Optymalizacja parametrów sieci przemysłowych bazujących na standardzie Ethernet

-- sobota, 19 listopad 2011 17:31

Warstwa fizyczna sieci przemysłowej standardu Ethernet musi być wystarczająco mocna i odporna na działanie wielu czynników, tak by zapewnić bezbłędne funkcjonowanie systemu sterowania i monitoringu w każdej sytuacji, szczególnie w warunkach krytycznych.

W ciągu ostatniej dekady wiele zakładów produkcyjnych i przetwórczych na świecie zdecydowało się na wdrożenie sieci automatyki i monitoringu bazujących na standardzie Ethernet (IEEE 802.3). Standard ten od wielu już lat zdominował rynek popularnych sieci teleinformatycznych w obiektach biurowych, komercyjnych, użyteczności publicznej. Jednakże trzeba zaznaczyć, że środowisko przemysłowe ma charakter całkowicie odmienny od wspomnianych przed chwilą aplikacji, dlatego też wymagane jest zastosowanie w nim zupełnie innych elementów infrastruktury sieciowej, tzw. warstwy fizycznej sieci. W typowym biurze okablowanie sieciowe położone jest najczęściej w odpowiednich korytkach, na ścianach czy pod podłogą, w miejscach relatywnie czystych i nienarażonych na działanie szkodliwych czynników zewnętrznych, zaś wszystkie switche, huby i inne elementy systemowe ukryte są w bezpiecznych, wyizolowanych miejscach.

Zakłady przemysłowe to zupełnie inna rzeczywistość. Tu wielokrotnie kable, złącza, switche i inne aktywne moduły systemowe są integralnymi elementami maszyny czy urządzenia, znajdują się w bezpośredniej bliskości elementów wykonawczych itp., a więc w miejscach o dużym zabrudzeniu oraz narażonych na działanie pól elektromagnetycznych i innych czynników. Nawet najlepsze i najdroższe moduły ethernetowe, przeznaczone do aplikacji tradycyjnych (biuro, sieci teleinformatyczne), niestety nie mogą być zaaplikowane w takich warunkach. Tu niezbędne jest zastosowanie specjalnie dedykowanych kabli i modułów systemowych, które po przejściu odpowiednich testów i spełnieniu rygorystycznych wymogów, zapewnić mogą odporność systemu sieciowego na codzienne, ciągłe oddziaływanie tak złożonych i tak silnych czynników zewnętrznych.

Rzeczywiste koszty awarii sieci ethernetowej

Większość współczesnych zakładów przemysłowych jest silnie uzależniona od poprawności funkcjonowania systemów automatyki, oprzyrządowania i całej infrastruktury sieci teleinformatycznych, odpowiedzialnych za transmisję danych i sygnałów pomiędzy urządzeniami, maszynami i elementami sterowania, decydujących o ich załączeniu i ustawieniu żądanych parametrów procesowych. Co więcej, komunikacja ta powinna się odbywać jak najszybciej, a margines dopuszczalnych błędów właściwie nie istnieje. Jakakolwiek usterka czy przerwa w transmisji informacji, spowodowana przez moduły sieci Ethernet, może doprowadzić do utraty bardzo istotnych danych procesowych, przerwy w produkcji, opóźnień w realizacji zamówień i ostatecznie do ograniczenia dochodów firmy – znaczących strat finansowych. W przypadku większych awarii sieci istnieje realne ryzyko spadku poziomu bezpieczeństwa osób i urządzeń, a nawet całkowitego uszkodzenia sieci, prowadzącego do konieczności jej reorganizacji, wymiany istotnych modułów sieciowych i ponownej integracji.

