Wdrażanie hybrydowych sieci sterowania w przemyśle

Kompleksy przemysłowe, np. rafinerie ropy naftowej i gazu, zakłady chemiczne, terminale skroplonego gazu ziemnego i tym podobne obiekty, mają ogromne rozmiary i muszą sprostać wyzwaniom związanym z poprawą wydajności operacyjnej, elastyczną produkcją, redukcją kosztów oraz bezpiecznym działaniem. Ciągły charakter procesów produkcyjnych tylko utrudnia sprostanie tym wyzwaniom. Aby zapewnić optymalne działanie, przemysłowe sieci sterowania w tych obiektach muszą umożliwiać stałe monitorowanie temperatur, ciśnień, drgań, przepływów i innych parametrów w tysiącach lokalizacji. Sieci mogą rozciągać się na wiele kilometrów i wymagają różnych technologii kabli miedzianych i światłowodowych w celu obsługi szerokiego zakresu urządzeń, od czujników o niskiej przepustowości do urządzeń sterujących w czasie rzeczywistym i zabezpieczających o wyższej przepustowości.

Chcąc spełnić tak różnorodne wymagania, inżynierowie sieciowi muszą wdrażać optymalne zestawy urządzeń komunikacyjnych połączonych za pomocą kabli miedzianych i światłowodowych z kompaktowymi przełącznikami przemysłowej sieci Ethernet wyposażonymi w redundantne źródła zasilania oraz zaawansowane funkcje bezpieczeństwa, działającymi w szerokim zakresie temperatur i umożliwiającymi zdalne monitorowanie.

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od krótkiego omówienia przemysłowej sieci Ethernet (IE), w tym zapotrzebowania na hybrydowe światłowodowe/miedziane sieci transmisji danych ze szczególnym uwzględnieniem światłowodów. Zawiera on porównanie światłowodów jednomodowych (SM) i wielomodowych (MM), analizę standardów modułów światłowodowych podłączanych na gorąco oraz sposób działania cyfrowego monitoringu diagnostycznego (DDM) modułów światłowodowych. Następnie przedstawia szereg światłowodowych urządzeń do transmisji danych firm Cisco Systems, Phoenix Contact i Intelligent Network Solutions oraz przełącznik przemysłowej sieci Ethernet z połączeniem portów kabli miedzianych i światłowodowych we wzmocnionej obudowie o klasie odporności IP40 firmy Red Lion Controls.

Przemysłowa sieć IE opiera się na wykorzystaniu protokołów Ethernet z przełącznikami działającymi w rozszerzonym zakresie temperatur i wytrzymałymi połączeniami odpornymi na trudne warunki środowiskowe. Sieć IE może obsługiwać sterowanie w czasie rzeczywistym i determinizm. Jest wdrażana z wykorzystaniem różnych protokołów komunikacyjnych, takich jak EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET i Modbus TCP.

Przewiduje się, że sieci IE zapewnią pewien poziom interoperacyjności pomiędzy starszymi i obecnymi systemami, przewidywalne parametry działania oraz będą łatwe w utrzymaniu w celu maksymalizacji czasu ich pracy. W dużych obiektach często stosuje się kombinację połączeń miedzianych i światłowodowych. W odpowiednich przypadkach miedź może stanowić tańszą alternatywę. Jednak zastosowanie światłowodów może zmniejszyć problemy związane z zakłóceniami elektrycznymi, zapewnić izolację elektryczną i pozwalać na znacznie większe długości połączeń, co może być szczególnie przydatne w dużych i rozproszonych kompleksach przemysłowych.

