Ontwerp voor robuuste IoT-toepassingen met behulp van industriële Ethernet-gebaseerde stroom- en datanetwerken

Het aansluiten van productiefaciliteiten op het internet resulteert in efficiëntie-, kwaliteits- en productiviteitswinst. Machines kunnen bijvoorbeeld op afstand worden geprogrammeerd en bestuurd, gegevens van machines en processen kunnen voortdurend worden geanalyseerd om te controleren op procesfouten of -afwijkingen, en op afstand kunnen aanpassingen worden aangebracht om de productie af te stemmen in een gesloten feedback-kringloop. Op langere termijn kunnen de gegevens worden gebruikt om plannen te maken voor toekomstige schaalvergroting en een snellere integratie van nieuwe fabricagetechnieken.

Er is veel te zeggen voor connectiviteit, maar er moet goed worden nagedacht over de manier waarop die connectiviteit tot stand wordt gebracht. Er zijn vele opties, maar Ethernet biedt een toegankelijke en beproefde oplossing voor het fabrieksnetwerk. Het is wereldwijd de meest gebruikte bekabelde netwerkoptie, met goede ondersteuning van leveranciers en naadloze interoperabiliteit met de cloud. Beter nog, de bekabeling kan worden gebruikt om zowel stroom (Power over Ethernet (PoE)) als gegevens te transporteren, wat betekent dat één set bekabeling zowel het netwerk kan ondersteunen als aangesloten sensoren, actuatoren en andere apparaten zoals camera's van stroom kan voorzien.

Standaard Ethernet is echter niet opgewassen tegen de industriële taak. De hardware is niet ontworpen om betrouwbaar te functioneren in de hete, vuile en trillingsgevoelige fabrieksomgeving. Bovendien zijn standaard-ethernetprotocollen niet-deterministisch en daardoor ongeschikt voor de behoeften van de fabrieksomgeving, waar de productie een bijna real-time besturing vereist om processen met hoge snelheid te beheren.

Industrieel Ethernet biedt alle voordelen van standaard Ethernet, maar voegt daar robuustheid en deterministische software aan toe. Het is een beproefde en volwassen technologie voor industriële automatisering, waarmee niet alleen procesgegevens naar de cloud kunnen worden gestuurd, maar waarmee een supervisor op afstand ook gemakkelijk toegang kan krijgen tot aandrijvingen, PLC's en I/O-apparaten op de productievloer. Een amendement op de Ethernet-norm, IEEE 802.3cg, gebruikt slechts één paar draden voor datatransport, waardoor de omvang en de kosten van fabrieksbekabeling worden beperkt.

Dit artikel bespreekt de connectiviteitsuitdaging voor industriële toepassingen alvorens de verschillen tussen Ethernet en Industrial Ethernet te schetsen. Het artikel gaat vervolgens in op het gebruik van PoE- en single pair Ethernet (SPE)-technologieën voordat het echte hardware van Amphenol introduceert, en hoe deze kan worden geïmplementeerd in een Industrial Ethernet-netwerk.

De uitdagingen van Ethernet voor de industrie

Wi-Fi mag dan de populairste manier zijn waarop consumenten verbinding maken met het internet, commerciële gebouwen maken doorgaans gebruik van bedrade LAN-technologie (Local Area Network) om computers en andere apparatuur met elkaar te verbinden.

Toen Ethernet nog in de kinderschoenen stond, gebruikten computers op het netwerk een enkele bus om te communiceren. Dit type netwerk is de meest rechtlijnige configuratie en is goedkoop en gemakkelijk op te zetten. Het is echter betrekkelijk inefficiënt omdat verbonden computers concurreren om bandbreedte, wat leidt tot congestie, verloren pakketten en een duidelijke vermindering van de bandbreedte.

