Jednoparowe Sieci Ethernet

Czy jednoparowe sieci sprawdzą się jako standard dla automatyzacji produkcji?

Starsze sieci produkcyjne i przemysłowe muszą ewoluować, aby sprostać wymaganiom Przemysłu 4.0 i IoT. Jednoparowy Ethernet (SPE) zapowiada się jako technologia umożliwiająca opłacalną migrację z wielu starszych protokołów do jednego wspólnego. Odpowiada na potrzebę niezawodnej, bezpiecznej infrastruktury zapewniającej szerokopasmową komunikację, zasilanie i kontrolę dla urządzeń Edge. . Technologia Ethernet z pojedynczą parą pomoże zbudować niezbędne podstawy, aby przedsiębiorstwa mogły lepiej realizować cele inteligentnej produkcji i cyfrowo przekształcać swoje firmy. Przewidywało się, że jego dostępność i przyjęcie na rynku rozpocznie się w 2021 r lecz do teraz nie ma potwierdzonych informacji o możliwości jego użycia.

Kondycja sieci przemysłowych

Coraz więcej urządzeń produkcyjnych i przemysłowych jest podłączanych do sieci. Dzisiejsze OT są połączeniem Ethernetu i starszych protokołów Fieldbus. Jak obecnie wygląda środowisko? Pod względem nowych zainstalowanych węzłów, firma HMS Industrial Networks stwierdziła, że przemysłowy Ethernet po raz pierwszy przewyższył tradycyjne magistrale polowe w 2018 r., a postęp ten był kontynuowany w 2019 r. Obecnie utrzymuje się ze stałą stopą wzrostu na poziomie 20% i stanowi 59% światowego rynku, co daje wzrost o 7%.
Globalnie Ethernet / IP to największa przemysłowa sieć Ethernet z 15% udziałem w rynku, tuż za nią plasuje się PROFINET z 14%. Jak pokazuje wykres, inne znaczące technologie Ethernet obejmują EtherCAT, POWERLINK i Modbus-TCP, z których wszystkie wykazują stały wzrost.

Przede wszystkim rok 2019 był pierwszym rokiem spadku liczby nowych węzłów sieci obiektowych, które spadły o -5% w porównaniu do 6% wzrostu w 2018 r. Łącznie magistrale polowe stanowią obecnie 35% rynku światowego, co stanowi spadek o 7% w porównaniu z 7 % wzrost w przypadku przemysłowego Ethernetu. Wiodącą magistralą polową jest nadal PROFIBUS z 10% udziałem w światowym rynku, następnie CC-Link na 6% i Modbus-RTU na 5%. Technologie bezprzewodowe utrzymały 6% udział i również stale rosną na poziomie 30%.

To wszystko pokazuje, że sieci przemysłowe ewoluują w czasie, a ewolucja ta spowodowała stopniowe „chłodzenie” wdrożeń magistrali obiektowej, napędzane przez silniejszy rozwój przemysłowego Ethernetu. Jak zauważył Andres Hansson, dyrektor ds. Marketingu w HMS: „Przejście na przemysłową sieć Ethernet trwa nadal i jest napędzane potrzebą wysokiej wydajności oraz potrzebą integracji między instalacjami fabrycznymi a systemami IT / aplikacjami IoT”. Pojawienie się sieci Ethernet z pojedynczą parą obiecuje dalsze przyspieszenie tego przejścia.

Sprostanie wyzwaniu

Pojawienie się technologii Ethernet jednoparowej nastąpiło w odpowiednim czasie; można się pokusić o stwierdzenie, że zostało to nawet pozornie zaplanowane. Producenci są zarówno zachęcani, jak i po części zmuszani do przekształcenia infrastruktury sieciowej. Branże znajdują się na rozdrożu, a przestarzałe systemy i rozwiązania przestają być wystarczające. Firmy myślące przyszłościowo wdrażają procesy dokumentowania i zatrzymywania obecnej wiedzy technologicznej, jednak dla wielu jest mało prawdopodobne, aby zbiorowa wiedza została skutecznie przeniesiona na nową i niedoświadczoną osobę.

