Design til robuste IoT-applikationer ved hjælp af industrial Ethernet-baserede strøm- og datanetværk

Ved at forbinde produktionsanlæg til internettet opnås effektivitets-, kvalitets- og produktivitetsforbedringer. Maskiner kan f.eks. programmeres og styres eksternt, data fra maskiner og processer kan løbende analyseres for at kontrollere, om der er fejl eller afvigelser i processen, og der kan foretages justeringer eksternt for at justere produktionen i et lukket feedback loop. På længere sigt kan dataene bruges til at planlægge fremtidig skalering og hurtigere integration af nye fremstillingsteknikker.

Selv om der er gode argumenter for konnektivitet, skal det nøje overvejes, hvordan denne konnektivitet opnås. Der er mange muligheder, men Ethernet er en tilgængelig og gennemprøvet løsning til fabriksnetværket. Det er den mest udbredte kabelbaserede netværksmulighed globalt set med god leverandørsupport og problemfri interoperabilitet med skyen. Endnu bedre er det, at kablerne kan bruges til at transportere strøm (Power over Ethernet (PoE)) og data, hvilket betyder, at ét sæt ledninger både kan understøtte netværket og forsyne tilsluttede sensorer, aktuatorer og andre enheder som f.eks. kameraer.

Standard Ethernet er dog ikke i stand til at klare den industrielle opgave. Hardwaren er ikke designet til at fungere pålideligt i et varmt, snavset og vibrationsfølsomt fabriksmiljø. Desuden er standard Ethernet-protokoller ikke-deterministiske og derfor ikke egnede til fabriksmiljøets behov, hvor produktionen kræver næsten realtidskontrol til styring af højhastighedsprocesser.

Industrial Ethernet giver alle fordelene ved standard Ethernet, men tilføjer robusthed og deterministisk software til blandingen. Det er en gennemprøvet og moden teknologi til industriel automatisering, der ikke kun gør det muligt at sende procesdata til skyen, men også at give en fjernsupervisor let adgang til drev, PLC'er og I/O-enheder på produktionsgulvet. En ændring af Ethernet-standarden, IEEE 802.3cg, bruger kun et enkelt par ledninger til datatransport, hvilket reducerer mængden og omkostningerne ved fabrikskabler.

I denne artikel diskuteres udfordringen med tilslutningsmuligheder til industrielle applikationer, inden forskellene mellem Ethernet og Industrial Ethernet skitseres. Artiklen behandler derefter brugen af PoE- og single pair Ethernet-teknologier (SPE), før den introducerer virkeligt hardware fra Amphenol, og hvordan det kan implementeres i et Industrial Ethernet-netværk.

Udfordringer med Ethernet for industrien

Mens Wi-Fi måske er den mest populære måde, hvorpå forbrugere opretter forbindelse til internettet, bruger erhvervslokaler typisk Ethernet-teknologi til LAN-teknologi (Local Area Network) til at forbinde computere og andet udstyr sammen.

I Ethernet's barndom brugte computere på netværket en enkelt bus til at kommunikere. Denne type netværk er den mest enkle konfiguration og er billig og nem at oprette. Det er dog relativt ineffektivt, fordi de tilsluttede computere konkurrerer om båndbredden, hvilket resulterer i overbelastning, tabte pakker og en markant reduktion af båndbredden.

Kontornetværk i dag anvender typisk stjerne-, træ- eller mesh-topologier, hvor switche styrer adgangen til netværket for at begrænse overbelastning og opretholde gennemstrømningen. Ethernet-trafikken styres af switchene, således at der kun sendes direkte meddelelser mellem de enheder, der skal kommunikere, i stedet for at sende dem ud over hele netværket (figur 1).

