Hybridiohjausverkkojen toteuttaminen teollisissa käyttökohteissa

Öljyn- ja kaasunjalostamojen, kemiantehtaiden, nesteytetyn maakaasun tuontiterminaalien sekä muiden vastaavien valtavien teollisten kompleksien haasteena on parantaa toimintatehoa, tukea joustavaa tuotantoa, leikata kustannuksia ja varmistaa toiminnan turvallisuus. Lisää haasteita tuo tuotantoprosessien keskeytymättömyys. Tällaisissa tiloissa käytettävien teollisten ohjausverkkojen on valvottava optimaalisen toiminnan takaamiseksi yhtämittaisesti lämpötilaa, painetta, tärinää, virtausta ja muita parametreja tuhansissa eri kohdissa. Verkkojen pituus voi olla jopa useita kilometrejä ja niissä on käytettävä erilaisia kupari- ja valokuitukaapeleihin perustuvia tiedonsiirtotekniikoita tukemaan laajaa laitteiden kirjoa, joka pitää sisällään pienempää kaistanleveyttä käyttäviä antureita, suurempaa kaistanleveyttä käyttäviä reaaliaikaisia säätimiä sekä turvalaitteita.

Täyttääkseen näin monenlaiset vaatimukset verkkoinsinöörien on hyödynnettävä optimaalisesti sekä kupari- että valokuitukaapeleita käyttäviä viestintälaitteita. Kaikki näistä laitteista on yhdistetty pieniin teollisiin Ethernet-kytkimiin, joissa on redundanttiset virtalähteet, useita käyttölämpötilaan liittyviä ominaisuuksia, etävalvonta sekä kehittyneet turvaominaisuudet.

Tämän artikkelin alussa on tiivis yhteenveto teollisesta Ethernetistä (Industrial Ethernet eli IE). Lisäksi selitetään, miksi on tarpeen käyttää valokuitu- ja kuparikaapeleista muodostuvia hybridiverkkoja. Painopiste on erityisesti valokuitukaapeleissa. Artikkelissa verrataan yksimuoto- (SM) ja monimuotokuituja (MM) ja perehdytään käytön aikana vaihdettavia valokuitumoduuleja koskeviin standardeihin sekä valokuitumoduulien digitaalisen diagnostisen valvonnan (DDM) toimintaan. Sitä seuraa katsaus yritysten Cisco Systems, Phoenix Contact ja Intelligent Network Solutions erilaisiin valokuitua käyttäviin tiedonsiirtolaitteisiin sekä ohjattavaan Red Lion Controls IE-kytkimeen, jonka lujatekoisessa IP40-kotelossa on liitännät sekä kupari- että valokuitukaapeleille.

IE perustuu Ethernet-protokolliin, laajan lämpötila-alueen tarjoaviin kytkimiin sekä vaativia ympäristöjä kestäviin liittimiin. IE pystyy tukemaan reaaliaikaista ja determinismistä ohjausta, ja sen toteuttamisessa käytetään erilaisia viestintäprotokollia, joihin kuuluvat esimerkiksi EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET ja Modbus TCP.

IE-verkkojen on oltava jossakin määrin yhteentoimivia vanhojen ja nykyisten järjestelmien kanssa. Samalla verkkojen on oltava suorituskyvyltään ennakoitavissa ja helposti huollettavissa maksimaalisen käyttöajan varmistamiseksi. Suurissa laitoksissa käytetään usein kupari- ja valokuituliitäntöjen yhdistelmää. Kupari voi tarjota edullisen vaihtoehdon sille soveltuvissa käyttökohteissa. Valokuidun käytöllä voidaan kuitenkin vähentää sähkökohinaan liittyviä ongelmia, varmistaa sähköinen eristys sekä se mahdollistaa myös paljon pidemmät kytkennät, mikä voi olla erityisen hyödyllistä suurissa ja hajanaisissa teollisuuskomplekseissa.

Monimuoto- vai yksimuotokuitu?

