Hur man implementerar hybridstyrnätverk i industriella tillämpningar

Industrianläggningar som olje- och gasraffinaderier, kemifabriker, terminaler för flytande naturgas och liknande anläggningar är enorma och behöver förbättra den operativa effektiviteten, stödja flexibel produktion, minska kostnader och garantera en säker och trygg drift. Tillverkningsprocessernas kontinuerliga karaktär ökar utmaningarna. För att säkerställa optimal drift måste industriella styrnätverk i dessa anläggningar ständigt övervaka temperatur, tryck, vibrationer, flöden och andra parametrar på tusentals platser. Nätverken kan sträcka sig över flera kilometer och kräver olika tekniker för datakommunikation via kopparledningar och fiberoptik för att stödja en rad olika enheter, från givare med låg bandbredd till realtidsstyrningar och säkerhetsenheter med högre bandbredd.

För att uppfylla dessa olika krav måste nätverkstekniker använda en optimal blandning av kommunikationsenheter för kopparledningar och olika typer av fiberoptik, som alla är anslutna till kompakta switchar för industriell Ethernet med redundanta strömkällor, stort driftstemperaturområde, fjärrövervakning och avancerade säkerhetsfunktioner.

Artikeln inleds med en kort översikt om industriell Ethernet (IE), inklusive behovet av hybridnätverk för datakommunikation med fiber/koppar med särskilt fokus på fiberoptik. Den jämför single mode-fiber (SM) och multimode-fiber (MM), tittar på standarder för fiberoptiska moduler som kan bytas under drift, och hur digital diagnostisk övervakning (DDM) av fiberoptiska moduler fungerar. Den presenterar sedan en rad fiberoptiska datakommunikationsenheter från Cisco Systems, Phoenix Contact och Intelligent Network Solutions, tillsammans med en administrerad switch för industriell Ethernet med en blandning av portar för kopparledningar och fiberoptik i en tålig IP40-kapsling från Red Lion Controls.

Industriell Ethernet bygger på användning av Ethernet-protokollet och switchar med utökat temperaturområde samt robusta sammankopplingar som tål tuffa miljöer. Industriell Ethernet har stöd för realtidsstyrning och determinism och implementeras med hjälp av en rad kommunikationsprotokoll som EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET och Modbus TCP.

Nätverk för industriell Ethernet förväntas ge en viss nivå av interoperabilitet mellan äldre och nuvarande system och ändå ge förutsägbara prestanda och vara lätta att underhålla för att maximera drifttiden. I stora anläggningar används ofta en kombination av kopparanslutningar och fiberoptiska anslutningar. Där det passar, kan koppar vara ett billigare alternativ. Genom att använda fiberoptik kan man dock minska problemen med elektriska störningar, skapa elektrisk isolering och stödja mycket längre sammankopplingslängder, vilket kan vara särskilt användbart i stora och utspridda industrianläggningar.

MM-fiber jämfört med SM-fiber

Ljuset färdas i en optisk fiber eftersom obalansen i det optiska indexet mellan kärnan och höljet skapar en fullständig invändig reflektion. Kärnans diameter är kritisk och definierar acceptanskonen för de vinklar där ljuset som kommer in i fibern kan fortsätta att sprida sig. SM-fiber har en liten kärna på 10 µm som endast kan stödja ett utbredningsläge, det s.k. grundläggande läget. Optisk MM-fiber har en kärna med stor diameter i förhållande till ljusets operativa våglängd. Dessa stora kärnor kan leda många olika ljusformer samtidigt, även kallat ljusets stående vågmönster (figur 1). Standarden ISO/IEC 11801 definierar fem klasser av MM-fiber baserat på två storlekar på kärna och olika bandbreddsegenskaper: OM1, OM2, OM3, OM4 och OM5. Fiberoptiska kablar kan kategoriseras utifrån kärnans och kabelns diameter. Som exempel, 62,5/125 µm avser OM1 MM. Kablar med 50/125 µm används för OM2, OM3, OM4 och OM5 MM, och 10/125 µm är ett exempel på en SM-kabel.

Figur 1: MM-fiber har relativt stor diameter och kan överföra många ljuslägen samtidigt. (Bildkälla: Cisco Systems)

MM-fiber kan drivas med LED-ljuskällor (light emitting diode), men i konstruktioner med högre prestanda används VCSEL-lasrar (vertical cavity surface emitting lasers). Med hjälp av VCSEL-lasrar kan nätverk med MM-fiber leverera datahastigheter på flera gigabit.

