Hvordan man implementerer hybride styringsnetværk i industrielle applikationer

Industrielle komplekser som olie- og gasraffinaderier, kemiske anlæg, terminaler for flydende naturgas og lignende faciliteter er enorme og udfordres til at forbedre driftseffektiviteten, understøtte fleksibel produktion, reducere omkostningerne og sikre sikker drift. Den kontinuerlige karakter af produktionsprocesserne øger udfordringerne. For at sikre optimal drift skal industrielle styringsnetværk i disse anlæg konstant overvåge temperatur, tryk, vibrationer, flow og andre parametre på tusindvis af steder. Netværk kan strække sig over flere kilometer (km) og kræver forskellige kobber- og fiberoptiske datakommunikationsteknologier til at understøtte en række enheder, fra sensorer med lav båndbredde til realtidskontrol og sikkerhedsudstyr med højere båndbredde.

For at opfylde disse forskellige krav skal netværksingeniører implementere en optimal blanding af kobber og forskellige typer fiberoptiske kommunikationsenheder, der alle er forbundet med kompakte Industrial Ethernet-switche med redundante strømkilder, brede driftstemperaturer, fjernovervågning og avancerede sikkerhedsfunktioner.

Denne artikel begynder med en kort oversigt over Industrial Ethernet (IE), herunder behovet for hybride fiber/kobber-datakommunikationsnetværk med særlig fokus på fiberoptik. Den sammenligner single mode (SM) og multimode (MM) fibre, ser på standarder for hot-pluggable fiberoptiske moduler, og hvordan digital diagnostisk overvågning (DDM) af fiberoptiske moduler fungerer, og præsenterer derefter en række fiberoptiske datakommunikationsenheder fra Cisco Systems, Phoenix Contact og Intelligent Network Solutions samt en administreret Industrial Ethernet switch med en blanding af kobber- og fiberoptiske porte i et hærdet IP40-kabinet fra Red Lion Controls.

IE er baseret på brugen af Ethernet-protokoller med switche med udvidet temperaturområde og robuste forbindelser, der kan modstå barske miljøer. IE kan understøtte realtidsstyring og determinisme og implementeres ved hjælp af en række kommunikationsprotokoller som EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET og Modbus TCP.

IE-netværk forventes at give en vis grad af interoperabilitet mellem ældre og nuværende systemer og stadig give en forudsigelig ydeevne og være lette at vedligeholde for at maksimere driftstiden. Der anvendes ofte en kombination af kobber- og fiberoptiske forbindelser i store anlæg. Når det er hensigtsmæssigt, kan kobber være et billigere alternativ. Ved at bruge fiberoptik kan man imidlertid reducere problemerne med elektrisk støj, give elektrisk isolation og støtte meget længere forbindelseslængder, hvilket kan være særligt nyttigt i store og spredte industrikomplekser.

MM- vs. SM-fiber

Lyset bevæger sig ned gennem en optisk fiber, fordi den uoverensstemmelse i det optiske indeks mellem kernen og kappen forårsager total intern refleksion. Diameteren på kernen er afgørende og definerer den kegle, der definerer de vinkler, hvor lys, der kommer ind i fiberen, kan fortsætte med at sprede sig. SM-fibre anvender en lille kerne på 10 mikrometer (µm), som kun kan understøtte én udbredelsestilstand, den såkaldte grundtilstand. MM-optiske fibre har store kerne-diametre i forhold til lysets bølgelængde. Disse større kerner styrer samtidig mange lysmodes, også kaldet stående bølgemønstre, af lys (figur 1). ISO/IEC 11801-standarden definerer fem klasser af MM-fibre baseret på to kernestørrelser og forskellige båndbreddekarakteristika: OM1, OM2, OM3, OM3, OM4 og OM5. Fiberoptiske kabler kan kategoriseres på grundlag af kernen og kablets diameter. F.eks. henviser 62,5/125 µm til OM1 MM. 50/125 µm-kabler anvendes til OM2, OM3, OM4 og OM5 MM, og 10/125 µm er et eksempel på et SM-kabel.

Figur 1: MM-fibre er relativt store i diameter og kan transmittere mange lysformer på samme tid. (Billedkilde: Cisco Systems)

MM-fibre kan drives med LED-kilder (lysdioder), men i design med højere ydeevne anvendes VCSEL'er (vertical cavity surface emitting lasers). Ved hjælp af VCSEL'er kan MM-fibernetværk levere multi gigabit-datahastigheder.

