Hoe hybride regelnetwerken in industriële toepassingen te implementeren

Industriële complexen zoals olie- en gasraffinaderijen, chemische fabrieken, terminals voor vloeibaar aardgas en soortgelijke faciliteiten zijn enorm groot en staan voor de uitdaging om de operationele efficiëntie te verbeteren, flexibele productie te ondersteunen, kosten te verlagen en een veilige werking te waarborgen. Het continue karakter van de productieprocessen verhoogt de uitdagingen. Voor een optimale werking moeten de industriële regelnetwerken in deze installaties voortdurend temperatuur, druk, trillingen, debiet en andere parameters op duizenden plaatsen controleren. Netwerken kunnen zich over meerdere kilometers (km) uitstrekken en vereisen diverse koper- en glasvezeltechnologieën voor datacommunicatie ter ondersteuning van een reeks apparaten, van sensoren met lage bandbreedte tot real-time controles en veiligheidsapparatuur met hogere bandbreedte.

Om aan deze uiteenlopende eisen te voldoen, moeten netwerktechnici een optimale mix van koper en verschillende soorten glasvezelcommunicatieapparatuur inzetten, allemaal verbonden met compacte Industrial Ethernet-switches met redundante stroombronnen, ruime bedrijfstemperatuurmogelijkheden, bewaking op afstand en geavanceerde beveiligingsfuncties.

Dit artikel begint met een kort overzicht van Industrieel Ethernet (IE), inclusief de behoefte aan hybride vezel/koper datacommunicatienetwerken met bijzondere aandacht voor glasvezel. Het vergelijkt single mode (SM) en multimode (MM) vezels, kijkt naar hot-pluggable glasvezelmodule standaarden en hoe digitale diagnostische monitoring (DDM) van glasvezelmodules werkt, en presenteert vervolgens een reeks van glasvezeldatacommunicatie-apparaten van Cisco Systems, Phoenix Contact en Intelligent Network Solutions, samen met een managed Industrial Ethernet switch met een mix van koper en glasvezel poorten in een geharde IP40-behuizing van Red Lion Controls.

IE is gebaseerd op het gebruik van Ethernet-protocollen met schakelaars met uitgebreid temperatuurbereik, en robuuste interconnecties die bestand zijn tegen zware omstandigheden. IE kan realtime besturing en determinisme ondersteunen en wordt geïmplementeerd via een reeks communicatieprotocollen zoals EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET en Modbus TCP.

Van IE-netwerken wordt verwacht dat zij een zekere mate van interoperabiliteit bieden tussen oudere en huidige systemen en nog steeds voorspelbare prestaties leveren en gemakkelijk te onderhouden zijn om de uptime te maximaliseren. In grote installaties wordt vaak een combinatie van koper- en glasvezelverbindingen gebruikt. In voorkomend geval kan koper een goedkoper alternatief bieden. Het gebruik van glasvezel kan echter problemen in verband met elektrische ruis verminderen, elektrische isolatie bieden en veel langere interconnectielengtes ondersteunen die bijzonder nuttig kunnen zijn in grote en verspreide industriële complexen.

MM- vs. SM-vezel

Licht beweegt door een optische glasvezel omdat de wanverhouding in optische index tussen de kern en de bekleding totale interne reflectie veroorzaakt. De diameter van de kern is cruciaal en bepaalt de acceptatiekegel met de hoeken waaronder licht dat de vezel binnenkomt zich kan blijven voortplanten. SM-vezel gebruikt een kleine kern van 10 micrometer (µm) die slechts één propagatiemodus kan ondersteunen, de zogenaamde fundamentele modus. MM-glasvezels hebben grote kerndiameters in verhouding tot de werkgolflengte van het licht. Die grotere kernen geleiden tegelijkertijd vele lichtmodi, ook wel staande-golfpatronen genoemd (Afbeelding 1). De ISO/IEC 11801-norm definieert vijf klassen van MM-glasvezel op basis van twee kerngroottes en verschillende bandbreedtekarakteristieken: OM1, OM2, OM3, OM4 en OM5. Glasvezelkabels kunnen worden ingedeeld op basis van de diameter van de kern en de kabel. 62,5/125 µm verwijst bijvoorbeeld naar OM1 MM. 50/125 µm-kabels worden gebruikt voor OM2, OM3, OM4 en OM5 MM, en 10/125 µm is een voorbeeld van een SM-kabel.

Afbeelding 1: MM-vezels zijn relatief groot in diameter en kunnen de transmissie van vele lichtmodi tegelijk ondersteunen. (Bron afbeelding: Cisco Systems)

MM-vezels kunnen worden gebruikt met lichtemitterende diodebronnen (LED's), maar ontwerpen met hogere prestaties maken gebruik van VCSEL's (vertical cavity surface emitting lasers). Door het gebruik van VCSEL's kunnen MM-glasvezelnetwerken datasnelheden van meerdere gigabits leveren.

