альтернативный промышленный Ethernet-интерфейс IMAX
Таблица 1. Сравнительные характеристики промышленных технологий передачи данных.
| Технология | |||
| AS | ProfiBus | EtherNet/IP | |
| Протокол | ASI | PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP, PROFIBUS-PA | TF, MAP, TCP/IP, IPX/SPX и др. |
| Метод доступа | Master/Slave | Token, Master/Slave | CSMA/CD |
| Стандарт | IEC TG 17В | EN 50170-2 | IEEE 802.3 |
| Среда передачи | Неэкранированный однопарный кабель | Экранированная витая пара, оптическое волокно | Витая пара, оптическое волокно MM/SM |
| Топология | Шина, дерево | Шина, дерево, кольцо, звезда | Шина, дерево, звезда |
| Максимальная длина сегмента | 300 м | Витая пара — 9600 м, оптическое волокно — 90 км | Витая пара — 100 м, оптическое волокно: MM — 2000 м, SM — 3000 м |
| Скорость обмена данными | Сеанс 5 мс | 9600 кбит/с — 12 Мбит/с | 10 Мбит/с |
| Max число устройств в сети | 31 | 127 | 1024 |
| Приложения | Соединение полевых устройств и приводов | Сети промышленного оборудования | Промышленные сети |
коммутационные системы в производственных средах
В настоящее время на промышленном рынке наблюдается процесс эволюции технологий, требующий применения намного более надежных по сравнению с традиционными соединений в заводских условиях. Многие производители начинают внедрять на своих предприятиях так называемые системы планирования ресурсов предприятия (Enterprise Resource Planning, ERP), которые позволяют делать операции более эффективными, улучшать ассортимент продукции и снижать себестоимость производства. Ключом к реализации эффективного решения на основе системы ERP является доступ к достоверным данным в режиме реального времени. К сожалению, большинство производственного оборудования, используемого в настоящее время, не обладает возможностью эффективного сбора и передачи данных из производственных цехов в корпоративные сети. В связи с этим, ведущие производители автоматизированного производственного оборудования начинают предлагать решения, такие как, например EtherNet/IP, для управления процессами в цехах, конфигурацией системы и сбором данных для приложений ERP. Современные оценки дают повод ожидать, что к 2005 году более чем 22% всего вновь создаваемого производственного оборудования будет оснащено средствами подключения к сетям Ethernet. Как только это новое поколение производственного оборудования внедрится на рынок, заводские цеха станут прозрачным продолжением сети организаций. К специфическим примерам приложений, потенциально выигрывающим от использования промышленных технологий Ethernet, относятся в первую очередь те, которые можно отнести к разряду "промышленных":
— горнодобывающие комплексы;
— автомобильные заводы;
— морские и речные порты;
— медицинские учреждения;
— предприятия по переработке сырья;
— предприятия пищевой промышленности;
— предприятия производства и распределения электроэнергии.
Для этого типа конечных пользователей корродирующие газы и жидкости, экстремальные источники EMI, создаваемые робототехническим оборудованием, вибрации, высокие температура и влажность — обычное ежедневное явление. Связующим звеном между заводскими цехами и приложениями ERP, поддерживающим поток данных и обеспечивающим работу конкурентоспособных технологий, должен стать надежный промышленный коннектор. Традиционные компоненты, служащие для коммутации элементов кабельных систем, обеспечивают конечных пользователей годами надежной службы в типичных офисных средах. Однако, при воздействии на эти медные и волоконно-оптические коннекторы экстремальных условий, таких как пыль, температура, влажность, электромагнитные помехи или вибрации рабочие характеристики их заметно деградируют. В агрессивных средах, особенно там, где воздействие одного или всех из перечисленных выше факторов происходит ежедневно, обычное сопрягаемое соединение (например, розетка и вилка типа RJ-45) может подвергаться коррозии, износу, засорению твердыми частицами и, в конце концов, приходить в негодность. Как результат, конечные пользователи сталкиваются с необходимостью несения высоких затрат на эксплуатацию системы за счет постоянных процедур поиска неисправностей и замены компонентов. В настоящее время на рынке появляется новое поколение коннекторов, созданных для обеспечения устойчивого к воздействию агрессивных сред соединения для технологий Ethernet и способных выдерживать самые экстремальные условия, — это более прочный, надежный и защищенный коннектор по сравнению со всеми предшествовавшими ему типами коннекторов Ethernet. Этот новый интерфейс обобщенно называют "промышленным коннектором", однако области его приложений не ограничены только производственными пространствами.