Valo kulkee optisen kuidun sisällä, koska ytimen ja kuoren optiset indeksit eivät vastaa toisiaan, mikä aiheuttaa sisäisen kokonaisheijastuksen. Ytimen halkaisija on kriittisen tärkeä, sillä sen perusteella määritetään vastaanottokeila, joka puolestaan määrittää kulmat, joissa kuituun pääsevä valo voi jatkaa etenemistä. Yksimuotokuidussa on pieni 10 mikrometrin (μm) ydin, joka tukee vain yhtä etenemistilaa, eli perustilaa. Optisissa monimuotokuiduissa on suuri, valon toiminnallista aallonpituutta vastaava ytimen halkaisija. Suuremmat ytimet ohjaavat samanaikaisesti useita tiloja, joita kutsutaan myös valon seisoviksi aaltoliikkeiksi (kuva 1). ISO/IEC 11801 -standardissa määritetään viisi kahteen ydinkokoon sekä erilaisiin kaistanleveysominaisuuksiin perustuvaa monimuotokuituluokkaa: OM1, OM2, OM3, OM4 ja OM5. Valokuitukaapelit voidaan luokitella ytimen ja kaapelin halkaisijan perusteella. Esimerkiksi 62,5/125 μm viittaa monimuotokaapeleiden OM1-luokkaan. OM2-, OM3-, OM4- ja OM5-luokissa käytetään 50/125 μm:n monimuotokaapeleita, kun taas 10/125 μm on yksimuotokaapeli.

Kuva 1: Monimuotokuiduissa on suhteellisen suuri halkaisija ja ne tukevat useiden valomuotojen samanaikaista lähettämistä. (Kuva: Cisco Systems)

Monimuotokuituja voidaan käyttää ledilähteiden kanssa, mutta suorituskykyisemmissä malleissa hyödynnetään VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) -tekniikkaa. VCSEL-tekniikan avulla monimuotokuituverkoissa voidaan saavuttaa usean gigabitin tiedonsiirtonopeus.

Monimuotokuitujen viisi luokkaa perustuvat nanometreissä (nm) ilmaistuun valon aallonpituuteen, mikrometreissä (μm) ilmaistuun ytimen halkaisijaan sekä modaaliseen kaistanleveyteen. Modaalisella kaistanleveydellä tarkoitetaan signaalin maksiminopeutta megahertseissä (MHz) tietyllä kilometrimatkalla tai maksimietäisyyttä tietyllä signaalinopeudella. Se on kaistanleveyden ja etäisyyden tulo (MHz km). Kun kaapelin etäisyys puolitetaan, signaalin maksiminopeus kaksinkertaistuu. ISO/IEC 11801 -standardin mukaiset monimuotokuituluokat:

• OM1: 62,5 μm:n ydin, modaalinen minimikaistanleveys vähintään 200 MHz km / 850 nm
• OM2: 50 μm:n ydin, modaalinen minimikaistanleveys vähintään 500 MHz km / 850 nm
• OM3: 50 μm:n ydin, modaalinen minimikaistanleveys vähintään 2000 MHz km / 850 nm
• OM4: 50 μm:n ydin, modaalinen minimikaistanleveys vähintään 4700 MHz km / 850 nm
• OM5: 50 μm:n ydin, modaalinen minimikaistanleveys vähintään 4700 MHz km / 850 nm ja 2470 MHz km / 953 nm.

OM3-standardi on suunniteltu tukemaan IEEE 802.3 10GbE Ethernet -standardia. Käytettäessä VCSEL-modulaatiota OM3-monimuotokaapeleiden nopeus voi olla jopa 10 gigabittiä sekunnissa (Gb/s) jopa 300 metrin etäisyydelle. Useimmissa tapauksissa monimuotoiset OM3-kuitulinkit ovat kustannustehokkain ratkaisu käyttökohteissa, joissa etäisyys on jopa noin 500 metriä. Monimuotoiset OM4-kuitulinkit tukevat jopa yhden kilometrin etäisyyksiä. Pidemmille etäisyyksille ja suuremmille tiedonsiirtonopeuksille vaaditaan yksimuotokuituja.

SFP-liittymät kupari- ja valokuitukaapeleille

SFP-liittymä on pienikokoinen, käytössä vaihdettava verkkomoduulimuoto, jota käytetään tietoliikenne- ja televerkoissa. Ethernet-kytkimessä tai vastaavassa verkkolaitteistossa oleva SFP-liitäntä on modulaarinen paikka, joka on varattu jollekin tietylle medialle tarkoitetulle lähetin-vastaanottimelle, esimerkiksi kupari- tai valokuitukaapelille. SPP mahdollistaa sen, että porttiin voidaan asentaa tarpeen mukaan erityyppinen lähetin-vastaanotin. SFP – jota toisinaan kutsutaan myös mini-GBIC:ksi – on korvannut aiemmin kehitetyt, suurempikokoiset GBIC (Gigabit Interface Converter) -muuntimet. Small Form Factor Committee, eli ns. pienen laitemuodon komitea, on määrittänyt laitemuodon, mekaaniset lukitukset ja sähköiset rajapinnat MSA SFF-8472 -sopimuksessa (kuva 2). Vakiomuotoisten SFP-rajapintojen lisäksi on mahdollista saavuttaa suurempiakin nopeuksia: SFP+ mahdollistaa jopa 10 Gbit/s ja SFP28 jopa 25 Gbit/s.

