Larry Komarek, Phoenix Contact, Inc.
Elastyczność, wysokie osiągi oraz niskie koszty utrzymania to podstawowe przyczyny wzrostu popularności standardu Ethernet w przemyśle.
Główne czynniki, jakie należy uwzględnić dokonując wyboru urządzeń do ostatecznej realizacji przemysłowej sieci Ethernet, to bez wątpienia specyfika danego środowiska przemysłowego, realizowane funkcje i wymagania dotyczące samej sieci oraz jej struktury.
Niemniej ważną jednak kwestią jest również zapewnienie prawidłowej transmisji danych pomiędzy wszystkimi urządzeniami sieciowymi. Dlatego też niezbędna jest znajomość typów i kategorii kabli sieciowych, różnych metod realizacji połączeń i ostatecznie ich właściwy dobór dla konkretnej aplikacji tzw. Ethernetu przemysłowego.
Kable i elementy łączeniowe
W standardzie Ethernet obowiązuje kilka konwencji dotyczących nazewnictwa związanego z okablowaniem. Zgodnie z nimi symbole „T” lub też „TX” określają przewody z parą skręconą (popularnie zwane skrętką), natomiast „FX” odpowiada kablom światłowodowym szklanym. Na przykład oznaczenie „100-Base-FX” oznacza sieć Ethernet o szybkości transmisji 100 Mbps (tzw. Szybki Ethernet – ang. Fast Ethernet), z kablem światłowodowym, zaś oznaczenie typu „10-Base-T” to sieć o szybkości 10 Mbps, zrealizowana na miedzianej parze skręconej. Kable miedziane wykorzystywane są częściej ze względów praktycznych i wygody łączenia oraz prowadzenia tras kablowych; światłowody stosowane są w razie konieczności przesłania danych na dużych odległościach lub zachowania dużej odporności na zewnętrzne zaburzenia elektromagnetyczne. Liczba dostępnych typów kabli dla sieci Ethernet wciąż wzrasta, a każdy z nich ma swoje wady i zalety (patrz tabela: „Różne typy medium transmisji dla standardu przemysłowego Ethernet 10/100 Mbps”). Poniżej omówiono kilka zasadniczych kwestii związanych z wyborem właściwych typów kabli dla różnych zastosowań.
Kable miedziane. Maksymalna długość kabla miedzianego pomiędzy dwoma dowolnymi urządzeniami sieciowymi jest ograniczona do 100 m, bez względu na przyjętą w sieci szybkość transmisji. Obowiązuje zasada, że czym większy numer kategorii kabla miedzianego, tym wyższa dopuszczalna szybkość transmisji. Na rynku amerykańskim dominują sieci z kablami nieekranowanymi, w Europie natomiast z ekranowanymi. W przypadku stosowania standardu Ethernet 100 Mbps w środowisku, gdzie występują znaczne zaburzenia elektryczne, kable ekranowane gwarantują wyższy poziom ochrony przed tymi zaburzeniami.
W zastosowaniach przemysłowych najpopularniejszą kategorią kabli sieciowych jest kategoria 5 (CAT 5). Kable tej kategorii zawierają dwie pary skręcone przewodów, są stosunkowo tanie i mogą być wykorzystane w sieciach o szybkościach transmisji 10/100 Mbps. Kable kategorii CAT 5E (rozszerzonej CAT 5) składają się z czterech par skręconych i mogą być stosowane nawet w sieciach o szybkości do 1 Gbps, jednakże ich koszt jest, zależnie od dostawcy, nieco wyższy niż klasycznych Kabli kategorii 5. Dla sieci standardu 1 Gbps przeznaczone są również kable CAT 6, o podwyższonej odporności na zaburzenia elektryczne, jednak są one znacznie droższe od kategorii 5E. Kable CAT 6 mogą obsługiwać również sieci o szybkościach 10 Gbps. Mimo że zarówno kable CAT 5E, jak i CAT 6 są znacząco droższe od typowych kabli CAT 5, to jednak w ostatnim czasie ich koszt wciąż spada i coraz więcej zakładów decyduje się na ich zakup i wykorzystanie, tak by uniknąć konieczności wymiany okablowania w przyszłości.
Praktycznie wszystkie dostępne na rynku urządzenia przemysłowe wyposa żone są w interfejs Ethernet 10/100 Mbps. Systemy automatyki przemysłowej są obecnie w fazie przejścia z szybkości 10 Mbps na 100 Mbps. Niestety, standard sieci 1 Gbps, przede wszystkim ze względu na 10-krotnie większą czułość na zaburzenia oraz znacznie wyższe koszty realizacji sieci, stosowany jest w tego typu aplikacjach bardzo rzadko. Wykorzystuje się go praktycznie tylko jako główne linie łączące podsieci, tzw. backbone (sieci szkieletowe).
