Den industrielle produksjonssektoren har gått gjennom store endringer de siste tjue årene. Produksjonsutstyr er i stadig større grad koblet til analysesystemer knyttet til styring og ytelse. Det industrielle nettverksmiljø er ofte variert, med ethernet som grunnlagsnettverk for styringssystemene. En bredt utvalg av lavhastighets serielle bussmetoder kobles til dritfsteknologi (OT) som brukes på det industrielle utstyret. Håndteringen av flere nettverksprotokoller er krevende og passer ikke lenger for moderne IIoT-systemer, som bildegjenkjenning, i applikasjoner med høy båndbredde i sanntid. I denne artikkelen går vi gjennom det siste innen enkelpars ethernet-utvikling og hvordan ethernetprotokoller kan linkes fra virksomhetsstyringssystemer helt ned til OT-egde.
Utvikling av tilkoblede maskiner
Industrielle utviklingsinitiativer som Industry 4.0 er ansvarlige for å styrke fabrikk- og produksjonsdrift. Det er viktig å samle data for å kunne forbedre en prosess eller en fasilitets helhetlige operasjonelle effektivitet. Timing er ofte kilden til suksess i mange ting her i livet, og dette var også tilfellet da Industry 4.0 sammenfallt med Internet of Things (IoT). IoT, og nå såkalte industriell IoT (IIoT), var akkurat det som trengtes for å knytte sammen motorer, sensorer, aktuatorer og annet kontrollutstyr som brukes i automatiserte prosesser.
Å koble sammen styringssystemer og komponenter er likevel ikke et nytt konsept. I over førti år har industriell prosesstyring brukt serielle nettverksprotokoller som Profibus, RS232/422 og Modbus. Grensesnitt mellom virksomhetsstyringssystemer ble en komplisert oppgave for gateways og servere.
Ethernet-arven
Databehandling har utviklet seg mye siden 80-tallet. I begynnelsen var det komplisert å koble sammen individuelle datamaskiner, og mange nettverksprotokoller konkurrerte om å dominere. Ethernet var en slik protokoll og IEE 802.3 ble til slutt den godkjente nettverkstandarden.
Figur 1 viser hvordan ethernet har utviklet seg når det kommer til båndbredde siden starten som 802.3.
Ethernet ble kjent og anerkjent for sin fleksibilitet, robusthet og tilgjengelighet, men var også et naturlig valg i andre mer utradisjonelle bruksområder. Ethernet ble raskt standarden for nettverk ombord i kjøretøy og i byggningsautomasjon. Industrielle ethernetadapsjoner som sanntid, bestemmende tidsensitiv nettverk (TSN) og dens egenskap til å overføre flere legacyprotokoller, viser at ethernet kan brukes i alle automasjoner.
Industrielle nettverkskrav
Industrielle områder er veldig forskjellig fra kontorer og datasenter. Ethernet-kontakten RJ45 med tvinnede firepar er mest brukt i hjem og på kontorer, men den er dårlig egnet for industriell bruk. Nettverkskabler og kontakter som knytter produksjonsutstyr og sensorer til styringssystemer utsettes for tøffe driftsmiljøer og har spesifikke, mekaniske begrensninger. Ulike miljøfaktorer kan være vibrasjoner, fuktighet og behov for inntrengingsbeskyttelse. Styringstavlene har ofte liten plass, utstyrstettheten er høy, og kablene må være fleksible og ha mulighet til å ha en liten bøyeradius. Når kablene beskyttes av metallrør begrenser dette også kabelstørrelsen.
Den raske veksten i bruk av IIoT-enheter med smart edge fører til behov for en strømkilde i tillegg til ledningstilkobling. Ethernet tilbyr strømmuligheter gjennom Power over Ethernet (PoE), men tykkelsen, vekten og kostnaden av å installere en tradisjonell åtteleders ethernetkabel forhindrer at dette brukes.
Enkelpar ethernet; perfekt valg for industrielle bruksområder
Standarden gigabit enkelpar ethernet (SPE), IEEE 802.3bp 1000BASE-T1 ble etablert i 2019. Som navnet tilsier, bruker den en enkelt tvinnet parledning og har en maksimal lengde på 15 meter ved bruk av uskjermede kabler og 40 meter med skjermede kabler. Sammenlignet med en firepars ethernet CAT 6-kabel som bruker AWG 23-ledninger, er en SPE-kabel 60% lettere og har betydelig mindre diameter. RJ45-kontakten er dårlig egnet for industriell bruk, noe som betyr at videre undersøkelser er nødvendige for å finne et kontaktformat bransjen kan bruke. I mars 2020 ble det annonsert at IEC 63171 vil bli kontaktstandard for SPE.
En standard strømforsyning over datalinjer (PoDL) er definert i IEEE 802.3.bu. Ni klasser strøm- og spenningskombinasjoner gir maksimum 50 Watt levert til endeenheten. Den siste oppdateringen av PoDL-standard, 802.3cg, legger til seks klasser, se figur 2, som leverer maksium 52 Watt til lasten. Standarden viser også at det er behov for en økning i ledningsdiameteren og definerer maksimum ledningsresistase for å nå høyest mulig effekt.
IEC 63171-1 til 631171-standarder definerer ulike SPE-kontaktformater – se figur 3. De har strømforsyningsegenskaper for datalinje, inntrengelsesbeskyttelse, og bruker skjermet og uskjermede kabeltyper. Kontakttypene M8 og M12 er ofte brukt for å oppnå IP65/67-beskyttelse.
Enkelt par ethernet; robust nettverkskontakt fra datasenter til industrielle endepunkt
Den anerkjente ethernetprotokollen sørger for fleksibelt og pålitelig nettverk. Med bruk av IEEE 802.3bp enkelt par ethernet og IEC 63171 kontaktstandard, er samme kvalitetsnivå og strømforsyning tilgjengelig helt frem til endepunktet. Å bruke en enkel nettverksprotokoll forenkler kompleksheten og kostnaden til nettverksstrukturen.
