Implementierung hybrider Steuerungsnetzwerke in industriellen Anwendungen

Industriekomplexe wie Öl- und Gasraffinerien, Chemiewerke, Flüssiggas-Terminals und ähnliche Anlagen sind riesig und stehen vor der Herausforderung, die Betriebsbereitschaft zu verbessern, eine flexible Produktion zu unterstützen, Kosten zu senken und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Der kontinuierliche Charakter der Produktionsprozesse verschärft die Herausforderungen. Um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten, müssen die industriellen Steuerungsnetze in diesen Anlagen ständig Temperatur, Druck, Vibrationen, Durchfluss und andere Parameter an Tausenden von Stellen überwachen. Netzwerke können sich über mehrere Kilometer erstrecken und erfordern verschiedene Kupfer- und Glasfaser-Datenkommunikationstechnologien, um eine Reihe von Geräten zu unterstützen, von Sensoren mit geringer Bandbreite bis hin zu Echtzeit-Steuerungen und Sicherheitsgeräten mit höherer Bandbreite.

Um diese unterschiedlichen Anforderungen zu erfüllen, müssen Netzwerkingenieure eine optimale Mischung aus Kupfer- und verschiedenen Arten von Glasfaserkommunikationsgeräten einsetzen, die alle mit kompakten industriellen Ethernet-Switches verbunden sind, die über redundante Stromquellen, einen großen Betriebstemperaturbereich, Fernüberwachung und erweiterte Sicherheitsfunktionen verfügen.

Dieser Artikel beginnt mit einem kurzen Überblick über das industrielle Ethernet (IE), einschließlich des Bedarfs an hybriden Glasfaser/Kupfer-Datenkommunikationsnetzen mit besonderem Schwerpunkt auf Glasfaser. Er vergleicht Singlemode- (SM) und Multimode-Fasern (MM), befasst sich mit den Standards für hot-plug-fähige Glasfasermodule und der Funktionsweise der digitalen diagnostischen Überwachung (DDM) von Glasfasermodulen und stellt dann eine Reihe von Glasfaser-Datenkommunikationsgeräten von Cisco Systems, Phoenix Contact und Intelligent Network Solutions sowie einen verwalteten industriellen Ethernet-Switch mit einer Mischung aus Kupfer- und Glasfaseranschlüssen in einem gehärteten IP40-Gehäuse von Red Lion Controls vor.

Das industrielle Ethernet (IE) basiert auf der Verwendung von Ethernet-Protokollen mit Switches mit erweitertem Temperaturbereich und robusten Verbindungen, die rauen Umgebungen standhalten. IE kann Echtzeitsteuerung und Determinismus unterstützen und wird mit einer Reihe von Kommunikationsprotokollen wie EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET und Modbus TCP implementiert.

Von IE-Netzen wird erwartet, dass sie ein gewisses Maß an Interoperabilität zwischen alten und aktuellen Systemen bieten und dennoch eine vorhersehbare Leistung erbringen und leicht zu warten sind, um die Betriebszeit zu maximieren. In großen Einrichtungen wird häufig eine Kombination aus Kupfer- und Glasfaserverbindungen verwendet. Gegebenenfalls kann Kupfer eine kostengünstigere Alternative darstellen. Die Verwendung von Glasfasern kann jedoch Probleme im Zusammenhang mit elektrischem Rauschen reduzieren, elektrische Isolierung bieten und viel größere Verbindungslängen unterstützen, was besonders in großen und verstreuten Industriekomplexen nützlich sein kann.

MM- vs. SM-Faser

Licht wandert durch eine Glasfaser, weil die Fehlanpassung des optischen Index zwischen Kern und Mantel eine interne Totalreflexion verursacht. Der Durchmesser des Kerns ist entscheidend und definiert den Akzeptanzkegel, der die Winkel enthält, in denen sich das in die Faser eintretende Licht weiter ausbreiten kann. SM-Fasern haben einen kleinen Kern von 10 Mikrometern (µm), der nur einen Ausbreitungsmodus, den so genannten Grundmode, unterstützen kann. MM-Lichtwellenleiter haben einen großen Kerndurchmesser im Verhältnis zur Betriebswellenlänge des Lichts. Diese größeren Kerne leiten gleichzeitig viele Moden, auch Stehwellenmuster genannt, des Lichts (Abbildung 1). Die Norm ISO/IEC 11801 definiert fünf Klassen von MM-Fasern auf der Grundlage von zwei Kerngrößen und verschiedenen Bandbreiteneigenschaften: OM1, OM2, OM3, OM4 und OM5. Glasfaserkabel können nach dem Durchmesser des Kerns und des Kabels eingeteilt werden. 62,5/125 µm bezieht sich zum Beispiel auf OM1 MM. 50/125 µm Kabel werden für OM2, OM3, OM4 und OM5 MM verwendet, und 10/125 µm ist ein Beispiel für ein SM-Kabel.