Specjalne grubsze kable z dodatkowymi warstwami ochronnymi należy stosować do łączenia elementów sieciowych w aplikacjach, gdzie wykorzystywane są różne płyny chłodzące i technologiczne. Kable cieńsze są z kolei bardziej odpowiednie do połączeń w szafach łączeniowych, ze względu na większą elastyczność i możliwość swobodnego prowadzenia w traktach kablowych.
Do większości zastosowań przemysłowych właściwy standard tzw. łączówek, czyli elementów łączących kable i urządzenia, to popularny wśród instalatorów RJ45. Jednakże w aplikacjach, gdzie występują elementy poruszające się lub napędy, zleca się stosowanie specjalnych łączówek RJ45 ze specjalnymi przykrywkami blokującymi, zabezpieczającymi przed niespodziewanymi rozłączeniami na skutek uderzeń mechanicznych lub wibracji. Istnieje również wiele typów specjalnych przegród i elementów łączących, umożliwiających podłączanie kabli do urządzeń bez konieczności otwierania szaf łączeniowych itp. Łączówki Watertight IP65/67 przeznaczone są do łączenia modułowych urządzeń sieciowych Ethernet lub też urządzeń w aplikacjach w środowisku wilgotnym, miejscach oblewanych wodą itp. (fot. 1).
Kable światłowodowe. Choć najbardziej popularne medium transmisji w sieciach Ethernet to wspominane już kable skrętki miedzianej, jednakże przewody światłowodowe są w tym standardzie niezbędne do przesyłania danych na większe odległości oraz w środowiskach, gdzie występują znaczne zaburzenia elektromagnetyczne, mogące powodować w efekcie zakłócenia transmisji. Najczęściej stosuje się światłowody szklane, tzw. wielomodowe (ang. multimode). Dla standardu Ethernet 100 Mbps umożliwiają one połączenie urządzeń sieciowych oddalonych od siebie nawet o 2000 metrów. Najnowsza generacja stosowanych w technice światłowodowej tzw. terminatorów znacznie ułatwiła proces łączenia światłowodów, który był dotychczas znacznie skomplikowany przy stosowaniu tego typu medium transmisyjnego.
Fot. 1. W przypadku podłączania urządzeń sieciowych Ethernet umieszczonych bezpośrednio na maszynach przemysłowych lub w środowisku wilgotnym, miejscach oblewanych wodą, należy stosować elementy łączące IP65, IP66 lub IP67. Pierwsza cyfra w oznaczeniu określa poziom ochrony przed obcymi ciałami stałymi – w tym wypadku „6” oznacza zabezpieczenie przed drobinami kurzu, pyłu. Druga cyfra oznacza poziom ochrony przed wtargnięciem substancji płynnych. Numer „5” to odporność na strumień wody, „6” – odporność na silny strumień wodny, zaś numer „7” to odporność na czasowe zanurzenie w wodzie
Starsze instalacje światłowodowe wielomodowe wykorzystywały łączówki typu ST, popularne w sieciach Ethernet 10 Mbps. W nowszych systemach stosuje się łączówki SC, rekomendowane dla sieci 100 Mbps. Decydując się na modernizację istniejącej już sieci światłowodowej przez dołączenie nowych urządzeń, należy zwrócić również uwagę na ich kompatybilność pod względem długości fali świetlnej źródeł strumienia świetlnego. Tworzone dziś systemy sieciowe 100-FX bazują na falach o długości 1300 nanometrów, natomiast gros starszych sieci miało w standardzie światło o długości 850 nanometrów. Ta sama zasada obowiązuje przy doborze switchy i innych elementów infrastruktury sieciowej do transmisji światłowodowej.
Rys. 2. Różne rodzaje kabli transmisyjnych mogą być wykorzystywane w jednej sieci sterowania, dzięki zastosowaniu switchy modułowych standardu Ethernet
Switche zarządzane mogą mieć od jednego do dwóch portów światłowodowych, które mogą być wykorzystywane do podłączenia ich do linii głównej – backbone lub głównego panelu sterującego. Pojedynczy port (ang. – single port) używany jest wówczas, gdy panel sterujący jest fizycznie izolowany i podłączony przez jeden główny kabel światłowodowy. Połączenia z wykorzystaniem portu podwójnego (ang. – dual port) są używane najczęściej do łączenia wielu switchy (topologia łańcuchowa sieci – ang. daisy chain). Taka koncepcja przynosi znaczne oszczędności inwestycyjne, eliminując długie odcinki kabli światłowodowych, prowadzone indywidualnie od każdego switcha do głównego panelu sterującego.