Dla osób zarządzających produkcją w zakładzie najistotniejszą kwestią jest pełna funkcjonalność wszystkich maszyn i linii produkcyjnych przez 24 godziny, siedem dni w tygodniu, dlatego też niezawodność i wysokie parametry jakości pracy systemów sieciowych, niezbędnych do realizacji tego priorytetu, mają tak wielkie znaczenie. Jeżeli w zakładzie awarii ulegnie jakikolwiek przełącznik czy element okablowania, koszty samej wymiany i usługi naprawczej są jedynie małym fragmentem całkowitych kosztów takiej awarii, związanych z przestojem urządzenia lub całej linii produkcyjnej – bez względu na branżę danego zakładu. Na przykład szacunkowy koszt jednej godziny przestoju w fabryce papieru to ok. 3000 USD, a w przypadku fabryki samochodów sięgać on może nawet 10 tys. USD. Do tego doliczyć jeszcze trzeba tzw. niebezpośrednie koszty przestoju, związane z utratą płynności procesu produkcji, koniecznością wstrzymania innych procesów, zależnych od tego, który uległ awarii, przeprowadzenia wyłączeń i ponownych załączeń maszyn lub całych zespołów maszynowych, które w rezultacie mogą urastać do dziesiątek, a nawet setek tysięcy dolarów.

Dlatego też, gdy ma się świadomość tych faktów i zagrożeń związanych z nieprawidłowym funkcjonowaniem systemu sieciowego w zakładzie przemysłowym, łatwiej zrozumieć znaczenie rozsądnego i przemyślanego doboru sieci, szczególnie bazującej na standardzie Ethernet, który coraz lepiej sprawdza się nie tylko w zastosowaniach biurowych, ale również w aplikacjach przemysłowych.

Ethernet komercyjny i Ethernet przemysłowy – różnice,  wymagania

Wszystkie obiekty przemysłowe – niezależnie od branży, to zawsze środowiska wyjątkowo wymagające i pełne różnorodnych zagrożeń mechanicznych i elektromagnetycznych, które mają negatywny, niepożądany wpływ na zainstalowane w nim okablowanie, urządzenia elektroniczne oraz systemy łączności i transmisji danych. Czynnikami wywołującymi wspomniane zagrożenia są wysokie temperatury, działanie substancji chemicznych – w tym żrących, wysoki poziom wilgotności, promieniowanie ultrafioletowe i inne. Wszystkie one sprawiają, że klasyczne rozwiązania technologii sieciowych, dedykowane do zastosowań komercyjnych, nie są odpowiednie do aplikacji przemysłowych.

Ekstremalne temperatury – w bardzo niskich temperaturach tradycyjne kable sieciowe robią się sztywne i kruche, skutkiem czego możliwe jest szybkie uszkodzenie ich powłoki izolacyjnej lub przerwanie żył przewodzących, prowadzące ostatecznie do jego przyspieszonej degradacji. Dlatego też kable do zastosowań przemysłowych mają konstrukcję umożliwiającą pracę w znacznie szerszym zakresie temperatur (-40°C do 85°C), w stosunku do rozwiązań komercyjnych (0°C do 60°C).

Podobnie rzecz ma się z innymi elementami sprzętowymi infrastruktury sieciowej (switche, huby itp.), które w wykonaniach klasycznych mogą pracować w temperaturach od 0°C do 40°C, zaś moduły przemysłowe w zakresie od 0°C do 60°C, a w wykonaniach specjalnych – ze wzmocnionymi obudowami – w zakresie takim jak wspomniane wcześniej - od -40°C do 85°C.

Działanie substancji chemicznych – oleje, rozpuszczalniki i inne chemikalia mogą wniknąć w strukturę kabli i przewodów, szczególnie w miejscach występowania wysokich temperatur, powodując ich marszczenie i wyginanie oraz utratę własności mechanicznych. Jeżeli chodzi o moduły systemowe, w przypadku wykonań komercyjnych, wspomniane szkodliwe substancje mogą przyspieszać procesy korozyjne nie tylko obudów, ale i samych elementów elektronicznych. Wykonania dedykowane dla przemysłu są z reguły w pełni szczelne i zabezpieczone przed wnikaniem substancji z zewnątrz.

Wysoki poziom wilgotności – switche i inne moduły sieciowe do aplikacji przemysłowych mogą pracować w środowiskach o wilgotności nawet 99%, spełniając zwykle wymogi standardu szczelności IP67.