Abbildung 1: MM-Fasern haben einen relativ großen Durchmesser und können viele Lichtmoden gleichzeitig übertragen. (Bildquelle: Cisco Systems)

MM-Fasern können mit Leuchtdioden (LED) betrieben werden, aber leistungsstärkere Designs verwenden oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL). Durch den Einsatz von VCSELs können MM-Glasfasernetze Datenraten von mehreren Gigabit liefern.

Die fünf Kategorien von MM-Fasern basieren auf der Lichtwellenlänge (in Nanometern, nm), dem Kerndurchmesser in μm und der modalen Bandbreite. Die modale Bandbreite ist ein Maß für die maximale Signalrate in Megahertz (MHz) für eine bestimmte Entfernung in km oder die maximale Entfernung für eine bestimmte Signalrate und ist das Produkt aus Bandbreite und Entfernung, MHz·km. Bei einem gegebenen Kabel verdoppelt sich die maximale Signalrate, wenn die Entfernung halbiert wird. Die von ISO/IEC 11801 definierten MM-Faserklassen sind:

• OM1: 62,5μm-Kern mit einer modalen Bandbreite von mindestens 200 MHz·km bei 850 nm
• OM2: 50μm-Kern mit einer modalen Bandbreite von mindestens 500 MHz·km bei 850 nm
• OM3: 50μm-Kern mit einer modalen Bandbreite von mindestens 2000 MHz·km bei 850 nm
• OM4: 50μm-Kern mit einer modalen Bandbreite von mindestens 4700 MHz·km bei 850 nm
• OM5: 50μm-Kern mit einer modalen Bandbreite von mindestens 4700 MHz·km bei 850 nm und 2470 MHz·km bei 953 nm

Der OM3-Standard wurde für die Unterstützung des IEEE802.3-Standards für 10GbE-Ethernet entwickelt. Bei Verwendung mit VCSEL-Modulation können OM3-MM-Kabel 10 Gbit/s (Gigabit pro Sekunde) über Entfernungen von bis zu 300 Metern (m) liefern. In den meisten Fällen sind OM3-MM-Glasfaserverbindungen die kostengünstigste Lösung für Anwendungen bis zu etwa 500 m. OM4-MM-Verbindungen können Entfernungen von bis zu 1 km überbrücken. Für größere Entfernungen und höhere Datenraten werden SM-Fasern benötigt.

SFP für Kupfer und Glasfaser

Die SFP-Schnittstelle (Small Form Factor Pluggable) ist ein kompaktes, hot-plug-fähiges Netzwerkmodulformat, das für Datenkommunikations- und Telekommunikationsnetze verwendet wird. Eine SFP-Schnittstelle an Netzwerkhardware wie einem Ethernet-Switch ist ein modularer Steckplatz für einen medienspezifischen Transceiver, z. B. ein Kupfer- oder Glasfaserkabel. Mit SFPs können die Ports je nach Bedarf mit verschiedenen Transceivern ausgestattet werden. Der SFP hat den früher entwickelten und größeren GBIC (Gigabit Interface Converter) ersetzt und wird manchmal auch als „Mini-GBIC“ bezeichnet. Das Small Form Factor Committee hat den Formfaktor, die mechanischen Verriegelungen und die elektrischen Schnittstellen durch eine Vereinbarung mit mehreren Anbietern spezifiziert, die MSA SFF-8472 (Abbildung 2). Zusätzlich zu den Standard-SFP-Schnittstellen können höhere Geschwindigkeiten mit SFP+ für bis zu 10 Gbit/s und SFP28 für Geschwindigkeiten von 25 Gbit/s erreicht werden.

Abbildung 2: Mechanische Elemente eines faseroptischen SFP-Moduls mit Hervorhebung der Einrast- und Verriegelungsmechanismen sowie der faseroptischen und elektrischen Verbindungen. (Bildquelle: Intelligent Network Solutions und Jeff Shepard)

Es sind SFP-Glasfasertransceiver erhältlich, die synchrone optische Netzwerke (SONET), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, passive optische Netzwerke (PON) und andere Kommunikationsstandards unterstützen.

Digitale diagnostische Überwachung

MSA SFF-8472 definiert auch die DDM-Funktionen für Glasfasertransceiver. DDM wird manchmal auch als digitale optische Überwachung (DOM) bezeichnet. Mit DDM können Netzwerkadministratoren die optische Eingangs-/Ausgangsleistung, die Temperatur, den Laservorspannungsstrom und die Versorgungsspannung des Transceivers in Echtzeit überwachen (Abbildung 3). DDM ist eine Erweiterung der in der GBIC-Spezifikation definierten seriellen ID-Schnittstelle. DDM enthält Alarme und Warnflags, die Warnsignale senden, wenn die Betriebsparameter außerhalb der Werkseinstellung für den Normalbetrieb liegen.

