Nopeiden ja kestävien Ethernet-liittimien käyttö teollisissa tiedonsiirtoverkoissa

Teollinen esineiden internet (Industrial Internet of Things, IIoT) eli Teollisuus 4.0 lisää haastavissa ympäristöissä toimivien tiedonsiirtoverkkojen kysyntää. Tällaisten verkkojen heikko lenkki ovat usein liittimet, sillä teollisuusympäristöt ovat kuumia ja likaisia. Lisäksi niissä on usein täriseviä koneita, ja kaikki nämä tekijät yhdessä kuormittavat mekaanisia liittimiä ja heikentävät niiden luotettavuutta. Tilannetta pahentaa se, että tiedonsiirtovirhe on modernissa tehtaassa vakava asia. Tuotannonmenetykset voivat aiheuttaa taloudellisen katastrofin ja turvallisuuteen liittyvä virhe vakavan vamman. RJ45-vakioliittimelle tarvitaankin vaihtoehto.

Suunnittelijat tarvitsevat Ethernet-liittimiä, jotka ovat niin kestäviä, että ne täyttävät nykyiset teollisuusstandardit ja IP-suojausvaatimukset riippumatta siitä, mihin ne aluksi asennetaan. Niiden täytyy pystyä toimivaan Cat 6A Ethernet ‑verkossa luotettavasti jopa nopeudella 10 gigabittiä sekunnissa (Gbps), tukea Power-over-Ethernet-tekniikkaa (PoE) ja vastata mahdollisimman hyvin myös tulevaisuuden vaatimuksiin. Tämä kaikki täytyy usein pystyä toteuttamaan tiukassa budjetissa.

Tässä artikkelissa tarkastellaan teollisia tiedonsiirtojärjestelmiä koskevia vaatimuksia ja sopivia IP-suojaustasoja. Lisäksi siinä käsitellään teollisten Ethernet-liittimien ominaisuuksia ja niiden kykyä vastata näihin haasteisiin. Esimerkkinä käsitellään Amphenol-yhtiön ratkaisuja liittimien käytöstä uusissa projekteissa.

Teollisten verkkojen vaatimukset

Teollisuus 4.0 (”valmistuksen digitalisaatio”) toteutetaan nykyään laajalti langallisten verkkojen avulla. Ratkaisut perustuvat alalla 1970-luvun lopussa ja 1980-luvulla aloitettuun tietotekniikan käyttöön. Teollisuus 4.0 lupaa johtajille parempaa tuottavuutta, laadukkaampaa tuotantoa, alempia hintoja ja parempaa turvallisuutta. Insinöörien taas täytyy rakentaa modernia valmistusta tukevat robustit verkot.

Ethernet-verkkojen infrastruktuuri perustuu sekä kotikäytössä että teollisuudessa yleensä edullisiin kaapeleihin ja tavallisiin RJ45-liittimiin. Näitä komponentteja ei kuitenkaan ole suunniteltu tehdaskäyttöön. Tehdasympäristö on paljon haastavampi, ja kaapelien ja liittimien valinnassa on otettava huomioon seuraavia rasitustekijöitä:

• mekaaniset: iskut, tärinä, puserrus, taipuminen, kiertyminen
• kemialliset: vesi, öljyt, liuottimet, syövyttävät kaasut
• ympäristöstä johtuvat: äärilämpötilat, kosteus, auringon säteily
• sähköön liittyvät: staattiset purkaukset (ESD), sähkömagneettiset häiriöt (EMI), korkeat transienttijännitteet.

Teollisuuskaapelit ja ‑liittimet on valittava siten, että ne kestävät vaativimmat verkon koko elinkaaren aikana odotettavissa olevat olosuhteet. Jos esimerkiksi valitaan normaaliin ympäristölämpötilaan sopiva kaapeli, siitä ei ole paljonkaan riemua, jos tehdasta muutetaan siten, että kaapeli kulkeekin prosessiuunien lähellä paljon kuumemmassa ympäristössä.

