Design för robusta IoT-tillämpningar med hjälp av Industrial Ethernet-baserade effekt- och datanätverk

Att ansluta tillverkningsanläggningar till internet leder till effektivitets-, kvalitets- och produktivitetsvinster. Maskiner kan exempelvis programmeras och styras på distans, data från maskiner och processer kan analyseras kontinuerligt för att kontrollera om det finns processfel eller avvikelser, och det går att göra justeringar på distans för att justera produktionen i en sluten återkopplingsslinga. På längre sikt kan uppgifterna användas för att planera för framtida skalning och snabbare integrering av nya tillverkningstekniker.

Även om det finns starka argument för uppkopplade system, måste man noga överväga hur denna uppkoppling ska åstadkommas. Det finns många alternativ, men Ethernet är en lättillgänglig och beprövad lösning för fabriksnätverket. Det är det mest använda trådbundna nätverksalternativet globalt, med bra leverantörsstöd och sömlös interoperabilitet med molnet. Ännu bättre är att kablarna kan användas för att befordra både ström (Power over Ethernet (PoE)) och data, vilket innebär att en enda kabel både kan stödja nätverket och ge ström till anslutna sensorer, manöverdon och andra enheter som t.ex. kameror.

Standard-Ethernet lever dock inte upp till industrins krav. Hårdvaran är inte konstruerad för att fungera på ett tillförlitligt sätt i varma, smutsiga och vibrationsbenägna fabriksmiljöer. Dessutom är standard-Ethernetprotokoll icke-deterministiska och därför inte anpassade till behoven i fabriksmiljöer där produktionen kräver kontroll i nära realtid för att hantera höghastighetsprocesser.

Industrial Ethernet ger alla fördelar med standard-Ethernet, men lägger till robusthet och deterministisk programvara. Det är en beprövad och mogen teknik för industriell automation som inte bara gör det möjligt att skicka processdata till molnet utan också att en fjärrövervakare enkelt kan få tillgång till drivaggregat, PLC:er och I/O-enheter på produktionsgolvet. Ett tillägg till Ethernet-standarden, IEEE 802.3cg, använder bara ett enda kabelpar för datatransport, vilket minskar volymen och kostnaden för alla fabrikskablar.

I denna artikel diskuteras utmaningen med anslutningsmöjligheter för industriella tillämpningar innan skillnaderna mellan Ethernet och Industrial Ethernet beskrivs. Artikeln tar sedan upp användning av PoE- och SPE-teknik (single pair Ethernet) innan verklig hårdvara från Amphenol presenteras och hur denna kan implementeras i ett Industrial Ethernet-nätverk.

Utmaningarna med Ethernet inom industrin

Wi-Fi är kanske det mest populära sättet för konsumenter att ansluta till internet, men i kommersiella lokaler används vanligtvis LAN-teknik (Local Area Network) med Ethernet-kabel för att koppla ihop datorer och annan utrustning.

När Ethernet var i sin linda använde datorerna i nätverket en enda buss för att kommunicera. Denna typ av nätverk är den enklaste konfigurationen, och den är billig och lätt att installera. Det är dock relativt ineffektivt eftersom anslutna datorer konkurrerar om bandbredden, vilket leder till överbelastning, förlorade paket och en markant minskning av bandbredden.

Dagens kontorsnätverk använder vanligtvis stjärn-, träd- eller maskformiga topologier (mesh-nätverk) där nätverksswitchar kontrollerar åtkomsten till nätverket för att begränsa överbelastning och upprätthålla genomflödet. Ethernet-trafiken styrs av nätverksswitcharna så att direkta meddelanden endast går mellan de enheter som behöver kommunicera, i stället för att sändas över hela nätverket (figur 1).

