Az ipari feldolgozóipar az elmúlt húsz évben jelentős változásokon ment keresztül. A termelési eszközök egyre inkább összekapcsolódnak a vezérlő- és teljesítményelemző rendszerekkel. Az ipari hálózati környezet gyakran változatos, az Ethernet a vállalati informatikai rendszerek gerinchálózata. A kis sebességű soros buszmódszerek eklektikus keveréke alkotja a kapcsolatot az ipari berendezéseken használt operációs technológiával (OT). A több hálózati protokoll kezelése kihívást jelent, és már nem alkalmas a modern IIoT-rendszerek, például a látásképalkotó rendszerek számára a valós idejű, nagy sávszélességű alkalmazásokhoz. Ez a cikk az egy érpárú Ethernet legújabb fejlesztését ismerteti, és azt, hogy az Ethernet protokoll hogyan képes összekapcsolni a vállalati informatikai rendszereket egészen az OT-peremekig.
A csatlakoztatott gépek felemelkedése
Az olyan ipari átalakítási kezdeményezések, mint az Ipar 4.0, számos gyár és gyártási művelet felélénkítéséért felelősek. A folyamatok vagy létesítmények általános működési hatékonyságának javítását illetően az adatgyűjtés kiemelkedő fontosságú. Az időzítés gyakran döntő fontosságú az életben, és ez minden bizonnyal így volt akkor is, amikor az Ipar 4.0 találkozott a Dolgok internete (IoT) koncepciójával. A Dolgok internete, különösen az Ipari dolgok internete (IIoT), pontosan az volt, amire szükség volt a motorok, érzékelők, működtetők és az automatizált folyamatokban használt számtalan egyéb vezérlőberendezés összekapcsolásához.
A vezérlőrendszerek és alkatrészek összekapcsolása azonban nem új koncepció. Az ipari folyamatvezérlők több mint negyven éve soros hálózati protokollokat használnak, mint például a Profibus, az RS232/422 vagy a Modbus. A vállalati informatikai rendszerek közötti összeköttetés a dedikált átjárók és kiszolgálók összetett feladatává vált.
Az Ethernet öröksége
A számítástechnika világa sokat változott a 80-as évek óta. Kezdetben az egyes számítógépek összekapcsolása bonyolult volt, és számos saját hálózati protokoll versengett a dominanciáért. Az Ethernet volt az egyik ilyen protokoll, amely az IEEE 802.3 hálózati szabvány mindenütt elterjedt és széles körben elfogadott szabványává vált.
Az 1. ábra szemlélteti, hogy az Ethernet hogyan fejlődött a sávszélesség tekintetében a 802.3 szabvány jóváhagyása óta.
Ahogy az Ethernet fejlődött, valamint rugalmassága és kényelme elismertté vált, természetes jelöltje lett a hagyományos piacokon kívüli alkalmazásoknak. Az Ethernet hamar működőképes szabvány lett az autóipari járműhálózatok és az épületautomatizálási alkalmazások számára. Az Ethernet ipari adaptációi, mint például a valós idejű, determinisztikus időérzékeny hálózat (TSN), valamint a többféle hagyományos protokoll átvitelére való képesség bizonyítja, hogy az Ethernet az automatizálás minden típusában alkalmazható.
Ipari hálózati követelmények
Az ipari környezet a legtöbb irodától és adatközponttól eltér. Az Ethernet RJ45 négy érpárú, csavart érpárú csatlakozója, amelyet otthonainkban és irodáinkban használunk, nem alkalmas ipari felhasználásra. A termelési eszközöket és érzékelőket a vezérlőrendszerekkel összekötő hálózati kábelek és csatlakozók zord működési környezetnek és különleges mechanikai korlátoknak vannak kitéve. A környezeti tényezők közé tartozik a rezgés, a páratartalom és a behatolás elleni védelem szükségessége. A kevés szabad hellyel rendelkező ipari vezérlőszekrényekben a berendezések sűrűsége nagy, a kábeleknek nagyon rugalmasnak kell lenniük és kis hajlítási sugárral kell rendelkezniük. Hasonlóképpen, a kábelek fémcsövekben történő védelme korlátozza az alkalmazható kábelméreteket.
Az intelligens edge alapú IIoT-eszközök elterjedésének gyors növekedése a vezetékes csatlakozás mellett áramforrást is igényel. Az Ethernet lehetővé teszi a PoE (Power over Ethernet) funkciót, de a hagyományos nyolcvezetékes Ethernet-kábel vastagsága, súlya és költségei miatt nem lehet használni.
Egyérpáras Ethernet; tökéletes választás ipari alkalmazásokhoz
A gigabites, egyérpáras Ethernet (SPE) szabványt, az IEEE 802.3bp 1000BASE-T1 szabványt 2019-ben hozták létre. Ahogy a neve is mutatja, egyetlen sodrott vezetékpárt tartalmaz, és árnyékolatlan kábel esetén 15 méteres, árnyékolt kábel esetén pedig 40 méteres maximális kapcsolási távolságot biztosít. A hagyományos négypáros Ethernet Cat 6 kábelhez képest, amely AWG 23-as vezetékeket használ, az SPE kábel 60%-kal könnyebb és az átmérője is jelentősen kisebb. Amint kiemeltük, az RJ45 csatlakozó nem alkalmas ipari felhasználásra, ami további vizsgálatokat tesz szükségessé egy olyan csatlakozóformátummal kapcsolatban, amelyet az ipar elfogadhat. 2020 márciusában jelentették be az IEC 63171 csatlakozószabványt az SPE számára.
Az IEEE 802.3bu szabvány a PoDL (Power over Data Line) elnevezésű energiaellátási szabványt határozza meg. A kilenc áram- és feszültségkombinációs osztály lehetővé teszi, hogy a végeszközhöz legfeljebb 50 wattot juttassanak. A PoDL szabvány nemrégiben átdolgozott változata, a 802.3cg hat osztállyal bővült, lásd a 2. ábrát, amely a fogyasztóra leadott maximális 52 wattot ír elő. A szabvány kiemeli továbbá a vezetékátmérő kismértékű növelésének szükségességét, és meghatározza a vezeték maximális ellenállását a legnagyobb teljesítményleadási képességek elérése érdekében.
Az IEC 63171-1 – 63171-6 szabványok különböző SPE-csatlakozóformátumokat határoznak meg – lásd a 3. ábrát. Ezek az eszközök lehetővé teszik a különálló és az adatvezetéken keresztüli tápellátási képességeket, a behatolás elleni védelmet, valamint az árnyékolt vagy árnyékolatlan kábeltípusok használatát. A széles körben elterjedt ipari kör alakú M8 és M12 típusú csatlakozók a robusztus IP65/67 termékcsalád részét képezik.
Egyérpáras Ethernet; robusztus hálózati csatlakozást biztosít az adatközpontból az ipari végpontokig
A széles körben elismert Ethernet protokoll rugalmas, megbízható és vállalati szintű hálózatot biztosít. Az IEEE 802.3bp egyérpáras Ethernet és az IEC 63171 SPE csatlakozószabvány megjelenésével mostantól ugyanezek a szolgáltatásminőségi és energiaellátási szintek a végpontok számára is elérhetővé váltak. Egyetlen hálózati protokoll használata jelentősen leegyszerűsíti a hálózati infrastruktúra bonyolultságát és költségeit.