Kuva 2: Kuituoptisen SPF-moduulin mekaanisia osia, joissa näkyvät selvästi salpa- ja lukitusmekanismit sekä kuituoptiset ja sähköiset liitännät. (Kuva: Intelligent Network Solutions ja Jeff Shepard)

Saatavana on kuituoptisia SFP-lähetin-vastaanottimia, jotka tukevat synkronisia optisia verkkoja (SONET), Gigabit Ethernetiä, kuitukanavaa, passiivisia optisia verkkoja (PON) samoin kuin muita viestintästandardeja.

Digitaalinen diagnostinen valvonta (DDM)

MSA SFF-8472 määrittää myös kuituoptisten lähetin-vastaanotinten digitaaliset diagnostiset valvontatoiminnot. Digitaalista diagnostista valvontaa kutsutaan joskus myös digitaaliseksi optiseksi valvonnaksi (DOM). DDM:n avulla verkkovastaavat voivat valvoa reaaliaikaisesti optista tulo-/lähtötehoa, lämpötilaa, laserin esivirtaa sekä lähetin-vastaanottimen käyttöjännitettä (kuva 3). DDM on GBIC-määritysten mukaisen sarjatunnusliittymän laajennus. DDM sisältää hälytyksiä ja varoituksia, jotka antavat hälytyksen, jos toimintaparametrit ovat tavallista käyttöä koskevien tehdasasetusten ulkopuolella.

Kuva 3: DDM voi valvoa optisten SFP-lähetin-vastaanottimien suorituskykyä ja antaa hälytyksen, jos jokin parametri ei ole nimellisen toiminta-alueen mukainen. (Kuva: Intelligent Network Solutions)

DDM on suunniteltu auttamaan vikojen ennakoinnissa sekä tukemaan ennaltaehkäisevää huoltoa verkon käytettävyysajan maksimoimiseksi. Lähetin-vastaanottimen valmistaja määrittää eri parametrien DDM-kynnysarvot. Lähetin-vastaanottimen käyttö kynnysarvojen ulkopuolella heikentää suorituskykyä ja saattaa johtaa lähetysvirheisiin. Lähetin-vastaanotin antaa hälytyksen, jos parametrin arvo ylittää määritetyn kynnysarvon. Lisäksi moduuli lopettaa tietojen lähettämisen, ja vastaanotin ei suostu vastaanottamaan viestejä. Ei ole mitenkään harvinaista, että laite antaa samalla kerralla useita hälytyksiä. Jos esimerkiksi optinen lähetysteho on liian suuri, myös lämpötila saattaa olla liian korkea.

Vaikka DDM kytkeytyykin pois päältä ja suojaa järjestelmää jos esiasetetut kynnysarvot ylittyvät, sen avulla voidaan myös valvoa lähetin-vastaanottimen toimintaparametreja ja näyttää käyttäjille väärään suuntaan liikkuvat arvot, ennen kuin ne saavuttavat haitallisen tason. Tämä puolestaan mahdollistaa ennaltaehkäisevän huollon suunnittelun.

Monimuotokuitu ja kilometrin kantama

Phoenix Contact 2891754 Gigabit -SFP-moduulin avulla teollisten ohjausverkkojen suunnittelijat voivat saavuttaa jopa yhden kilometrin lähetysmatkan käyttämällä 850 nm:n aallonpituudelle suunniteltuja kuituja (kuva 4). Teollisiin käyttökohteisiin sopivan moduulin käyttölämpötila-alue on −40 ... +85 °C, ja moduuli toimii jopa 95 prosentin kosteudessa. Lähetysmatka vaihtelee käytetyn kuidun mukaan:

• 62,5/125 µm (OM1): 275 m
• 50/125 µm (OM2): 550 m
• 50/125 µm (OM3): 800 m
• 50/125 µm (OM4): 1000 m

Kuva 4: Optisen SFP-lähetin-vastaanottimen kantama on yksi kilometri 850 nm:n aallonpituudella OM4-kaapelia käytettäessä. (Kuvan lähde: DigiKey)

20 kilometrin kantama yksimuotokuidulla

Intelligent Network Solutionsin INT 506724 -SFP-moduuli tukee jopa 20 km:n 1000Base-LX-tiedonsiirtoa yksitilaisella 9/125 µm:n kuidulla 1 310 nm:n laseria käytettäessä. Moduulissa on DDM-tuki, ja sen metallikotelo vähentää sähkömagneettisia häiriöitä ja parantaa kestävyyttä (kuva 5). Moduulin käyttölämpötila-alue on 0...70 °C, ja se on tarkoitettu suhteellisen kosteuden (RH) arvoille 10...85 %.

