor Ethernet cu switch-uri cu interval de temperatură extins și interconexiuni robuste pentru a rezista în medii dificile. IE poate accepta controlul și determinismul în timp real și este implementat folosind o gamă de protocoale de comunicații precum EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET și Modbus TCP.

Se așteaptă ca rețelele IE să asigure un anumit nivel de interoperabilitate între sistemele mai vechi și cele actuale, să producă performanțe previzibile și să fie ușor de întreținut, pentru a maximiza timpul de funcționare. În instalațiile mari se utilizează adesea o combinație de interconexiuni din cupru și fibră optică. Atunci când se pretează utilizarea acestuia, cuprul poate reprezenta o alternativă mai puțin costisitoare. Cu toate acestea, utilizarea fibrei optice poate reduce problemele asociate cu zgomotul electric, asigură izolare electrică și permite interconectarea pe lungimi mult mai mari, ceea ce poate fi deosebit de util în cazul complexelor industriale mari și dispersate.

Fibră MM vs. SM

Lumina călătorește în josul unei fibre optice deoarece nepotrivirea de indice optic dintre miez și înveliș cauzează reflexia internă totală. Diametrul miezului este esențial și definește conul de acceptare care conține unghiurile la care lumina care intră în fibră poate continua să se propage. Fibra SM utilizează un miez mic, de 10 micrometri (µm), care poate accepta un singur mod de propagare, numit mod fundamental. Fibrele optice MM au diametre mari ale miezului în raport cu lungimea de undă de acționare a luminii. Aceste nuclee mai mari ghidează simultan mai multe moduri de lumină, numite și modele de unde staționare (Figura 1). Standardul ISO/IEC 11801 definește cinci clase de fibre MM pe baza a două dimensiuni de miez și a diferitelor caracteristici de lățime de bandă: OM1, OM2, OM3, OM4 și OM5. Cablurile din fibră optică pot fi clasificate în funcție de diametrul miezului și al cablului. De exemplu, 62,5/125 µm se referă la OM1 MM. Cablurile de 50/125 µm sunt utilizate pentru OM2, OM3, OM4 și OM5 MM, iar 10/125 µm este un exemplu de cablu SM.

Figura 1: fibrele MM au un diametru relativ mare și pot accepta transmiterea mai multor moduri de lumină în același timp. (Sursa imaginii: Cisco Systems)

Fibrele MM pot funcționa cu surse de diode emițătoare de lumină (LED), dar modelele mai performante utilizează lasere cu emisie de suprafață cu cavitate verticală (VCSEL). Utilizarea VCSEL-urilor permite rețelelor de fibră optică MM să furnizeze viteze de date de mai mulți gigabiți.

Cele cinci categorii de fibre MM se bazează pe lungimea de undă a luminii (în nanometri, nm), diametrul miezului în μm și pe lățimea de bandă modală. Lățimea de bandă modală este o măsură a debitului maxim de semnal în megahertzi (MHz) pentru o anumită distanță în km sau distanța maximă pentru o anumită rată de semnalizare și reprezintă produsul dintre lățimea de bandă și distanță, MHz km. Pentru un anumit cablu, atunci când distanța este redusă la jumătate, rata maximă de semnalizare se dublează. Clasele de fibre MM definite de ISO/IEC 11801 sunt:

• OM1: miez de 62,5 μm cu o lățime de bandă modală minimă de 200 MHz km la 850 nm
• OM2: miez de 50 μm cu o lățime de bandă modală minimă de 500 MHz km la 850 nm
• OM3: miez de 50 μm cu o lățime de bandă modală minimă de 2000 MHz km la 850 nm
• OM4: miez de 50 μm cu o lățime de bandă modală minimă de 4700 MHz km la 850 nm
• OM5: miez de 50 μm cu o lățime de bandă modală minimă de 4700 MHz km la 850 nm și 2470 MHz km la 953 nm

Standardul OM3 a fost conceput pentru a susține standardul IEEE 802.3 10 GbE Ethernet. Atunci când sunt utilizate cu modulație VCSEL, cablurile OM3 MM pot furniza 10 gigabiți pe secundă (Gb/s) la distanțe de până la 300 de metri (m). În cele mai multe cazuri, legăturile de fibră optică OM3 MM sunt cele mai rentabile soluții pentru aplicații de până la aproximativ 500 m. Legăturile OM4 MM pot accepta distanțe de până la 1 km. Pentru distanțe mai mari și viteze de transfer de date mai mari, sunt necesare fibre SM.