De fem kategorierna av MM-fiber är baserade på ljusets våglängd (i nanometer, nm), kärndiameter i μm och modal bandbredd. Modal bandbredd är ett mått på den maximala signalhastigheten i MHz för ett givet avstånd i km, eller det maximala avståndet för en given signalhastighet, och är produkten av bandbredd och avstånd, MHz-km. När avståndet halveras för en viss kabel fördubblas den maximala signalhastigheten. De klasser av MM-fiber som definieras i ISO/IEC 11801 är:

• OM1: 62,5 μm kärna med en minsta modal bandbredd på 200 MHz-km vid 850 nm.
• OM2: 50 μm kärna med en minsta modal bandbredd på 500 MHz-km vid 850 nm.
• OM3: 50 μm kärna med en minsta modal bandbredd på 2000 MHz-km vid 850 nm.
• OM4: 50 μm kärna med en minsta modal bandbredd på 4700 MHz-km vid 850 nm.
• OM5: 50 μm kärna med en minsta modal bandbredd på 4700 MHz-km vid 850 nm och 2470 MHz-km vid 953 nm.

Standarden OM3 utformades för att stödja standarden IEEE 802.3 10GbE Ethernet. När MM-kablar för OM3 används med VCSEL-modulering kan de leverera 10 Gbit/s på avstånd upp till 300 m. I de flesta fall är MM-fiberlänkar för OM3 de mest kostnadseffektiva lösningarna för tillämpningar upp till cirka 500 m. MM-länkar för OM4 kan stödja avstånd på upp till 1 km. För längre avstånd och högre datahastigheter behövs SM-fiber.

SFP för koppar och fiber

Gränssnittet SFP (Small Form Factor Pluggable) är ett kompakt, format för nätverksmoduler som kan bytas under drift och är avsett för datakommunikation och telekommunikationsnät. Ett SFP-gränssnitt på nätverksutrustning som en Ethernet-switch är ett modulärt fack för en mediespecifik transceiver, t.ex. en kopparledning eller fiberoptisk kabel. SFP:er gör det möjligt att utrusta portar med olika typer av transceivrar efter behov. SFP ersatte den tidigare utvecklade och större gränssnittsomvandlaren för gigabit (GBIC) och kallas ibland "mini-GBIC". Small Form Factor Committee har specificerat formatet, mekaniska låsningar och elektriska gränssnitt genom ett avtal med flera källor, MSA SFF-8472 (figur 2). Förutom standardgränssnittet SFP kan högre hastigheter uppnås med SFP+ för upp till 10 Gbit/s och SFP28 för 25 Gbit/s.

Figur 2: Mekaniska delar i en fiberoptisk SPF-modul där lås- och sammankopplingsmekanismerna samt de fiberoptiska och elektriska anslutningarna framgår. (Bildkälla: Intelligent Network Solutions och Jeff Shepard)

Det finns SFP-transceivrar för fiberoptik som har stöd för synkrona optiska nätverk (SONET), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, passiva optiska nätverk (PON) och andra kommunikationsstandarder.

Digital diagnostisk övervakning

MSA SFF-8472 definierar även funktionerna DDM i fiberoptiska transceivers. DDM kallas ibland för digital optisk övervakning (DOM). Med DDM kan nätverksadministratörer övervaka effekten på den optiska in- och utgången, temperaturen, laserns biasström och transceiverns matningsspänning i realtid (figur 3). DDM är en utökning av det seriella gränssnittet ID som definieras i specifikationen för GBIC. DDM innehåller larm- och varningsflaggor som skickar meddelanden om driftsparametrarna ligger utanför fabriksinställningen för normal drift.

Figur 3: DDM kan övervaka prestandan hos optiska SFP-transceivrar och skicka meddelanden om någon parameter faller utanför de nominella driftsområdena. (Bildkälla: Intelligent Network Solutions)

DDM är utformat för att göra det lättare att förutse fel och stödja förebyggande underhåll för maximal drifttid av nätverket. Tillverkaren av transceivern ställer in DDM-gränsvärden för olika parametrar. Om transceivern drivs över gränsvärdena försämras prestandan vilket kan orsaka fel i överföringen. Transceivern skickar ett meddelande när en parameters värde överskrider ett angivet gränsvärde. Modulen slutar dessutom att överföra data och mottagaren vägrar att ta emot meddelanden. Det är inte ovanligt att flera larm utfärdas samtidigt, till exempel om den optiska sändningseffekten är för hög kan temperaturen också vara hög.