Kable światłowodowe jednomodowe (ang. single-mode), telekomunikacyjne stosowane są tylko przy bardzo dużych odległościach między urządzeniami sieciowymi, większymi nawet niż 15 kilometrów. Zarówno kable, jak i elementy łączeniowe mogą być tu nawet czterokrotnie droższe w stosunku do okablowania wielomodowego, wymagają stosowania bardzo precyzyjnych terminatorów i mogą być instalowane tylko przez dobrze wyszkolony i doświadczony personel. Stosowanie kabli terminowanych przez producenta oraz zatrudnienie profesjonalnych instalatorów pozwoli zmniejszyć ryzyko wystąpienia problemów z niezawodnością funkcjonowania sieci oraz opóźnień w jej uruchomieniu.
W ostatnim czasie pojawiły się na rynku kable światłowodowe szklane w osłonie z tworzyw sztucznych (HCS) oraz nowość – kable w całości syntetyczne POF, do obsługi standardu Ethernet 100 Mbps. Co prawda mają one ograniczony zasięg łączenia (od 50 do 200 m), jednakże o wiele prostsze jest ich podłączanie i proces terminowania. Na przykład dla kabli POF proces ten zajmuje ok. 2 – 3 minut i nie wymaga stosowania żadnych specjalistycznych narzędzi. Fakt ten czyni wspomniane kable bardzo użytecznym medium transmisyjnym do stosowania w szafach łączeniowych w otoczeniu sterowników i układów rozruchowych silników, spawarek, a także stanowi rozwiązanie konkurencyjne w stosunku do popularnego obecnie w tych aplikacjach standardu RJ45. Dla kabli światłowodowych z tworzyw sztucznych zazwyczaj stosuje się łączówki typu SMA.
Modułowe switche standardu Ethernet dają możliwość swobodnego łączenia kabli różnego typu: miedzianych dla okablowania szaf łączeniowych, światłowodów szklanych przy transmisji na dużych odległościach oraz z tworzyw sztucznych do komunikacji z pobliskimi sterownikami itp. (rys. 2). Niektóre modele switchy światłowodowych umożliwiają doprowadzenie i podłączenie kabli od dołu obudowy, co pozwala na montaż tych urządzeń na niewielkiej przestrzeni oraz uniknięcie koniecznego w innych przypadkach zaginania kabli. Nadmierne zagięcie kabla światłowodowego (dopuszczalny promień zgięcia to ok. 5 cm), może spowodować jego pęknięcie lub zniszczenie, prowadząc do nieprawidłowej transmisji w sieci.
Połączenia urządzeń sterowania
Przemysłowe urządzenia sterujące podłączane są do sieci Ethernet poprzez różnego rodzaju konwertery, serwery portów szeregowych, urządzenia We/Wy oraz gatewaye (rys. 3).
Konwertery mediów. Obecnie praktycznie wszystkie przemysłowe urządzenia sterujące łączone są do sieci Ethernet przy wykorzystaniu kabli miedzianych i łączówek RJ45. Czasami jednak stosuje się tzw. konwertery, gdy potrzebne jest zastosowanie w połączeniu kabla światłowodowego. Takie konwertery umożliwiają zmianę kabla miedzianego na jeden z różnych typów kabli optycznych. Są one również bardzo użyteczne przy dopasowywaniu wspomnianych już wcześniej dwóch standardów linii światłowodowych – starszych, opartych na fali świetlnej o długości 850 nanometrów, oraz nowoczesnych, z falą 1300 nanometrów. Niekiedy konwertery stosuje się również, aby umożliwić podłączenie większej liczby linii światłowodowych do komunikacji jednego switcha sieciowego z kilkoma innymi, zainstalowanymi w innych szafach czy sterowniach. Dostępne na rynku konwertery obsługują wszystkie typy światłowodów szklanych oraz z tworzyw sztucznych.
