Durch die Anbindung von Produktionsanlagen an das Internet werden Effizienz, Qualität und Produktivität gesteigert. So können beispielsweise Maschinen aus der Ferne programmiert und gesteuert werden, Daten von Maschinen und Prozessen kontinuierlich auf Fehler oder Prozessabweichungen analysiert werden und in einem geschlossenen Feedback-Kreislauf Fernanpassungen zur Feinabstimmung der Produktion vorgenommen werden. Langfristig können die Daten zur Planung zukünftiger Erweiterungen und einer schnelleren Integration neuer Fertigungstechniken genutzt werden.
Obwohl es starke Argumente für die Konnektivität gibt, muss ernsthaft darüber nachgedacht werden, wie diese Konnektivität erreicht wird. Es gibt viele Möglichkeiten, aber Ethernet bietet eine kostengünstige und bewährte Lösung für das Fabriknetzwerk. Es ist die weltweit am weitesten verbreitete Kabelnetzwerkoption mit guter Unterstützung durch die Anbieter und nahtloser Interoperabilität mit der Cloud. Das Beste ist, dass Kabel zur Übertragung von Strom (Power over Ethernet (PoE)) und Daten verwendet werden können, was bedeutet, dass ein Kabelsatz das Netzwerk unterstützen und angeschlossene Sensoren, Aktoren und andere Geräte wie Kameras mit Strom versorgen kann.
Allerdings ist Standard-Ethernet den industriellen Anforderungen nicht gewachsen. Die Hardware ist nicht dafür ausgelegt, in einer heißen, schmutzigen und vibrationsanfälligen Fabrikumgebung zuverlässig zu funktionieren. Darüber hinaus sind Standard-Ethernet-Protokolle nicht deterministisch und daher nicht für die Anforderungen der Fabrikumgebung geeignet, wo die Produktion eine Steuerung nahezu in Echtzeit erfordert, um Hochgeschwindigkeitsprozesse zu verwalten.
Industrial Ethernet bietet alle Vorteile von Standard-Ethernet, fügt dem Mix jedoch Ausfallsicherheit und deterministische Software hinzu. Es handelt sich um eine bewährte und ausgereifte Technologie für die industrielle Automatisierung, die nicht nur die Übermittlung von Prozessdaten an die Cloud ermöglicht, sondern auch den einfachen Zugriff auf Antriebe, SPS und E/A-Geräte durch einen Remote-Supervisor von unterwegs aus ermöglicht. Eine Modifikation des Ethernet-Standards, IEEE 802.3cg, verwendet ein einziges Kabelpaar zur Datenübertragung, wodurch der Umfang und die Kosten der Werksverkabelung reduziert werden.
In diesem Artikel geht es um die Konnektivitätsherausforderung in industriellen Anwendungen, bevor auf die Unterschiede zwischen Ethernet und Industrial Ethernet eingegangen wird. Anschließend befasst sich der Artikel mit der Verwendung von PoE- und Single Pair Ethernet (SPE)-Technologien, bevor die eigentliche Amphenol-Hardware vorgestellt wird und wie diese in einem Industrial Ethernet-Netzwerk implementiert werden kann.
Ethernet-Herausforderungen für die Industrie
Obwohl Wi-Fi für Verbraucher die beliebteste Möglichkeit ist, sich mit dem Internet zu verbinden, nutzen Unternehmen häufig die LAN-Technologie (Local Area Network) über Ethernet-Kabel, um Computer und andere Geräte zu verbinden.
In den Anfängen von Ethernet nutzten Computer im Netzwerk einen einzigen Bus zur Kommunikation. Diese Art von Netzwerk stellt die einfachste Konfiguration dar und ist kostengünstig und einfach zu installieren. Allerdings ist es relativ ineffizient, da verbundene Computer um Bandbreite konkurrieren, was zu Überlastung, Paketverlust und einer spürbaren Reduzierung der Bandbreite führt.
Heutige Büronetzwerke verwenden häufig Stern-, Baum- oder Mesh-Topologien, bei denen Switches den Zugriff auf das Netzwerk steuern, um Überlastungen zu begrenzen und die Leistung aufrechtzuerhalten. Der Ethernet-Verkehr wird von den Switches gesteuert, sodass direkte Nachrichten nur zwischen den Geräten gesendet werden, die kommunizieren müssen, und nicht im gesamten Netzwerk gesendet werden (Abbildung 1).