DDM stänger av och skyddar systemet när förinställda gränsvärden överskrids, men det kan även användas för att övervaka transceiverns driftsparametrar och låta operatörer se värden som rör sig åt fel håll innan de överskrider skadliga nivåer, vilket gör det möjligt att planera förebyggande underhåll.

MM-fiber och 1 km räckvidd

Konstruktörer av industriella styrnätverk kan använda Gigabit SFP-modulen 2891754 från Phoenix Contact för att stödja överföringar på upp till 1 km med hjälp av fiber som är utformad för en våglängd på 850 nm (figur 4). Modulen lämpar sig för industriella tillämpningar och har ett driftstemperaturområde på -40-85 °C och upp till 95 % luftfuktighet. Överföringsavståndet beror på vilken fiber som används:

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

Figur 4: Den optiska SFP-transceivern har en räckvidd på 1 km vid en våglängd på 850 nm och en OM4-kabel. (Bildkälla: DigiKey)

20km räckvidd med SM-fiber

SFP-modulen INT 506724 från Intelligent Network Solutions har stöd för dataöverföringar med 1000Base-LX på upp till 20 km i en single-mode 9/125 µm fiber med hjälp av en laser på 1310 nm. Den har stöd för DDM, och metallkapslingen minskar de elektromagnetiska störningarna (EMI) och ökar hållbarheten (Figur 5). Den har ett driftstemperaturområde från 0 till 70 °C och är specificerad för 10 till 85 % relativ fuktighet (RH).

Figur 5: SFP-modulen INT 506724 från Intelligent Network Solutions har stöd för dataöverföringar med 1000Base-LX på upp till 20 km över en single-mode 9/125 µm fiber med hjälp av en laser på 1310 nm. (Bildkälla: Intelligent Network Solutions)

SFP-transceivrar för 10 km

SFP-10G-BXD-I och SFP-10G-BXU-I från Cisco arbetar med SM-fiber och har stöd för överföringsavstånd på upp till 10 km när de ansluts till en port med SFP+. Transceivrarna har optisk interoperabilitet med gränssnitten 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 och 10GBASE XFP i samma länk och inkluderar DOM-funktioner som övervakar prestanda i realtid. När en SFP-10G-BXD-I används ansluts den alltid till en SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I sänder på en kanal med 1330 nm och tar emot en signal på 1270 nm, och SFP-10G-BXU-I sänder på våglängden 1270 nm och tar emot en signal på 1330 nm (figur 6).

Figur 6: Dessa optiska transceivers använder olika våglängder för att sända och ta emot data. (Bildkälla: Cisco Systems)

Administrerad switch för industriell Ethernet

Nätverkstekniker som behöver en administrerad switch för Gigabit Ethernet med åtta portar och fyra SFP-kombinationsportar samt Modbus-övervakning kan använda sig av Sixnet SLX-8MG-1 från Red Lion. SLX-8MG-1 har åtta portar för 10/100/1000Base-T(X) och fyra SFP-kombinationsportar (med stöd för fibertransceivrar med 100Base eller 1000Base). SLX-8MG är placerad i en smal härdad kapsling med DIN-skena för användning i krävande industriella miljöer och har stöd för redundanta 10-30 VDC-strömingångar samt ett driftstemperaturområde på -40 till 75 °C. Den har även fjärrövervakning via Modbus/TCP, avancerade säkerhetsfunktioner, utökad stöt- och vibrationskapacitet samt hög immunitet mot elektriskt buller och överspänningar.

Figur 7: Den administrerade Gigabit Ethernet-switchen SLX-8MG-1 har åtta 10/100/1000Base-T(X)-portar med fyra SFP-kombinationsportar (överst till vänster). (Bildkälla: Red Lion)

Sammanfattning

Hybridnätverk med fiberoptik och kopparledningar kan bidra till att förbättra driftseffektiviteten, stödja flexibel produktion, minska kostnaderna och garantera en säker och trygg drift i storskalig industriell verksamhet som olje- och gasraffinaderier och kemifabriker. Nätverkstekniker kan använda administrerade switchar för Gigabit Ethernet för att distribuera en blandning av kommunikationslänkar via fiberoptik och kopparledningar. Användning av MM- och SM-fiber ger stöd för optimala modala bandbredder och DDM-funktionen möjliggör förebyggande underhåll för att säkerställa maximal nätverkstid.