Suunnittele kestäviä IoT-sovelluksia käyttäen teollisuus-Ethernet-pohjaisia virta- ja data-verkkoja

Tuotantolaitosten liittäminen Internetiin parantaa tehokkuutta, laatua ja tuottavuutta. Esimerkiksi koneita voidaan ohjelmoida ja ohjata etänä, koneiden ja prosessien tietoja voidaan analysoida jatkuvasti prosessivirheiden tai poikkeamien löytämiseksi sekä tuotantoa voidaan säätää tehtaan ulkopuolelta suljetussa takaisinkytkentäsilmukassa. Pitkällä aikavälillä tietoja voidaan käyttää tulevaisuudessa suoritettavan skaalauksen suunnitteluun ja uusien valmistustekniikoiden nopeampaan integrointiin.

Vaikka verkkoyhteyden tarve on selkeä, sen toteuttaminen vaatiikin enemmän harkintaa. Vaihtoehtoja on monia, mutta Ethernet on helppokäyttöinen ja hyväksi havaittu ratkaisu tehdasverkkoon. Se on maailmanlaajuisesti käytetyin langallinen verkkovaihtoehto, jolla on hyvä valmistajien tuki ja saumaton yhteentoimivuus pilven kanssa. Mikä parasta, kaapelia voidaan käyttää sekä virran että datan siirtämiseen (Power over Ethernet (PoE)), mikä tarkoittaa, että sama kaapeli voi tukea sekä tiedonsiirtoa että syöttää virtaa siihen kytketyille antureille, aktuaattoreille ja muille laitteille, esimerkkinä kamerat.

Tavallinen Ethernet ei kuitenkaan riitä teolliseen käyttöön. Laitteistoa ei ole suunniteltu toimimaan luotettavasti kuumassa, likaisessa ja usein tärisevässä tehdasympäristössä. Lisäksi tavalliset Ethernet-protokollat eivät ole deterministisiä ja soveltuvat siten huonosti tehdasympäristön tarpeisiin, joissa tuotanto edellyttää lähes reaaliaikaista ohjausta nopeiden prosessien hallitsemiseksi.

Teollisuus-Ethernet tuo mukanaan kaikki tavallisen Ethernetin edut, mutta se tuo mukaan myös lujatekoisuuden ja deterministiset ohjelmistot. Se on hyväksi todettu ja kypsä teollisuusautomaatiotekniikka, joka mahdollistaa paitsi prosessidatan lähettämisen pilvipalveluun, myös sen, että tehtaan ulkopuolelta päästään helposti käsiksi tuotantotilojen laitteisiin, PLC-ohjaimiin ja I/O-laitteisiin. Ethernet-standardiin tehty lisäys IEEE 802.3cg käyttää tiedonsiirtoon vain yhtä johdinparia, mikä vähentää tehdaskaapeloinnin määrää ja kustannuksia.

Tässä artikkelissa käsitellään ensiksi teollisuussovellusten verkkoyhteyksiin liittyviä haasteita ennen kuin siinä tarkastellaan Ethernetin ja teollisuus-Ethernetin välisiä eroja. Tämän jälkeen artikkelissa tarkastellaan PoE- ja SPE (Single Pair Ethernet ) -tekniikoita, ennen kuin siinä esitellään Amphenolin reaalimaailman laitteistoa ja sitä, miten nämä teknologiat voidaan toteuttaa teollisuus-Ethernet-verkossa.

Ethernetin haasteet teollisuudessa

Vaikka Wi-Fi saattaakin olla suosituin tapa, jota kuluttajat muodostavat Internet-yhteyden, kaupallisissa tiloissa käytetään yleensä langallista Ethernet-lähiverkkotekniikkaa (LAN) tietokoneiden ja muiden laitteiden yhdistämiseen toisiinsa.