Abbildung 1: Ethernet-Switches steuern den Netzwerkzugriff, um Überlastungen zu begrenzen und die Leistung aufrechtzuerhalten. (Bildquelle: Amphenol)
Basierend auf einem ständig aktualisierten Standard (IEEE 802.3) ist Ethernet bewährt, sicher, zuverlässig und bietet Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu Hunderten von Gigabyte (GByte). Obwohl Ethernet nicht Teil des Standards ist, verwendet es in der Regel TCP/IP (Teil der Internet Protocol (IP)-Suite) für Routing und Transport und ermöglicht so eine nahtlose Verbindung zum Internet. Außerdem können Netzwerke problemlos mit Kabeln, Anschlüssen und Switches erweitert werden, die von Hunderten von Anbietern erhältlich sind.
Ethernet hat sich weiterentwickelt, um Strom und Kommunikation über ein einziges CAT-3- oder CAT-5-Ethernet-Kabel zu kombinieren, sodass Ingenieure im Vergleich zu Installationen, die separate Systeme verwenden, schnell und kostengünstig Ethernet- und Stromnetzwerke mit geringem Wartungsaufwand aufbauen können. Die Technologie wurde im Rahmen eines IEEE-Standards (Institute of Electrical and Electronics Engineers) namens PoE formalisiert. Die Hauptvorteile dieser Technologie sind ihre Einfachheit und die Tatsache, dass Energie überall dort verfügbar ist, wo Daten erfasst werden. (Sehen "Einführung in Power over Ethernet').
Eine aktuelle Änderung der Ethernet-Spezifikation, IEEE 802.3cg, beschreibt die SPE-Alternative für den Datentransport über ein einzelnes Paar anstelle des Multi-Span-CAT-3- oder CAT-5-Kabels von Standard-Ethernet oder PoE. Das SPE eignet sich gut für industrielle Automatisierungsanwendungen, da es Designern in den Fabrik- und Gebäudeautomatisierungsmärkten ermöglicht, gängige Ethernet-basierte Protokolle für die Kommunikation über große Entfernungen zwischen Steuerungen und Industriesensoren zu verwenden und gleichzeitig den Verkabelungsaufwand erheblich zu reduzieren (Abbildung 2). .
Abbildung 2: Single-Pair-Ethernet entwickelt sich zu einer platzsparenden und kostengünstigen Form von Ethernet für eine Reihe industrieller und kommerzieller Anwendungen. (Bildquelle: Amphenol)
Im Prinzip stellt Ethernet eine ideale Möglichkeit dar, ein Aufsichtsbüro mit dem Fertigungsbetrieb zu verbinden und so die Lücke zwischen Netzwerken der Informationstechnologie (IT) und der Betriebstechnologie (OT) effektiv zu schließen.
Fertigungsanlagen stellen bei der Implementierung von Ethernet eine zusätzliche technische Herausforderung dar. Erstens sind Fabriken eine gefährliche Umgebung für empfindliche Kabel, Anschlüsse und Schalter. Die Umgebung ist heiß, staubig und voller Chemikalien, die mit den für Fabrikeinsätze typischen Kabellängen von mehr als 100 Metern nicht kompatibel sind. Auch Feuchtigkeit und Vibrationen schaden den Leitern und Kontakten. Darüber hinaus sind Fabriken voller großer Motoren, die sich ständig ein- und ausschalten, was zu Spannungsspitzen und elektromagnetischen Störungen (EMI) führt, die die Ethernet-Kommunikation stören können.
Zweitens ist eine Produktionsanlage voll von sich schnell bewegenden Robotern und synchronisierten Maschinen, die eine Echtzeitsteuerung benötigen. Standardmäßige nichtdeterministische Ethernet-Kommunikationsmechanismen sind nicht darauf vorbereitet, diese Steuerungsfunktion bereitzustellen.
Industrielle Ethernet-Hardware
„Industrial Ethernet“ ist die gebräuchliche Bezeichnung für Ethernet-Systeme, die für den Einsatz in Fabriken angepasst sind. Diese Systeme zeichnen sich durch ihre robusten Physical Layer (PHY) und Industrieprotokolle wie ModbusTCP, PROFINET und Ethernet/IP aus. Außerdem verwendet Industrial Ethernet im Gegensatz zu Standard-Ethernet-Implementierungen typischerweise Linien- oder Ringtopologien, da diese dazu beitragen, die Kabelwege zu verkürzen (die Auswirkungen von EMI zu begrenzen), die Latenz zu reduzieren und ein gewisses Maß an Redundanz hinzuzufügen.
Die Kabel sind robust und verfügen über eine Abschirmung zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen, und die Steckverbinder sind gleichermaßen gegen die Strapazen einer industriellen Umgebung geschützt.