стандарты промышленных кабельных систем
Признавая назревшую необходимость в промышленных интерфейсах, ассоциация TIA (Telecommunications Industry Association) и комитет IEC (International Electrotechnical Commission) сформировали специальные комитеты для разработки стандарта промышленных кабельных систем. Первой начала работы в конце 1999 года рабочая группа TIA по промышленным телекоммуникационным инфраструктурам — TR 42.9 (Industrial Telecommunications Infrastructure Group). Целью деятельности группы является разработка стандартов телекоммуникационных инфраструктур промышленных зданий, комплексов и кампусов, выходящих за рамки действия стандартов коммерческих зданий. Предполагается, что IEC последует примеру TIA и выпустит аналогичный стандарт на основе результатов работы TR-42.9. Кроме спецификаций соединительного интерфейса, TR-42.9 определяет требования к условиям окружающей среды, которым интерфейс должен соответствовать. TR-42.9 использует результаты работы, проделанной ранее IEC, сформулированные в спецификации, известной под названием International Protection (IP), и определяющей некоторые требования к контейнерам относительно условий окружающей среды. Система классификации на основе индексов IP (Таблица 2) использует две цифры для описания уровня защиты, обеспечиваемого неким герметичным контейнером. TR-42.9 применяет эту классификационную схему к промышленным розетке и вилке, сопрягаемым в герметичный конструктив. Первая цифра индекса означает степень устойчивости к проникновению твердых материалов, вторая — устойчивость к жидким агрессорам.
Таблица 2. Система классификации степени защиты на основе индексов IP.
| Твердые тела | Вода | ||||
| Индекс | Степень защиты | Характеристика | Характеристика | Степень защиты | Индекс |
| 0 | Отсутствие защиты | Защита от инструмента, проводов или подобных им объектов диаметром > 2.5 мм и от небольших инородных тел диаметром > 2.5 мм | Отсутствие защиты | Отсутствие защиты от влаги | 0 |
| 1 | Защита от крупных инородных тел | Защита от контакта с рукой человека на большой площади и защита от крупных твердых инородных тел диаметром > 50 мм | Защита от капель воды, падающих вертикально | Защита от капель | 1 |
| 2 | Защита от инородных тел среднего размера | Защита от контакта с пальцами руки человека и защита от небольших твердых инородных тел диаметром > 12 мм | Защита от капель воды, падающих под углом до 15° | Защита от капель | 2 |
| 3 | Защита от инородных тел небольшого размера | Защита от инструмента, проводов или подобных им объектов диаметром > 2.5 мм и от небольших инородных тел диаметром > 2.5 мм | Защита от капель воды, падающих под углом до 60° | Защита от брызг | 3 |
| 4 | Защита от гранулообразных инородных тел | Защита от инструмента, проводов или подобных им объектов диаметром > 1 мм и от небольших инородных тел диаметром > 1 мм | Защита от воды, льющейся со всех направлений | Защита от брызг | 4 |
| 5 | Защита от оседающей пыли | Полная защита от контакта. Защита от внутренних повреждений оборудования вследствие пылевых отложений | Защита от струй воды, льющихся под давлением со всех направлений | Защита от струи | 5 |
| 6 | Защита от проникновения пыли | Полная защита от контакта. Защита от проникновения пыли | Защита от кратковременного затопления | Защита от затопления | 6 |
| - | - | - | Защита от временного конденсата | Защита от конденсата | 7 |
| - | - | - | Защита от воды под давлением (полное погружение) | Полная защита от влаги (герметичность) | 8 |
Для гарантированного обеспечения коннекторами надежных рабочих характеристик Ethernet в агрессивных окружающих средах, TR-42.9 рекомендует соединения с индексом не ниже IP 67. IP 67 означает, что в сопряженном состоянии (герметичном), соединение защищено от проникновения пыли и от временного образования конденсата воды. В дополнение к требованиям защиты от проникновения пыли и воды окончательный вариант промышленного стандарта TR-42.9 будет включать в себя требования к защите от целого ряда дополнительных факторов, особенности которых описаны ниже.