Kuva 5: Intelligent Network Solutions INT 506724 SFP-moduuli tukee jopa 20 km:n 1000Base-LX-tiedonsiirtoa yksitilaisella 9/125 µm:n kuidulla 1 310 nm:n laseria käytettäessä. (Kuva: Intelligent Network Solutions)

10 kilometrin SFP-lähetin-vastaanottimet

Ciscon SFP-10G-BXD-I- ja SFP-10G-BXU-I-laitteissa käytetään yksimuotokuitua. SFP+ -porttiin liitettyinä laitteiden lähetysetäisyys on jopa 10 km. Nämä lähetin-vastaanottimet toimivat optisesti yhteen samassa linkissä olevien 10GBASE XENPAK-, 10GBASE X2- ja 10GBASE XFP -liitäntöjen kanssa. Laitteet on lisäksi varustettu reaaliaikaista suorituskykyä valvovilla DOM-toiminnoilla. SFP-10G-BXD-I muodostaa aina laitetta käytettäessä yhteyden SFP-10G-BXU-I-laitteeseen. SFP-10G-BXD-I lähettää 1 330 nm:n kanavalla ja vastaanottaa 1 270 nm:n signaalin, kun taas SFP-10G-BXU-I lähettää 1 270 nm:n aallonpituudella ja vastaanottaa 1 330 nm:n signaalin (kuva 6).

Kuva 6: Nämä optiset lähetin-vastaanottimet käyttävät erilaisia aallonpituuksia tietojen lähettämiseen ja vastaanottamiseen. (Kuva: Cisco Systems)

Ohjattava kytkin teolliseen Ethernetiin

Red Lion Sixnet SLX-8MG-1 on oiva valinta verkkoinsinööreille, jotka tarvitsevat kaksitoistaporttista ohjattavaa Gigabit Ethernet -kytkintä, joka on varustettu kahdeksalla tavallisella portilla, neljällä SFP-yhdistelmäportilla sekä Modbus-valvonnalla. SLX-8MG-1 tarjoaa kahdeksan 10/100/1000Base-T(X)-porttia ja neljä SFP-yhdistelmäporttia (jotka tukevat 100Base- sekä 1000Base-kuituvastaanottimia). Vaativiin teollisiin ympäristöihin sopivan kapean ja lujatekoisesta metallista valmistetun DIN-kiskoilla varustetun kotelon sisälle sijoitettu SLX-8MG tukee redundantteja 10–30 VDC:n käyttöjänniteitä. Laitteen käyttölämpötila on −40 ... +75 °C. Laite sisältää myös Modbus/TCP-etävalvontajärjestelmän, kehittyneet suojausominaisuudet, kattavan iskun- ja tärinänvaimennuksen sekä hyvän suojauksen sähkömelulta ja ylijännitteeltä.

Kuva 7: Ohjattava Gigabit Ethernet -kytkin SLX-8MG-1 tarjoaa kahdeksan 10/100/1000Base-T(X)-porttia sekä neljä SFP-yhdistelmäporttia (vasemmalla ylhäällä). (Kuva: Red Lion)

Yhteenveto

Valokuitu- ja kuparikaapeleista koostuvat hybridiverkot voivat auttaa kustannusten leikkaamisessa sekä toimintatehon, tuotannon joustavuuden ja toimintojen turvallisuuden parantamisessa suurissa teollisissa laitoksissa, kuten öljyn- tai kaasunjalostamoissa tai kemiantehtaissa. Ohjattavien Gigabit Ethernet -kytkinten avulla verkkoinsinöörit voivat käyttää valokuitu- ja kuparikaapeleista koostuvia viestintäyhteyksiä. Yksimuoto- ja monimuotokuitujen käyttö tukee optimaalisia modaalisia kaistanleveyksiä. Yhdessä DDM-ominaisuuksien kanssa se mahdollistaa myös ennaltaehkäisevät huollot, joilla varmistetaan verkon maksimaalinen käyttöaika.