SFP pentru cupru și fibră optică

Interfața conectabilă cu factor de formă mic (SFP) este un format de modul de rețea compact, cu conectare la cald, utilizat pentru rețelele de comunicații de date și de telecomunicații. O interfață SFP de pe un hardware de rețea, cum ar fi un switch Ethernet, este un slot modular pentru un emițător-receptor specific pentru un mediu, cum ar fi un cablu de cupru sau de fibră optică. SFP-urile permit echiparea porturilor cu diferite tipuri de emițătoare-receptoare, în funcție de necesități. SFP a înlocuit convertorul de interfață gigabit (GBIC) de dimensiuni mai mari, dezvoltat anterior, și este denumit uneori „mini-GBIC”. Comitetul pentru factori de formă mici a specificat factorul de formă, interblocările mecanice și interfețele electrice printr-un acord cu mai multe surse, MSA SFF-8472 (Figura 2). Pe lângă interfețele SFP standard, se pot obține viteze mai mari folosind SFP+ pentru viteze de până la 10 Gbit/s și SFP28 pentru viteze de 25 Gbit/s.

Figura 2: elementele mecanice ale unui modul SFP cu fibră optică, cu evidențierea mecanismelor de blocare și de interblocare și a conexiunilor electrice și cu fibră optică. (Sursa imaginii: Intelligent Network Solutions și Jeff Shepard)

Sunt disponibile emițătoare-receptoare de fibră optică SFP care acceptă rețele optice sincrone (SONET), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, rețele optice pasive (PON) și alte standarde de comunicații.

Monitorizare digitală de diagnosticare

De asemenea, MSA SFF-8472 definește funcțiile DDM pentru emițătoarele-receptoarele de fibră optică. DDM se numește uneori monitorizare optică digitală (DOM). DDM permite administratorilor de rețea să monitorizeze în timp real puterea de intrare/ieșire optică, temperatura, curentul de polarizare a laserului și tensiunea de alimentare a emițătorului-receptorului (Figura 3). DDM este o expansiune a interfeței ID serială definită în specificația GBIC. DDM include alarme și semnalizatoare de avertizare care trimit alerte în cazul în care parametrii de funcționare sunt în afara unei setări din fabrică pentru funcționarea normală.

Figura 3: DDM poate monitoriza performanța emițătoarelor-receptoarelor optice SFP și poate trimite alerte în cazul în care orice parametru se situează în afara intervalelor nominale de funcționare. (Sursa imaginii: Intelligent Network Solutions)

DDM este conceput pentru a ajuta la prezicerea defecțiunilor și pentru a susține întreținerea preventivă, pentru o durată maximă de funcționare a rețelei. Creatorul de emițătoare-receptoare stabilește praguri DDM pentru diverși parametri. Operarea emițătorului-receptorului peste orice prag va duce la degradarea performanțelor și poate cauza erori de transmisie. Emițătorul-receptorul trimite o alarmă atunci când valoarea unui parametru depășește un prag specificat. În plus, modulul va înceta să mai transmită date, iar receptorul va refuza să primească orice mesaj. Nu este neobișnuit să se emită mai multe alarme simultan; de exemplu, dacă puterea optică de transmisie este prea mare, este posibil ca și temperatura să fie ridicată.

În timp ce DDM oprește și protejează sistemul atunci când se depășesc pragurile prestabilite, acesta poate fi utilizat și pentru a monitoriza parametrii de funcționare ai emițătorului-receptorului și pentru a permite operatorilor să vadă valorile care se deplasează în direcția greșită înainte de a depăși nivelurile dăunătoare, permițând programarea întreținerii preventive.