Figur 1: Ethernet-switche styrer adgangen til netværket for at begrænse overbelastning og opretholde gennemstrømning. (Billedkilde: Amphenol)

Ethernet er baseret på en standard, der løbende opdateres (IEEE 802.3), og Ethernet er gennemprøvet, sikkert og pålideligt og tilbyder gennemstrømningshastigheder på op til flere hundrede gigabyte (Gbytes). Selv om Ethernet ikke er en del af standarden, bruger det typisk TCP/IP (en del af Internet Protocol (IP)-pakken) til routing og transport, hvilket giver problemfri forbindelse til internettet. Det gør det også muligt for netværk at skalere med kabler, stik og switche, der er tilgængelige fra hundredvis af leverandører.

Ethernet har udviklet sig til at kombinere strøm og kommunikation over et enkelt Ethernet CAT 3- eller CAT 5-kabel, hvilket gør det muligt for ingeniører at opbygge Ethernet- og strømnetværk med lav vedligeholdelse hurtigt og billigt i forhold til installationer, der anvender separate systemer. Teknologien er blevet formaliseret under en IEEE-standard (Institute of Electrical and Electronics Engineers) kaldet PoE. De vigtigste fordele ved denne teknologi er dens enkelhed og det faktum, at strømmen er tilgængelig overalt, hvor der er en dataudgang. (Se "Introduktion til Power over Ethernet".)

Et nyligt ændringsforslag til Ethernet-specifikationen, IEEE 802.3cg, beskriver SPE-alternativet til at overføre data over et enkelt par i stedet for det multistrengede CAT 3- eller CAT 5-kabel i standard Ethernet eller PoE. SPE er velegnet til industrielle automatiseringsapplikationer, fordi det giver designere på markederne for fabriks- og bygningsautomatisering mulighed for at bruge velkendte Ethernet-baserede protokoller til langdistancekommunikation mellem industrielle controllere og sensorer, samtidig med at mængden af ledninger reduceres betydeligt (figur 2).

Figur 2: Single pair Ethernet er ved at blive en pladsbesparende og billig form for Ethernet til en række industrielle og kommercielle applikationer. (Billedkilde: Amphenol)

I princippet er Ethernet en ideel måde at forbinde et overvågningskontor til produktionen på, hvilket effektivt bygger bro over kløften mellem informationsteknologi (IT) og driftsteknologi (OT) netværk.

Produktionsfaciliteter medfører yderligere tekniske udfordringer ved implementering af Ethernet. For det første udgør fabrikker et farligt miljø for følsomme kabler, stik og kontakter. Miljøet er varmt, støvet og fyldt med kemikalier, som er uforenelige med de mere end 100 meter lange kabelløb, der er typiske for fabriksimplementeringer. Desuden er fugtighed og vibrationer ødelæggende for ledere og kontakter. Desuden er fabrikker fulde af store motorer, der konstant tændes og slukkes og forårsager spændingstransienter og elektromagnetisk interferens (EMI), som kan forstyrre Ethernet-kommunikationen.

For det andet er et produktionsanlæg fyldt med hurtigt bevægelige robotter og synkroniserede maskiner, der har brug for kontrol i realtid. Standard Ethernet's ikke-deterministiske kommunikationsmekanismer er dårligt rustet til at levere denne kontrolmulighed.

Industrial Ethernet-hardware

"Industrial Ethernet" er den fælles betegnelse for Ethernet-systemer, der er tilpasset til fabriksbrug. Sådanne systemer er kendetegnet ved robuste fysiske lag (PHY) og industrielle protokoller som ModbusTCP, PROFINET og Ethernet/IP. I modsætning til standard Ethernet-implementeringer bruger Industrial Ethernet desuden typisk linje- eller ring-topologier, fordi de hjælper med at forkorte kabelforløbene (hvilket begrænser EMI-effekten), sænker latenstiden og indbygger en vis grad af redundans.

Kablerne er robuste og omfatter afskærmning for at beskytte mod EMI, og stikkene er ligeledes beskyttet mod de hårde krav i industrielle omgivelser.