De fem kategorier af MM-fibre er baseret på lysbølgelængde (i nanometer, nm), kernediameter i μm og modal båndbredde. Modal båndbredde er et mål for den maksimale signalhastighed i megahertz (MHz) for en given afstand i km eller den maksimale afstand for en given signalhastighed og er produktet af båndbredden og afstanden, MHz-km. Når afstanden halveres for et givet kabel, fordobles den maksimale signalhastighed for et givet kabel, når afstanden halveres. De MM-fibersystemer, der er defineret i ISO/IEC 11801, er følgende:

• OM1: 62,5 μm kerne med en mindste modal båndbredde på 200 MHz-km ved 850 nm
• OM2: 50 μm kerne med en mindste modal båndbredde på 500 MHz-km ved 850 nm
• OM3: 50 μm kerne med en mindste modal båndbredde på 2000 MHz-km ved 850 nm
• OM4: 50 μm kerne med en mindste modal båndbredde på 4.700 MHz-km ved 850 nm
• OM5: 50 μm kerne med en mindste modal båndbredde på 4.700 MHz-km ved 850 nm og 2.470 MHz-km ved 953 nm

OM3-standarden blev udviklet til at understøtte IEEE 802.3 10GbE Ethernet-standarden. Når OM3 MM-kabler anvendes med VCSEL-modulation, kan de levere 10 gigabit pr. sekund (Gb/s) på afstande på op til 300 meter (m). I de fleste tilfælde er OM3 MM fiberforbindelser de mest omkostningseffektive løsninger til applikationer på op til ca. 500 m. OM4 MM-forbindelser kan understøtte afstande på op til 1 km. Til længere afstande og højere datahastigheder er der behov for SM-fibre.

SFP til kobber og fiber

SFP-grænsefladen (Small Form Factor Pluggable) er et kompakt, hotpluggable netværksmodulformat, der anvendes til datakommunikation og telekommunikationsnetværk. En SFP-grænseflade på netværkshardware som f.eks. en Ethernet-switch er et modulært slot til en mediespecifik transceiver, f.eks. et kobber- eller fiberoptisk kabel. SFP'er gør det muligt at udstyre porte med forskellige typer transceivere efter behov. SFP'en erstattede den tidligere udviklede og større gigabit-interfacekonverter (GBIC) og kaldes nogle gange "mini-GBIC". Small Form Factor Committee har specificeret formfaktoren, mekaniske låsesystemer og elektriske grænseflader gennem en aftale med flere kilder, MSA SFF-8472 (figur 2). Ud over standard SFP-grænseflader kan der opnås højere hastigheder ved hjælp af SFP+ til op til 10 Gbit/s og SFP28 til hastigheder på 25 Gbit/s.

Figur 2: Mekaniske elementer i et fiberoptisk SPF-modul, der fremhæver låsemekanismerne og de fiberoptiske og elektriske forbindelser. (Billedkilde: Intelligent Network Solutions og Jeff Shepard)

Der findes SFP fiberoptiske transceivere, som understøtter synkront optisk netværk (SONET), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, passivt optisk netværk (PON) og andre kommunikationsstandarder.

Digital diagnostisk overvågning

MSA SFF-8472 definerer også DDM-funktionerne for fiberoptiske transceivere. DDM kaldes undertiden digital optisk overvågning (DOM). Med DDM kan netværksadministratorer overvåge optisk input/output-effekt, temperatur, laser bias-strøm og transceiverforsyningsspænding i realtid (Figur 3). DDM er en udvidelse af den serielle ID-grænseflade, der er defineret i GBIC-specifikationen. DDM indeholder alarmer og advarselsflag, der sender advarsler, hvis driftsparametrene ligger uden for fabriksindstillingen for normal drift.

Figur 3: DDM kan overvåge ydeevnen for optiske SFP-transceivere og sende advarsler, hvis nogle parametre falder uden for de nominelle driftsområder. (Billedkilde: Intelligent Network Solutions)

DDM er designet til at hjælpe med at forudsige fejl og støtte forebyggende vedligeholdelse for at sikre maksimal netværksoptid. Producenten af transceiveren indstiller DDM-tærskelværdier for forskellige parametre. Drift af transceiveren over alle tærskelværdier vil resultere i forringet ydeevne og potentielt forårsage transmissionsfejl. Transceiveren sender en alarm, når en parameterværdi overskrider en bestemt tærskelværdi. Desuden stopper modulet med at sende data, og modtageren nægter at modtage nogen meddelelser. Det er ikke ualmindeligt, at der udstedes flere alarmer på én gang; hvis f.eks. den optiske transmissionseffekt er for høj, kan temperaturen også være høj.