De huidige kantoornetwerken maken meestal gebruik van ster-, boom- of mesh-topologieën waarin switches de toegang tot het netwerk regelen om congestie te beperken en de doorvoercapaciteit op peil te houden. Het Ethernet-verkeer wordt door de switches zodanig geregeld dat rechtstreekse berichten alleen gaan tussen de apparaten die moeten communiceren, in plaats van het uit te zenden over het hele netwerk (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Ethernet-switches regelen de toegang tot het netwerk om congestie te beperken en de verwerkingscapaciteit op peil te houden. (Bron afbeelding: Amphenol)

Ethernet is gebaseerd op een voortdurend bijgewerkte norm (IEEE 802.3), is beproefd, veilig en betrouwbaar, en biedt doorvoersnelheden tot honderden gigabytes (Gbytes). Hoewel het geen deel uitmaakt van de norm, maakt Ethernet gewoonlijk gebruik van TCP/IP (onderdeel van de Internet Protocol-suite (IP)) voor routing en transport, waardoor een naadloze verbinding met het internet tot stand wordt gebracht. Ook kunnen netwerken gemakkelijk worden geschaald met kabels, connectoren en switches die verkrijgbaar zijn bij honderden leveranciers.

Ethernet heeft zich ontwikkeld tot een combinatie van voeding en communicatie via één Ethernet CAT 3- of CAT 5-kabel, waardoor technici snel en goedkoop onderhoudsarme Ethernet- en voedingsnetwerken kunnen aanleggen, in vergelijking met installaties die gebruik maken van afzonderlijke systemen. De technologie is geformaliseerd in een norm van het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), PoE genaamd. De belangrijkste voordelen van de technologie zijn de eenvoud en het feit dat overal waar een stopcontact is, stroom beschikbaar is. (Zie "Inleiding tot Power over Ethernet").

Een recente wijziging van de Ethernet-specificatie, IEEE 802.3cg, beschrijft het SPE-alternatief voor het transporteren van gegevens over een enkel paar in plaats van de meeraderige CAT 3- of CAT 5-kabel van standaard Ethernet of PoE. SPE is geschikt voor industriële automatiseringstoepassingen omdat het ontwerpers in de fabrieks- en gebouwenautomatisering in staat stelt vertrouwde op Ethernet gebaseerde protocollen te gebruiken voor communicatie over lange afstanden tussen industriële controllers en sensoren, terwijl het volume van de bedrading aanzienlijk wordt verminderd (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Single pair Ethernet is in opkomst als een ruimtebesparende en goedkope vorm van Ethernet voor een reeks industriële en commerciële toepassingen. (Bron afbeelding: Amphenol)

In principe is Ethernet een ideale manier om een toezichthoudend frontoffice te verbinden met de productieactiviteit, waarbij de kloof tussen informatietechnologie- (IT) en exploitatietechnologienetwerken (OT) effectief wordt overbrugd.

Productiefaciliteiten brengen extra technische uitdagingen met zich mee bij de implementatie van Ethernet. Ten eerste vormen fabrieken een gevaarlijke omgeving voor kwetsbare kabels, connectoren en switches. De omgeving is heet, stoffig en vol chemicaliën die onverenigbaar zijn met de 100 meter (m) en meer kabelruns die typisch zijn voor fabrieksimplementaties. Bovendien zijn vochtigheid en trillingen funest voor geleiders en contacten. Bovendien staan fabrieken vol grote motoren die voortdurend in- en uitschakelen, waardoor spanningstransiënten en elektromagnetische interferentie (EMI) ontstaan die de Ethernet-communicatie kunnen verstoren.

Ten tweede is een productie-eenheid vol snel bewegende robots en gesynchroniseerde machines die in realtime moeten worden bestuurd. De niet-deterministische communicatiemechanismen van standaard Ethernet zijn slecht toegerust om deze besturingsmogelijkheid te bieden.

Industriële Ethernet-hardware

"Industrial Ethernet" is de gangbare term voor Ethernet-systemen die zijn aangepast voor gebruik in fabrieken. Dergelijke systemen worden gekenmerkt door robuuste fysieke lagen (PHY) en industriële protocollen zoals ModbusTCP, PROFINET, en Ethernet/IP. Bovendien maakt Industrial Ethernet, in tegenstelling tot standaard Ethernet-implementaties, doorgaans gebruik van lijn- of ringtopologieën, omdat deze helpen de kabelloop te verkorten (waardoor de invloed van EMI wordt beperkt), de latentie te verlagen en een zekere mate van redundantie in te bouwen.

De kabels zijn robuust en voorzien van afscherming tegen EMI, en de connectoren zijn op dezelfde wijze beschermd tegen de ontberingen van een industriële omgeving.