Aktualnie wiele firm zatrzymuje pracowników serwisów w celu wspierania przez nich sieci OT. To sprawia, że wielu producentów jest narażonych na niebezpieczeństwo, a to z kolei pcha ich ku zmianom. Rozwój znajduje odzwierciedlenie w pozytywnych wynikach biznesowych, które zapewniają inteligentna produkcja i transformacja cyfrowa. Przeszkodą są po części maszyny i urządzenia polowe połączone z zastrzeżonymi i starszymi protokołami sieciowymi, których nie da się łatwo zsynchronizować w celu „wprowadzenia” do systemów przedsiębiorstwa i uzyskania szczegółowych informacji oraz działań. Ethernet jednoparowy zapewnia protokół, który jest już zaznajomiony z przychodzącymi wykonawcami i przedstawia jasną i opłacalną ścieżkę migracji.

Jedna para w branży motoryzacyjnej

Przez dziesięciolecia okablowanie Ethernet wykorzystywało cztery skręcone pary miedzianych przewodów do przenoszenia danych i zasilania. Jednak jako przełomowa technologia i zmiana paradygmatu, Ethernet można teraz wdrożyć na pojedynczej zbalansowanej skrętce i pojedynczej parze Ethernet. W ostatnich latach przemysł motoryzacyjny jako pierwszy opracował i zastosował SPE, w tym przypadku dla sieci w pojazdach. Ta innowacja była napędzana rosnącą liczbą aplikacji i złożonością funkcji dodawanych do samochodów. Wraz z każdą wprowadzoną funkcją liczba podsystemów wzrastała wraz ze znacznie wyższymi wymaganiami dotyczącymi przepustowości. Obecne topologie magistrali i fragmentaryczna architektura sieci wdrożona w pojazdach były źle wyposażone, aby sprostać tym wymaganiom. Technologia musiała połączyć rosnącą liczbę odmiennych systemów i zapewnić wyższą przepustowość – a wszystko to w bardzo małych przestrzeniach. Siłą napędową było zmniejszenie liczby przewodów. Branża odpowiedziała, ustanawiając standard IEEE 802.3bw dla 100BASE-T1 dla sieci w pojazdach opublikowany w 2015 r. Ponadto ekosystem dostawców współpracował z producentami samochodów, aby opracować i skomercjalizować technologię z korzyścią dla branży.

Standard okazał się sukcesem. Jakie przepustowości osiąga?

Sukces przemysłu motoryzacyjnego ze SPE służy wzmocnieniu jego podstaw do zastosowania w przemyśle wytwórczym, procesowym i systemów sterowania. Podobnie, te branże wykorzystują technologię, aby uzyskać jedną konsekwentną sieć – od chmury do urządzenia – i wyprzeć dominujące starsze systemy. Tutaj wyższa przepustowość danych i wymagania dotyczące dostarczania energii są ze sobą nieuchronnie powiązane. Zgodnie z tymi celami utworzono grupę Ethernet Task Force w celu zbadania technologii fieldbus i stworzenia standardu dla SPE w celu zaspokojenia potrzeb sieci OT dla producentów i przemysłu przetwórczego, co doprowadziło do powstania i publikacji o IEEE 802.3cg, który zapewnia Połączenie Ethernet 10 Mb / s, a to osiąga pełny kilometr.

Ekonomia SPE

W porównaniu z zadaniem zakończenia 4-parowego kabla zgodnie ze standardami TIA-568A / B, 1-parowy kabel zakończony w terenie ze złączem typu LC będzie niezwykle prosty. Używając typowych narzędzi, można uczciwie powiedzieć, że ten sam technik będzie w stanie wykonać zakończenie SPE w znacznie mniej niż połowę czasu potrzebnego do zakończenia 4-parowego. Ponadto zakończenie złącza SPE będzie mniej podatne na błędy, minimalizując wszelkie poprawki. Ponadto, biorąc pod uwagę mniejszą wagę i rozmiar, można połączyć więcej ciągów kablowych. Wreszcie, 4-kanałowe kable pełniące rolę magistrali można wyciągać i rozdzielać w terenie, aby jeszcze bardziej przyspieszyć wdrażanie.