Ethernetin alkuvaiheessa verkon tietokoneet käyttivät yhteydenpitoon yhtä ainoaa väylää. Tämäntyyppinen verkko on suoraviivaisin konfiguraatio, se on edullinen ja sen käyttöönotto on helppoa. Se on kuitenkin suhteellisen tehoton, koska siihen kytketyt tietokoneet kilpailevat kaistanleveydestä, mikä johtaa ruuhkautumiseen, pakettien katoamiseen ja kaistanleveyden huomattavaan laskuun.

Nykypäivän toimistoverkoissa käytetään yleensä tähti-, puu- tai mesh-topologioita, joissa kytkimet valvovat verkon käyttöä ruuhkien rajoittamiseksi ja suorituskyvyn ylläpitämiseksi. Kytkimet ohjaavat Ethernet-liikennettä siten, että suorat viestit kulkevat vain niiden laitteiden välillä, joiden on kommunikoitava keskenään, sen sijaan että ne lähetettäisiin koko verkkoon (kuva 1).

Kuva 1: Ethernet-kytkimet valvovat verkon käyttöä ruuhkien rajoittamiseksi ja suorituskyvyn ylläpitämiseksi. (Kuvan lähde: Amphenol)

Jatkuvasti päivitettävään standardiin (IEEE 802.3) perustuva Ethernet on todistetusti turvallinen ja luotettava ja tarjoaa jopa satojen gigatavujen siirtonopeuden. Vaikka se ei olekaan osa Ethernet-standardia, Ethernet käyttää yleensä TCP/IP-protokollaa (osa Internet Protocol (IP) -standardia) reititykseen ja siirtoon, mikä mahdollistaa sen saumattoman yhdistämisen Internetiin. Se mahdollistaa myös verkkojen helpon skaalautumisen käyttäen kaapeleita, liittimiä ja kytkimiä, joita on saatavilla sadoilta eri valmistajilta.

Ethernet on kehittynyt niin, että virta- ja tietoliikenneverkot voidaan yhdistää yhteen Ethernet CAT 3 tai CAT 5 -kaapeliin, minkä ansiosta insinöörit voivat rakentaa vähän huoltoa vaativia Ethernet- ja sähköverkkoja nopeasti ja edullisesti erillisien järjestelmien käyttöön verrattuna. Tekniikka on virallistettu Institute of Electrical and Electronics Engineersin (IEEE) standardissa nimeltä PoE. Teknologian tärkeimpiä etuja ovat sen yksinkertaisuus ja se, että virtaa on saatavilla kaikkialla mistä vain löytyy datapistorasia. (Katso “Johdanto Power over Ethernet -teknologiaan”.)

Ethernet-spesifikaatioon hiljattain tehdyssä muutoksessa IEEE 802.3cg kuvataan SPE-vaihtoehto, jossa tiedonsiirtoon käytetään vain yhtä paria tavallisen Ethernetin tai PoE:n monisäikeisen CAT 3- tai CAT 5 -kaapelin sijasta. SPE soveltuu hyvin teollisuusautomaatiosovelluksiin, koska sen avulla tehdas- ja rakennusautomaatiosuunnittelijat voivat käyttää tuttuja Ethernet-pohjaisia protokollia tiedonsiirtoon pitkillä etäisyyksillä teollisuussäätimien ja antureiden välillä sekä vähentää samalla merkittävästi johdotuksen määrää (kuva 2).

Kuva 2: Yhden parin Ethernet yleistyy erilaisissa teollisissa ja kaupallisissa sovelluksissa tilaa säästävänä ja edullisena Ethernet-ratkaisuna. (Kuvan lähde: Amphenol)

Periaatteessa Ethernet on ihanteellinen tapa yhdistää toimistossa suoritettava valvonta ja tuotannon operaatiot. Se yhdistää tehokkaasti tietotekniikan (IT) ja käyttötekniikan (OT) verkot.

