כיצד לממש רשתות בקרה היברידיות ביישומים תעשייתיים

מתחמי תעשייה כמו בתי זיקוק לנפט וגז, מפעלים כימיים, מסופי גז טבעי נוזלי ומתקנים דומים הם עצומים ומאותגרים לשפר את היעילות התפעולית, לתמוך בייצור גמיש, להפחית עלויות ולהבטיח תפעול מאובטח ובטוח. האופי הרצוף של תהליכי הייצור מגדיל את האתגרים. כדי להבטיח פעולה אופטימלית, רשתות בקרה תעשייתיות במתקנים אלו חייבות לנטר כל העת טמפרטורה, לחץ, רעידות, זרימה ופרמטרים אחרים באלפי מקומות. הרשתות יכולות להתפרש על פני מספר קילומטרים (ק"מ) ודורשות טכנולוגיות שונות של תקשורת נתונים על גבי נחושת וסיבים אופטיים כדי לתמוך במגוון של התקנים, מחיישנים ברוחב פס נמוך ועד לפקדי זמן-אמת ברוחב פס גבוה יותר והתקני בטיחות.

כדי להשיג את הדרישות המגוונות הללו, מהנדסי הרשת צריכים לפרוס שילוב אופטימלי של נחושת וסוגים שונים של התקני תקשורת סיבים אופטיים, כולם מחוברים למתגי Ethernet תעשייתי קומפקטיים עם מקורות הספקת-כוח יתירים, יכולת טמפרטורות פעולה רחבה, ניטור מרחוק ותכונות אבטחה מתקדמות.

מאמר זה מתחיל בסקירה קצרה של Ethernet תעשייתי (IE‏), כולל הצורך ברשתות תקשורת נתונים היברידיות בסיבים אופטיים/נחושת עם התמקדות מיוחדת בסיבים אופטיים. הוא משווה סיבים עם אופן-יחיד (SM) לסיבים רבי-אופנים (MM), בוחן תקני מודול סיבים אופטיים עם החלפה-חמה, מסביר כיצד פועל ניטור דיאגנוסטי דיגיטלי (DDM) של מודולי סיבים אופטיים, ולאחר מכן מציג מגוון של התקני תקשורת נתונים על גבי סיבים אופטיים של Cisco Systems‏, Phoenix Contact ו-Intelligent Network Solutions, לצד מתגי Ethernet תעשייתיים מנוהלים עם שילוב של נקודות-חיבור נחושת וסיבים אופטיים במארז IP40 מוקשח של Red Lion Controls.

IE מבוסס על שימוש בפרוטוקולי Ethernet עם מתגים עם תחום טמפרטורות מורחב, וחיברורים חסונים לעמידה בסביבות קשות. IE יכול לתמוך בבקרה בזמן-אמת ובדטרמיניזם והוא ממומש באמצעות מגוון פרוטוקולי תקשורת כמו EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET ו-Modbus TCP.

רשתות IE אמורות להעניק רמה מסוימת של יכולת תפעוליות-בינית (Interoperability) בין מערכות מהדורות הקודמים לבין המערכות הנוכחיות, ועדיין להניב ביצועים ברי-חיזוי ותחזוקה קלה כדי למקסם את זמינות הרשת. השילוב של חיברורי נחושת וסיבים אופטיים משמש לעתים קרובות במתקנים גדולים. היכן שמתאים, נחושת יכולה לספק חלופה בעלות נמוכה יותר. עם זאת, שימוש בסיבים אופטיים יכול להפחית בעיות הקשורות לרעש חשמלי, לספק בידוד חשמלי ולתמוך באורכי חיבורים ארוכים בהרבה היכולים להיות שימושיים במיוחד במתחמים תעשייתיים גדולים ומפוזרים.

