תכנון עבור יישומי IoT תובעניים באמצעות רשתות הספקת-כוח ונתונים מבוססות Ethernet תעשייתי

מאת ‎Steven Keeping

באדיבות ‎DigiKey's North American Editors

חיבור מתקני ייצור לאינטרנט מניב שיפורים בנצילות, באיכות ובפרודוקטיביות. לדוגמה, ניתן לתכנת ולבקר מכונות מרחוק, לנתח נתונים ממכונות ותהליכים ברציפות כדי לבדוק אם יש שגיאות או סטיות בתהליכים, וניתן ולבצע שינויים מרחוק כדי לכוון את הייצור בחוג משוב סגור. בטווח הארוך יותר, הנתונים יכולים לשמש לתכנון מידרוג עתידי ושילוב מהיר יותר של טכניקות ייצור חדשות.

למרות שהטיעונים בעד חיבוריות הם חזקים, הדרך בה חיבוריות זו מושגת דורשת התייחסות רצינית. ישנן אפשרויות רבות, אך ה-Ethernet‏ מספק פתרון נגיש ומוכח עבור רשת המפעל. זוהי אפשרות הרשת הקווית הנפוצה ביותר בעולם, עם תמיכת ספקים טובה ויכולת תפעוליות-בינית (Interoperability) חלקה עם הענן. יתרה מכך, הכבלים יכולים לשמש להעברת הספקת-כוח ((Power over Ethernet (PoE)) כמו גם נתונים, כלומר סט חיווט אחד יכול לתמוך גם ברשת וגם להזין חיישנים, מפעילים (Actuators‏) והתקנים מחוברים אחרים כגון מצלמות.

עם זאת, ה-Ethernet הסטנדרטי אינו מתאים לפעולה תעשייתית. החומרה אינה מתוכננת לפעול בצורה מהימנה בסביבת המפעל החמה, המזוהמת והנוטה לרעידות. כמו כן, פרוטוקולי Ethernet סטנדרטיים אינם דטרמיניסטים ולכן אינם מתאימים לצרכים של סביבת המפעל שבה הייצור דורש בקרה קרוב לזמן-אמת לניהול תהליכים במהירות גבוהה.

Ethernet תעשייתי מביא את כל היתרונות של Ethernet סטנדרטי, אך מוסיף לתמהיל תוכנה דטרמיניסטית וחסונה. זוהי טכנולוגיה מוכחת ובוגרת עבור אוטומציה תעשייתית, המאפשרת לא רק שליחת נתוני תהליך לענן, אלא גם מאפשרת למפקח מרוחק לגשת בקלות לכוננים, בקרי PLC והתקני I/O ברצפת הייצור. תיקון לתקן Ethernet‏ הסטנדרטי, IEEE 802.3cg‏, משתמש רק בזוג חוטים יחיד עבור הובלת נתונים, תוך הפחתת הכמות והעלות של הכבלים במפעל.

מאמר זה דן באתגר החיבוריות עבור יישומים תעשייתיים ואחר כך מתאר את ההבדלים בין Ethernet ל-Ethernet תעשייתי. לאחר מכן המאמר בוחן את השימוש בטכנולוגיות PoE ו-Single-Pair Ethernet‏ (SPE‏) לפני הצגת חומרה מהעולם האמיתי של Amphenol‏, וכיצד ניתן ליישם אותה ברשת Ethernet תעשייתית.

האתגרים של Ethernet עבור התעשייה

בעוד ש-Wi-Fi עשוי להיות הדרך הנפוצה ביותר של צרכנים להתחבר לאינטרנט, מתחמים מסחריים משתמשים בדרך כלל בטכנולוגיית רשת אזור מקומית חוטית Ethernet כדי לקשר בין מחשבים וציוד אחר.

בתחילת דרכה של ה-Ethernet‏, מחשבים ברשת השתמשו באפיק יחיד כדי לתקשר. סוג זה של רשת הוא התצורה הפשוטה ביותר והיא זולה וקלה לכינון. עם זאת, היא יחסית לא יעילה מכיוון שמחשבים מחוברים מתחרים על רוחב-הפס, וכתוצאה מכך יש עומס-יתר, איבוד מנות (Packets‏) והפחתה ניכרת של רוחב-הפס האפקטיבי.