Tuotantolaitokset tuovat lisää teknisiä haasteita Ethernetin käyttöönottoon. Ensinnäkin tehtaat ovat riskialtis ympäristö herkille kaapeleille, liittimille ja kytkimille. Ympäristö on kuuma, pölyinen ja täynnä kemikaaleja, jotka eivät sovi käytettäviksi yhdessä tehdastoteutuksissa tyypillisten yli 100 metrin kaapelien kanssa. Lisäksi kosteus ja tärinä tekevät tuhojaan johtimissa ja koskettimissa. Lisäksi tehtaat ovat täynnä suuria moottoreita, joita käynnistetään ja sammutetaan koko ajan. Tämä aiheuttaa jännitetransientteja ja sähkömagneettisia häiriöitä (EMI), jotka voivat häiritä Ethernet-yhteyksiä.

Toiseksi tuotantolaitos on täynnä nopeasti liikkuvia robotteja ja synkronoituja koneita, jotka vaativat reaaliaikaista ohjausta. Tavallisen Ethernetin ei-deterministiset viestintämekanismit eivät riitä tällaiseen ohjaukseen.

Teollisuus-Ethernetin laitepuoli

“Teollisuus-Ethernet” on yleisnimitys teollisuuskäyttöä varten muokatuille Ethernet-järjestelmille. Tällaisiin järjestelmiin kuuluvat tyypillisesti lujatekoiset fyysiset kerrokset (PHY) sekä sellaiset teollisuusprotokollat kuten ModbusTCP, PROFINET ja Ethernet/IP. Lisäksi toisin kuin tavallisissa Ethernet-toteutuksissa, teollisuus-Ethernetissä käytetään yleensä linja- tai rengastopologioita, koska ne auttavat lyhentämään kaapelien etäisyyttä (mikä rajoittaa sähkömagneettisen häiriön vaikutuksia), laskemaan latenssia ja parantamaan redundanssia.

Kaapelit ovat lujatekoisia ja niissä tarjoavat EMI-suojauksen. Myös liittimet on suojattu teollisuusympäristöjen haastavien vaatimuksien mukaisesti.

Valmistajat luokittelevat tuotteidensa kestävyyden IP-luokitusjärjestelmän mukaisesti. IP-luokitus kertoo tuotteen suojausasteen ja se määritellään kansainvälisessä standardissa EN 60529. Järjestelmä koostuu kahdesta numerosta. Ensimmäinen kertoo suojaustason kiinteitä esineitä vastaan, esimerkkinä työkalut tai sormet. Nämä saattavat aiheuttaa vaaran, jos ne osuvat sähköjohtimiin. Suojaustaso koskee myös ilman mukana kulkeutuvaa likaa ja pölyä, jotka voivat vahingoittaa virtapiiriä. Toinen numero määrittää suojan vesipisaroita, suihkuja ja upottamista vastaan. Suojausluokat ovat välillä luokasta IP00 (ei suojausta pölyä eikä vettä vastaan) luokkaan IP69 (täysi suoja pölyä ja voimakkaita kuumia vesisuihkuja vastaan).

Teollisuus-Ethernetin liittimet käyttävät tyypillisesti jopa IP67-luokan suojakoteloita. Tässä tapauksessa luokitus kuusi tarkoittaa, että laitteen sisälle ei pääse haitallista pölyä eikä likaa, vaikka se olisi ollut suorassa kosketuksessa epäpuhtauksien kanssa kahdeksan tunnin ajan. Vesisuojausluokitus seitsemän tarkoittaa, että laite voidaan upottaa jopa metrin syvyiseen makeaan veteen 30 minuutiksi ilman, että se vahingoittuu.

Suunnittelijan on teollisuus-Ethernetin PHY-kerrosta, kaapeleita ja liittimiä valitessaan otettava huomioon niiden sähkömagneettinen häiriönsietokyky ja tarkistettava niiden teknisistä tiedoista seuraavat IEC- ja EN-standardit:

• IEC 61000-4-5 jännitepiikki
• IEC 61000-4-4 sähköinen nopea transientti (EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 johdettu immuniteetti
• EN 55032 säteilyemissio
• EN 55032 johtuva emissio

Joidenkin tai kaikkien näiden standardien noudattaminen antaa varmuutta siitä, että teollisuus-Ethernet-järjestelmän EMI-suorituskyky tehdasympäristössä on tyydyttävä.