Saatavana on laadukkaalla polyuretaanieristeellä päällystettyjä kaapeleita, jotka kestävät hankausta, kemikaaleja (myös öljyä) sekä tulipaloa. Vaikka esimerkiksi polyvinyylikloridista (PVC) valmistetut eristeet ovat halvempia, ne eivät kestä öljyjä ja kemikaaleja ja lisäksi ne haurastuvat ja säröilevät matalissa lämpötiloissa.

Teollisen Ethernet-verkon rakentaminen

Jos ympäristössä on vain vähän sähköisiä häiriöitä, suojaamaton kierretty parikaapeli saattaa riittää. Teollisuuskoneet, kuten valokaarihitsauskoneet, sekä tehtaan erilaiset sähkölaitteet, kuten kytkentäreleet, AC-käytöt tai solenoidit, voivat kuitenkin aiheuttaa häiriöitä ja tiedonsiirtovaikeuksia suojaamattomissa kaapeleissa. Epävarmoissa tilanteissa kannattaa pelata varman päälle ja käyttää suojattua kaapelia, jolloin voidaan myöhemmin välttyä mahdollisilta kalliilta järjestelmävirheiltä. Tehtaiden kasvaessa säätö- ja virtakaapelit sijoitetaan usein kanaviin, jotka oli aiemmin varattu vain Ethernet-tiedonsiirrolle. Jos alun perin asennetut Ethernet-kaapelit ovat suojaamattomia, seurauksena voi olla datan korruptoituminen.

Dataa voidaan suojata tehokkaimmin kaksoissuojauksella, jossa käytetään sekä kalvoa että kuparipunosta. Suunnittelijan täytyy myös käyttää suojattuja liittimiä ja päättää suojaus maahan, jotta suojaus toimii oikein. Jos suojausta ei päätetä, se voi itse asiassa toimia antennin tapaan ja pahentaa häiriöitä.

Signaalin laatu heikkenee myös suojatuissa kaapeleissa, jos siirtomatka on pitkä. Yksilankaisilla johtimilla varustetut kaapelit toimivat paremmin ja niiden pituus voi olla jopa 100 metriä (m), mutta taivuttaminen tai kiertäminen vahingoittavat niitä herkemmin. Monilankaiset kaapelit kestävät taivuttamista ja kiertämistä paremmin, mutta niiden pituuden ei tulisi ylittää 85 metriä (kuva 1).

Kuva 1: Yksilankaisen Ethernet-kaapelin pituuden tulisi olla enintään 100 m ja monilankaisen enintään 85 m. (Kuvan lähde: Amphenol)

Verkkoa rakennettaessa staattisen taivutussäteen on oltava vähintään neljä kertaa kaapelin ulkohalkaisija. Tämä koskee sekä monilankaisia että yksilankaisia ja sekä suojattuja että suojaamattomia kaapeleita. Yksilankaisia kaapeleita ei pidä käyttää, jos kaapelia joudutaan taivuttamaan. Monilankaisten kaapelien teknisissä tiedoissa määritetään yleensä taivutuskertojen enimmäismäärä, joka on taivutussäteestä riippuen tyypillisesti 1–10 miljoonaa kertaa.

Kaapelit on kiinnitettävä kaapelisiteillä riittävän löyhästi, jotta kaapelit pääsevät liikkumaan vapaasti. Liian tiukka kiinnitys aiheuttaa rasituskohtia, jotka voivat johtaa johtimen vikaantumiseen. Kaapelit on sidottava löyhästi myös silloin, kun useita kaapeleita sidotaan nipuksi.

Koska ehdoton valtaosa käyttöönottovirheistä johtuu kenttäjohdotuksesta (koska kierrettyjen parikaapelien kunnossapito ja suojuksen oikea päättäminen on vaikeaa ja hidasta), vain tehtaalla valmiiksi asennettujen valettujen liittimen käyttö on suositeltavaa.