Fabrikanten delen de hardheid van hun producten in volgens het IP-classificatiesysteem. De IP-waarde geeft de beschermingsgraad van het product aan en wordt bepaald door de internationale norm EN 60529. Het schema bestaat uit twee cijfers. De eerste geeft het niveau van bescherming tegen vaste voorwerpen aan, gaande van gereedschap of vingers die gevaarlijk kunnen zijn als zij in aanraking komen met elektrische geleiders, tot vuil en stof in de lucht die de circuits kunnen beschadigen. Het tweede cijfer bepaalt de bescherming tegen waterdruppels, spatten of onderdompeling. De reeks loopt van IP00 (geen bescherming tegen stof of water) tot IP69 (volledige bescherming tegen stof en krachtige waterstralen van hoge temperatuur).

Industriële Ethernet-connectoren worden doorgaans omhuld door een reeks beschermende behuizingen tot IP67. In dit geval betekent een beoordeling van zes dat er geen schadelijk stof of vuil in het toestel sijpelt, zelfs niet na direct contact met de verontreiniging gedurende acht uur. Een waterbeschermingsgraad van zeven betekent dat het toestel zonder schade gedurende 30 minuten in tot één meter zoet water kan worden ondergedompeld.

Bij het selecteren van PHY's, kabels en connectoren voor Industrial Ethernet moet de ontwerper de immuniteit voor EMI controleren door het gegevensblad te scannen voor de volgende IEC- en EN-normen:

• IEC 61000-4-5 overspanning
• IEC 61000-4-4 electrical fast transient (EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 geleide immuniteit
• EN 55032 uitgestraalde emissies
• EN 55032 geleide emissies

Door aan enkele of al deze normen te voldoen, kan worden gegarandeerd dat de EMI-prestaties van het Industrial Ethernet-systeem in de fabrieksomgeving bevredigend zullen zijn.

Robuuste connectoren

Of ze nu zijn ingebouwd in machinebesturingspanelen, Ethernet-switches of bekabeling, connectoren zijn van vitaal belang voor de prestaties van het Industrial Ethernet-systeem. Zonder zorgvuldige selectie kan een storing in een connector onder de druk van productie op hoge snelheid ertoe leiden dat machines van miljoenen dollars niet meer werken of tot stilstand komen.

Er zijn verschillende leveranciers die beproefde en betrouwbare Industrial Ethernet-connectoren aanbieden voor een reeks Ethernet-, PoE- en SPE-toepassingen. Amphenol's Industrial IP6X rechthoekige push-pull connector en kabeloplossing biedt bijvoorbeeld CAT 6A Ethernet-connectiviteit met behulp van de IEC 61076-3-124 paringsinterface, en volledige afdichting volgens IP65-, IP66- en IP67-specificaties. De connectoren zijn met name bedoeld voor gebruik in Industriële Ethernet-toepassingen die extra milieubescherming vereisen en zijn geschikt voor elke robuuste/ruwe binnen- of buitenomgeving.

De reeks omvat de NDHN200 IP67 rechthoekige connectorbehuizing voor paneelmontage, afgebeeld in Afbeelding 3. De NDHN3A2 multifunctionele, soldeervrije connector met 10 posities (Afbeelding 4) is ontworpen voor aansluiting op de NDHN200. De connector is voorzien van een grendelsluiting en een afgeschermde ommanteling. Hij heeft een vermogen van 50 volt wisselstroom of 60 volt gelijkstroom, 1,5 ampère (A), en kan tot 250 maal worden gekoppeld/ontkoppeld.

Afbeelding 3: De NDHN200 is een rechthoekige IP67-connectorbehuizing voor industriële Ethernet-toepassingen. (Bron afbeelding: Amphenol)

Afbeelding 4: De NDHN3A2 is een IP67-connector met vergrendeling en afgeschermde behuizing. (Bron afbeelding: Amphenol)

Amphenol heeft ook SPE-connectoren uitgebracht voor Ethernet-connectiviteit van randapparatuur zoals sensoren, actuatoren en camera's die werken met snelheden tot één gigabit per seconde (Gbit/s). De SPE-vormfactor vermindert de omvang, het gewicht en de kosten in vergelijking met standaard Ethernet. De connectoren zijn IP67-geclassificeerd en hebben een ronde vormfactor van M12-formaat. Ze worden aangesloten op stekkers met veldaansluiting, waardoor een volledig afgeschermde interface met vergrendelingsfuncties ontstaat. De spannings-/stroomverwerkingscapaciteit van 60 volt gelijkstroom en tot 4 A ondersteunt PoE over een afstand tot 1 kilometer (km). Een voorbeeld is de MSPEJ6P2B02, een 2P2C SPE-connector (Afbeelding 5)