Mens DDM lukker ned og beskytter systemet, når forudindstillede tærskler overskrides, kan det også bruges til at overvåge transceiverens driftsparametre og lade operatørerne se værdier, der bevæger sig i den forkerte retning, før de overskrider skadelige niveauer, så der kan planlægges forebyggende vedligeholdelse.

MM fiber og 1 km rækkevidde

Designere af industrielle styringsnetværk kan bruge 2891754 Gigabit SFP-modulet fra Phoenix Contact til at understøtte transmissioner på op til 1 km ved hjælp af fibre, der er designet til at fungere med en bølgelængde på 850 nm (figur 4). Dette modul er velegnet til industrielle applikationer og har et driftstemperaturområde på -40 til 85 °C og op til 95 % luftfugtighed. Overførselsafstanden afhænger af den anvendte fiber:

• 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: Denne optiske SFP-transceiver har en rækkevidde på 1 km, når den fungerer med en bølgelængde på 850 nm og et OM4-kabel. (Billedkilde: DigiKey)

20 km rækkevidde med SM fiber

Intelligent Network Solutions' INT 506724 SFP-modul understøtter 1000Base-LX-datatatransmissioner på op til 20 km over en single-mode 9/125 µm fiber ved hjælp af en 1310 nm laser. Den understøtter DDM, og metalhuset reducerer elektromagnetisk interferens (EMI) og øger holdbarheden (Figur 5). Den har et driftstemperaturområde fra 0 til 70 °C og er specificeret til 10 til 85 % relativ luftfugtighed (RH).

Figur 5: Intelligent Network Solutions' INT 506724 SFP-modul understøtter 1000Base-LX-datatatransmissioner på op til 20 km over en single-mode 9/125 µm fiber ved hjælp af en 1310 nm laser. (Billedkilde: Intelligent Network Solutions)

10 km SFP-transceivere

SFP-10G-BXD-I og SFP-10G-BXU-I fra Cisco fungerer med SM-fibre og understøtter transmissionsafstande på op til 10 km, når de tilsluttes til en SFP+ port. Disse transceivere har optisk interoperabilitet med 10GBASE XENPAK-, 10GBASE X2- og 10GBASE XFP-grænseflader på samme link og omfatter DOM-funktioner til overvågning af realtidspræstation. Når en SFP-10G-BXD-I anvendes, forbindes den altid med en SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I sender en 1330-nm-kanal og modtager et 1270-nm-signal, og SFP-10G-BXU-I sender ved en 1270-nm-bølgelængde og modtager et 1330-nm-signal (figur 6).

Figur 6: Disse optiske transceivere bruger forskellige bølgelængder til at sende og modtage data. (Billedkilde: Cisco Systems)

Industriel Ethernet-styret switch

Netværksingeniører, der har brug for en administreret Gigabit Ethernet-switch med 12 porte, som har otte porte med fire SFP-kombinationsporte og Modbus-overvågning, kan vælge Sixnet SLX-8MG-1 fra Red Lion. SLX-8MG-1 har otte 10/100/1000Base-T(X)-porte med fire SFP-combo-porte (understøtter 100Base- eller 1000Base-fibertransceivere). SLX-8MG er indbygget i et slankt, hærdet DIN-skinnekabinet af metal til brug i udfordrende industrielle miljøer og understøtter redundante 10-30 VDC strømindgange og et driftstemperaturområde på -40 til 75 °C. Den omfatter også Modbus/TCP-fjernovervågning, avancerede sikkerhedsfunktioner, udvidet stød- og vibrationsdygtighed samt høj elektrisk støj- og overspændingsimmunitet.

Figur 7: Den administrerede SLX-8MG-1 Gigabit Ethernet-switch har otte 10/100/1000Base-T(X)-porte med fire SFP-combo-porte (øverst til venstre). (Billedkilde: Red Lion)

Konklusion

Hybridnetværk med fiberoptik og kobber kan bidrage til at forbedre den operationelle effektivitet, understøtte fleksibel produktion, reducere omkostningerne og sikre sikker drift i store industrielle operationer som olie- og gasraffinaderier og kemiske fabrikker. Netværksingeniører kan bruge administrerede Gigabit Ethernet-switche til at implementere en blanding af fiberoptiske og kobberkommunikationsforbindelser. Ved at bruge MM- og SM-fibre understøttes optimale modale båndbredder, og ved at inkludere DDM-funktionen er det muligt at foretage forebyggende vedligeholdelse for at sikre maksimal netværksoptid.