כיצד Ethernet תעשייתי מניע את ה-IoT‏ התעשייתי בסביבות מפעלים

מה קורה כאשר משתמשים בציוד Ethernet רגיל במפעלים? הוא כושל מהר בסביבות מפעלים. מפעלים פועלים בטמפרטורות קיצוניות, הנעות בין 40°C- עד 75°C+, חווים רעידות מתמידות וחשופים לכימיקלים קשים. כאשר רשתות תעשייתיות כושלות, הייצור נעצר, וכתוצאה מכך נגרמים הפסדים כספיים.

מאמר זה מדגים את ההבדלים בין רשתות Ethernet תעשייתיות לרשתות משרדיות מסורתיות. הוא מסביר כיצד רכיבים מיוחדים מאפשרים למכונות לתקשר זו עם זו בצורה אמינה. הדיון מכסה שלושה חלקים עיקריים: מתגי רשת מחוזקים-לעמידות, כבלים ברמה תעשייתית ופאנלי חיבורים מוגנים היוצרים רשתות המסוגלות לעמוד בתנאי מפעל קשים.

מגבלות ביצועים בסביבות תעשייתיות

האינטרנט של דברים התעשייתי (IIoT) פועל בתנאים המשביתים במהירות ציוד IT סטנדרטי. רצפות ייצור מייצרות אבק הסותם מערכות קירור, בעוד שלחות בעיבוד מזון גורמת לקצרים ולקורוזיה. טמפרטורות קיצוניות, רעידות מתמידות והפרעות אלקטרומגנטיות ממנועים - כל אלה פוגעות ברכיבי הרשת הרגיליםומובילות לכשלים ולזמן השבתה יקר.

בניגוד לרשתות משרדיות, שבהן עיכובים מזדמנים מקובלים, רשתות תעשייתיות חייבות להיות דטרמיניסטיות, ולהבטיח שאירועים יתרחשו במסגרת זמן צפויה. Ethernet סטנדרטי הוא פרוטוקול הסתברותי (המאמץ-הטוב-ביותר) ללא זמני אספקה מובטחים. יישומים תעשייתיים דורשים תאימות ודטרמיניזם, במיוחד עבור פעולות כגון בקרת תנועה, שבהן עיכובים של מילי-שנייה עלולים לפגוע בציוד.

שמירה על תאימות ודטרמיניזם

פרוטוקולים תעשייתיים פועלים בשכבה 7 של מודל חיברור מערכות פתוחות (OSI) באמצעות רשתות מבוססות PROFINET, כפי שמוצג באיור 1. ניתן לחלק את ה-PROFINET ל-PROFINET RT‏ ו-PROFINET IRT‏ ("איזוכרוני בזמן-אמת"). RT עוקף עיבוד TCP/IP רגיל כדי להפחית את שיהוי (Latency‏), בעוד ש-IRT משנה את כללי מיתוג התעבורה של Ethernet כדי לתת עדיפות לחילופי נתונים קריטיים-בזמן.

איור 1: מודל OSI ממחיש כיצד פרוטוקולים תעשייתיים פועלים בשכבות רשת שונות. (מקור התמונה: Eaton‏)

מכיוון ש-PROFINET פועל על גבי Ethernet סטנדרטי בשכבות הפיזיות (1-2), רשתות תעשייתיות יכולות להתחבר לציוד Ethernet רגיל תוך מתן תזמון מדויק עבור בקרת המכונה, גמישות בפרוטוקול ויכולת הרחבת הרשת.

רכיבי מערכת אוטומציה IIoT ואתגרי פעולה

מתגי Ethernet התעשייתי, כבלים ופאנלי גישור הם רכיבים חיוניים של האינטרנט של דברים התעשייתי (IIoT) באוטומציה במפעלים. קיימת רשימה של אתגרים נפוצים וייחודיים עבור כל אחד משלושת המרכיבים.

