Kiedy Ethernet staje się ?przemysłowy? ? najważniejsze kwestie

Niektóre rodzaje switchy, ruterów, hubów, gatewayów, łączników oraz inny osprzęt sieciowy zostały dostosowane do bardziej wymagających warunków środowiska przemysłowego, gdzie sieć Ethernet wykorzystuje się do całkiem nowych dla niej zadań.

Nowoczesny osprzęt dla przemysłowych sieci Ethernet umożliwia tworzenie rozproszonych i bardziej niezawodnych sieci sterowania w zakładach produkcyjnych. Spełnienie przez te urządzenia sieciowe wysokich wymogów narzuconych przez wskaźniki NEMA 4x czy IP67 oznacza, iż sprzęt ten może być użytkowany w temperaturach od -40 do 85OC, w środowiskach zapylonych i wilgotnych, a gwarancja jego niezawodnej pracy obejmuje okres kilku lat. Wyższe koszty realizacji sieci Ethernetu przemysłowego zwracają się jednak, chociażby w postaci wydłużonego średniego okresu pomiędzy awariami, a to oznacza brak przerw w produkcji i strat danych o procesie.

Wszystko zależy od aplikacji. Przedstawiciele firmy Cisco Systems Inc., od lat budującej sieci wymiany danych, mają świadomość, że środowisko przemysłowe to dla nich niezwykle trudne i wymagające wyzwanie. Dlatego też firma ta zawarła umowę z dwoma innymi firmami Honeywell i Rockwell Automation, które mają większe doświadczenie i zrozumienie kwestii systemów sterowania dla przemysłu oraz konkretnych aplikacji i procesów produkcyjnych. 

Obudowy przemysłowe

Odpowiednia obudowa to podstawowy element stanowiący o możliwości wykorzystania urządzeń sieciowych w środowisku przemysłowym. W większości wypadków chodzi o zastosowanie materiałów zabezpieczających je przed wstrząsami, uderzeniami i niewielkimi uszkodzeniami mechanicznymi. Największe koszty dostosowania obudów do zastosowań przemysłowych to ich ochrona przed zniszczeniem oraz dopasowanie do standardowych racków montażowych ? 19". Istotny element w kwestii obudów elementów sieci przemysłowych to w niektórych aplikacjach także ich uszczelnienie przeciw przenikaniu pyłów, wody oraz innych substancji chemicznych. Tak zabezpieczone urządzenia mogą pracować bezawaryjnie nawet od 10 do 20 lat. Szczególnie ważne jest odpowiednie zabezpieczenie połączeń elektrycznych, które powinny gwarantować długookresową pewność połączenia. Warunki stosowania przemysłowych urządzeń sieciowych określają różne normy i dyrektywy. Sprzęt taki powinien pracować prawidłowo w warunkach ekstremalnych temperatur (IEEE- 472), wzmożonych wibracji (IEC 68-2-6) oraz w strefach niebezpiecznych (UL 1604, CSA C22.2/213 ? klasa 1., kategoria 1.). Różnice projektowe takich urządzeń wynikają z faktu, iż np. specyfikacje dotyczące przemysłowych switchy sieciowych są zwykle dwu- lub trzykrotnie ostrzejsze, niż dla porównywalnych switchy do zastosowań biurowych. Zaszeregowanie do klasy 1., kategorii 1. oznacza, iż switche takie mogą pracować w miejscach, gdzie dopuszcza się pojawienie substancji łatwopalnych, wybuchowych ? gazy, oleje itp. Wymagany stopień zabezpieczenia urządzenia sieciowego zależy również od tego, jak dany element jest eksponowany w miejscu montażu; ogólna zasad mówi: im większa ekspozycja, tym mocniejsze i skuteczniejsze zabezpieczenie.