Porównanie światłowodów wielomodowych (MM) i jednomodowych (SM)

Światło przemieszcza się przez włókno światłowodowe, ponieważ niedopasowanie współczynników optycznych pomiędzy rdzeniem a okładziną powoduje całkowite odbicie wewnętrzne. Średnica rdzenia jest najważniejsza i definiuje stożek akceptacji zawierający kąty, pod którymi światło wpadające do światłowodu może dalej się rozchodzić. Włókno jednomodowe (SM) wykorzystuje mały rdzeń 10µm, który może obsługiwać tylko jeden tryb propagacji zwany modem podstawowym. Światłowody wielomodowe (MM) mają duże średnice rdzenia w stosunku do roboczej długości fali światła. Większe rdzenie obsługują jednocześnie wiele modów przewodzenia światła zwanych również wzorcami fal stojących (ilustracja 1). Norma ISO/IEC 11801 definiuje pięć klas włókien wielomodowych (MM) w oparciu o dwa rozmiary rdzenia i charakterystykę przepustowości: OM1, OM2, OM3, OM4 oraz OM5. Kable światłowodowe mogą być kategoryzowane na podstawie średnicy rdzenia i kabla. Na przykład 62,5/125µm odnosi się do kabla wielomodowego (MM) OM1. Kable 50/125µm są używane z wielomodowymi kategoriami OM2, OM3, OM4 i OM5, natomiast 10/125µm jest przykładem kabla jednomodowego (SM).

Ilustracja 1: włókna wielomodowe (MM) mają stosunkowo dużą średnicę i mogą obsługiwać transmisję wielu modów światła w tym samym czasie. (Źródło ilustracji: Cisco Systems)

Włókna wielomodowe (MM) mogą współpracować z diodami elektroluminescencyjnymi (LED), ale bardziej wydajne projekty wykorzystują lasery o emisji powierzchniowej z wnęką pionową (VCSEL). Zastosowanie technologii laserowej VCSEL w sieciach opartych na światłowodach wielomodowych (MM) zapewnia wielogigabitową szybkość przesyłu danych.

Pięć kategorii włókien wielomodowych (MM) opiera się na długości fali świetlnej (w nanometrach, nm), średnicy rdzenia w μm i przepustowości modalnej. Przepustowość modalna jest miarą maksymalnej szybkości sygnału wyrażoną w megahercach (MHz) dla danej odległości podanej w km lub maksymalnej odległości dla danej przepływności i jest iloczynem szerokości pasma i odległości - MHz·km. Dla danego kabla, po zmniejszeniu odległości o połowę maksymalna przepływność podwaja się. Klasy włókien wielomodowych (MM) zdefiniowane przez normę ISO/IEC 11801:

• OM1: rdzeń 62,5μm, minimalna przepustowość modalna 200MHz·km przy 850nm
• OM2: rdzeń 50μm, minimalna przepustowość modalna 500MHz·km przy 850nm
• OM3: rdzeń 50μm, minimalna przepustowość modalna 2000MHz·km przy 850nm
• OM4: rdzeń 50μm, minimalna przepustowość modalna 4700MHz·km przy 850nm
• OM5: rdzeń 50μm, minimalna przepustowość modalna 4700MHz·km przy 850nm oraz 2470MHz·km przy 953nm

Standard OM3 został opracowany z myślą o obsłudze standardu Ethernet IEEE 802.3 10GbE. W przypadku zastosowania modulacji VCSEL kable wielomodowe (MM) OM3 mogą dostarczać 10Gb/s na odległość do 300m. W większości przypadków wielomodowe (MM) łącza światłowodowe OM3 są najbardziej opłacalnymi rozwiązaniami dla zastosowań do około 500m. Łącza wielomodowe (MM) OM4 mogą obsługiwać odległości do 1km. W przypadku większych odległości i wyższych szybkości przesyłu danych potrzebne są włókna jednomodowe (SM).

SFP dla kabli miedzianych i światłowodowych

Interfejs Small Form-factor Pluggable (SFP) to kompaktowy, podłączany na gorąco format modułu sieciowego stosowany w sieciach teleinformatycznych i telekomunikacyjnych. Interfejs SFP w sprzęcie sieciowym, np. przełączniku Ethernet, jest modularnym gniazdem dla nadajniko-odbiornika charakterystycznego dla danego nośnika, takiego jak kabel miedziany lub światłowodowy. Interfejs SFP umożliwia wyposażenie portów w różne typy nadajniko-odbiorników w zależności od potrzeb. Interfejs SFP zastąpił wcześniej opracowany i większy gigabitowy konwerter interfejsu (GBIC) i jest czasami nazywany „mini-GBIC”. Komitet Small Form Factor Committee określił rozmiary, współzależne blokady mechaniczne i interfejsy elektryczne dzięki wielostronnej umowie MSA SFF-8472 (ilustracja 2). Oprócz standardowych interfejsów SFP, wyższe prędkości można uzyskać, stosując SFP+ dla prędkości do 10Gbit/s oraz SFP28 dla 25Gbit/s.