אתגרים נפוצים: כל הרכיבים חייבים להיות מוגנים מפני הפרעות אלקטרומגנטיות ממכונות המפעל. למטרה זו, מתגים ופאנלי גישור דורשים בתים מסוככים, בעוד שכבלים משתמשים במבנה של זוג-מפותל מסוכך (STP) או זוג-מפותל עם יריעה (F/UTP‏). למתגים יש מארזים מחוזקים-לעמידות עבור חסינות זעזועים, הכבלים עמידים מפני רעידות ועומס מכני, ופאנלי גישור משתמשים בחומרים לפעולה-מאומצת, כגון פלדה מעורגלת-בקור Gauge‏-14‏.

אתגרים ייחודיים:

מתגי Ethernet תעשייתיי

• חייבים לפעול באמינות בטמפרטורות קיצוניות (C‏°‏40‏- עד C‏°‏75‏+)
• דורשים כניסות הספקת-כוח DC יתירות וממסרי התרעה עבור הספקת-כוח תעשייתית לא-יציבה
• זקוקים לפרוטוקולי איכות השירות (QoS) כדי לתעדף זרמי נתונים תעשייתיים קריטיים

כבלי Ethernet תעשייתי

• מתמודדים עם חשיפה סביבתית ישירה ודורשים מחברים בדירוג IP68 להגנה מפני אבק ונוזלים
• משתמשים במחברי M12 מיוחדים עם תבריגים ננעלים כדי למנוע ניתוק עקב רעידות
• בעלי תקעים בזווית ישרה להתקנה בחללים קטנים סביב מכונות

פאנלי גישור תעשייתיים

• חובה לארגן תעלות כבלים רבות במקום מוגבל עם תכנים בצפיפות גבוהה
• משלבים פסי מעצור מתיחה (Strain Relief‏) כדי לשמור על תקינות לטווח-ארוך
• משתמשים ביציאות בזווית של 90 מעלות כלפי מטה עבור גישה קלה יותר בארונות צפופים

Eaton מציעה מגוון רחב של פתרונות Ethernet תעשייתיים, כולל מתגי Ethernet תעשייתיים, כבלים ופאנלי גישור, הנותנים מענה לאתגרים שהוזכרו לעיל בסביבות מפעלים.

מתגי Ethernet תעשייתיי

מתגי סדרת NGI‏ של Eaton מחברים התקנים ברשתות תעשייתיות. יש להם גדלים שונים: קטנים עם חמש נקודות-חיבור וגדולים עם 16 נקודות-חיבור. המתגים הקטנים מטפלים בנתונים במהירות של עד Gbps‏ 14‏. המתגים הגדולים מטפלים בעד Gbps‏ 32‏. כל נקודות-החיבור RJ45 יכולות לעבוד בשלוש מהירויות: Mbps‏ 10‏, Mbps‏ 100‏ או Mbps‏ 1,000‏. איור 2 ממחיש את תמונות המוצר של הרכיבים העיקריים עבור דגמי NGI-U08A‏ ו-NGI-U05C2POE4‏.

איור 2: הרכיבים העיקריים של מתגי Ethernet תעשייתי סדרת NGI של Eaton. (מקור התמונה: device.report‏)

מתג הרשת NGI-U05POE4 הוא בעל מארז מתכת מחוזק לעמידות העומד בפני רעידות וזעזועים ויכול לפעול בטמפרטורות בתחום של C‏°‏10‏- עד C‏°‏60+‏. המאפיין העיקרי שלו הוא ארבעת נקודות-חיבור +PoE‏ היכולות לספק עד W‏ 30‏ של הספק כל אחת (עם תקציב כולל של W‏ 120‏). זה עונה על האתגר של הזנת התקנים כמו מצלמות וחיישנים באזורים שבהם שקעי AC אינם זמינים בקלות.