Figur 1: Ethernet-switchar kontrollerar åtkomsten till nätverket för att begränsa överbelastning och upprätthålla genomflödet. (Bildkälla: Amphenol)

Ethernet bygger på en standard som uppdateras kontinuerligt (IEEE 802.3) och är beprövad, säker och tillförlitlig och erbjuder hastigheter på upp till hundratals gigabyte. Även om Ethernet inte är en del av standarden använder Ethernet vanligtvis TCP/IP (en del av Internet Protocol (IP)-sviten) för routning och transport, vilket ger en sömlös anslutning till internet. Det gör det också möjligt att enkelt skala upp nätverk med kablar, kontakter och växlar som finns tillgängliga från hundratals leverantörer.

Ethernet har utvecklats för att kombinera ström och kommunikation via en enda Ethernet CAT 3- eller CAT 5-kabel, vilket gör det möjligt för ingenjörer att snabbt och billigt bygga Ethernet- och strömnätverk med lågt underhåll jämfört med installationer som använder separata system. Tekniken har formaliserats i en IEEE-standard (Institute of Electrical and Electronics Engineers) som kallas PoE. De viktigaste fördelarna med tekniken är dess enkelhet och det faktum att strömmen finns tillgänglig överallt där det finns ett datauttag. (Se "Introduktion till Power over Ethernet".)

I ett färskt tillägg till Ethernet-specifikationen, IEEE 802.3cg, beskrivs SPE-alternativet för att överföra data via ett enda kabelpar i stället för den flertrådiga CAT 3- eller CAT 5-kabeln för standard-Ethernet eller PoE. SPE lämpar sig för industriella automationstillämpningar eftersom det gör det möjligt för konstruktörer inom fabriks- och byggnadsautomation att använda välkända Ethernet-baserade protokoll för långdistanskommunikation mellan industriella styrenheter och sensorer, samtidigt som man avsevärt minskar volymen av ledningar (figur 2).

Figur 2: Enkelparigt Ethernet håller på att växa fram som en platsbesparande och billig form av Ethernet för en rad industriella och kommersiella tillämpningar. (Bildkälla: Amphenol)

I princip är Ethernet ett idealiskt sätt att koppla samman ett övervakande frontkontor med tillverkningen, vilket effektivt överbryggar klyftan mellan nätverk för informationsteknik (IT) och driftsteknik (OT).

Tillverkningsanläggningar innebär ytterligare tekniska utmaningar när Ethernet implementeras. För det första utgör fabriker en farlig miljö för känsliga kablar, kontaktdon och switchar. Miljön är varm, dammig och full av kemikalier som är oförenliga med de kabelsträckor på över 100 meter som är typiska för fabriksinstallationer. Dessutom är fukt och vibrationer skadliga för ledare och kontaktdon. Därutöver är fabriker ofta fulla av stora motorer som ständigt slås på och av och orsakar spänningsspikar och elektromagnetiska störningar (EMI) som kan störa Ethernet-kommunikationen.

För det andra är en tillverkningsanläggning full av snabbgående robotar och synkroniserade maskiner som behöver styrning i realtid. Standard Ethernet:s icke-deterministiska kommunikationsmekanismer är dåligt rustade för att sköta denna kontrollfunktion.

Hårdvara för Industrial Ethernet

"Industrial Ethernet" är den vanliga termen för Ethernet-system som är anpassade för fabriksanvändning. Sådana system kännetecknas av robusta fysiska skikt (PHY) och industriprotokoll som ModbusTCP, PROFINET och Ethernet/IP. Till skillnad från vanliga Ethernet-implementationer, använder Industrial Ethernet dessutom vanligtvis linje- eller ringtopologier eftersom de bidrar till att förkorta kabellängderna (vilket begränsar EMI-effekten), sänker latenstiden och bygger in en viss grad av redundans.

Kablarna är stryktåliga och har en skärmning som skyddar mot EMI och kontaktdonen är likaledes skyddade mot de tuffa påfrestningarna i industrimiljöer.