Moduł sieciowy Lantronix XPort zapewnia obsługę połączeń sieciowych przemysłowego
Ethernetu dla serwonapędu SmartMotor firmy Animatics

Interferencja sygnałów

? Środowiska o dużej ilości zaburzeń elektromagnetycznych mogą pojawiać się wszędzie tam, gdzie pracują agregaty spawalnicze, napędy z regulowaną prędkością obrotową oraz piece indukcyjne. Urządzenia sieciowe stosowane w takich aplikacjach powinny mieć możliwość montażu w specjalnych szafach sterowniczych lub pracy indywidualnej. W tym drugim przypadku muszą one spełniać wymogi klasy bezpieczeństwa obudów IP67 ? wyjaśnia Skip Hansen, kierownik działu systemów We/Wy firmy Beckhoff Automation. ? Zaburzenia w środowisku wywołują również wszelkie elementy indukcyjne, silniki i sterowniki energoelektroniczne ? przyznaje Larry Komarek z firmy Phoenix Contact. ? Urządzenia dla sieci przemysłowego Ethernetu opracowywane z uwzględnieniem normy IEC 61000-4 są dwu- lub trzykrotnie bardziej odporne na tego typu zaburzenia w porównaniu z urządzeniami komercyjnymi, zwykle projektowanymi z uwzględnieniem zaleceń norm EN 55024 i 50082-1. W urządzeniach dla przemysłu należy stosować lepsze ekranowanie, którego skuteczność powinna być większa niż 20 dB.

Odporne okablowanie

? Obojętnie, czy urządzenia sieci przemysłowych są rozproszone i eksponowane, czy też zcentralizowane i osłonięte w szafie sterowniczej, zwykle popularne okablowanie dla sieci komercyjnych nie jest odpowiednio wytrzymałe do zapewnienia właściwej ochrony transmitowanych sygnałów oraz parametrów transmisji koniecznych w aplikacjach przemysłowych ? stwierdza Frank Koditek z firmy Belden.

W takich aplikacjach bowiem same urządzenia, jak i związane z nimi okablowanie, mogą być narażone na: ekstremalne temperatury, duże nasłonecznienie, działanie różnych substancji chemicznych, wilgoci itp. Niejednokrotnie możliwe jest również wystąpienie naprężeń mechanicznych w wyniku nadmiernego naciągnięcia kabli, ryzyko ich otarcia, zerwania lub ucięcia na skutek np. operacji mechanicznych w procesie produkcyjnym. Kable kategorii 5. i 6. umożliwiają zapobieżenie standardowym sytuacjom awaryjnym sieci, od postępującej utraty parametrów transmisyjnych, poprzez przerwy w transmisji, aż po całkowite zniszczenie połączenia kablowego.

Złącza ? awarie w sieci

Z okablowaniem nierozerwalnie związana jest kwestia doboru odpowiednich złącz i elementów łączeniowych. Niemal 70% awarii sieciowych pojawia się na skutek mechanicznych uszkodzeń kabli lub złącz. Chodzi tu np. o: obluzowanie się połączeń, ich zniszczenie, niewłaściwe połączenie w trakcie montażu, a także rozłączenia czy wyszarpnięcia załącz przy pracy wózków widłowych. Po prostu tradycyjne kable i łącza sieciowe nie są w stanie sprostać występującym w przemyśle przeciążeniom i zagrożeniom. Jest to możliwe dopiero po zastosowaniu specjalistycznych materiałów i technik projektowych. Na rynku występuje wiele typówkabli spełniających wymagania stawiane przez środowisko przemysłowe. Podobnie niektóre ze standardów sieci przemysłowych Ethernet może być bezpośrednio stosowanych w środowiskach wymagających zastosowania elementów łączeniowych we wskaźnikach odporności IP65 i IP67.