Ilustracja 2: elementy mechaniczne światłowodowego modułu SPF z uwzględnieniem mechanizmów blokujących oraz połączeń światłowodowych i elektrycznych. (Źródło ilustracji: Intelligent Network Solutions oraz Jeff Shepard)

Na rynku dostępne są nadajniko-odbiorniki światłowodowe SFP obsługujące synchroniczne sieci optyczne (SONET), technologie Gigabit Ethernet, Fibre Channel, pasywne sieci optyczne (PON) i inne standardy komunikacyjne.

Cyfrowe monitorowanie diagnostyczne

Dokument MSA SFF-8472 definiuje również funkcje cyfrowego monitorowania diagnostycznego (DDM) nadajniko-odbiorników światłowodowych. Cyfrowe monitorowanie diagnostyczne (DDM) DDM jest niekiedy nazywane cyfrowym monitorowaniem optycznym (DOM). Cyfrowe monitorowanie diagnostyczne (DDM) pozwala administratorom sieci na monitorowanie optycznej mocy wejściowej i wyjściowej, temperatury, prądu polaryzacji lasera i napięcia zasilania nadajniko-odbiornika w czasie rzeczywistym (ilustracja 3). Monitorowanie DDM jest rozszerzeniem szeregowego interfejsu ID zdefiniowanego w specyfikacji GBIC. Monitorowanie DDM zawiera alarmy i ostrzeżenia, które wysyłają alerty, jeśli parametry pracy przekroczyły fabryczne ustawienia dla normalnej pracy.

Ilustracja 3: cyfrowe monitorowanie diagnostyczne (DDM) może monitorować działanie nadajniko-odbiorników optycznych SFP i wysyłać alerty, jeśli jakiekolwiek parametry przekroczą nominalny zakres roboczy. (Źródło ilustracji: Intelligent Network Solutions)

Monitorowanie DDM zostało zaprojektowane, aby pomóc w przewidywaniu awarii i konserwacji zapobiegawczej w celu zapewnienia maksymalnego czasu pracy sieci. Producenci nadajniko-odbiornika ustawiają wartości progowe różnych parametrów monitorowania DDM. Praca nadajniko-odbiornika poza jakimikolwiek wartościami progowymi powoduje pogorszenie parametrów działania i potencjalne błędy w transmisji. Nadajniko-odbiornik wysyła alarm, gdy parametr przekroczy określoną wartość progową. Ponadto moduł przestanie transmitować dane, a odbiornik odmówi przyjęcia jakichkolwiek komunikatów. Nierzadko generowanych jest kilka alarmów jednocześnie, na przykład jeśli moc optyczna nadawania jest zbyt wysoka, temperatura również może być wysoka.

Chociaż monitorowanie DDM wyłącza i zabezpiecza system po przekroczeniu ustawionych wartości progowych, może być również wykorzystane do monitorowania parametrów pracy nadajniko-odbiornika i wykrywania wartości, które zmierzają w nieodpowiednim kierunku, zanim przekroczą szkodliwy poziom, umożliwiając zaplanowanie konserwacji zapobiegawczej.

Włókno wielomodowe (MM) i zasięg 1km

Projektanci przemysłowych sieci sterowania mogą zastosować moduł Gigabit SFP 2891754 firmy Phoenix Contact do obsługi transmisji na odległość do 1km przy użyciu światłowodów przeznaczonych do pracy z falami o długości 850nm (ilustracja 4). Nadaje się on do zastosowań przemysłowych i charakteryzuje zakresem temperatur roboczych od -40 do 85°C przy wilgotności do 95%. Odległość przesyłu jest uzależniona od zastosowanego włókna:

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

Ilustracja 4: nadajniko-odbiornik optyczny SFP o zasięgu 1km przy długości fali 850nm oraz kabel OM4. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Zasięg 20km przy zastosowaniu włókna jednomodowego (SM)

Moduł SFP INT 506724 firmy Intelligent Network Solutions obsługuje transmisje danych 1000Base-LX na odległość do 20km przez jednomodowe włókno 9/125µm przy zastosowaniu lasera 1310nm. Obsługuje monitorowanie DDM, a metalowa obudowa pozwala na zmniejszenie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), zwiększając trwałość urządzenia (ilustracja 5). Zakres temperatur roboczych modułu to 0-70°C przy wilgotności względnej (RH) od 10 do 85%.