Lujatekoiset liittimet

Liittimet ovat kriittinen osa teollisuus-Ethernet-järjestelmän suorituskykyä riippumatta siitä, sijaitsevatko ne koneen ohjauspaneelissa, Ethernet-kytkimessä vai kaapeloinnissa. Ilman huolellista valintaa yksittäisen liittimen vikaantuminen voi aiheuttaa nopean tuotannon rasituksessa miljoonien dollareiden koneiden toimintahäiriön tai pysähtymisen.

On useita valmistajia, jotka tarjoavat testattuja ja luotettavia teollisuus-Ethernet-liittimiä erilaisiin Ethernet-, PoE- ja SPE-sovelluksiin. Esimerkiksi Amphenolin suorakulmainen ja push-pull-tyyppinen Industrial IP6X- liitin- ja kaapeliratkaisu tarjoaa CAT 6A Ethernet-liitännän käyttäen IEC 61076-3-124 -standardin mukaista liitosrajapintaa ja se voidaan tiivistää täysin IP65-, IP66- ja IP67-spesifikaatioiden mukaisesti. On huomionarvoista, että liittimet on tarkoitettu käytettäväksi teollisuus-Ethernet-sovelluksissa, jotka vaativat korkeampaa ympäristösuojausta, ja ne soveltuvat kaikkiin sisä- ja ulkotiloihin sekä haastaviin ja vaativiin olosuhteisiin.

Tuoteperheeseen kuuluu kuvassa 3 esitetty paneeliin kiinnitettävä suorakulmainen IP67-liitinkotelo NDHN200. 10 nastan monikäyttöinen ei-juotettava urosliitin NDHN3A2 (kuva 4) on tarkoitettu käytettäväksi NDHN200-liittimen kanssa. Urosliitin tarjoaa salpalukon ja valetun suojauksen. Liittimen jänniteluokitus on 50 volttia AC tai 60 volttia DC ja sen virtaluokitus on 1,5 ampeeria (A). Liitin voidaan yhdistää/irrottaa jopa 250 kertaa.

Kuva 3: NDHN200 on IP67-luokiteltu suorakulmainen liitinkotelo teollisuus-Ethernet-sovelluksiin. (Kuvan lähde: Amphenol)

Kuva 4: NDHN3A2 on IP67-urosliitin, joka tarjoaa salpalukon ja valetun suojauksen. (Kuvan lähde: Amphenol)

Amphenol on myös julkaissut SPE-liittimiä, jotka on tarkoitettu jopa yhden gigabitin sekuntinopeudella (Gbit/s) toimivien oheislaitteiden, kuten antureiden, aktuaattorien ja kameroiden, Ethernet-liitäntöihin. SPE-ratkaisu pienentää kokoa, painoa ja kustannuksia tavalliseen Ethernetiin verrattuna. Liittimillä on IP67-luokitus ja ne käyttävät pyöreää M12-kokoa. Ne yhdistetään kentällä terminoitaviin urosliittimiin ja ne tarjoavat täysin suojatun liitännän salpalukituksella. Niiden jännite/sähkövirtaluokitus 60 volttia DC ja jopa 4 A. Ne tukevat PoE-teknologiaa jopa 1 kilometrin (km) etäisyydelle. Yksi esimerkki on MSPEJ6P2B02, 2P2C-tyypinen SPE-liitin (kuva 5)

Kuva 5: MSPEJ6P2B02 IP67 SPE-liitin käyttää suosittua pyöreää M12-kokoa. (Kuvan lähde: Amphenol)

Yritys tarjoaa myös vastaavan suorakulmaista urosliitintä käyttävän SPE-liitinsarjan. Liittimen luokitus ei kuitenkaan ole IP67 vaan IP20. Ratkaisu tarjoaa saman sähköisen suorituskyvyn kuin M12-sarja, mutta se on edullisempi. MSPE-P2L0-2A0 on esimerkki modulaarisesta SPE-liittimestä (kuva 6).