הרשתות המשרדיות של היום משתמשות בדרך כלל בטופולוגיות של כוכב, עץ או Mesh‏ שבהן מתגים מבקרים את הגישה לרשת כדי להגביל את העומס ולשמור על התפוקה. תעבורת Ethernet מבוקרת על ידי המתגים כך שהודעות ישירות עוברות רק בין ההתקנים שצריכים לתקשר, במקום לשדר אותה על פני כל הרשת (איור 1).

תמונה של מתג Ethernet המבקר את הגישה לרשתאיור 1: מתגי Ethernet מבקרים את הגישה לרשת כדי להגביל את העומס ולשמור על התפוקה. (מקור תמונה: Amphenol)

מבוסס על תקן המתעדכן בהתמדה (IEEE 802.3‏), Ethernet‏ הוא תקן מוכח, מאובטח, אמין, ומציע מהירויות תפוקה של עד מאות גיגה-בייט (Gbytes). למרות שאינו חלק מהתקן, Ethernet משתמש בדרך כלל ב-TCP/IP (חלק מחבילת פרוטוקול האינטרנט (IP)) עבור ניתוב והובלה, מה שמאפשר חיבוריות חלקה עם האינטרנט. הוא גם מאפשר לרשתות להתרחב בקלות עם כבלים, מחברים ומתגים הזמינים ממאות יצרנים.

ה-Ethernet‏ התפתח לשילוב הספקת-כוח ותקשורת על גבי כבל Ethernet CAT 3 או CAT 5 יחיד, מה שמאפשר למהנדסים לבנות רשתות Ethernet והספקת-כוח עם תחזוקה נמוכה במהירות ובזול יחסית להתקנות המשתמשות במערכות נפרדות. הטכנולוגיה תוקננה על-ידי המכון למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה (IEEE) בתקן הנקרא PoE. היתרונות העיקריים של הטכנולוגיה הם הפשטות שלה והעובדה שהספקת-הכוח זמינה בכל מקום שבו יש שקע נתונים. (ראו "מבוא להספקת-כוח על Ethernet‏".)

התיקון האחרון למפרט ה-Ethernet‏, IEEE 802.3cg‏, מתאר את חלופת SPE להעברת נתונים על זוג חוטים יחיד ולא על כבל CAT 3 או CAT 5 רב-גידים של Ethernet או PoE סטנדרטיים. חלופת SPE מתאימה ליישומי אוטומציה תעשייתית מכיוון שהיא מאפשרת למתכננים בשוקי אוטומציה במפעלים ובבניינים להשתמש בפרוטוקולים מוכרים מבוססי Ethernet עבור תקשורת למרחקים ארוכים בין בקרים וחיישנים תעשייתיים, תוך הפחתה משמעותית של נפח החיווט (איור 2).

תמונה של Ethernet זוג-יחיד כפתרון חוסך מקום ולא-יקר (לחצו להגדלה)איור 2‏: Ethernet זוג-יחיד כפתרון חוסך מקום ולא-יקר של Ethernet עבור מגוון של יישומים תעשייתיים ומסחריים. (מקור התמונה: Amphenol)

בעיקרון, רשת ה- Ethernet‏ מייצגת דרך אידיאלית לחבר בין היחידה הקדמית המפקחת לבין פעולות הייצור, ולגשר למעשה על הפער בין רשתות טכנולוגיית המידע (IT) לבין רשתות טכנולוגיית התפעול (OT‏).

מתקני ייצור יוצרים אתגרים הנדסיים נוספים כאשר מיישמים Ethernet. ראשית, מפעלים מהווים סביבה מסוכנת לכבלים, מחברים ומתגים עדינים. הסביבה היא חמה ומלאה באבק וכימיקלים שאינם תואמים לתעלות כבלים של 100 מטר ומעלה הטיפוסיות במפעלים. יתר על כן, לחות ורעידות פוגעים במוליכים ובמגעים. בנוסף, מפעלים מלאים במנועים גדולים המופעלים ומופסקים ללא הרף וגורמים לטרנזיינטי מתח והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) העלולות לשבש תקשורת Ethernet.