MM לעומת SM בסיבים אופטיים

אור מתפשט לאורך הסיב האופטי מכיוון שאי-התיאום של האינדקס האופטי בין הליבה לבין החיפוי גורמת להחזרה פנימית טוטלית. קוטר הליבה הוא קריטי ומגדיר את קונוס הקבלה המכיל את הזוויות שבהן האור הנכנס לסיב יכול להמשיך ולהתפשט. סיב אופטי SM משתמש בליבה קטנה של 10 מיקרומטר (µm‏) היכולה לתמוך רק באופן התפשטות אחד, הנקרא האופן הבסיסי. לסיבים אופטיים MM יש קוטרי ליבה גדולים יחסית לאורך-גל הפעולה של האור. ליבות גדולות יותר אלו מובילות בו-זמנית אופנים רבים, הנקראים גם תבניות גלים-עומדים, של אור (איור 1). תקן ISO/IEC 11801 מגדיר חמישה סוגים של סיבים אופטיים MM המבוססים על שני גודלי ליבה ותכונות רוחב-פס שונים: OM1, OM2, OM3, OM4 ו-OM5‏. כבלים סיבים אופטיים ניתן לסווג על סמך קוטר הליבה וקוטר הכבל. לדוגמה,µm‏ 62.5/125 מתייחס ל-OM1 MM. כבלי µm‏ 50/125 משמשים עבור MM‏ OM2, OM3, OM4 ו-OM5 , ו-µm‏ 10/125 הוא דוגמה לכבל SM.

איור 1‏: סיבים אופטיים MM‏ הם גדולים יחסית בקוטר ויכולים לתמוך באופני אור רבים בו-זמנית. (מקור התמונה: Cisco Systems)

סיבים אופטיים MM ניתן להפעיל עם מקורות דיודה פולטת אור (LED), אך תכנים עם ביצועים עיליים יותר משתמשים בלייזרים פולטים עם משטח תא אנכי (VCSEL‏). השימוש ב-VCSELs מאפשר לרשתות סיבים MM לספק קצבי נתונים רבי-Gigabit‏.

חמשת הקטגוריות של סיבי MM מבוססות על אורך גל אור (בננומטר, nm‏), קוטר ליבה במיקרומטר (μm‏) ורוחב-פס מודאלי. רוחב-פס מודאלי הוא מדד לקצב האות המקסימלי במגה-הרץ (MHz) עבור מרחק נתון בק"מ, או המרחק המקסימלי עבור קצב איתות נתון, והוא מכפלה של רוחב-הפס והמרחק, MHz·km‏. עבור כבל נתון, כאשר המרחק נחתך בחצי, קצב האיתות המקסימלי מוכפל. קטגוריות סיבי MM המוגדרות על ידי ISO/IEC 11801 הן:

• OM1: ליבה של μm‏ 62.5 עם רוחב-פס מודאלי מינימלי של MHz·km‏ 200 ב-nm‏ 850
• OM2: ליבה של μm‏ 50 עם רוחב-פס מודאלי מינימלי של MHz·km‏ 500 ב-nm‏ 850
• OM3: ליבה של μm‏ 50 עם רוחב-פס מודאלי מינימלי של MHz·km‏ 2,000 ב-nm‏ 850
• OM4: ליבה של μm‏ 50 עם רוחב-פס מודאלי מינימלי של MHz·km‏ 4,700 ב-nm‏ 850
• OM5: ליבה של μm‏ 50 עם רוחב-פס מודאלי מינימלי של MHz·km‏ 4,700 ב-nm‏ 850 ו-MHz·km‏ 2,470 ב-nm‏ 953

תקן OM3 תוכנן לתמוך בתקן IEEE 802.3 10GbE Ethernet. בשימוש עם אפנון VCSEL, כבלי OM3 MM יכולים לספק 10 גיגה-ביט-לשנייה (Gb/s) במרחקים של עד 300 מטר. ברוב המקרים, קישורי סיבים OM3 MM הם הפתרונות היעילים והחסכוניים ביותר עבור יישומים של עד כ-500 מטר. קישורי OM4 MM יכולים לתמוך במרחקים של עד 1 ק"מ. עבור מרחקים ארוכים יותר וקצבי נתונים גבוהים יותר, יש צורך בסיבי SM.

SFP עבור נחושת וסיבים

ממשק נתקע עם גורם-צורה קטן (SFP) הוא פורמט מודול רשת קומפקטי ניתן להחלפה-חמה המשמש עבור תקשורת נתונים ורשתות טלקומוניקציה. ממשק SFP על חומרת רשת כמו מתג Ethernet הוא חריץ מודולרי עבור מקמ"ש ספציפי-לתווך, כגון כבל נחושת או סיבים אופטיים. SFPs מאפשרים לצייד נקודות-חיבור עם סוגים שונים של מקמ"שים לפי הצורך. ה-SFP החליף את ממיר ממשק Gigabit‏ (GBIC) הגדול יותר שפותח בעבר והנקרא לעיתים "מיני-GBIC". ועדת גורם-הצורה הקטן (SFPC) הגדירה את גורם-הצורה, האינטרלוקים המכניים והממשקים החשמליים בהסכם רב-מקורות, MSA SFF-8472‏ (איור 2). בנוסף לממשקי SFP סטנדרטיים, ניתן להשיג מהירויות גבוהות יותר של עד Gbit/s‏ 10‏ עם +SFP ועד Gbit/s‏ 25‏ עם SFP28‏.