Влага и конденсат. Традиционное коммутационное оборудование подвержено умеренному воздействию коррозии влагой в течение времени. Коррозия приводит к нерегулярным нарушениям в передаче сигналов. В крайних ситуациях, контакты в розетке могут разрушиться совершенно.
Рисунок 1. Влага корродирует контакты в розетках. Постоянное ее воздействие способно, в конце концов, полностью разрушить все контакты, делая розетку непригодной к использованию.
Корродирующие материалы. Воздействие корродирующих газов и жидкостей — обычное явление в промышленных ситуациях. Масла, газы и химикалии могут проесть внешние защитные оболочки коннектора, контакты вилки и гнезда, оболочки кабеля. Экстремальные температуры. Существующее коммутационное оборудование производится для работы в диапазоне температур от -10°C до +60°C, типичном для большинства офисных сред и малых промышленных предприятий. Для агрессивных промышленных сред характерны как резкие перепады температур, так и длительные температурные режимы, выходящие за рамки указанных выше. Воздействие таких условий вызывает нарушения в нормальных рабочих характеристиках и снижает надежность системы.
Вибрация. Все стандартное коммутационное оборудование ведет себя одинаково при воздействии экстремальных вибраций. Со временем контакты модульной вилки истираются о контакты розетки. На контактах в местах их соприкосновения появляются ямки, снижающие надежность соединения (рисунки 2 и 3). Но только этим проблема не ограничивается — вследствие воздействия в точке износа паров воды развивается коррозия.
Рисунок 2. На рентгенограмме сопряженных розетки и вилки хорошо видно то место, где контакты вилки соприкасаются с контактами розетки.
Рисунок 3. В результате длительного воздействия экстремальных вибраций контакты модульной вилки могут продавливать поверхность контактов розетки. Это явление может вызвать проблемы в передаче сигналов.
Электромагнитные помехи (EMI). Высокие уровни EMI характерны для сред, в которых производственное оборудование или трассы систем электропитания расположены близко к трассам системы передачи данных. Станки и системы электропитания генерируют электрические поля, которые наводят на сегменты систем передачи данных помеховые сигналы, нарушающие целостность информационных сигналов.
В результате работы TR-42.9 производители получат возможность создавать компоненты и кабельные системы, способные функционировать в жестких условиях агрессивных промышленных сред. Кроме требования к системам защиты промышленные стандарты также должны обеспечить совместимость продукции различных производителей промышленных коннекторов. Профессиональные промышленные ассоциации также не стоят в стороне и прилагают все усилия к стандартизации наиболее перспективных компонентов в качестве прототипов стандартных коннекторов EtherNet/IP. Ассоциации ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) и ControlNet создали совместную специальную группу JSIG (joint special interest group) с целью разработки стандартов промышленного протокола Ethernet (EtherNet/IP). В результате анализа нескольких потенциально перспективных конструкций интерфейсов JSIG выбрала конструктив вилки и розетки типа "RJ-45" компании Siemon, оборудованный защитным корпусом на основе байонетного затвора. Ключевыми преимуществами байонетного интерфейса являются превосходная сопротивляемость проникновению влаги и жидкостей и быстрая работа затвора, уменьшающая время, требующееся для сопряжения розетки и вилки.
ограничения использования стандартных коннекторов RJ-45 в промышленных средах и альтернативные решения
Традиционные коннекторы типа RJ-45 обладают рядом недостатков, препятствующих их применению в промышленных приложениях. Наиболее важными из этих ограничений являются два:
— все коннекторы, поставляемые на рынок, не идентичны;
— интерфейс контакта вилка-гнездо с точки зрения механического износа совершенно не приемлем для промышленных сред.
Более двадцати лет назад Люмбергом был изобретен популярный вариант промышленного коннектора, получивший название M12. Существует и стандарт, описывающий требования и спецификации этого типа коннектора — IEC 61076. Первоначально M12 был предназначен для применения в промышленных цепях управления оборудованием и технологическими процессами. К основным характеристикам M12 (Рисунок 4) относятся следующие:
— резьбовое соединение M12;
— круглые контакты диаметром 0.8 мм;
— класс защиты IP67/68;
— диапазон рабочих температур — 25°C +85°C;
— вибрации в диапазоне 10-500 Гц— 0.35 мм или 5g;
— промышленные стандарты сварки: CE — 4 кВ, EN50199 — 6 кВ;
— в конструкцию включены магнитные материалы для подавления шумов;
— контакт не типа IDC.