Suunnittelu tulevaisuutta silmällä pitäen

Langalliset verkot tarjoavat tärkeitä etuja (kuten nopeus, signaalin eheys ja turvallisuus), mutta niiden asentaminen ja kunnossapito on kallista. Verkon suunnittelijan kannattaakin pitää silmällä myös tulevaisuutta ja varmistaa, että infrastruktuuri kestää mahdollisimman kauan ja vaatii mahdollisimman vähän korjausta.

Verkon nopeudet ovat kasvaneet vääjäämättömästi koko Ethernetin historian ajan. Teollisissa verkoissa käytetään tulevaisuudessa todennäköisesti pääsääntöisesti optista infrastruktuuria, jolla voidaan saavuttaa 400 Gbps:n tai jopa terabittiluokan sekuntinopeuksia (Tbps). Jos nykyisiin kuparijohdinasennuksiin valitaan huolellisesti laadukkaat kierretyt parikaapelit ja liittimet, niiden pitäisi riittää nykyisten 1 Gbps:n nopeuksien lisäksi myös tuleviin 10 Gbps:n nopeuksiin (taulukko 1).

Taulukko 1: Ethernet-kaapelien nopeudet ja niitä vastaavat käyttötaajuudet. Taajuus on yleensä suhteessa suorituskykyyn. (Kuvan lähde: DigiKey)

Tehdasverkoissa aletaan myös hyödyntämään PoE-tekniikkaa, jossa Ethernet-kaapelointia käytetään laitteiden virransyöttöön. PoE käyttää yhtä Ethernet-vakioinfrastruktuuria ja pystyy käsittelemään kymmenien wattien tehoja. Tämä keskitetty ja joustava tekniikka poistaa tarpeen järjestää virransyöttö paikallisesti jokaiselle verkkoon kytketylle laitteelle, jolloin laitteita voidaan sijoitella mihin tahansa ja tarvittaessa siirtää myöhemmin helposti.

PoE-tekniikan parannettu versio, PoE+, pystyy toimittamaan laitteille jopa 25,5 watin tasavirtaa, ja siihen voi kytkeä turvakameroiden kaltaisia runsaasti tehoa tarvitsevia laitteita. (Ks. Digi-Keyn tekninen artikkeli ”Power-over-Ethernet Adapts to Meet Higher Demand”.)

Kaapelit ja liittimet on valittava siten, että ne kestävät mekaanista, kemiallista ja sähköistä kuormitusta yhtä hyvin. Lisäksi niiden suorituskyvyn tulisi vastata toisiaan. Suorituskyvyn rajat määrää verkon heikoin komponentti. Jos esimerkiksi Cat 6a ‑kaapelien kanssa käytetään Cat 6 ‑liittimiä, järjestelmän nopeus on enintään 1 Gbps, vaikka kaapelin maksiminimellisnopeus olisi 10 Gbps.

Teollisten verkkojen liittimet

Vaikka teollisten verkkojen suunnittelijan on tärkeää pohtia kaapelin valintaa, reititystä ja Ethernet-taajuutta, Ethernet-verkon suunnittelun suurimmat haasteet liittyvät kuitenkin liittimiin. Liittimet ovat nimittäin koko verkon heikoin lenkki. Niihin saattaa päästä vettä ja likaa, ja Ethernet-parit ovat niissä lyhyen matkan kiertämättömänä, jolloin sähköisten häiriöiden vaikutus on voimakkaampi.

Suunnittelijan on valittava liittimet tehdasympäristön mukaisesti. Esimerkiksi IEC-standardin 60529 mukaisesti määritetty IP-luokka määrittää, miten hyvin mekaaninen ja sähköinen kotelointi suojaavat liitintä. Koodin ensimmäinen numero kertoo, miten hyvin laite on suojattu vierasesineiltä (asteikolla 0 (ei suojausta) – 6 (pölytiivis)), ja toinen kertoo suojauksen vedeltä (asteikolla 0 (ei suojausta) – 9K (kestää voimakasta, kuumaa vesisuihkua)).