Tillverkarna kategoriserar sina produkters tålighet enligt IP-klassificeringssystemet. IP-klassificeringen anger produktens skyddsnivå och definieras i den internationella standarden EN 60529. Systemet består av två siffror. Den första representerar skyddsnivån mot fasta objekt, allt från verktyg eller fingrar som kan vara farliga om de stöter på elektriska ledare till luftburen smuts och damm som kan skada kretsar. Den andra siffran definierar skyddet mot droppande vatten, strålar eller nedsänkning. Utbudet sträcker sig från IP00 (inget skydd mot damm eller vatten) till IP69 (totalt skydd mot damm och kraftiga vattenstrålar med hög temperatur).

Industrial Ethernet-kontaktdon är vanligtvis inkapslade i en rad olika skyddande höljen upp till IP67. I detta fall innebär ett betyg på sex att inga skadliga partiklar eller smuts kan tränga in i enheten även efter direkt kontakt med föroreningen i åtta timmar. Vattenskyddsklass sju innebär att enheten kan nedsänkas i upp till en meter sötvatten i 30 minuter utan att skadas.

När konstruktören väljer fysiska skikt (PHY), kablar och kontaktdon för industriellt Ethernet bör hen kontrollera EMI-immuniteten genom att läsa igenom databladet med avseende på följande IEC- och EN-standarder:

• IEC 61000-4-5 stötpulser
• IEC 61000-4-4 elektriska snabba transienter (EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 ledningsbunden immunitet
• EN 55032 strålningsemissioner
• EN 55032 ledningsbundna emissioner

Genom att följa vissa av eller alla dessa standarder säkerställs att Industrial Ethernet-systemets EMI-prestanda är tillfredsställande i fabriksmiljöer.

Robusta kontaktdon

Oavsett om de är inbyggda i maskinkontrollpaneler, Ethernet-switchar eller kablage är kontaktdonen viktiga för Industrial Ethernet-systems prestanda. Utan ett noggrant val kan ett enda fel på en enda kontaktdon under påfrestningarna från höghastighetsproduktion, orsaka att maskiner som kostar miljontals dollar fungerar dåligt eller stannar upp.

Det finns flera leverantörer som erbjuder beprövade och tillförlitliga Industrial Ethernet-kontaktdpm för en rad Ethernet-, PoE- och SPE-tillämpningar. Amphenols rektangulära push-pull-kontaktdon Industrial IP6X och tillhörande kabellösning ger till exempel CAT 6A Ethernet-anslutning med IEC 61076-3-124-gränssnittet och fullständig tätning enligt IP65-, IP66- och IP67-specifikationerna. Kontaktdonen är avsedda för användning i Industrial Ethernet-applikationer som kräver ytterligare miljöskydd och är lämpliga för alla tuffa miljöer inomhus och utomhus.

Familjen inbegriper det rektangulära NDHN200 IP67-kontakthöljet för panelmontering enligt i figur 3. Den multifunktionella, lödfria stickdonskontakten NDHN3A2 (Figur 4) med 10 positioner är utformad för att passa ihop med NDHN200. Stickdonet har en låsmekanism och en avskärmad formgjutning. Den har en kapacitet på 50 VAC eller 60 VDC, 1,5 A och klarar upp till 250 kopplingscykler.

Figur 3: NDHN200 är ett IP67-klassat rektangulärt kontaktdonshölje för Industrial Ethernet-tillämpningar. (Bildkälla: Amphenol)

Figur 4: NDHN3A2 är ett IP67-kontaktdon som har ett lås och en avskärmad formning. (Bildkälla: Amphenol)

Amphenol har också släppt SPE-kontaktdon för Ethernet-anslutning av kringutrustning som sensorer, styrdon och kameror som arbetar med hastigheter på upp till 1 Gbit/s. SPE-formatet minskar storlek, vikt och kostnader jämfört med standard-Ethernet. Kontaktdonen är IP67-klassade och har en rund forma av dimension M12. De passar ihop med fältkontakterade stickdon och erbjuder ett helt skärmat gränssnitt med låsfunktionalitet. Deras spännings-/strömhanteringskapacitet på 60 VDC och upp till 4 A stöder PoE över ett avstånd på upp till 1 kilometer (km). Ett exempel är MSPEJ6P2B02, ett 2P2C SPE-kontaktdon (Figur 5).