Serwery portów szeregowych. Porty komunikacji szeregowej lub też tzw. serwery portów szeregowych są powszechnie stosowane do połączenia z siecią Ethernet urządzeń wyposażonych w interfejsy szeregowe RS-232 oraz RS-485, eliminując stosowane dotychczas klasyczne kable do transmisji szeregowej. Serwery te niejako „wkładają” informacje z portów szeregowych do pakietów transmisji sieciowej Ethernet i poprzez tę sieć transmitowane są do wybranych urządzeń z interfejsem szeregowym lub też komputerów PC wyposażonych w odpowiednie oprogramowanie dekodujące te informacje i w ten sposób komunikacja jest zakończona. Są to tzw. urządzenia inteligentne, wymagające własnych adresów sieciowych IP. Konfiguruje się je poprzez ich własne, wbudowane strony Web lub porty szeregowe.
Urządzenia We/Wy. W systemach automatyki przyłączanie wszelkich urządzeń zewnętrznych (urządzenia dyskretne, analogowe, czujniki, enkodery itp.), realizowane jest poprzez stacje, urządzenia we/wy. Istnieje wiele urządzeń We/Wy standardu Ethernet, optymalizowanych parametrycznie dla różnego typu aplikacji. Modułowe układy We/Wy są stosowane do obsługi rozbudowanych paneli sterowania, charakteryzujących się dużą ilością i różnorodnością typów sygnałów. Blokowe układy We/Wy o stałej konfiguracji wejść i wyjść są znacznie tańsze i stosowane z reguły w mniejszych systemach. Zoptymalizowano je do obsługi małych układów We/Wy, znajdujących się w różnych miejscach maszyn oraz do urządzeń monitorujących stan maszyn. W ostatnim czasie coraz częściej w sieciach pojawiają się urządzenia We/Wy Ethernet IP65/67 (fot. 1) do bezpośredniego montażu w maszynach lub innych elementach linii produkcyjnej. Zróżnicowanie układów We/Wy u różnych dostawców systemów sterowania to tylko jedna z wielu kwestii, jakie należy uwzględnić, wybierając dostawcę urządzeń sieciowych dla konkretnej aplikacji. Głównym czynnikiem różniącym dostawców jest zastosowany w sieci protokół komunikacyjny, mający pracować w czasie rzeczywistym. Zazwyczaj jest on determinowany przez zastosowane w systemie automatyki sterowniki PLC lub też z wbudowanymi modułami PC. Do najpopularniejszych obecnie należą: Modus/TCP, Ethernet/ IP, Profinet i Fieldbus HSE.
Rys. 3. Specjalizowane konwertery pozwalają na realizację połączeń kabli miedzianych ze światłowodowymi w celu transmisji sygnałów na duże odległości lub w razie konieczności zabezpieczenia się przed zaburzeniami elektromagnetycznymi. Konwertery szeregowe umożliwiają podłączenie do sieci przemysłowej standardu Ethernet urządzeń wyposażonych w różnego typu interfejsy do komunikacji szeregowej. Systemy urządzeń We/Wy zapewniają komunikację w czasie rzeczywistym pomiędzy sterownikami PLC lub z modułami PC a czujnikami i elementami wykonawczymi. Gatewaye umożliwiają podłączenie do sieci Ethernet dowolnych systemów sterowania, wykorzystujących popularne w zastosowaniach przemysłowych protokoły sieciowe (sieci rozproszone)
Jeżeli chodzi o kwestię systemów monitorujących, niektóre z modułów We/Wy umożliwiają podgląd i diagnostykę danych z systemu za pomocą przeglądarek internetowych, przyczyniając się tym samym do redukcji kosztów związanych z zakupem dodatkowych specjalizowanych urządzeń interfejsów użytkownika (ang. HMI – Human-Machine-Interface) oraz aplikacji SCADA do akwizycji danych. Aplikacje diagnostyczne dla układów We/Wy są bardzo zróżnicowane. Większość, jak już wspomniano, oparta jest na stronach Web, wspomaganych przez wskaźniki diodowe LED informujące o statusie komunikacji sieciowej: czy połączenie istnieje, czy nie, czy dane są aktualnie transmitowane itp. Niektóre wyposażone są dodatkowo w numeryczne wyświetlacze LCD, przekazujące informacje tekstowe (np. typ alarmu, nazwy urządzeń, aktualny status urządzenia itp.). Najbardziej istotną informacją do sprawdzenia w systemie sterowania jest zawsze stan urządzeń We/Wy po ewentualnej awarii w sieci. Opcja ta umożliwia stwierdzenie, czy układ We/Wy ma wszystkie wyjścia wyłączone, czy fizycznie pozostał w ostatnim stanie sprzed awarii lub też „przeszedł” do stanu predefiniowanego, jaki ma być osiągany w razie wystąpienia sytuacji awaryjnej. Na przykład w systemach sterowania z magistralą miejscową (ang. fieldbus systems) każde przecięcie kabla sieciowego powoduje przerwanie komunikacji, a fakt ten jest wykrywany przez urządzenia We/Wy i wówczas ustawiają one swoje wyjścia w określony, predefiniowany stan – najczęściej stan wyłączenia (OFF).