שנית, מתקן ייצור מלא ברובוטים הנעים במהירות ובמכונות מסונכרנות הזקוקות לבקרה בזמן-אמת. מנגנוני התקשורת הלא-דטרמיניסטיים של Ethernet סטנדרטי אינם בנויים כדי לספק יכולת בקרה זו.

חומרת Ethernet תעשייתית

"Ethernet תעשייתי" הוא המונח המקובל למערכות Ethernet‏ המותאמות לשימוש במפעלים. מערכות כאלה מאופיינות בשכבות פיזיות (PHY) ובפרוטוקולים תעשייתיים חסונים כגון ModbusTCP, PROFINET‏ ו-Ethernet/IP. יתרה מכך, בניגוד ליישומי Ethernet סטנדרטיים, Ethernet תעשייתי משתמש בדרך כלל בטופולוגיות קו או טבעת מכיוון שהן עוזרות לקצר את אורכי הכבלים (הגבלת השפעת ה-EMI), לקצר את השיהוי (Latency‏) ולכונן מידה מסוימת של יתירות.

הכבלים הם חסונים וכוללים סיכוך להגנה מפני EMI, ומחברים המוגנים באופן דומה מפני הבעייתיות של סביבות תעשייתיות.

היצרנים מסווגים את עמידות המוצרים שלהם לפי מערכת הסיווג IP. דרוג ה-IP‏ מציין את רמת ההגנה המסופקת על ידי המוצר ומוגדרת על ידי התקן הבינלאומי EN 60529. הסכימה כוללת שתי ספרות. הראשונה מייצגת את רמת ההגנה מפני עצמים מוצקים, החל מכלים או אצבעות שעלולים להיות מסוכנים אם הם נתקלו במוליכים חשמליים, ועד ללכלוך ואבק הנישאים באוויר העלולים להזיק למעגלים. הספרה השנייה מגדירה את ההגנה מפני טפטופי מים, תרסיסים או שיקוע. התחום משתרע מ-IP00‏ (אין הגנה מפני אבק או מים) עד IP69‏ (הגנה מלאה מפני אבק וסילוני מים חזקים בטמפרטורה גבוהה).

מחברי Ethernet תעשייתיים עטופים בדרך כלל במגוון של בתי מגן עד IP67. במקרה זה, דירוג של 6 פירושו שאבק או לכלוך מזיק לא יחלחלו לתוך היחידה אפילו לאחר מגע ישיר עם הזיהום במשך שמונה שעות. דירוג הגנה מפני מים של 7 משמעותו שההתקן יכול להיות משוקע בעד מטר אחד של מים מתוקים למשך 30 דקות ללא נזק.

בעת בחירת השכבה הפיזית (PHY‏) של הכבלים והמחברים עבור Ethernet תעשייתי, על המתכננים לבדוק חסינות ל-EMI על ידי בדיקת גיליון הנתונים עבור תקני IEC ו-EN הבאים:

  • IEC 61000-4-5 נחשולים
  • IEC 61000-4-4 טרנזיינטים מהירים חשמליים (EFT‏)
  • IEC61000-4-2‏ ESD‏
  • IEC 61000-4-6‏ חסינות מולכת
  • EN 55032 פליטות מוקרנות
  • EN 55032 פליטות מולכות

הקפדה על חלק מהסטנדרטים הללו או כולם מעניקה ביטחון שביצועי EMI של מערכת Ethernet תעשייתית בסביבת מפעל יהיו משביעי רצון.

מחברים חסונים

בין אם הם מובנים בתוך פאנלי בקרה של מכונות, מתגי Ethernet או כבלים, המחברים הם חיוניים לביצועים של מערכת ה-Ethernet התעשייתית. ללא בחירה מדוקדקת, תקלה במחבר בודד בזמן הלחץ של ייצור במהירות גבוהה עלולה לגרום למכונות של מיליון דולר לתקלה או לעצירה.