Działanie promieni UV – komercyjne kable i elementy systemowe sieci, wystawione na działanie promieni UV, ulegają szybszej degradacji, tracąc właściwości mechaniczne i elektryczne.

Działanie innych czynników zewnętrznych – bezpośrednie zagrożenie mechaniczne dla kabli sieciowych w zakładach przemysłowych stwarzają niejednokrotnie podstawowe czynności wykonywane przez robotników, obsługę lub poruszające się wózki transportowe, dźwigi itp. W wyniku tych oddziaływań kable mogą być nadmiernie wyginane, zrzucane z traktów kablowych, wyłamane, skutkiem czego możliwa jest utrata zdolności przewodzenia, zachowania odpowiedniej rezystancji między żyłami itd. W takich sytuacjach nie sprawdzą się nawet najlepsze kable do tradycyjnych instalacji, kat. 6 nieekranowane. Powtarzalność oddziaływania czynników mechanicznych, ich jednostajność, mogą z czasem doprowadzić do trwałego ich uszkodzenia i zniszczenia trasy kablowej.

Biorąc pod uwagę powyższe przykłady, najlepszym rozwiązaniem przy projektowaniu i praktycznej realizacji sieciowych systemów automatyki i monitoringu w środowisku przemysłowym, jest korzystanie z okablowania, modułów komunikacyjnych i innych elementów infrastruktury sieciowej dedykowanych dla takich aplikacji. Takie produkty wykonane są ze specjalnych materiałów, z uwzględnieniem znacznie bardziej surowych wymogów technicznych zarówno w zakresie niezawodności, jak i odporności na działanie szkodliwych czynników, tak by mogły one poprawnie funkcjonować w różnych, nawet najsurowszych warunkach środowiskowych.

Niezawodne komponenty systemowe do sieci Ethernet

Aktualnie na rynku dostępne są następujące elementy sieciowe o podwyższonych parametrach,  przeznaczone do sieci przemysłowych standardu Ethernet:

• wytrzymałe kable światłowodowe jedno- i wielomodowe, do instalacji wewnętrznych i zewnętrznych,
• kable sieciowe Cat. 5e (2 lub 4 pary) oraz Cat. 6 UTP (4 pary) we wzmocnionych zewnętrznych izolacjach odpornych na działanie olejów i promieni UV. W kablach niektórych kategorii pary przewodów wykonane są specjalną techniką, gdzie izolacja przewodników powleczona jest wzdłuż osi żyły tak, by uzyskać koncentryczność przewodników i tym samym uniknąć ich przemieszczeń i nierównomierności izolacji przy instalacji lub w trakcie pracy systemu,
• kable sieciowe z jednolitą izolacją bądź zbrojone, do zastosowań w środowiskach o szczególnych wymaganiach; kable elastyczne do instalacji na elementach ruchomych; kable odporne na spalanie, bezdymowe, bez halogenków; kable do położenia bezpośrednio w wodzie i ziemi,
• kable dedykowane do instalacji bazujących na wiodących standardach automatyki przemysłowej: EtherNet/IP, Modbus TCP/IP, Profibus czy Filedbus HSE.

Moduły łączeniowe i systemowe do zastosowań przemysłowych, ze złączami o standardzie wykonania IP 67 lub IP 20 UTP lub FTP, moduły sieciowe ze wzmocnionymi i szczelnymi obudowami.

We współczesnych zakładach przemysłowych systemy sieciowe standardu Ethernet stają się coraz popularniejsze, a dostępna technologia zapewnia ich niezawodność i pozwala na bezpieczne stosowanie. Skoro więc nie dziwi już dziś nikogo inwestowanie firm w sprzęt ochronny dla pracowników, elementy bezpieczeństwa i zabezpieczenia maszyn, może warto również przemyśleć dodatkową inwestycję w specjalistyczne i niezawodne komponenty sieciowe, zapewniając poprawność funkcjonowania systemów sterowania i monitoringu.

Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza – AGH Kraków

Autor: Brian Shuman