Afbeelding 5: De MSPEJ6P2B02 IP67 SPE-connector wordt geleverd in de populaire ronde vormfactor van M12-formaat. (Bron afbeelding: Amphenol)

Het bedrijf biedt ook een vergelijkbare reeks SPE-connectoren met een rechthoekig stekkerformaat dat voldoet aan IP20 in plaats van IP67. De oplossing biedt dezelfde elektrische prestaties als de M12-reeks, maar is minder duur. Een voorbeeld hiervan is de MSPE-P2L0-2A0 modulaire SPE-connector (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De MSPE-P2L0-2A0 modulaire SPE IP20-connector is een kosteneffectieve optie voor minder gevaarlijke omgevingen. (Bron afbeelding: Amphenol)

Industriële Ethernet-protocollen

Het communicatiemechanisme van standaard Ethernet voldoet voor het relatief rustige verkeer van een kantoor of klein bedrijf. Maar dat mechanisme is gevoelig voor storingen en verloren pakketten, met als gevolg een verhoogde latentie die het ongeschikt maakt voor de bijna real-time-eisen van een snel bewegende en gesynchroniseerde productielijn. Zoals gezegd vereist een dergelijke omgeving een deterministisch protocol om ervoor te zorgen dat machine-instructies op tijd aankomen, elke keer weer, hoe hoog de belasting van het netwerk ook is.

Om deze uitdaging het hoofd te bieden, wordt Industrial Ethernet-hardware aangevuld met soortgelijke "industriële" software. Er zijn diverse beproefde Industrial Ethernet-protocollen beschikbaar, waaronder Ethernet/IP, ModbusTCP en PROFINET. Elk is ontworpen om determinisme te garanderen voor industriële automatiseringstoepassingen.

Het verschil tussen Ethernet- en Industrial Ethernet-software kan het best worden beschreven aan de hand van het ISO/OSI-abstractiemodel ("stack") met zeven lagen, dat bestaat uit PHY-, datalink-, netwerk-, transport-, sessie-, presentatie- en toepassingslagen. Standaard Ethernet omvat de PHY-, data link-, netwerk- en transportlagen (die TCP/IP of UDP/IP als transport gebruiken), en kan worden beschouwd als een communicatiemechanisme dat efficiëntie, snelheid en veelzijdigheid biedt.

De Industrial Ethernet-protocollen, bijvoorbeeld PROFINET, maken daarentegen gebruik van de toepassingslaag van de Industrial Ethernet-stack. PROFINET is een communicatieprotocol dat is ontworpen voor de uitwisseling van informatie tussen machines en controllers in een automatiseringsomgeving, waarbij standaard-Ethernet als communicatiemechanisme wordt gebruikt (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het ISO/OSI-abstractiemodel met zeven lagen dat de industriële Ethernet-softwarestack voorstelt. Protocollen voor industrieel Ethernet, zoals PROFINET, bevinden zich in de toepassingslaag. (Bron afbeelding: Profinet)

Industriële Ethernet-software kan ook gebruik maken van andere protocollen die speciaal zijn ontworpen voor het verzenden van gegevens naar de cloud. Voorbeelden zijn protocollen zoals MQTT of SNMP.

Conclusie

Om rekening te houden met de ruwe omgeving en de realtime eisen van de fabriek, maakt Industrial Ethernet gebruik van robuuste hardware zoals switches, kabels en connectoren, en van industriële software om de IT- en OT-netwerken van de fabriek op betrouwbare wijze met elkaar te verbinden.

Zoals aangetoond, maken beproefde commerciële connectoroplossingen het voor technici eenvoudig om voordeel te halen uit Industrial Ethernet voor het programmeren en besturen van industriële automatisering met hoge snelheid, terwijl tegelijkertijd de diepgaande gegevens worden verzameld die nodig zijn voor het verbeteren en opschalen van productieactiviteiten.