Kuva 6: Modulaarinen MSPE-P2L0-2A0 SPE IP20 -liitin on kustannustehokas vaihtoehto vähemmän riskialttiisiin ympäristöihin. (Kuvan lähde: Amphenol)

Teollisuus-Ethernetin protokollat

Tavallisen Ethernetin tiedonsiirtomekanismi on riittävä toimiston tai pienyrityksen suhteellisen rauhalliseen liikenteeseen. Tämä mekanismi on kuitenkin altis häiriöille ja pakettien katoamiselle. Tämä lisää viiveitä, minkä vuoksi se ei sovellu nopeasti liikkuvan ja synkronoidun tuotantolinjan lähes reaaliaikaisiin vaatimuksiin. Kuten edellä mainittiin, tällaisessa ympäristössä tarvitaan deterministinen protokolla, jolla varmistetaan, että koneelle lähetetyt ohjeet saapuvat ajallaan, joka kerta, verkon kuormituksesta riippumatta.

Tämän haasteen ratkaisemiseksi teollisuus-Ethernet-laitteistoa täydennetään vastaavalla "teollisuustasoisella" ohjelmistolla. Käytettävissä on useita hyväksi todettuja teollisuus-Ethernet-protokollia, kuten Ethernet/IP, ModbusTCP ja PROFINET. Jokainen niistä on suunniteltu takaamaan determinismi teollisuusautomaatiosovelluksissa.

Ethernet- ja teollisuus-Ethernet-ohjelmistojen välistä eroa voidaan parhaiten kuvata tarkastelemalla seitsenkerroksista ISO/OSI-abstraktiomallia ("pinoa"), joka käsittää seuraavat kerrokset: fyysinen kerros (PHY), siirtoyhteyskerros, verkkokerros, kuljetuskerros, istuntokerros, esitystapakerros ja sovelluskerros. Tavallinen Ethernet käsittää kerrokset PHY, siirtoyhteys, verkko ja kuljetus (jotka käyttävät kuljetustapana joko TCP/IP- tai UDP/IP-protokollaa). Sitä voidaan pitää viestintämekanismina, joka tarjoaa tehokkuutta, nopeutta ja monipuolisuutta.

Sitä vastoin teollisuus-Ethernet-protokollat, kuten PROFINET, käyttävät teollisuus-Ethernet-pinon sovelluskerrosta. PROFINET on tiedonsiirtoprotokolla, joka on suunniteltu koneiden ja ohjainten väliseen tiedonvaihtoon automaatioympäristössä ja jossa käytetään tiedonsiirtomekanismina tavallista Ethernetiä (kuva 7).

Kuva 7: Seitsenkerroksinen ISO/OSI-abstraktiomalli edustaa teollisuus-Ethernet-ohjelmistopinoa. Teollisuus-Ethernet-protokollat, kuten PROFINET, istuvat sovelluskerroksella. (Kuvan lähde: Profinet)

Teollisuus-Ethernet-ohjelmisto voi käyttää myös muita protokollia, jotka on tarkoitettu erityisesti datan lähettämiseen pilveen. Esimerkkinä toimivat sellaiset protokollat kuten MQTT ja SNMP.

Yhteenveto

Vastatakseen tehtaan vaativiin olosuhteisiin ja reaaliaikavaatimuksiin teollisuus-Ethernet käyttää lujatekoisia laitteita, kuten kytkimiä, kaapeleita ja liittimiä, sekä teollisuusohjelmistoja tehtaan IT- ja OT-verkkojen luotettavaan yhdistämiseen.

Kuten edellä on esitetty, hyviksi osoittautuneiden kaupallisten liitinratkaisujen avulla insinöörien on helppo hyödyntää teollisuus-Ethernet-verkkoa nopean teollisuusautomaation ohjelmoinnissa ja ohjauksessa sekä kerätä samalla syvällisiä tietoja, joita tarvitaan valmistustoiminnan tehostamiseen ja skaalaamiseen.