ישנם מספר יצרנים המציעים מחברי Ethernet תעשייתיים מוכחים ואמינים עבור מגוון של יישומי Ethernet, PoE ו-SPE. לדוגמה, פתרון מחבר וכבל Push-Pull‏ מלבני Industrial IP6X‏ של Amphenol‏ מספק חיבוריות CAT 6A Ethernet באמצעות ממשק חיבור IEC 61076-3-124, ואיטום מלא לפי מפרטי IP66, IP65 ו-IP67. יש לציין שהמחברים מיועדים לשימוש ביישומי Ethernet תעשייתי הדורשים הגנה סביבתית נוספת ומתאימים לכל סביבת פנים או חוץ קשה/תובענית.

המשפחה כוללת את בית המחבר המלבני IP67‏ NDHN200‏ להרכבה בפאנל המוצג באיור 3. מחבר תקע NDHN3A2‏ רב תכליתי ללא-הלחמה עם 10 מיקומים (איור 4), מתוכנן להתאים ל-NDHN200. מחבר התקע כולל נועל בריח ויציקה מסוככת. יש לו דירוג של 50 וולט AC או 60 וולט DC‏, 1.5 אמפר (A), והוא ניתן לחיבור/ניתוק עד 250 פעמים.

תמונה של בית מחבר מלבני בדירוג IP67‏ NDHN200 של Amphenol‏איור 3: ה- NDHN200 הוא בית מחבר מלבני בדירוג IP67 עבור יישומי Ethernet תעשייתי. (מקור התמונה: Amphenol)

תמונה של מחבר תקע NDHN3A2 IP67 של Amphenol‏איור 4: ה-NDHN3A2 הוא מחבר תקע IP67 הכולל נועל בריח ויציקה מסוככת. (מקור התמונה: Amphenol)

Amphenol השיקה גם מחברי SPE עבור חיבוריות Ethernet של התקנים היקפיים כמו חיישנים, מפעילים (Actuators‏) ומצלמות הפועלים במהירויות של עד גיגה-ביט-לשנייה (Gbit/s). גורם הצורה של SPE מפחית את הגודל, המשקל והעלות בהשוואה ל-Ethernet‏ סטנדרטי. המחברים הם בדירוג IP67 עם גורם צורה עגול בגודל M12. הם מתאימים לתקעים הניתנים לסיומת בשטח, ומספקים ממשק מסוכך במלואו עם מאפייני נעילת בריח. יכולת הטיפול במתח/זרם שלהם היא של 60 וולט DC ועד A‏ 4‏ ותומכת ב-PoE לאורך מרחק של עד 1 קילומטר (ק"מ). דוגמה אחת היא ה-MSPEJ6P2B02‏, מחבר 2P2C SPE (איור 5)

תמונה של מחבר MSPEJ6P2B02 IP67 SPE של Amphenolאיור 5: מחבר MSPEJ6P2B02 IP67 SPE מגיע בגורם צורה עגול ונפוץ בגודל M12. (מקור התמונה: Amphenol)

החברה גם מציעה מגוון דומה של מחברי SPE עם פורמט תקע מלבני בדירוג IP20 במקום IP67. הפתרון מציע את אותם ביצועים חשמליים כמו מגוון M12 אך הוא פחות יקר. דוגמה לכך היא מחבר SPE מודולרי MSPE-P2L0-2A0‏ (איור 6).

תרשים של מחבר SPE IP20 מודולרי MSPE-P2L0-2A0איור 6: מחבר SPE IP20 מודולרי MSPE-P2L0-2A0 הוא אפשרות יעילה וחסכונית עבור סביבות פחות מסוכנות. (מקור התמונה: Amphenol)

פרוטוקולי Ethernet תעשייתי

מנגנון התקשורת של Ethernet סטנדרטי הוא מספיק עבור תעבורה מתונה יחסית של משרד או עסק קטן. אך מנגנון זה רגיש לשיבושים ואיבוד מנות (Packets‏), וכתוצאה מכך שיהוי (Latency‏) מוגדל ההופך אותו ללא-מתאים עבור דרישות של קרוב לזמן-אמת של קו ייצור שנע במהירות ומסונכרן. כפי שצוין, סביבה כזו דורשת פרוטוקול דטרמיניסטי כדי להבטיח שהפקודות למכונה יגיעו בזמן, בכל פעם, לא משנה כמה גדול העומס על הרשת.