W przypadku zastosowania w sieci sterowania standardu Ethernet, połączenie pomiędzy sterownikami PLC/PC a układami We/Wy może przechodzić przez liczne urządzenia sieciowe, np. switche. W takim przypadku może okazać się, że przerwanie kabla sieciowego pomiędzy dwoma switchami nie musi być od razu wykryte przez system i wywołać przerwę w transmisji. Wówczas może dojść do sytuacji, gdy układ We/Wy nie zareaguje na brak sygnału odpowiednim ustawieniem stanów wyjść, utrzymując je w ostatnim, ustawionym stanie i oczekując na nowe ustawienia, które niestety nigdy nie nadejdą. Projekąc sieć sterowania, należy takie sytuacje uwzględnić i odpowiednio przewidzieć reakcję systemu.
Niektóre protokoły komunikacji mają wbudowane specjalne układy czasowe – timery. Jeżeli w trakcie odliczania przez taki timer ustalonego wcześniej interwału czasowego urządzenie nie otrzyma nowej informacji z sieci, uzna to za utratę łączności i automatycznie przejdzie do realizacji procedur awaryjnych. Jeżeli w protokole nie przewidziano takich timerów, powinny być one zrealizowane sprzętowo przez dostawców urządzeń sieciowych, jako dodatkowa opcja. Kwestia ta powinna być poruszona w rozmowach z dostawcami i stanowić jeden z kryteriów ich wyboru.
Gatewaye. Wszystkie najpopularniejsze protokoły stosowane w systemach automatyki oferują specjalizowane urządzenia, tzw. gatewaye, umożliwiające ich połączenie z protokołem Ethernet. Pozwala to istniejącym już instalacjom systemów sterowania wykorzystać w pełni dobrodziejstwa nowej techniki komunikacyjnej dla sieci przemysłowych.
Podsumowanie
Najnowsza generacja urządzeń do infrastruktury sieciowej opartej na standardzie Ethernet, pozwala przy umiarkowanych kosztach zrealizować nowoczesny, rozproszony system sterowania. Switche modułowe umożliwiają sprawną organizację połączeń, z jednoczesnym wykorzystaniem różnych typów kabli transmisyjnych oraz techniki zaawansowanego filtrowania i zarządzania wiadomościami przesyłanymi w sieci. Specjalizowane serwery, konwertery oraz urządzenia We/Wy pozwalają na współdziałanie istniejących już systemów sterowania w jednym, sprawnym organizmie sieciowym. Urządzenia przemysłowe i sterujące, wyposażone w proste, bazujące na standardzie Web interfejsy oraz oprogramowanie zarządzające, które mogą być instalowane, a następnie obserwowane przez operatorów zarówno na poziomie produkcyjnym, jak i zarządzania (biznesowym) w zakładzie, to znaczne ułatwienie w stosunku do dotychczasowych rozwiązań. Dodatkowo możliwe jest również, w razie potrzeby, uzyskanie dostępu do wybranych danych z dowolnego miejsca, w przypadku podłączenia do globalnej sieci Internet. Elastyczność, wysokie osiągi oraz niskie koszty utrzymania to podstawowe przyczyny wzrostu popularności standardu Ethernet w przemyśle.
Na zakończenie…
- Kable miedziane używane są ze względu na wygodę montażu instalacji; kable światłowodowe zaś w razie konieczności przesyłania informacji na dużych odległościach oraz zabezpieczenia przed zaburzeniami z zewnątrz.
- Przy rozbudowie lub modernizacji istniejącej już sieci światłowodowej należy zwrócić szczególną uwagę na częstotliwość/długość fal świetlnych dla danej technologii światłowodowej.
- Niektóre urządzenia We/Wy umożliwiają podgląd i diagnostykę danych z systemu za pomocą przeglądarek internetowych, przyczyniając się tym samym do redukcji kosztów związanych z zakupem specjalizowanych urządzeń interfejsów użytkownika (ang. HMI – Human-Machine-Interface) oraz aplikacji SCADA do akwizycji danych.
- Kontakt z autorem: Larry Komarek, e-mail: lkomarek@phoenixcon.com
Artykuł pod redakcją Andrzeja Ożadowicza