Figur 5: MSPEJ6P2B02 IP67 SPE-kontaktdonet har det populära runda formatet M12. (Bildkälla: Amphenol)

Företaget erbjuder också ett liknande sortiment av SPE-kontaktdon med ett rektangulärt stickdon som uppfyller kraven för IP20 i stället för IP67. Lösningen har samma elektriska prestanda som M12-serien men är billigare. Ett exempel är det modulära SPE-kontaktdonet MSPE-P2L0-2A0 (Figur 6).

Figur 6: Det modulära SPE IP20-kontaktdonet MSPE-P2L0-2A0 är ett kostnadseffektivt alternativ för mindre farliga miljöer. (Bildkälla: Amphenol)

Industrial Ethernet-protokoll

Standard Ethernet-kommunikationsmekanismen fungerar väl för den relativt lugna trafiken på ett kontor eller i ett litet företag. Men den mekanismen är känslig för störningar och förlorade datapaket, vilket leder till en ökad latens som gör den olämplig för de krav på nära realtid som ställs i en snabb och synkroniserad produktionslinje. Som nämnts kräver en sådan miljö ett deterministiskt protokoll för att se till att maskininstruktioner kommer fram i tid, varje gång, oavsett hur hög belastningen på nätverket är.

För att lösa denna utmaning är Industrial Ethernet-hårdvaran kompletterad med liknande "industriell" programvara. Det finns flera beprövade Industrial Ethernet-protokoll, inklusive Ethernet/IP, ModbusTCP och PROFINET. Vart och ett av dessa är utformade för att säkerställa determinism för industriella automatiseringstillämpningar.

Skillnaden mellan Ethernet- och Industrial Ethernet-programvara kan bäst beskrivas med hjälp av ISO/OSI:s abstraktionsmodell i sju skikt ("stack"), som omfattar PHY-, datalänk-, nätverks-, transport-, sessions-, presentations- och applikationsskikt. Standard-Ethernet omfattar PHY-, datalänk-, nätverks- och transportskikten (som använder antingen TCP/IP eller UDP/IP som transport) och kan betraktas som en kommunikationsmekanism som ger effektivitet, snabbhet och mångsidighet.

Industrial Ethernet-protokoll, till exempel PROFINET, använder däremot applikationsskitet i Industrial Ethernet-stacken. PROFINET är ett kommunikationsprotokoll som är utformat för att utbyta information mellan maskiner och styrenheter i en automatiaonsmiljö och använder standard-Ethernet som kommunikationsmekanism (figur 7).

Figur 7: ISO/OSI:s abstraktionsmodell i sju skikt som representerar Industrial Ethernet-programvarupaketet. Industrial Ethernet-protokoll som PROFINET ligger i applikationsskiktet. (Bildkälla: Profinet)

Programvara för Industrial Ethernet kan också utnyttja andra protokoll som är särskilt utformade för att skicka data till molnet. Exempel är protokoll som MQTT eller SNMP.

Sammanfatttning

För att ta hänsyn till fabrikens tuffa miljö och realtidskrav använder Industrial Ethernet stryktålig hårdvara som switchar, kablar och kontaktdon samt industriell programvara för att tillförlitligt ansluta fabrikens IT- och OT-nätverk.

Beprövade kommersiella anslutningslösningar gör det enkelt för ingenjörer att utnyttja Industrial Ethernet för att programmera och styra industriell automation med höga hastigheter, samtidigt som de samlar in den djuplodande data som behövs för att förbättra och skala upp tillverkningen.