Producenterne kategoriserer deres produkters modstandsdygtighed i henhold til IP-klassifikationssystemet. IP-klassificeringen angiver produktets beskyttelsesgrad og er defineret i den internationale standard EN 60529. Ordningen består af to cifre. Den første repræsenterer beskyttelsesniveauet mod faste genstande, lige fra værktøj eller fingre, der kan være farlige, hvis de støder på elektriske ledere, til luftbåren snavs og støv, der kan beskadige kredsløb. Det andet ciffer angiver beskyttelsen mod vanddryp, vandsprøjt eller nedsænkning. Serien strækker sig fra IP00 (ingen beskyttelse mod støv eller vand) til IP69 (total beskyttelse mod støv og kraftige vandstråler med høj temperatur).

Industrial Ethernet-stik er typisk indkapslet i en række forskellige beskyttelseshuse op til IP67. I dette tilfælde betyder en vurdering på seks, at der ikke trænger skadeligt støv eller snavs ind i enheden, selv efter direkte kontakt med forureningen i otte timer. En vandbeskyttelsesgrad på syv betyder, at enheden kan nedsænkes i op til en meter ferskvand i 30 minutter uden at tage skade.

Ved valg af PHY'er, kabler og stik til Industrial Ethernet bør designeren kontrollere immuniteten over for EMI ved at scanne databladet for følgende IEC- og EN-standarder:

• IEC 61000-4-5 overspænding
• IEC 61000-4-4 elektrisk hurtig transient (EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 ledningsimmunitet
• EN 55032 udstrålede emissioner
• EN 55032 ledningsemissioner

Overholdelse af nogle af eller alle disse standarder giver sikkerhed for, at Industrial Ethernet-systemets EMI-præstationer i fabriksmiljøet vil være tilfredsstillende.

Robuste stik

Uanset om de er indbygget i maskinkontrolpaneler, Ethernet-switche eller kabler, er stik af afgørende betydning for Industrial Ethernet-systemets ydeevne. Uden omhyggelig udvælgelse kan en enkelt fejl i et enkelt stik under stress i højhastighedsproduktion medføre, at maskiner til millioner af dollars går i stykker eller går i stå.

Der er flere leverandører, der tilbyder gennemprøvede og pålidelige Industrial Ethernet-stik til en række Ethernet-, PoE- og SPE-applikationer. Amphenols Industrial IP6X rektangulære push-pull-stik og kabelløsning giver f.eks. CAT 6A Ethernet-tilslutning ved hjælp af IEC 61076-3-124-grænsefladen og fuld forsegling i henhold til IP65-, IP66- og IP67-specifikationerne. Stikkene er især beregnet til brug i Industrial Ethernet-applikationer, der kræver ekstra miljøbeskyttelse, og de er velegnede til ethvert indendørs eller udendørs robust/hårdhændet miljø.

Familien omfatter det rektangulære NDHN200 IP67-stikhus til panelmontering, som er vist i figur 3. NDHN3A2 10-positions, multifunktionel, loddefri stikforbindelse (Figur 4) er designet til at passe til NDHN200. Stikforbindelsen har en smæklås og en afskærmet formstøbning. Den har en kapacitet på 50 volt AC eller 60 volt DC, 1,5 ampere (A) og kan kobles/afkobles op til 250 gange.

Figur 3: NDHN200 er et IP67-klassificeret rektangulært stikhus til industrial Ethernet-applikationer. (Billedkilde: Amphenol)

Figur 4: NDHN3A2 er et IP67-stikstik, der omfatter en smæklås og en afskærmet formstøbning. (Billedkilde: Amphenol)