Fibră MM și rază de acțiune de 1 km

Proiectanții rețelelor de control industrial pot utiliza modulul 2891754 Gigabit SFP de la Phoenix Contact pentru a susține transmisii de până la 1 km folosind fibre concepute pentru a funcționa cu o lungime de undă de 850 nm (Figura 4). Acest modul este potrivit pentru aplicații industriale și are o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 la 85 °C și o umiditate de până la 95%. Distanța de transmisie depinde de fibra utilizată:

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

Figura 4: acest emițător-receptor optic SFP are o rază de acțiune de 1 km atunci când funcționează cu o lungime de undă de 850 nm și un cablu OM4. (Sursa imaginii: DigiKey)

Rază de acțiune de 20 km cu fibră SM

Modulul SFP INT 506724 de la Intelligent Network Solutions acceptă transmisii de date 1000Base-LX de până la 20 km pe o fibră monomodală de 9/125 µm, utilizând un laser de 1310 nm. Acceptă DDM, iar carcasa metalică reduce interferențele electromagnetice (EMI) și crește durabilitatea (Figura 5). Are o temperatură de funcționare cuprinsă între 0 și 70 °C și este specificat pentru o umiditate relativă (RH) cuprinsă între 10 și 85%.

Figura 5: modulul SFP INT 506724 de la Intelligent Network Solutions acceptă transmisii de date 1000Base-LX de până la 20 km pe o fibră monomodală de 9/125 µm, utilizând un laser de 1310 nm. (Sursa imaginii: Intelligent Network Solutions)

Emițătoare-receptoare SFP de 10 km

SFP-10G-BXD-I și SFP-10G-BXU-I de la Cisco funcționează cu fibră SM și acceptă distanțe de transmisie de până la 10 km atunci când sunt conectate la un port SFP+. Aceste emițătoare-receptoare dispun de interoperabilitate optică cu interfețele 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 și 10GBASE XFP pe aceeași legătură și includ funcții DOM care monitorizează performanța în timp real. Atunci când este utilizat, un SFP-10G-BXD-I se conectează întotdeauna la un SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I transmite un canal de 1330 nm și primește un semnal de 1270 nm, iar SFP-10G-BXU-I transmite la o lungime de undă de 1270 nm și primește un semnal de 1330 nm (Figura 6).

Figura 6: aceste emițătoare-receptoare optice utilizează lungimi de undă diferite pentru transmiterea și recepționarea datelor. (Sursa imaginii: Cisco Systems)

Switch industrial gestionat prin Ethernet

Inginerii de rețea care au nevoie de un switch Gigabit cu 12 porturi gestionat prin Ethernet, care dispune de opt porturi, cu patru porturi combinate SFP și monitorizare Modbus, pot utiliza Sixnet SLX-8MG-1 de la Red Lion. SLX-8MG-1 dispune de opt porturi 10/100/1000Base-T(X), cu patru porturi combinate SFP (care acceptă emițătoare-receptoare de fibră 100Base sau 1000Base). SLX-8MG este adăpostit într-o carcasă subțire, din metal consolidat cu șină DIN, pentru utilizare în medii industriale dificile și acceptă intrări de alimentare redundante de 10-30 Vc.c. și un interval de temperatură de funcționare de la -40 la 75 °C. De asemenea, acesta include monitorizare la distanță Modbus/TCP, caracteristici avansate de securitate, capacitate extinsă de rezistență la șoc și vibrații și niveluri ridicate de imunitate la zgomot electric și supratensiune.

Figura 7: comutatorul Gigabit gestionat prin Ethernet SLX-8MG-1 dispune de opt porturi 10/100/1000Base-T(X), cu patru porturi combinate SFP (stânga sus). (Sursa imaginii: Red Lion)

Concluzie

Rețelele hibride de fibră optică și de cupru pot contribui la îmbunătățirea eficienței operaționale, la susținerea unei producții flexibile, la reducerea costurilor și la garantarea unei funcționări sigure și securizate în operațiunile industriale la scară largă, cum ar fi rafinăriile de petrol și gaze și uzinele chimice. Inginerii de rețea pot utiliza switch-uri Gigabit gestionate prin Ethernet pentru a implementa o combinație de legături de comunicații din fibră optică și cupru. Utilizarea fibrelor MM și SM permite obținerea unor lățimi de bandă modale optime, iar includerea capacității DDM permite întreținerea preventivă pentru a asigura o durată maximă de funcționare a rețelei.