איור 2: האלמנטים המכניים של מודול SPF עבור סיבים אופטיים מדגישים את מנגנוני הנעילה והאינטרלוק ואת חיבורי הסיבים האופטיים והחשמליים. (מקור התמונה: Intelligent Network Solutions‏ ו-Jeff Shepard‏)

קיימים מקמ"שי סיבים אופטיים SFP התומכים ברשת אופטית סינכרונית (SONET‏), Gigabit Ethernet‏, Fibre Channel‏, רשת אופטית פסיבית (PON) ותקני תקשורת אחרים.

ניטור דיאגנוסטי דיגיטלי (DDM)

ה-MSA SFF-8472 מגדיר גם את פונקציות ה-DDM עבור מקמ"שי סיבים אופטיים. DDM נקרא לפעמים ניטור אופטי דיגיטלי (DOM‏). DDM מאפשר למנהלי רשת לנטר הספק כניסה/יציאה אופטי, טמפרטורה, זרם ממתח לייזר ומתח ההספקה למקמ"ש בזמן-אמת (איור 3). DDM הוא הרחבה של ממשק ID‏ הטורי המוגדר במפרט GBIC. DDM כולל דגלוני אזהרה השולחים התרעות אם פרמטרי הפעולה הם מעבר להגדרת היצרן עבור פעולה רגילה.

איור 3: DDM יכול לנטר את הביצועים של מקמ"שים אופטיים SFP ולשלוח התרעות אם פרמטרים כלשהם הם מחוץ לתחומי הפעולה הנומינליים. (מקור התמונה: Intelligent Network Solutions‏)

DDM מתוכנן לסייע בחיזוי תקלות ולתמוך בתחזוקה מונעת לטובת זמינות מקסימלית של הרשת. יצרן המקמ"שים קובע ספי DDM עבור פרמטרים שונים. הפעלת מקמ"ש מעבר לספים תגרום לירידה בביצועים ועלולה לגרום לשגיאות שידור. המקמ"ש שולח התרעה כאשר ערך פרמטר חורג מהסף המוגדר. בנוסף, המודול יפסיק לשדר נתונים, והמקלט יסרב לקבל הודעות כלשהן. אין זה נדיר שמופיעות מספר התרעות בבת אחת; לדוגמה, אם ההספק האופטי של השידור גבוה מדי, הטמפרטורה עשויה להיות גם היא גבוהה.

בעוד ש-DDM יכבה ויגן על המערכת כאשר יש חריגה מהסף שנקבע מראש, ניתן להשתמש בו גם כדי לנטר את פרמטרי הפעולה של המקמ"ש ולאפשר למפעילים לראות ערכים הנעים בכיוון הלא-נכון לפני שהם חורגים מהרמות המזיקות, תוך אפשור תזמון נכון של התחזוקה המונעת.

סיבים אופטיים MM וטווח של 1 ק"מ

מתכנני רשתות בקרה תעשייתיות יכולים להשתמש במודול Gigabit SFP‏ 2891754‏ של Phoenix Contact כדי לתמוך בשידורים של עד 1 ק"מ באמצעות סיבים המתוכננים לפעול עם אורך-גל של nm‏ 850 (איור 4). מודול זה מתאים עבור יישומים תעשייתיים ויש לו תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40- עד C‏°‏85 ועד 95% לחות. מרחק השידור תלוי בסיב האופטי בו משתמשים:

• 275 מטר עם µm‏ 62.5/125‏ (OM1‏)
• 550 מטר עם µm‏ 50/125‏ (OM2‏)
• 800 מטר עם µm‏ 50/125‏ (OM3‏)
• 1,000 מטר עם µm‏ 50/125‏ (OM4‏)

איור 4: למקמ"ש אופטי SFP זה יש טווח של 1 ק"מ כאשר הוא פועל עם אורך-גל של nm‏ 850 וכבל OM4. (מקור התמונה: DigiKey)