Monissa teollisissa liittimissä käytetään IP20-luokkaa (sormi tai vastavan kokoinen esine ei mahdu sisään, ei kosteussuojausta), joka on tarkoitettu puhtaisiin, kuiviin tehdasympäristöihin. Esimerkiksi Amphenolin ix Industrial IP20 ‑liittimet ovat nopeita, kestäviä, 10-napaisia komponentteja, jotka ovat 70 prosenttia pienempiä kuin tyypilliset RJ45-liittimet.

Liittimen valmistajat tarjoavat yleensä myös korkeampia suojausluokkia likaisempiin ja kosteampiin ympäristöihin, eikä Amphenol muodosta poikkeusta tässä suhteessa. ix Industrial IP20 ‑tuotelinjan suojaus vaihtelee vakiotuotteen IP20-luokasta aina IP67-luokkaan saakka (pölytiivis, upotus enintään 1 m syvyyteen).

Verkon suunnittelijoiden kannattaa yrittää pitää liitosten määrä mahdollisimman pienenä, etenkin kojeliitosjohtojen, joiden molemmissa päissä on urosliitin. Ei-teknisen henkilöstön on nimittäin aivan liian helppo jatkaa niitä ja aiheuttaa häiriöitä verkon muiden osien toimintaan. Lisäksi vakiokäytännön mukaan naarasliittimiä käytetään kiinteinä liittiminä.

Kaapeleihin tarkoitetut Amphenol-liittimet ovat muiden valmistajien tuotteiden tapaan urosliittimiä. Kiinteisiin asennuksiin on saatavana kolmenlaisia naarasliittimiä: pystysuorat liittimet väliseiniin, suorakulmaiset pystyliittimet (ND9AS1200) ja vaakasuuntaiset liittimet (ND9BS3200) piirilevyasennukseen (kuva 2). Piirilevyyn asennettavat versiot ovat pinta-asennettavia (SMT) tai läpiasennettavia helposti juotettavaksi muotoiltuja komponentteja.

Kuva 2: Amphenolin ix Industrial ‑liittimistä on saatavana useita urosliitin- ja naarasliitinvaihtoehtoja kaapeli-, väliseinä- ja piirilevykäyttöön. (Kuvan lähde: Amphenol)

Urosversio voidaan toimittaa erillisenä (ND9AP5200) tai osana kaapelisarjaa (ND9ACB250A), jonka pituus on 500 – 2 000 millimetriä (mm).

Liittimen laadusta kertoo paljon se, täyttääkö se IEC 60512- ja IEC 61076 ‑standardien kaltaisten standardien vaatimukset. IEC 60512 ‑standardissa määrätään mekaanisista ja sähköisistä testeistä sekä kynnysarvoista, jotka sähkö- ja elektroniikkalaitteissa käytettävien liittimien pitäisi täyttää. Standardi kattaa mekaaniset tekijät, kuten asetus- ja vetovoima, tärinänkesto ja kiinnityssyklien enimmäismäärä, sekä sähköiset tekijät, kuten liitoksesta johtuva vastus, suojaus ja eristys.

Amphenol ix Industrial ‑liittimet ovat robusteja ja pienikokoisia Ethernet-liittimiä (jotka täyttävät niitä koskevat IEC-standardien vaatimukset). Ne säästävät tilaa jopa 75 % tavalliseen RJ45-liittimeen verrattuna. Liittimet käyttävät 10 mm:n jakoa ja robustia kaksinapaista metallikiinnitystä. Ne tarjoavat Cat 6a ‑luokan suorituskyvyn ja jopa 10 Gbps:n Ethernet-tiedonsiirtonopeuden, PoE/PoE+ ‑käyttömahdollisuuden ja 360° suojauksen sähkömagneettisilta häiriöiltä (EMI).