De vijf categorieën MM-vezels zijn gebaseerd op lichtgolflengte (in nanometer, nm), kerndiameter in μm, en modale bandbreedte. De modale bandbreedte is een maat voor de maximale signaalfrequentie in megahertz (MHz) voor een bepaalde afstand in km, of de maximale afstand voor een bepaalde signaalfrequentie, en is het product van de bandbreedte en de afstand, MHz-km. Voor een bepaalde kabel verdubbelt de maximale signaalsnelheid wanneer de afstand wordt gehalveerd. De door ISO/IEC 11801 gedefinieerde MM-vezelklassen zijn:

• OM1: 62,5 μm kern met een minimale modale bandbreedte van 200 MHz-km bij 850 nm
• OM2: 50 μm kern met een minimale modale bandbreedte van 500 MHz-km bij 850 nm
• OM3: kern van 50 μm met een minimale modale bandbreedte van 2000 MHz-km bij 850 nm
• OM4: kern van 50 μm met een minimale modale bandbreedte van 4700 MHz-km bij 850 nm
• OM5: kern van 50 μm met een minimale modale bandbreedte van 4700 MHz-km bij 850 nm en 2470 MHz-km bij 953 nm

De OM3-standaard werd ontworpen ter ondersteuning van de IEEE 802.3 10GbE Ethernet-standaard. Bij gebruik met VCSEL-modulatie kunnen OM3 MM-kabels 10 gigabits per seconde (Gb/s) leveren op afstanden tot 300 meter (m). In de meeste gevallen zijn OM3 MM-vezelverbindingen de meest kosteneffectieve oplossingen voor toepassingen tot ongeveer 500 m. OM4 MM-verbindingen kunnen afstanden tot 1 km overbruggen. Voor langere afstanden en hogere datasnelheden zijn SM-vezels nodig.

SFP voor koper en vezel

De Small Form Factor Pluggable (SFP) interface is een compact, hot-pluggable netwerkmoduleformaat dat wordt gebruikt voor datacommunicatie en telecommunicatienetwerken. Een SFP-interface op netwerkhardware zoals een Ethernet-switch is een modulaire sleuf voor een mediaspecifieke zendontvanger, zoals een koper- of glasvezelkabel. Met SFP's kunnen poorten naar behoefte worden uitgerust met verschillende soorten zendontvangers. De SFP verving de eerder ontwikkelde en grotere gigabit interface converter (GBIC) en wordt soms de "mini-GBIC" genoemd. Het Small Form Factor Committee heeft de vormfactor, mechanische vergrendelingen en elektrische interfaces gespecificeerd via een overeenkomst met meerdere bronnen, de MSA SFF-8472 (Afbeelding 2). Naast de standaard SFP-interfaces kunnen hogere snelheden worden bereikt met SFP+ voor maximaal 10 Gbit/s en SFP28 voor snelheden van 25 Gbit/s.

Afbeelding 2: Mechanische elementen van een SPF-module met glasvezel, met aanduiding van de vergrendelings- en vergrendelingsmechanismen en de glasvezel- en elektrische verbindingen. (Bron afbeelding: Intelligent Network Solutions en Jeff Shepard)

Er zijn SFP-glasvezelzendontvangers beschikbaar die synchrone optische netwerken (SONET), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, passieve optische netwerken (PON) en andere communicatienormen ondersteunen.

Digitale diagnostische controle

De MSA SFF-8472 definieert ook de DDM-functies voor glasvezelzendontvangers. DDM wordt soms digitale optische bewaking (DOM) genoemd. Met DDM kunnen netwerkbeheerders het optische ingangs- en uitgangsvermogen, de temperatuur, de laserbiasstroom en de voedingsspanning van de zendontvanger in realtime controleren (Afbeelding 3). DDM is een uitbreiding van de seriële ID-interface zoals gedefinieerd in de GBIC-specificatie. DDM bevat alarmen en waarschuwingsvlaggen die waarschuwen als de bedrijfsparameters buiten een fabrieksinstelling voor normale werking vallen.

Afbeelding 3: DDM kan de prestaties van optische SFP-zendontvangers controleren en waarschuwingen versturen wanneer bepaalde parameters buiten het nominale werkingsbereik vallen. (Bron afbeelding: Intelligent Network Solutions)

DDM is ontworpen om storingen te helpen voorspellen en preventief onderhoud te ondersteunen voor een maximale beschikbaarheid van het netwerk. De transceiverbouwer stelt DDM-drempels in voor verschillende parameters. Als u de zendontvanger boven de drempelwaarden gebruikt, zal dit leiden tot verminderde prestaties en mogelijk tot transmissiefouten. De zendontvanger zendt een alarm wanneer de waarde van een parameter een bepaalde drempel overschrijdt. Bovendien stopt de module met het verzenden van gegevens en weigert de ontvanger berichten te ontvangen. Het is niet ongewoon dat meerdere alarmen tegelijk worden afgegeven; als bijvoorbeeld het optische zendvermogen te hoog is, kan ook de temperatuur hoog zijn.