טווח של 20 ק"מ עם סיב אופטי SM

מודול SFP‏ INT 506724 של Intelligent Network Solutions תומך בשידורי נתונים של 1000Base-LX עד 20 ק"מ על גבי סיב אופטי µm‏ 9/125 אופן-יחיד (SM) באמצעות לייזר µm‏ 1310. הוא תומך ב-DDM, ובית המתכת מפחית הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ומשפר את העמידות (איור 5). יש לו תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏0 עד C‏°‏70‏ והמפרט שלו הוא עבור לחות יחסית (RH‏) של 10% עד 85%.

איור 5‏: מודול SFP‏ INT 506724 של Intelligent Network Solutions תומך בשידורי נתונים של 1000Base-LX עד 20 ק"מ על גבי סיב אופטי µm‏ 9/125 אופן-יחיד (SM) באמצעות לייזר µm‏ 1310. (מקור התמונה: Intelligent Network Solutions‏)

מקמ"שי SFP‏ 10 ק"מ

ה-SFP-10G-BXD-I וה-SFP-10G-BXU-I של Cisco פועלים עם סיב אופטי SM, ותומכים במרחקי שידור של עד 10 ק"מ כאשר הם מחוברים ליציאת +SFP. מקמ"שים אלו כוללים תפעוליות-בינית (Interoperability) אופטית עם ממשקי 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 ו-10GBASE XFP על אותו קישור וכוללים פונקציות DOM המנטרות ביצועים בזמן-אמת. בשימוש, SFP-10G-BXD-I תמיד מתחבר ל-SFP-10G-BXU-I. ה-SFP-10G-BXD-I משדר ערוץ של nm‏ 1330 וקולט אות של nm‏ 1270, וה-SFP-10G-BXU-I משדר באורך-גל של nm‏ 1270 וקולט אות של nm‏ 1330 (איור 6).

איור 6‏: מקמ"שים אופטיים אלו משתמשים באורכי-גל שונים עבור שידור וקליטת נתונים. (מקור התמונה: Cisco Systems)

מתג מנוהל-Ethernet תעשייתי

מהנדסי רשתות הזקוקים למתג Gigabit Ethernet מנוהל עם 12 נקודות-חיבור הכולל שמונה נקודות-חיבור עם ארבע נקודות-חיבור משולבות SFP וניטור Modbus יכולים להשתמש ב-Sixnet SLX-8MG-1 של Red Lion. ה-SLX-8MG-1 כולל שמונה נקודות-חיבור (10/100/1000Base-T(X עם ארבע נקודות-חיבור SFP משולבות (התומכות במקמ"שי סיבים אופטיים 100Base או 1000Base). ה-SLX-8MG נתון בתוך מארז סגור דק מוקשח של מסילת DIN ממתכת לשימוש בסביבות תעשייתיות מאתגרות והוא תומך בכניסות הספקת-כוח יתירות של VDC‏ 30‏-10 ובתחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40- עד C‏°‏75. הוא כולל גם ניטור מרחוק Modbus/TCP, תכונות אבטחה מתקדמות, יכולת מורחבת של זעזועים ורעידות, ורמות חסינות גבוהות של רעשים חשמליים ונחשולים.

איור 7: מתג Gigabit Ethernet מנוהל SLX-8MG-1 כולל שמונה נקודות-חיבור (10/100/1000Base-T(X עם ארבע נקודות-חיבור SFP משולבות (משמאל למעלה). (מקור התמונה: Red Lion)

סיכום

רשתות היברידיות של סיבים אופטיים ונחושת יכולות לעזור לשפר את היעילות התפעולית, לתמוך בייצור גמיש, להפחית עלויות ולהבטיח פעולה מאובטחת ובטוחה במתקני תעשייה גדולים כמו בתי זיקוק לנפט וגז ומפעלים כימיים. מהנדסי רשתות יכולים להשתמש במתגי Gigabit Ethernet מנוהלים כדי לפרוס שילוב של קישורי תקשורת של סיבים אופטיים ונחושת. השימוש בסיבים אופטיים MM ו-SM תומך ברוחב-פס מודאלי אופטימלי וכולל יכולת DDM המאפשרת תחזוקה מונעת כדי להבטיח זמינות מקסימלית של הרשת.