Hersteller klassifizieren die Widerstandsfähigkeit ihrer Produkte nach dem IP-Bewertungssystem. Die IP-Klassifizierung gibt den Schutzgrad an, den das Produkt bietet, und wird durch die internationale Norm EN 60529 definiert. Das Schema besteht aus zwei Ziffern. Die erste stellt den Grad des Schutzes gegen feste Gegenstände dar, von Werkzeugen oder Fingern, die gefährlich sein könnten, wenn sie auf elektrische Leiter stoßen, bis hin zu in der Luft schwebendem Schmutz und Staub, der Schaltkreise beschädigen könnte. Die zweite Ziffer definiert den Schutz gegen Tropfwasser, Spritzwasser oder Untertauchen. Die Spanne reicht von IP00 (kein Schutz gegen Staub oder Wasser) bis IP69 (vollständiger Schutz gegen Staub und starkes Hochtemperatur-Strahlwasser).
Industrielle Ethernet-Steckverbinder sind typischerweise in einer Reihe von Schutzgehäusen bis IP67 untergebracht. In diesem Fall bedeutet eine Bewertung von sechs, dass selbst nach acht Stunden direktem Kontakt mit Verunreinigungen kein schädlicher Staub oder Schmutz in das Gerät eindringt. Eine Wasserschutzklasse von sieben bedeutet, dass das Gerät 30 Minuten lang unbeschadet in bis zu einem Meter tiefes Süßwasser getaucht werden kann.
Bei der Auswahl von PHYs, Kabeln und Steckverbindern für Industrial Ethernet muss der Entwickler die Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI) überprüfen, indem er das Datenblatt für die folgenden IEC- und EN-Normen prüft:
- Überspannungen nach IEC 61000-4-5
- IEC 61000-4-4 Elektrische schnelle Transienten (EFT)
- IEC 61000-4-2 ESD
- Leitungsgebundene Störfestigkeit IEC 61000-4-6
- EN 55032 Strahlungsemissionen
- EN 55032 leitungsgebundene Emissionen
Die Einhaltung einiger oder aller dieser Standards stellt sicher, dass die Leistung des Industrial Ethernet-Systems in der Fabrikumgebung zufriedenstellend ist.
verstärkte Anschlüsse
Unabhängig davon, ob sie in Maschinensteuertafeln, Ethernet-Switches oder Kabeln eingebaut sind, sind Steckverbinder für die Leistung des Industrial Ethernet-Systems von entscheidender Bedeutung. Ohne sorgfältige Auswahl kann der Ausfall eines einzelnen Steckverbinders unter der Belastung einer Hochgeschwindigkeitsproduktion dazu führen, dass millionenschwere Maschinen versagen oder ausfallen.
Es gibt mehrere Anbieter, die bewährte und zuverlässige Industrial-Ethernet-Steckverbinder für eine Vielzahl von Ethernet-, PoE- und SPE-Anwendungen anbieten. Beispielsweise bietet die IP6X-Lösung mit rechteckigen Steckverbindern und Kabeln von Amphenol CAT 6A-Ethernet-Konnektivität mithilfe der IEC 61076-3-124-Steckschnittstelle und vollständiger Abdichtung gemäß den IP65-, IP66- und IP67-Spezifikationen. Die Steckverbinder sind insbesondere für den Einsatz in Industrial-Ethernet-Anwendungen gedacht, die zusätzlichen Umweltschutz erfordern und für jede raue oder raue Umgebung im Innen- und Außenbereich geeignet sind.
Die Familie umfasst das rechteckige IP200-Steckverbindergehäuse NDHN67 für die Schalttafelmontage, das in Abbildung 3 dargestellt ist. Der vielseitige, lötfreie NDHN3A2-Steckverbinder mit 10 Positionen (Abbildung 4) ist für die Verbindung mit dem NDHN200 konzipiert. Der Steckverbinder verfügt über einen Verriegelungsverschluss und eine Abschirmungsform. Es ist für 50 Volt Wechselstrom oder 60 Volt Gleichstrom, 1.5 Ampere (A) ausgelegt und kann bis zu 250 Mal aktiviert/deaktiviert werden.
Abbildung 3: Der NDHN200 ist ein rechteckiges Steckverbindergehäuse mit Schutzart IP67 für Industrial-Ethernet-Anwendungen. (Bildquelle: Amphenol)
Abbildung 4: Der NDHN3A2 ist ein IP67-Steckverbinder mit Verriegelungsverschluss und Abschirmungsblende. (Bildquelle: Amphenol)
Amphenol hat außerdem SPE-Anschlüsse für die Ethernet-Konnektivität von Peripheriegeräten wie Sensoren, Aktoren und Kameras herausgebracht, die mit Geschwindigkeiten von bis zu einem Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) arbeiten. Der SPE-Formfaktor reduziert Größe, Gewicht und Kosten im Vergleich zu Standard-Ethernet. Die Steckverbinder haben die Schutzart IP67 mit rundem Formfaktor der Größe M12. Sie passen zu vor Ort konfektionierbaren Steckern und bieten eine vollständig abgeschirmte Schnittstelle mit Verriegelungsfunktionen. Seine Spannungs-/Strombelastbarkeit von 60 Volt DC und bis zu 4 A unterstützt PoE in einer Entfernung von bis zu 1 Kilometer (km). Ein Beispiel ist der MSPEJ6P2B02, ein SPE 2P2C-Stecker (Abbildung 5).