כדי להתגבר על אתגר זה, חומרת Ethernet תעשייתי מושלמת על ידי תוכנה "תעשייתית" באופן דומה. קיימים מספר פרוטוקולי Ethernet מוכחים, כולל Ethernet/IP, ModbusTCP ו-PROFINET. כל אחד מהם מתוכנן להבטיח דטרמיניזם עבור יישומי אוטומציה תעשייתית.

את ההבדל בין תוכנת Ethernet ותוכנת Ethernet תעשייתי ניתן לתאר בצורה הטובה ביותר באמצעות בחינת מודל ההפשטה של שבע-שכבות ('מחסנית') של ISO/OSI , הכולל שכבות PHY, קישור נתונים, רשת, הובלה, Session‏, הצגה ויישום. Ethernet סטנדרטי כולל את שכבות ה-PHY, קישור הנתונים, הרשת וההובלה (המשתמשות ב-TCP/IP או UDP/IP עבור ההובלה), ויכול להיחשב כמנגנון תקשורת המביא ליעילות, מהירות וורסאטיליות.

לעומת זאת, פרוטוקולי ה-Ethernet התעשייתי, לדוגמה, PROFINET, משתמשים בשכבת היישום של מחסנית ה-Ethernet התעשייתי. PROFINET הוא פרוטוקול תקשורת המתוכנן להחלפת מידע בין מכונות ובקרים במערכי אוטומציה, תוך שימוש ב-Ethernet סטנדרטי כמנגנון התקשורת שלו (איור 7).

תמונה של מודל ההפשטה של שבע-שכבות של ISO/OSIאיור 7: מודל ההפשטה של שבע-שכבות של ISO/OSI המייצג את חבילת תוכנת ה-Ethernet התעשייתי. פרוטוקולי Ethernet תעשייתיים כגון PROFINET נמצאים בתוך שכבת היישום. (מקור התמונה: Profinet)

תוכנת Ethernet תעשייתי יכולה גם למנף פרוטוקולים אחרים שתוכננו במיוחד עבור שליחת נתונים לענן. הדוגמאות כוללות פרוטוקולים כגון MQTT או SNMP.

סיכום

כדי לתת מענה לאתגרי הסביבה הקשה ולדרישות זמן-אמת של מפעלים, ה-Ethernet התעשייתי משתמש בחומרה חסונה כגון מתגים, כבלים ומחברים, כמו גם תוכנה תעשייתית, כדי לחבר בצורה מהימנה את רשתות ה-IT וה-OT של המפעל.

כפי שהוצג, פתרונות מחברים מסחריים מוכחים מקלים על המהנדסים לנצל את היתרון של Ethernet תעשייתי כדי לתכנת ולבקר אוטומציה תעשייתית במהירות גבוהה, תוך איסוף הנתונים העמוק הדרוש עבור שיפור והרחבת פעולות הייצור.

DigiKey logo

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.

אודות כותב זה

Image of Steven Keeping

Steven Keeping

Steven Keeping הוא מחבר תורם בחברת DigiKey. הוא קיבל תואר HNC בפיזיקה יישומית מאוניברסיטת Bournemouth‏, .U.K, ותואר BEng‏ (.Hons) מאוניברסיטת Brighton‏, .U.K, לפני שהתחיל קריירה של שבע שנים כמהנדס ייצור אלקטרוניקה אצל Eurotherm ו- BOC. בשני העשורים האחרונים הוא עבד כעיתונאי, עורך ומפרסם בנושאי טכנולוגיה. סטיבן עבר לסידני בשנת 2001 כדי שיוכל לרכוב על אופני כביש ושטח לאורך כל השנה, ולעבוד כעורך של Australian Electronics Engineering. סטיבן הפך לעיתונאי עצמאי בשנת 2006 והתמחויותיו כוללות RF, נורות LED וניהול הספקת-כוח.

אודות מוציא לאור זה

DigiKey's North American Editors