Piirilevyliittimet kiinnitetään kestävistä juottokielekkeistä, ja ne kestävät iskuja ja tärinää sekä takaavat luotettavan liitoksen. Ne kestävät jopa 5 000 kiinnityssykliä.

Taulukoissa 2 ja 3 on esitetty ix Industrial ‑sarjan tärkeimmät IEC 60512 ‑standardin mukaiset ominaisuudet.

Taulukko 2: ix Industrial ‑Ethernet-liittimet pystyvät käsittelemään jopa 1,5 A:n virtaa, ja ne täyttävät IEC 60512 ‑standardin vaatimukset. (Kuvan lähde: DigiKey)

Taulukko 3: ix Industrial ‑liittimien mekaaniset ominaisuudet täyttävät IEC 60512- ja 60068 ‑standardien vaatimukset. (Kuvan lähde: DigiKey)

IEC 61076 on tarkempi standardi, joka koskee 10-napaisia, suojattuja, irrallisia ja kiinnitettyjä suorakulmaisia liittimiä, jotka on tarkoitettu tiedonsiirtoon enintään 500 megahertsin (MHz) taajuudella. Standardissa määritetään yleiset mitat, mekaaniset, sähköiset ja tiedonsiirtoon liittyvät ominaisuudet sekä teollisia verkkoja koskevat ympäristövaatimukset.

IEC 61076 ‑standardissa määritetään erityisesti koodit, jotka määräävät liittimen polarointikiilan ja ohjausuran sijainnit. Tyypin A liittimet on tarkoitettu Ethernet-tiedonsiirtoon nopeudella 100 megabittiä sekunnissa (Mbps) – 10 Gbps. Tyypin B liittimet on tarkoitettu kaikkeen muuhun tiedonsiirtoon, jossa ei käytetä Ethernetiä, kuten signaalinantoon, sarjaväylä- tai muihin teollisiin väyläviestintäjärjestelmiin (kuvat 3(a) ja (b)).

Kuva 3: IEC 61076 ‑standardissa määritetään tiedonsiirtoliittimien polarointi ja ohjausurat. Tyypissä A (a) käytetään 45° nurkkaa, joka sijaitsee vastakappaleen oikeassa alakulmassa (liitospintaan nähden). Tyypissä B (b) 45° leikattu nurkka sijaitsee vastakappaleen vasemmassa yläkulmassa. (Kuvan lähde: Amphenol)

Yhteenveto

Moderneihin tehtaisiin rakennetaan tiedonsiirtoverkkoja, joiden avulla valmistusta digitalisoidaan tuottavuuden parantamiseksi ja kustannusten alentamiseksi. Näissä verkoissa käytettävien liittimien ja kaapelien on oltava riittävän kestäviä vaativiin teollisuusympäristöihin, minkä lisäksi niiden täytyy selvitä tulevaisuuden nopeasta tiedonsiirrosta ja PoE-vaatimuksista.

Amphenol-yhtiön tuotteiden kaltaiset ratkaisut tarjoavat teollisuusluokan kaapeleita ja liittimiä, jotka vastaavat juuri näihin tarpeisiin ja sopivat vieläpä tehtaan budjettiin. Ne täyttävät vaativien teollisia liittimiä koskevien standardien vaatimukset ja tukevat esimerkiksi verkon korkeaa suorituskykyä, pitkää käyttöikää ja vähäistä huoltotarvetta. Kuten edellä on todettu, suunnittelijoiden täytyy kuitenkin ymmärtää asiaa koskevat standardit ja liittimien sähkötekniset ja mekaaniset rajoitukset, jotta he osaavat käyttää niitä oikein ja onnistua IIoT- tai Teollisuus 4.0 ‑verkkojen suunnittelussa.