Den industriella tillverkningssektorn har sett betydande förändringar de senaste tjugo åren. Produktionstillgångar kopplas allt oftare till kontroll- och prestandaanalyssystem Den industriella nätverksmiljön är ofta mångsidig, med Ethernet som stamnät till IT-företagssystem. En eklektisk blandning av låghastighets-seriebussmetoder bildar kopplingen till den operativa tekniken (OT) som används i industriutrustning. Att hantera flera nätverksprotokoll är en utmaning och inte längre lämplig för moderna IIoT-system, såsom vision imaging, för realtidsapplikationer med hög bandbredd. Den här artikeln beskriver den senaste utvecklingen av en-par-Ethernet och hur Ethernet-protokollet kan länka från företags IT-system ända ut till OT-kanten.
Framväxten av de anslutna maskinerna
Industriella omvandlingsinitiativ som “Industry 4.0” ansvarar för att stärka många fabriker och tillverkningsverksamheter. Med fokus på att förbättra en process eller anläggnings övergripande operativa effektivitet är insamling av data av största vikt. Timing är ofta avgörande för framgång för många saker i livet, och det var verkligen fallet när “Industry 4.0” mötte konceptet Internet of Things (IoT). IoT, närmare bestämt nu industriellt IoT (IIoT), var precis vad som behövdes för att koppla ihop motorer, sensorer, ställdon och den mängd annan styrutrustning som används i en automatiserad process.
Att koppla ihop styrsystem och komponenter är dock i sig inget nytt koncept. I mer än fyrtio år har industriella processreglerare använt seriella nätverksprotokoll som Profibus, RS232/422 och Modbus. Gränssnitt mellan företags IT-system blev en komplex uppgift för dedikerade gateways och servrar.
Ethernet-arvet
Datorvärlden har förändrats mycket sedan 80-talet. Till en början var det komplicerat att koppla samman enskilda datorer, med många proprietära nätverksprotokoll som konkurrerade om att dominera. Ethernet var ett sådant protokoll som blev den allmänt förekommande och använda IEEE 802.3-nätverksstandarden.
Figur 1 illustrerar hur Ethernet har utvecklats vad gäller bandbredd sedan dess ratificering som 802.3.
När Ethernet utvecklades och dess flexibilitet, motståndskraft och bekvämlighet blev antaget, utvecklades det som en naturlig kandidat för applikationer utanför dess traditionella område. Ethernet blev snabbt en gångbar standard för nätverksbyggande i fordon och applikationer för byggnadsautomation. Industriella Ethernet-anpassningar såsom realtid, deterministiskt #time-sensitive networking” (TSN), och dess förmåga att transportera flera äldre protokoll, visar Ethernets lämplighet för alla typer av automatisering.
Industriella nätverkskrav
Den industriella miljön skiljer sig från de flesta kontor och datacenter. Ethernets defakto RJ45 fyr-par tvinnat par-kontaktarrangemang som används i hem och kontor är illa lämpade för industriell användning. Nätverkskablar och kontakter som länkar produktionstillgångar och sensorer till styrsystem möter en hård driftsmiljö med specifika mekaniska begränsningar. Miljöfaktorer som vibrationer, fukt och behovet av inträngningsskydd. I industriella styrskåp med begränsat utrymme är utrustningstätheten hög, och kablar måste vara mycket flexibla med snäv böjradie. På samma sätt sätter skydd av kablar i metallrör begränsningar för de kabelstorlekar som används.
Den snabba tillväxten av implementering av smart edge-baserade IIoT-enheter kräver en strömkälla utöver trådbunden anslutning. Ethernet erbjuder en Power over Ethernet-kapacitet (PoE), men tjockleken, vikten och kostnaden för att installera en traditionell Ethernet-kabel med åtta ledare är helt uteslutet.
En-par Ethernet; det perfekta valet för industriella applikationer
Gigabit en-par Ethernet (single pair Ethernet, SPE) standarden, IEEE 802.3bp 1000BASE-T1, etablerades 2019. Som namnet antyder använder den ett enda tvinnat ledarpar och erbjuder ett maximalt länkavstånd på 15 meter med oskärmad kabel, och 40 meter med skärmad kabel. Jämfört med en vanlig fyr-par Ethernet Cat 6-kabel med AWG 23-ledare är en SPE-kabel 60 % lättare och har betydligt mindre diameter. Som påvisats är RJ45-kontakten olämplig för industriell användning, vilket kräver ytterligare undersökning av ett kontaktformat som industrin kan använda. I mars 2020 lanserades tillkännagivandet av IEC 63171-kontaktstandarden för SPE.
En standard för kraftleveranskapacitet som kallas “power over data line” (PoDL) definieras i IEEE 802.3bu. Nio ström- och spänningskombinationsklasser tillåter maximalt 50 W levererat till slutenheten. En nyligen genomförd revidering av PoDL-standarden, 802.3cg, lägger till sex klasser, se figur 2, som ger maximalt 52 W levererat till lasten. Standarden lyfter också fram behovet av en liten ökning av ledardiametern och definierar den maximala ledarresistansen för att uppnå högsta effektleveranskapacitet.
IEC 63171-1 till 63171-6-standarderna definierar en uppsättning olika SPE-kontaktformat – se figur 3. De rymmer separata och över datalinjeströmförsörjningsmöjligheter, inträngningsskydd och användning av skärmade eller oskärmade kabeltyper. De välkända industriella cirkulära kontakterna M8 och M12 ingår i den robusta IP65/67-serien.
En-par Ethernet; leverera robust nätverksanslutning från datacenter till de industriella slutpunkterna
Det allmänt respekterade Ethernet-protokollet ger motståndskraftigt, pålitligt och nätverk av företagskvalitet. Nu, med tillkomsten av IEEE 802.3bp en-par Ethernet och IEC 63171 SPE-kontaktstandarden, är samma nivåer av tjänstekvalitet och strömleverans tillgängliga till slutpunkten. Att använda ett enda nätverksprotokoll förenklar avsevärt nätverksinfrastrukturens komplexitet och kostnader.