Terwijl DDM het systeem uitschakelt en beschermt wanneer vooraf ingestelde drempels worden overschreden, kan het ook worden gebruikt om de bedrijfsparameters van de transceiver te bewaken en de operators te laten zien welke waarden in de verkeerde richting bewegen voordat ze schadelijke niveaus overschrijden, zodat preventief onderhoud kan worden gepland.

MM-vezel en 1 km bereik

Ontwerpers van industriële besturingsnetwerken kunnen de 2891754 Gigabit SFP-module van Phoenix Contact gebruiken om transmissies tot 1 km te ondersteunen met behulp van vezels die zijn ontworpen om te werken met een golflengte van 850 nm (Afbeelding 4). Deze module is geschikt voor industriële toepassingen en heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot 85 °C en een luchtvochtigheid tot 95%. De transmissieafstand hangt af van de gebruikte vezel:

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

Afbeelding 4: Deze optische SFP-zendontvanger heeft een bereik van 1 km bij een golflengte van 850 nm en een OM4-kabel. (Bron afbeelding: DigiKey)

20 km bereik met SM-vezel

De INT 506724 SFP-module van Intelligent Network Solutions ondersteunt 1000Base-LX datatransmissie tot 20 km over een single-mode 9/125 µm vezel met behulp van een 1310 nm laser. Het ondersteunt DDM, en de metalen behuizing vermindert elektromagnetische interferentie (EMI) en verhoogt de duurzaamheid (Afbeelding 5). Het heeft een bedrijfstemperatuurbereik van 0 tot 70 °C en is gespecificeerd voor 10 tot 85% relatieve vochtigheid (RH).

Afbeelding 5: De INT 506724 SFP-module van Intelligent Network Solutions ondersteunt 1000Base-LX datatransmissie tot 20 km over een single-mode 9/125 µm vezel met behulp van een 1310 nm laser. (Bron afbeelding: Intelligent Network Solutions)

10 km SFP-zendontvangers

De SFP-10G-BXD-I en de SFP-10G-BXU-I van Cisco werken met SM-vezel en ondersteunen transmissieafstanden tot 10 km wanneer ze zijn aangesloten op een SFP+-poort. Deze zendontvangers hebben optische interoperabiliteit met 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 en 10GBASE XFP interfaces op dezelfde link en omvatten DOM-functies die de prestaties in realtime controleren. Bij gebruik wordt een SFP-10G-BXD-I altijd verbonden met een SFP-10G-BXU-I. De SFP-10G-BXD-I zendt een kanaal van 1330-nm uit en ontvangt een signaal van 1270-nm, en de SFP-10G-BXU-I zendt op een golflengte van 1270-nm uit en ontvangt een signaal van 1330-nm (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Deze optische zendontvangers gebruiken verschillende golflengten voor het zenden en ontvangen van gegevens. (Bron afbeelding: Cisco Systems)

Industriële Ethernet-beheerde switch

Netwerkingenieurs die een 12-poorts beheerde Gigabit Ethernet-switch met acht poorten met vier SFP-combinatiepoorten en Modbus-monitoring nodig hebben, kunnen terecht bij de Sixnet SLX-8MG-1 van Red Lion. De SLX-8MG-1 beschikt over acht 10/100/1000Base-T(X)-poorten met vier SFP combo-poorten (met ondersteuning voor 100Base- of 1000Base-vezelzendontvangers). De SLX-8MG is ondergebracht in een slanke, geharde metalen DIN-railbehuizing voor gebruik in veeleisende industriële omgevingen en ondersteunt redundante 10-30 VDC voedingsingangen en een bedrijfstemperatuurbereik van -40 tot 75 °C. Het omvat ook Modbus/TCP bewaking op afstand, geavanceerde beveiligingsfuncties, uitgebreide schok- en trillingsbestendigheid, en een hoge elektrische ruis- en piekimmuniteit.

Afbeelding 7: De SLX-8MG-1 managed Gigabit Ethernet-switch beschikt over acht 10/100/1000Base-T(X) poorten met vier SFP combo poorten (linksboven). (Beeldbron: Red Lion)

Conclusie

Hybride glasvezel- en kopernetwerken kunnen helpen de operationele efficiëntie te verbeteren, flexibele productie te ondersteunen, de kosten te verlagen en een veilige werking te garanderen bij grootschalige industriële activiteiten zoals olie- en gasraffinaderijen en chemische fabrieken. Netwerktechnici kunnen beheerde Gigabit Ethernet-switches gebruiken om een mix van glasvezel- en koperen communicatieverbindingen te implementeren. Het gebruik van MM- en SM-vezels ondersteunt optimale modale bandbreedtes en de DDM-mogelijkheid maakt preventief onderhoud mogelijk voor een maximale beschikbaarheid van het netwerk.