W ciągu ostatnich dwudziestu lat w sektorze produkcji przemysłowej dokonały się znaczące zmiany. W coraz większym stopniu infrastruktura produkcyjna jest podłączona do systemów sterowania i analizy wydajności. Środowisko sieci przemysłowych jest często zróżnicowane, a sieć Ethernet jest stosowana jako sieć szkieletowa dla systemów informatycznych w przedsiębiorstwach. Eklektyczna mieszanka magistral szeregowych tworzy połączenia z technologią operacyjną (OT) stosowaną w urządzeniach przemysłowych. Zarządzanie wieloma protokołami sieciowymi jest wyzwaniem i nie sprawdza się już w nowoczesnych systemach IIoT, takich jak widzenie maszynowe oraz w zastosowaniach wymagających dużej przepustowości w czasie rzeczywistym. Poniżej opisano najnowszy rozwój Ethernetu jednoparowego oraz sposób, w jaki protokół Ethernet może łączyć systemy informatyczne aż do krawędzi OT.
Rozwój połączonych maszyn
Przemysłowe przedsięwzięcia transformacyjne, takie jak Przemysł 4.0 przyczyniają się do rozwoju wielu fabryk i procesów produkcyjnych. Mając na uwadze poprawę efektywności operacyjnej procesów lub zakładów, gromadzenie danych staje się kwestią nadrzędną. Odpowiednie wyczucie czasu ma często kluczowe znaczenie dla powodzenia wielu rzeczy w naszym życiu. Nie inaczej było w momencie, gdy Przemysł 4.0 spotkał się z koncepcją Internetu Rzeczy (IoT). IoT, a obecnie Przemysłowy IoT (IIoT), był dokładnie tym, co potrzebne do połączenia silników, czujników, siłowników i innych urządzeń sterujących wykorzystywanych w zautomatyzowanych procesach.
Jednak łączenie systemów sterowania z komponentami nie jest nową koncepcją. Przez ponad czterdzieści lat sterowniki procesów przemysłowych wykorzystywały szeregowe protokoły sieciowe, takie jak Profibus, RS232/422 czy Modbus. Połączenie systemów informatycznych w przedsiębiorstwie stało się skomplikowanym zadaniem dla odpowiednich bramek i serwerów.
Dziedzictwo Ethernetu
Świat informatyki przeszedł wiele zmian od lat osiemdziesiątych. Z początku łączenie ze sobą poszczególnych komputerów było dość skomplikowane – wiele protokołów sieciowych rywalizowało o pierwszeństwo. Ethernet był jednym z takich protokołów, który szybko stał się wszechobecnym i szeroko przyjętym standardem sieciowym IEEE 802.3.
Rysunek 1 przedstawia ewolucję Ethernetu pod względem przepustowości od czasu ratyfikacji 802.3
Wraz z rozwojem Ethernetu, jego elastycznością, odpornością i wygodą, stał się on oczywistym kandydatem do zastosowań wychodzących poza jego tradycyjne rynki. Ethernet szybko okazał się odpowiednim standardem dla sieci w pojazdach samochodowych i aplikacji automatyki budynkowej. Zastosowanie Ethernetu w przemyśle, takie jak deterministyczna sieć czasu rzeczywistego (TSN) oraz możliwość transportowania wielu starszych protokołów, świadczy o tym, że Ethernet sprawdza się we wszystkich rodzajach automatyki.
Wymagania sieci przemysłowych
Środowisko przemysłowe różni się od większości biur i centrów danych. Czteroparowe złącze RJ45 stosowane w naszych domach i biurach nie jest przystosowane do zastosowań przemysłowych. Kable sieciowe i złącza łączące urządzenia produkcyjne i czujniki z systemami sterowania pracują w trudnym środowisku z pewnymi ograniczeniami mechanicznymi. Do czynników środowiskowych należą wibracje, wilgotność i wnikanie zanieczyszczeń. W przemysłowych szafach sterowniczych gdzie przestrzeń jest ograniczona, zagęszczenie sprzętu jest duże, a kable muszą być bardzo elastyczne i przystosowane do ciasnego promienia gięcia. Dodatkowo ochrona kabli w metalowych przepustach wymusza ograniczenia dotyczące rozmiarów stosowanych kabli.
Szybki postęp we wdrażaniu inteligentnych urządzeń IIoT opartych na krawędzi wymaga źródła zasilania oraz łączności przewodowej. Ethernet umożliwia dostarczanie zasilania (PoE – ang. power over Ethernet), ale ze względu na grubość, wagę i koszt instalacji ośmiożyłowego kabla Ethernet nie jest to dobre rozwiązanie.
Jednoparowy Ethernet – doskonały wybór do zastosowań przemysłowych
Gigabitowy standard jednoparowego Ethernetu (SPE), IEEE 802.3bp 1000BASE-T1, został wprowadzony w 2019 roku. Jak sama nazwa wskazuje, wykorzystuje on pojedynczą skręconą parę przewodników i oferuje maksymalną długość łącza wynoszącą 15 metrów przy użyciu kabli nieekranowanych i 40 metrów przy użyciu kabli ekranowanych. W porównaniu ze standardowym czteroparowym kablem Ethernet kategorii 6, który wykorzystuje przewodniki AWG 23, kabel SPE (ang. single pair Ethernet) jest o 60% lżejszy i ma znacznie mniejszą średnicę. Jak już wspomniano, złącza RJ45 nie jest odpowiednie do zastosowań przemysłowych, dlatego konieczne było opracowanie formatu złącza, który mógłby zostać wykorzystany w przemyśle. W marcu 2020 roku ogłoszono standard złącza IEC 63171 dla SPE.
Standard możliwości dostarczania energii określany jako power over data line (PoDL) jest zdefiniowany w IEEE 802.3bu. Dziewięć klas zestawień prądu i napięcia pozwala na dostarczenie maksymalnie 50 W do urządzenia końcowego. Ostatnia zmiana standardu PoDL, 802.3cg, dodaje sześć klas (patrz rys. 2), które określają maksymalną moc 52 W dostarczaną do obciążenia. Standard podkreśla również potrzebę niewielkiego zwiększenia średnicy przewodu oraz określa maksymalną rezystancję przewodu w celu osiągnięcia maksymalnych możliwości dostarczania mocy.
Standardy IEC 63171-1 do 63171-6 definiują zestaw różnych formatów złącz SPE – patrz rysunek 3. Są one dostosowane do możliwości dostarczania zasilania oddzielnie i przez linię danych, ochrony przed wnikaniem oraz użycia ekranowanych lub nieekranowanych typów kabli. Szeroko stosowane w przemyśle okrągłe złącza typu M8 i M12 zaliczają się do grupy wytrzymałych złączy o stopniu ochrony IP65/67.
Jednoparowy Ethernet zapewnia solidną łączność sieciową od centrum danych do przemysłowych punktów końcowych
Powszechnie ceniony protokół Ethernet zapewnia odporne, niezawodne i zgodne z wymaganiami przedsiębiorstw połączenie sieciowe. Teraz, wraz z pojawieniem się jednoparowego Ethernetu IEEE 802.3bp oraz standardu złącza IEC 63171 SPE, te same poziomy jakości usług i dostarczania energii są dostępne dla punktów końcowych. Użycie jednego protokołu sieciowego znacznie upraszcza infrastrukturę sieciową i redukuje koszty.