עבור מאפיינים משופרים, מתג הרשת NGI-U08A הוא בחירה טובה, והוא מציע תחום טמפרטורות פעולה רחב יותר של C‏°‏40‏- עד C‏°‏75‏+ ומארז חסון העומד בפני רעידות. מאפיין הספקת-כוח יתירה של דגם זה הוא שימושי במיוחד במהלך אי-יציבות של הספקת-הכוח. הוא כולל Ethernet/IP QoSe‏ (EIP QoS‏), המסייע בתעדוף זרמי נתונים תעשייתיים להשגת רמות ביצועים טובות יותר.

כבלי Ethernet תעשייתי

כבלי ה-Ethernet התעשייתי של Eaton כוללים מבנה מסוכך (STP או F/UTP) כדי להגן על אותות מפני הפרעות הנוצרת על ידי מנועים ומכונות כבדות. הכבלים מתוכננים לעמוד בפני אבק, לחות ואלמנטים קורוזיביים באמצעות מאפיינים כמו מחברים בעלי דירוג IP68 ומעטים בדירוג CMX‏ עבור שימושי חוץ.

כדי למנוע כשל בחיבורים עקב רעידות מתמידות, הכבלים משתמשים במחברים עגולים וחסונים מסוג M12 עם תבריג ננעל של 12 מ"מ עבור חיבור מאובטח. כבלים רבים תומכים ב-Power over Ethernet‏ (PoE‏), המאפשר להם לספק כוח ונתונים דרך קו יחיד להתקנים כגון חיישנים ומצלמות במקומות בהם שקעי הספקת-כוח אינם זמינים.

ל-N206-PC23-IND‏ (איור 3) יש דירוג IP68, המציין שהמחברים שלו מוגנים מפני אבק ויכולים לעמוד בהטבלה במים בעומק של 1.5 מטרים למשך עד 60 דקות. המעטה בדירוג CMX שלו הופך אותו למתאים עבור יישומי חוץ. הוא בנוי לפעולה בטמפרטורות קיצוניות מ-C‏°‏20‏- עד C‏°‏80‏+.

איור 3: כבל Ethernet‏ תעשייתי Cat5e/Cat6 STP של Eaton עם מחברי RJ45 (דגם N206-PC23-IND). (מקור התמונה: Eaton)

המבנה המסוכך של הכבל מסייע בהגנה מפני רעשי EMI/RFI ממקורות כגון מכונות כבדות, כולל מנועים חשמליים וציוד ריתוך. הוא תומך ב-PoE כדי להזין התקנים תואמים, כגון מצלמות אבטחה וטלפוני VoIP.

לכבלים התעשייתיים NM12-6A4-01M-BL‏ (איור 4) ו-NM12-602-02M-BL‏ יש מחברי M12 והם בעלי דירוג IP68 עבור חסינות מפני אבק ומים. הדגמים תומכים ב-PoE בהספק גבוה של W‏ 60‏ ומחברי M12‏ קוד-X‏ זכר למחברי RJ45 זכר.

איור 4: ה-NM12-6A4-01M-BL של Eaton הוא כבל תעשייתי מסוכך 10G Cat6a עם מחבר M12 בזווית ישרה ותמיכה ב-PoE של W‏ 60‏. (מקור התמונה: Eaton)

ל-NM12-6A4-01M-BL יש יתרון על פני ה-NM12-602-02M-BL, והוא מציע מהירות רשת גבוהה יותר של Gbps‏ 10‏ וסיכוך יריעה כוללני (F/UTP) להגנה מפני הפרעות ביישומים במהירות גבוהה. הוא כולל גם מחבר M12 מיוחד בזווית ישרה, כפי שמוצג באיור 4, כדי להקל על מאמצי הכבל ולאפשר חיבורים קלים יותר בחללים צרים. עם זאת, אם נדרשים רק מחברים ישרים M12 עם אורך כבל ארוך יותר (6.6 רגל) ומהירויות רשת נמוכות יותר (Gbps‏ 1‏), אזי ה-NM12-602-02M-BL יעשה את העבודה.