Bardzo istotnym aspektem technologii jest możliwość zdalnego zasilania urządzeń połączonych z siecią Ethernet jednoparową. Standard IEEE 802.3bu zapewnia opcję zdalnego zasilania prądem stałym przez połączenie SPE, zwane Power over Data Line lub PoDL. PoDL jest podobna do dobrze znanej i dobrze przyjętej technologii Power-over-Ethernet (PoE) dla standardowego Ethernetu. SPE i PoDL współpracują ze sobą jako technologie zapewniające zarówno jednoczesną transmisję danych, jak i zasilanie urządzenia przez to samo łącze.

Kolejną atrakcyjną perspektywą wdrożenia SPE jest możliwość ponownego wykorzystania istniejących mediów kablowych. W wielu dzisiejszych obiektach istnieje wiele starszych, jednoparowych skręconych kabli, zwykle ekranowanych, które prawdopodobnie mogą być ponownie wykorzystane jako nośniki kabli SPE. Na przykład wiele używanych lub porzucanych kabli RS-485 ma grubość 18 AWG, co czyni go dobrym kandydatem. Kable będą musiały zostać przetestowane, ale mają potencjał, aby spełniać parametry elektryczne w porównaniu ze standardem TIA-568.5 dla parametrów transmisji łącza 10BASE-T1L.

Biorąc pod uwagę ekonomię skali, niższy koszt mediów, większy zasięg, elastyczność projektowania, ponowne wykorzystanie kabli i zmniejszoną pracę instalacyjną, SPE będzie bardzo opłacalną alternatywą dla standardowych 4-parowych wdrożeń Ethernet do łączności z urządzeniami brzegowymi.

Ethernet jednoparowy

Przypadki użycia aplikacji

Jednoparowy Ethernet jest elastyczny w zastosowaniach związanych z automatyzacją produkcji i sterowaniem procesami przemysłowymi. Przewidywane aplikacje dla SPE obejmują podłączenie:

• Urządzenia na maszynie do przełącznika sieci przemysłowej na maszynie lub komórce
• Czujniki polowe i siłowniki do przełączników sieci przemysłowych punkt-punkt lub za pośrednictwem uporządkowanych kanałów połączeń kablowych, oba o długości do 1 km znacznie przekraczającej obecne ograniczenie 100 m
• Urządzenia polowe łączące się w sposób łańcuchowy z wbudowanymi przełącznikami 2-kanałowymi
• Zdalne moduły we / wy między sobą, przełącznikiem sieciowym lub sterownikiem
• Urządzenia w panelu połączone jednym kablem w topologii multi-drop (10BASE-T1S)

Oczekuje się, że SPE będzie kluczową technologią umożliwiającą producentom i zakładom przemysłowym:

• Uzyskaj płynną sieć z widocznością od chmury po brzeg
• Zwiększ przepustowość na brzegu sieci, aby wdrożyć zaawansowaną diagnostykę
• Uprość sieci brzegowe, eliminując bramki translacji protokołów
• Przekształć i uprość infrastrukturę zasilania sterowania prądem stałym
• Zwiększ bezpieczeństwo cybernetyczne, rozszerzając zaawansowane technologie obronne IT w produkcji
• Podłącz zminiaturyzowane mikro-IoT i inne urządzenia o ograniczonej obudowie
• Niższy całkowity koszt posiadania sieci OT

Perspektywy i wnioski

Ethernet jednoparowy to technologia transformacyjna, która pojawi się w przyszłości dla producentów i zakładów przemysłowych. Inne segmenty rynku, takie jak transport kolejowy i automatyka budynków, również zaczną wdrażać sieci SPE w nadchodzących latach.

Pojawienie się jednoparowego Ethernetu spowoduje znaczącą ewolucję sieci produkcyjnej i przemysłowej. Edge toruje drogę do jednolitej sieci szkieletowej „od chmury do krawędzi”. Stworzy to podstawę dla Przemysłu 4.0 i IoT, umożliwiając przedsiębiorstwom zarówno dokładność ilościową, jak i czasową, aby zyskać większą kontrolę i wgląd w ich podstawowe procesy. Przygotowując się do przyjęcia i wdrożenia sieci Ethernet jednoparowej, możesz liczyć na to, że Panduit i nasi partnerzy dostarczą potrzebne Ci rozwiązania.