Amphenol har også lanceret SPE-stik til Ethernet-tilslutning af perifere enheder som sensorer, aktuatorer og kameraer, der fungerer med hastigheder på op til en gigabit pr. sekund (Gbit/s). SPE-formfaktoren reducerer størrelse, vægt og omkostninger i forhold til standard Ethernet. Stikkene er IP67-klassificerede og har en cirkulær M12-størrelse. De passer til stik, der kan afsluttes i marken, og giver en fuldstændig afskærmet med låsfunktioner. Deres spændings-/strømhåndteringskapacitet på 60 volt DC og op til 4 A understøtter PoE over en afstand på op til 1 kilometer (km). Et eksempel er MSPEJ6P2B02, et 2P2C SPE-stik (Figur 5)

Figur 5: MSPEJ6P2B02 IP67 SPE-stikket leveres i den populære cirkulære M12-størrelse. (Billedkilde: Amphenol)

Virksomheden tilbyder også et lignende udvalg af SPE-stik med et rektangulært stikformat, der er klassificeret til IP20 i stedet for IP67. Løsningen har samme elektriske ydeevne som M12-serien, men er billigere. Et eksempel er det modulære MSPE-P2L0-2A0 SPE-stik (Figur 6).

Figur 6: Det modulære MSPE-P2L0-2A0 SPE IP20-stik er en omkostningseffektiv løsning til mindre farlige miljøer. (Billedkilde: Amphenol)

Industrial Ethernet-protokoller

Standard Ethernet-kommunikationsmekanismen er tilfredsstillende til den relativt rolige trafik på et kontor eller i en lille virksomhed. Men denne mekanisme er modtagelig for afbrydelser og tabte pakker, hvilket resulterer i den øgede latenstid, der gør den uegnet til de næsten realtidskrav, der stilles i en hurtigt bevægende og synkroniseret produktionslinje. Som nævnt kræver et sådant miljø en deterministisk protokol for at sikre, at maskininstruktionerne kommer frem til tiden hver gang, uanset hvor stor belastningen på netværket er.

For at overvinde denne udfordring suppleres Industrial Ethernet-hardware med tilsvarende "industriel" software. Der findes flere gennemprøvede Industrial Ethernet-protokoller, herunder Ethernet/IP, ModbusTCP og PROFINET. De er alle designet til at sikre determinisme i industrielle automatiseringsapplikationer.

Forskellen mellem Ethernet- og Industrial Ethernet-software kan bedst beskrives ved at se på ISO/OSI's syv-lags abstraktionsmodel ("stack"), som omfatter PHY-, data link-, netværks-, transport-, sessions-, præsentations- og applikationslag. Standard Ethernet omfatter PHY-, dataforbindelses-, netværks- og transportlagene (som bruger enten TCP/IP eller UDP/IP som transport) og kan betragtes som en kommunikationsmekanisme, der giver effektivitet, hastighed og alsidighed.

I modsætning hertil bruger Industrial Ethernet-protokollerne, f.eks. PROFINET, applikationslaget i Industrial Ethernet-stakken. PROFINET er en kommunikationsprotokol, der er designet til at udveksle oplysninger mellem maskiner og controllere i en automatiseringsmiljø, og som anvender standard Ethernet som kommunikationsmekanisme (Figur 7).

Figur 7: ISO/OSI-abstraktionsmodellen i syv lag, der repræsenterer Industrial Ethernet-softwarestakken. Industrial Ethernet-protokoller som f.eks. PROFINET befinder sig i applikationslaget. (Billedkilde: Profinet)

Industrial Ethernet-software kan også udnytte andre protokoller, der er designet specielt til at sende data til skyen. Eksempler herpå er protokoller som MQTT eller SNMP.

Konklusion

For at tage højde for fabrikkens barske miljø og realtidskrav bruger Industrial Ethernet robust hardware såsom switche, kabler og stik samt industriel software til pålideligt at forbinde fabrikkens IT- og OT-netværk.

Som det fremgår, gør gennemprøvede kommercielle stikløsninger det nemt for ingeniører at udnytte Industrial Ethernet til at programmere og styre industriel automatisering med høj hastighed, samtidig med at de indsamler de data, der er nødvendige for at forbedre og skalere produktionsaktiviteterne.