Abbildung 5: Der SPE IP67 MSPEJ6P2B02-Stecker ist im beliebten runden Formfaktor der M12-Größe erhältlich. (Bildquelle: Amphenol)
Das Unternehmen bietet auch ein ähnliches Sortiment an SPE-Steckverbindern mit rechteckigem Steckerformat mit Schutzart IP20 statt IP67 an. Die Lösung bietet die gleiche elektrische Leistung wie die M12-Reihe, ist jedoch kostengünstiger. Ein Beispiel ist der SPE-Modularsteckverbinder MSPE-P2L0-2A0 (Abbildung 6).
Abbildung 6: Der modulare Steckverbinder SPE IP20 MSPE-P2L0-2A0 ist eine wirtschaftliche Option für weniger gefährliche Umgebungen. (Bildquelle: Amphenol)
Industrielle Ethernet-Protokolle
Der Standard-Ethernet-Kommunikationsmechanismus ist für den relativ ruhigen Datenverkehr in einem Büro oder einem kleinen Unternehmen ausreichend. Dieser Mechanismus ist jedoch anfällig für Ausfälle und Paketverluste, was zu einer erhöhten Latenz führt und ihn für die Echtzeitanforderungen einer schnellen, synchronisierten Produktionslinie ungeeignet macht. Wie bereits erwähnt, erfordert eine solche Umgebung ein deterministisches Protokoll, um sicherzustellen, dass Anweisungen von der Maschine jederzeit und unabhängig von der Netzwerklast pünktlich eintreffen.
Um diese Herausforderung zu meistern, wird die Industrial-Ethernet-Hardware durch ebenso „industrielle“ Software ergänzt. Es gibt mehrere bewährte Industrial Ethernet-Protokolle wie Ethernet/IP, ModbusTCP und PROFINET. Jeder von ihnen ist darauf ausgelegt, den Determinismus industrieller Automatisierungsanwendungen zu gewährleisten.
Der Unterschied zwischen Ethernet- und Industrial-Ethernet-Software lässt sich am besten beschreiben, indem man das siebenschichtige ISO/OSI-Abstraktionsmodell („Stapel“) betrachtet, das PHY, Datenverbindung, Netzwerk, Transport und andere Schichten umfasst. , Sitzung, Präsentation und Anwendung. Standard-Ethernet umfasst die PHY-, Datenverbindungs-, Netzwerk- und Transportschichten (unter Verwendung von TCP/IP oder UDP/IP als Transport) und kann als Kommunikationsmechanismus betrachtet werden, der Effizienz, Geschwindigkeit und Vielseitigkeit bietet.
Im Gegensatz dazu nutzen die Industrial Ethernet-Protokolle, z. B. PROFINET, die Anwendungsschicht des Industrial Ethernet-Stacks. PROFINET ist ein Kommunikationsprotokoll für den Informationsaustausch zwischen Maschinen und Steuerungen in einer Automatisierungsumgebung, das den Ethernet-Standard als Kommunikationsmechanismus nutzt (Abbildung 7).
Abbildung 7: Das siebenschichtige ISO/OSI-Abstraktionsmodell, das den Industrial Ethernet-Software-Stack darstellt. Industrial Ethernet-Protokolle wie PROFINET sind in der Anwendungsschicht angesiedelt. (Bildquelle: Profinet)
Industrial-Ethernet-Software kann auch andere Protokolle nutzen, die speziell zum Senden von Daten an die Cloud entwickelt wurden. Einige Beispiele sind Protokolle wie MQTT oder SNMP.
Schlussfolgerung:
Um der rauen Fabrikumgebung und den Echtzeitanforderungen gerecht zu werden, nutzt Industrial Ethernet gehärtete Hardware wie Schalter, Kabel und Steckverbinder sowie Industriesoftware, um die IT- und OT-Netzwerke der Fabrik zuverlässig zu verbinden.
Wie gezeigt, machen es bewährte kommerzielle Steckverbinderlösungen für Ingenieure einfach, die Vorteile von Industrial Ethernet zu nutzen, um die Hochgeschwindigkeits-Industrieautomation zu programmieren und zu steuern und gleichzeitig die umfassenden Daten zu sammeln, die zur Verbesserung und Erweiterung von Fertigungsabläufen erforderlich sind.