פאנלי גישור תעשייתיים

פאנלי גישור תעשייתיים כוללים נקודות-חיבור RJ45 מסוככות במלואן, המספקות הגנה חיונית מפני הפרעות אלקטרומגנטיות נפוצות בסביבות מפעלי ייצור. תכן מסוכך זה מונע השחתת נתונים עקב EMI ו-RFI, ומפחית את איבודי המנות (Packet‏) ואת דרישות שידור-חוזר. אפשרויות חסכוניות במקום כוללות דגמים סטנדרטיים של 1U וואריאנטים חוסכי מקום 0.5U‏, המאפשרים צפיפות נקודות-חיבור גבוהה יותר בחללי ארונות מוגבלים.

כפי שמוצג באיור 5, דגם N254-024-SH-D‏ הוא בעל נקודות-חיבור RJ45 הפונות כלפי מטה בזווית של 90 מעלות (C‏), ומאפשרות ניהול טוב יותר של כבלים במקומות תעשייתיים צרים ומפחיתות את המאמצים על כבלים ומחברים. חוט ההארקה הייעודי (D) מבטיח הארקה חשמלית תקינה של הסיכוך,תוך מיקסום ההגנה מפני EMI/RFI בסביבות תעשייתיות רועשות חשמלית.

איור 5: פאנל גישור תעשייתי של Eaton (דגם N254-024-SH-D) המדגיש מאפיינים תעשייתיים עיקריים. (מקור התמונה: Eaton)

אסטרטגיות אינטגרציה עבור אופטימיזציה של אמינות רשת תעשייתית

כאשר משלבים רכיבי Ethernet תעשייתי, יש להתאים את המפרטים לאתגרים הסביבתיים. מפעלי עיבוד מזון דורשים הגנה גבוהה יותר מפני לחות לעומת מחסנים מאובקים, בעוד שאזורים עם ציוד ריתוך דורשים מיגון משופר מפני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

תכננו עבור גידול על ידי בחירת רכיבים עם יכולות הרחבה, כגון מארזים סגורים עם קיבולת נוספת, כבלים ברוחב פס גבוה יותר ומתגים עם נקודות-חיבור רזרביות. הבטיחו יכולת פעולה-הדדית על ידי שמירה על מפרטי ביצועים עקביים בכל התשתיות. אם מתגים תומכים ב-Gbps‏ 10‏, השתמשו בכבלים התומכים באותו רוחב-פס.

הביאו בחשבון גם שיהוי (Latency‏) וגם ריצוד בעת תכנון יישומים רגישים לזמן. התמודדו עם אילוצים פיזיים בעזרת מארזים סגורים בהרכבת-קיר עבור שטח רצפה מוגבל, ובחרו אורכי כבלים מתאימים כדי להגיע למיקום אופטימלי של ההתקנים.

סיכום

רשתות בדירוג-תעשייתי פועלות בצורה אמינה במקומות בהם ציוד סטנדרטי נכשל. זה מפחית את זמן ההשבתה וחוסך בעלויות התחזוקה. זה גם מספק נתונים עקביים עבור ניתוח נתונים. כאשר יצרנים משלבים Ethernet סטנדרטי עם פרוטוקולים תעשייתיים, מושגים יתרונות עצומים. שילוב זה מעניק חיבוריות אוניברסלית ובקרת תזמון מדויקת. תאומים דיגיטליים ותחזוקה חזויה זקוקים לבקרת תזמון זו.

ככל שמפעלים מאמצים את האינטרנט של דברים, תשתית מחוזקת-לעמידות עושה את ההבדל. חברות המשקיעות ברשת Ethernet תעשייתית מתאימה משיגות יתרונות תפעול מיידיים. השקעה זו גם מכינה חברות עבור הפיתוחים החדשניים של Industry 4.0‏. פיתוחים אלו דורשים רשת אמינה ברחבי מתקני הייצור.