Ilustracja 5: moduł SFP INT 506724 firmy Intelligent Network Solutions obsługuje transmisje danych 1000Base-LX na odległość do 20km przez jednomodowe włókno 9/125µm przy zastosowaniu lasera 1310nm. (Źródło ilustracji: Intelligent Network Solutions)

Nadajniko-odbiorniki SFP o zasięgu 10km

Nadajniko-odbiorniki SFP-10G-BXD-I i SFP-10G-BXU-I firmy Cisco współpracują ze światłowodem jednomodowym (SM) i po podłączeniu do portu SFP+ obsługują odległości transmisji do 10km. Charakteryzują się optyczną interoperacyjnością z interfejsami 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 oraz 10GBASE XFP na tym samym łączu i posiadają funkcje DOM monitorujące parametry działania w czasie rzeczywistym. Urządzenie SFP-10G-BXD-I zawsze łączy się z urządzeniem SFP-10G-BXU-I. Urządzenie SFP-10G-BXD-I nadaje na kanale o długości fali 1330nm i odbiera sygnał o długości fali 1270nm, natomiast urządzenie SFP-10G-BXU-I nadaje sygnał o długości fali 1270nm i odbiera sygnał o długości fali 1330nm (ilustracja 6).

Ilustracja 6: nadajniko-odbiorniki optyczne wykorzystują różne długości fal do nadawania i odbierania danych. (Źródło ilustracji: Cisco Systems)

Przełącznik zarządzany przez przemysłową sieć Ethernet

Inżynierowie sieciowi, którzy potrzebują 12-portowego zarządzanego przełącznika sieci Gigabit Ethernet wyposażonego w osiem portów z czterema portami combo SFP oraz monitorowanie Modbus, mogą zastosować urządzenie Sixnet SLX-8MG-1 firmy Red Lion. Urządzenie SLX-8MG-1 posiada osiem portów 10/100/1000Base-T(X) oraz cztery porty combo SFP (obsługujące nadajniko-odbiorniki światłowodowe 100Base lub 1000Base). Urządzenie SLX-8MG jest zamknięte w smukłej, wzmocnionej metalowej obudowie na szynie DIN, dlatego nadaje się do użytku w trudnych warunkach przemysłowych. Obsługuje redundantne wejścia zasilania 10-30V= oraz może być stosowane w zakresie temperatur roboczych od -40 do 75°C. Posiada również funkcję zdalnego monitorowania Modbus/TCP, zaawansowane funkcje zabezpieczeń, zwiększoną odporność na wstrząsy i drgania oraz wysoki poziom odporności na zakłócenia elektryczne i przepięcia.

Ilustracja 7: zarządzany przełącznik sieciowy Gigabit Ethernet SLX-8MG-1 jest wyposażony w osiem portów 10/100/1000Base-T(X) oraz cztery porty combo SFP (u góry po lewej). (Źródło ilustracji: Red Lion)

Podsumowanie

Hybrydowe sieci światłowodowe i miedziane mogą przyczynić się do poprawy sprawności operacyjnej, zwiększenia elastyczności produkcji, obniżenia kosztów oraz zwiększenia bezpieczeństwa pracy w dużych obiektach przemysłowych, takich jak rafinerie ropy i gazu oraz zakłady chemiczne. Inżynierowie sieciowi mogą stosować zarządzane przełączniki sieci Gigabit Ethernet do wdrożenia kombinacji światłowodowych i miedzianych łączy komunikacyjnych. Zastosowanie włókien wielomodowych (MM) i jednomodowych (SM) zapewnia optymalne przepustowości modalne, a dodanie funkcji cyfrowego monitorowania diagnostycznego (DDM) umożliwia konserwację zapobiegawczą w celu zapewnienia maksymalnego czasu pracy sieci.