Firma Automation Direct oferuje modemy radiowe firmy Cirronet do komunikacji w aplikacjach przemysłowych. Moduły radiowe serii CR-SE dla sieci Ethernet zapewniają duży zasięg i szybkość transmisji danych pomiędzy urządzeniami sieciowymi 

Lepsze protokoły komunikacyjne

Uzupełnieniem oferty specjalnych urządzeń sieciowych, kabli i złącz przemysłowe aplikacje sieci Ethernet wymagają odpowiednich protokołów komunikacyjnych w warstwie fizycznej sieci. Wybór takiego protokołu zależy bezpośrednio od specyfiki i funkcji urządzeń występujących w danej aplikacji, jednak do najpopularniejszych spotykanych w praktyce należą: Modbus TCP, Ether- Net/IP oraz Profinet. Podstawowe parametry poprawione w protokołach przemysłowych w stosunku do sieci komercyjnych to m.in.: rozszerzony zakres temperatur działania sieci (-40 do 70OC), podwyższona wytrzymałość na wibracje i uderzenia, izolacja elektryczna i możliwość stosowania w strefach zagrożenia wybuchem klasy 1., kategorii 2.

Przedstawiciele firmy Rockwell Automation są przekonani, iż przemysłowe protokoły sieci Ethernet i wykorzystywane w nich urządzenia powinny mieć wbudowane odpowiednie procedury i algorytmy wykrywania błędów i samodiagnostyki, tak by sprostać sytuacjom możliwych przerw lub błędów transmisji. ? Na przykład w wielu protokołach zastosowano sumy kontrolne i potwierdzenia transmisji w celu okresowej weryfikacji jej poprawności, a np. w modułach We/Wy zaimplementowano możliwość wysyłania zdefiniowanych wcześniej przez użytkownika komunikatów diagnostycznych ? wyjaśnia jeden z pracowników firmy.

Nowoczesne switche eliminują kolizje komunikatów

Współczesne sieci Ethernet korzystają z najnowszych technik i algorytmów zwiększających niezawodność i szybkość komunikacji. ? Dzięki zastosowaniu nowoczesnych switchy tzw. kolizje komunikatów w sieci zostały praktycznie wyeliminowane. Switche takie stosują zaawansowane algorytmy tworzenia dróg przepływu komunikatów w sieci między urządzeniami sieciowymi, zapewniając deterministyczną pracę systemu komunikacji ? wyjaśnia Paul Wacker z firmy Advantech Inc. ? Na przykład stosowane w sieciach 10/100 Base-TX Ethernet sprzężenia magnetyczne i sygnały różnicowe zmniejszają zakłócenia powstające na skutek różnicy potencjałów uziemień pomiędzy urządzeniami sieciowymi, zewnętrznymi źródłami sygnałów elektromagnetycznych czy radiowych. Uzyskanie jeszcze większego poziomu ochrony wymaga użycia kabli światłowodowych ? dodaje Paul Wacker.

Przedstawiciele firmy Schneider Electric wspominają również o stosowanych w ich urządzeniach dodatkowych elementach bezpieczeństwa komunikacji i redundancji łącz transmisyjnych. Są nimi: funkcje inteligentnych tabel połączeń w elementach systemowych, filtrowanie indywidualnych adresów IP urządzeń sieciowych oraz zastosowanie łącz światłowodowych.

Instalacja i utrzymanie sieci

W związku z tym, że sieci przemysłowego Ethernetu stają się coraz bardziej popularne, zastępując dotychczasowe systemy sterowania, coraz częściej obsługiwane są bezpośrednio przez pracowników serwisu działów produkcyjnych, którzy dotychczas mieli styczność z klasycznymi systemami sterowania. ? Dlatego też interfejsy programów konfiguracyjnych sieci, okablowanie i zasady montażu elementów sieci powinnybyć podobne do znanej im konwencji stosowanej w systemach bazujących na klasycznych sterownikach PLC oraz w sieciach komercyjnych ? stwierdza Larry Komarek z firmy Phoenix Contact. ? W systemach teleinformatycznych interfejs konfiguracyjny ma konwencję okien DOS lub Windows. W opcji przemysłowej moduły pamięci, wyświetlacze itp. powinny mięć możliwość instalacji przez pracowników bez konieczności używania np. laptopów. Diagnostyka takich sieci powinna być możliwa z poziomu centralnej konsoli sterującej ? dodaje Larry Komarek.

