Кабельные системы для промышленного Ethernet

Продвижением и развитием систем на базе Ethernet занимается множество организаций. Предлагаемые решения варьируются от адаптации структурированных кабельных систем офисного назначения для применения на промышленных предприятиях до применения специальных компонентов и топологий по аналогии с широко распространенными полевыми шинами. В этой связи достойны отдельного упоминания несколько стандартов Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission, IEC). Общая структура кабельной системы предприятия описана в стандарте IEC 11801/24702. Требования в отношении той части кабельной системы, которая обслуживает непосредственно область производства, содержатся в стандарте IEC 61918 (см. Рисунок 1).

ТРЕБОВАНИЯ К ИСПОЛНЕНИЮ ОБОРУДОВАНИЯ

Оборудование Industrial Ethernet очень часто используется в жестких условиях промышленного предприятия. Поэтому, наряду с передаточными параметрами, при выборе компонентов необходимо принимать во внимание условия эксплуатации. Систематизированное описание типовых условий эксплуатации осуществляется с помощью так называемой модели Mechanical, Ingress, Climatic, Electromagnetic (MICE) по стандарту IEC TR 29106. Согласно этому документу на предприятии выделяются зоны 1, 2 и 3, которые соответствуют обычному офису, легким и тяжелым производственным условиям.

Организации, работающие в области нормирования полевых шин, придерживаются собственных определений, например, вводят разделение на применение в монтажном шкафу и вне его. Немаловажное значение для достижения требуемого уровня надежности сети имеет применение экранированных линейных кабелей, а также организация системы заземления и выравнивания потенциалов. Электропроводные кабели для передачи информационных сигналов должны иметь двухстороннее заземление с шинами системы выравнивания потенциалов, которую, в свою очередь, целесообразно строить по ячеистой схеме. Наличие разницы потенциалов между точками заземления приводит к появлению выравнивающих токов, что сопровождается появлением помех. В тех ситуациях, когда эффективно функционирующая система выравнивания потенциалов отсутствует или построить такую систему не представляется возможным, следует применять волоконно-оптические линии связи.

УНИВЕРСАЛЬНАЯ КАБЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Типовая кабельная система, предназначенная для применения на промышленных предприятиях, согласно стандарту IEC 24702 использует модель так называемой опорной инсталляции, которая благодаря простоте планирования широко применяется при построении кабельных систем офисных зданий (см. Рисунок 2). Согласно данной модели гарантируется определенное качество функционирования линии связи при применении стандартизованных компонентов и соблюдении правила формирования тракта передачи.

Например, в случае использования компонентов Категории 5 тракт передачи обеспечивает параметры класса D, который пригоден для передачи сигналов сетевых интерфейсов Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. В данном примере дополнительно предполагается, что суммарная длина гибких коммутационных шнуров не превышает десяти метров, тогда как длина линейного кабеля стационарной линии ограничена сверху величиной 90 м. Таким образом, максимальная протяженность тракта передачи составляет 100 метров. Коммутационные шнуры обладают заметно худшими характеристиками передачи. Поэтому указанные соотношения длин следует контролировать предельно строго.

Применение более качественной элементной базы, например Категории 6, или уменьшение общей суммарной протяженности тракта теоретически дают возможность компенсировать ухудшенные характеристики коммутационных шнуров. Однако данный прием не применяется на практике из-за того, что требует предварительного выполнения довольно сложных расчетов. Таким образом, кабельная система общего назначения может использоваться только для реализации нейтральной к приложениям инфраструктуры производственного цеха. Для организации связи непосредственно на уровне станка или производственной установки необходимы иные решения.

Требования в отношении гибкости и адаптируемости на уровне производственной зоны, например при наличии движущихся частей, оказываются существенно выше. Применение в данной области обычных решений, ориентированных прежде всего на офисные условия, неизбежно ведет к падению надежности и росту затрат на реализацию. Организации, занимающиеся продвижением различных промышленных шин, идут иным путем. Согласно их подходу, на нижнем уровне допускается значительно большее количество вариантов топологии и используются упрощенные схемы формирования трактов (см. Рисунок 3). При организации сети пользователю требуется соблюдать лишь несколько простых правил — без сложных вычислений параметров симметричных и оптический линий. Это достигается благодаря продуманной системе взаимосогласованных по параметрам компонентов и соблюдению правил их соединения. Последние, в свою очередь, точно соответствуют требованиям к передаточным характеристикам систем.

Подобный подход целесообразен именно для сетей, ориентированных на конкретные приложения, так как в производственной зоне оборудование определяется заранее и не меняется на протяжении всего срока эксплуатации. Такие системы используют преимущественно Fast Ethernet, то есть в линейной части тракта вполне достаточно четырех проводов. Применение кабелей с увеличенной площадью поперечного сечения проводников позволяет отказаться от соблюдения пропорций между длинами инсталляционных кабелей и гибких шнуров при сохранении общей протяженности тракта в 100 м. В некоторых типах промышленных систем предусматриваются также дополнительные пары для передачи питающего напряжения. Такой подход позволяет снизить общие затраты на реализацию физического уровня системы автоматизации. Разработка проекта и последующая эксплуатация заметно облегчается благодаря использованию разъемных соединителей, при создании которых заранее учитывались типовые рабочие условия.

На уровне станка линии связи имеют небольшую протяженность, поэтому в этой части кабельной системы целесообразно применение звездообразной топологии. В этом случае от центральной точки, функции которой может выполнять шкаф с оборудованием, до оконечных устройств прокладывается по одному кабелю к каждому для передачи данных. В случае автоматизации протяженных объектов кабельную часть системы автоматизации имеет смысл реализовать в форме шины. Создание шинной структуры не вызывает проблем при применении активного оборудования со встроенным коммутатором. В данной ситуации входящий и исходящий кабели подключаются каждый к своему порту Ethernet. Для дополнительного увеличения эксплуатационной надежности вполне возможно применение кольцевых структур.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электропроводные и оптические линии промышленного Ethernet с размещением активного оборудования в шкафу или автономно могут применяться в самых разнообразных областях автоматизации — например, в химических установках или в сварочных устройствах. Расширение числа возможных вариантов топологии для нижнего уровня кабельной системы позволяет реализовывать самые разнообразные структуры на промышленных предприятиях.

Бернд Хоррмейер — менеджер по маркетингу продуктов Pluscon в компании Phoenix Contact.