Рисунок 4. Промышленный коннектор Люмберга — M12.
К сожалению, M12 не способен создать конкуренцию коннекторам типа RJ-45 вследствие обусловленных его конструкцией слабых рабочих характеристик передачи, не способных обеспечить работу современных высокоскоростных технологий и, в том числе, EtherNet/IP. Еще одной альтернативой стандартным коннекторам стали в последнее время специально разработанные для работы в агрессивных средах интерфейсы на основе байонетного спрягающего механизма IMAX (Рисунок 5), созданного компанией Siemon. Этот интерфейс, несмотря на свою относительную новизну, уже становится признанным в промышленности стандартом де-факто промышленного коннектора.
Рисунок 5. Альтернативный промышленный интерфейс IMAX
IMAX отвечает всем предполагаемым требованиям TIA и IEC. В частности, устройство, служащее для подключения к промышленной "медной" среде EtherNet/IP, должно соответствовать требованиям стандарта IEC 8802.3. Волновое сопротивление интерфейса (импеданс) должно соответствовать спецификациям стандарта ISO/IEC 8802.3 (ANSI/IEEE Std 802.3) и дополнению к стандарту IEEE Std 802.3u-1995 за исключением такого параметра, как допустимое отклонение величины импеданса: оно должно быть ограничено 5%.
Промышленные розетка и вилка марки Siemon IMAX обеспечивают превосходные характеристики сопротивляемости жестким условиям окружающей среды, достигая достигает класса IP 67 в основном за счет средств совмещения вилки и розетки. Промышленная вилка IMAX построена на основе модульной вилки категории 5е Конструкция вилки оснащена уникальным байонетным механизмом, по своей форме соответствующим корпусу розетки. Вилка вставляется в розетку, и с помощью простого поворота корпуса на четверть оборота, вилка и розетка приводятся в сопряженное состояние.
Сопрягающая конструкция препятствует проникновению влаги как из воздуха, так и при непосредственном контакте с жидкой субстанцией. Кроме этого, сопрягающий конструктив сопротивляется вибрации за счет поддержания относительного расположения вилки относительно розетки. Это не позволяет вилке перемещаться во время вибрации, что в противном случае привело бы к повреждению контактов розетки. В конструкции IMAX используются материалы, более устойчивые к химикалиям и имеющие более широкий диапазон рабочих температур (от -25° до 85°C), чем традиционные коннекторы. Для работы в средах с высокими уровнями EMI, Siemon предлагает экранированные версии промышленного коннектора на основе ScTP. Решения ScTP, являющиеся по своей сути кабелями UTP с общим сетчатым экраном или фольгой, идеальны для использования в тех средах, где требуется дополнительная защита от EMI для обеспечения целостности сигналов данных. Как и экранированные кабели, коммутационное оборудование также обладает высокой степенью экранирования и, кроме того, низким импедансом передачи, что позволяет защищать информационный сигнал в точке его перехода из кабеля горизонтальной системы в аппаратный шнур.
Рисунок 6. Герметичное 8-контактное 8-позиционное модульное гнездо
Рисунок 7. Герметичная 8-контактная 8-позиционная модульная вилка
Рисунок 8. В промышленной розетке марки Siemon для сопряжения с вилкой используется байонетный механизм, обеспечивающий всей конструкции класс защиты IP 67.
Рисунок 9. Промышленная вилка марки Siemon может быть легко терминирована в полевых условиях.
Рисунок 10. Промышленная розетка IMAX™ может быть установлена в монтажную рамку из нержавеющей стали, которая способна обеспечить определенную степень герметизации и защиту от проникновения влаги и мелких твердых частиц.
Терминирование вилки IMAX в полевых условиях происходит аналогично обычной модульной 8- контактной 8-позиционной вилке. Процедура терминирования выполняется в три шага:
— терминирование кабеля модульной вилкой с помощью обжимного инструмента;
— фиксация корпуса разъема на вилке;
— затягивание уплотняющей гайки на корпусе разъема с одновременной фиксацией кабеля.
По материалам компании-производителя.
Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 12 за 2003 год в рубрике hardware