Zastosowanie w urządzeniach sieciowych koncepcji samoobsługi jest korzystne szczególnie wówczas, gdy cała sieć przemysłowego Ethernetu bazuje na prostych interfejsach diagnostycznych oraz ma umożliwiać sprawną akwizycję danych czy zmianę konfiguracji sieci, np. przy użyciu stron WWW. Dzięki takim narzędziom personel utrzymania ruchu może samodzielnie zarządzać i monitorować sieć, zamiast oczekiwać na przybycie specjalistów z działu IT przedsiębiorstwa.

Kolejna ważna kwestia to względy praktyczne montażu i realizacji sieci. Większość stosowanych w nich switchy ma sztywne, wytrzymałe, metalowe obudowy, przystosowane np. do montażu na szynach DIN lub w tzw. rackach, podczas gdy te same urządzenia w wykonaniu komercyjnym nie są dostosowane do tych popularnych w przemyśle standardów montażu. Zwykle w elementach dla sieci przemysłowych stosowany jest również styk / wyjście alarmowe, pomocne w sytuacjach awaryjnych i umożliwiające zminimalizowanie czasu przestoju systemu oraz linii produkcyjnej.

Koszty zakupu oraz instalacji a koszty utrzymania sieci

Niekiedy zdarza się, że inwestorzy wybierają do zastosowań przemysłowych produkty dla sieci komercyjnych tylko ze względu na niższe koszty ich zakupu. Warto jednak pamiętać, że urządzenia dedykowane do zastosowań przemysłowych są droższe, ponieważ zastosowano w nich dodatkowe elementy bezpieczeństwa. Niemające ich urządzenia komercyjne, działające w surowych i wymagających środowiskach aplikacji przemysłowych, będą musiały podlegać częstszej wymianie na nowe. Jednak nawet firmy z ograniczonym kapitałem inwestycyjnym nie muszą już decydować się na zakup tańszych produktów dla sieci komercyjnych. Wiele firm zajmujących się wdrażaniem przemysłowego Ethernetu obniża bowiem wciąż ceny sprzętu, przy jednoczesnym wzroście jego funkcjonalności i bezpieczeństwa. To wynik rosnącej konkurencji w tej dziedzinie i ogólnej tendencji spadku cen w branży nowoczesnych technologii. Pojawia się również coraz częściej oferta wsparcia serwisowego oraz aktualizacji najnowszych bibliotek funkcji metodą online. Wszystko to sprzyja dalszemu rozwojowi i wzrostowi popularności rozwiązań sieciowych w przemyśle.

ce

Artykuł pod redakcją
dra inż. Andrzeja Ożadowicza,
adiunkta w Katedrze Automatyki
Napędu i Urządzeń
Przemysłowych w Akademii
Górniczo-Hutniczej w Krakowie 

Przemysłowy Ethernet: switche, huby, gatewaye

8-wejściowy hub do sieci przemysłowych

AC808 to hub dla przemysłowych sieci Ethernet, oferowany przez firmę B&R Industrial Automation. Może być stosowany w tradycyjnych sieciach oraz w wymagających sieciach czasu rzeczywistego Ethernet Powerlink, w dwu standardach szybkości transmisji ? 100 Mbit/sek (szybki Ethernet) i 10 Mbit/sek. Urządzenie automatycznie rozpoznaje dostępną w sieci szybkość i dostosowuje do niej konfigurację obsługiwanych kanałów ze złączami RJ45. Dzięki odpowiednim ustawieniom w połączeniach między wejściami hubów oraz między hubem i urządzeniami sieciowymi można stosować ten sam typ kabli transmisyjnych. Hub może być montowany pionowo lub poziomo na szynach montażowych, lub w określonych miejscach na urządzeniach przemysłowych.

B&R 

Przewodnik po sieci Ethernet przemysłowy w trybie online

Firma Contemporary Controls udostępnia w trybie online techniczny przewodnik (Contemporary Controls 

(Informacje zostały przygotowane na podstawie materiałów organizacji Venture Development Corp. (VDC) ? www.vdc-corp.com)

<//strong>