Abbildung 3: DDM kann die Leistung von optischen SFP-Transceivern überwachen und Warnsignale senden, wenn ein Parameter außerhalb des Nennbetriebsbereichs liegt. (Bildquelle: Intelligent Network Solutions)

DDM hilft bei der Vorhersage von Ausfällen und unterstützt die vorbeugende Wartung für eine maximale Betriebszeit des Netzwerks. Der Hersteller des Transceivers legt die DDM-Schwellenwerte für verschiedene Parameter fest. Der Betrieb des Transceivers jenseits der Schwellenwerte führt zu einer verminderten Leistung und kann Übertragungsfehler verursachen. Der Transceiver sendet einen Alarm, wenn der Wert eines Parameters einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Darüber hinaus stellt das Modul die Datenübertragung ein, und der Empfänger verweigert den Empfang von Nachrichten. Es ist nicht ungewöhnlich, dass mehrere Alarme gleichzeitig ausgelöst werden; zum Beispiel kann bei einer zu hohen optischen Sendeleistung auch die Temperatur zu hoch sein.

DDM schaltet das System ab und schützt es, wenn voreingestellte Schwellenwerte überschritten werden. Es kann aber auch zur Überwachung der Betriebsparameter des Sende- und Empfangsgeräts verwendet werden, so dass die Bediener erkennen können, welche Werte sich in die falsche Richtung bewegen, bevor sie ein schädliches Niveau überschreiten, so dass eine vorbeugende Wartung geplant werden kann.

MM-Faser und 1 km Reichweite

Entwickler von industriellen Steuerungsnetzwerken können das Gigabit-SFP-Modul 2891754 von Phoenix Contact verwenden, um Übertragungen bis zu 1 km mit Fasern zu unterstützen, die für den Betrieb mit einer Wellenlänge von 850 nm ausgelegt sind (Abbildung 4). Dieses Modul ist für industrielle Anwendungen geeignet und hat einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis 85 °C bei bis zu 95% Luftfeuchtigkeit. Die Übertragungsdistanz hängt von der verwendeten Faser ab:

• 275 m mit 62,5/125 µm (OM1)
• 550 m mit 50/125 µm (OM2)
• 800 m mit 50/125 µm (OM3)
• 1000 m mit 50/125 µm (OM4)

Abbildung 4: Dieser optische SFP-Transceiver hat eine Reichweite von 1 km, wenn er mit einer Wellenlänge von 850 nm und einem OM4-Kabel betrieben wird. (Bildquelle: DigiKey)

20 km Reichweite mit SM-Faser

Das SFP-Modul INT 506724 von Intelligent Network Solutions unterstützt 1000Base-LX-Datenübertragungen von bis zu 20 km über eine Singlemode 9/125µm-Glasfaser mit einem 1310nm-Laser. Es unterstützt DDM, und das Metallgehäuse reduziert elektromagnetische Störungen (EMI) und erhöht die Haltbarkeit (Abbildung 5). Es hat einen Betriebstemperaturbereich von 0 bis 70 °C und ist für 10 bis 85 % relative Luftfeuchtigkeit (RH) spezifiziert.

Abbildung 5: Das SFP-Modul INT 506724 von Intelligent Network Solutions unterstützt 1000Base-LX-Datenübertragungen von bis zu 20 km über eine 9/125µm-Singlemode-Faser und einem 1310nm-Laser. (Bildquelle: Intelligent Network Solutions)

SFP-Transceiver für 10 km

Die SFP-10G-BXD-I und SFP-10G-BXU-I von Cisco arbeiten mit SM-Glasfaser und unterstützen Übertragungsdistanzen von bis zu 10 km, wenn sie an einen SFP+-Port angeschlossen sind. Diese Transceiver bieten optische Interoperabilität mit 10GBASE-XENPAK-, 10GBASE-X2- und 10GBASE-XFP-Schnittstellen auf derselben Verbindung und umfassen DOM-Funktionen zur Überwachung der Echtzeit-Performance. Bei Verwendung wird ein SFP-10G-BXD-I immer mit einem SFP-10G-BXU-I verbunden. Der SFP-10G-BXD-I sendet ein 1330nm-Signal und empfängt ein 1270nm-Signal, und der SFP-10G-BXU-I sendet mit einer Wellenlänge von 1270nm und empfängt ein 1330nm-Signal (Abbildung 6).

Abbildung 6: Diese optischen Transceiver verwenden unterschiedliche Wellenlängen für das Senden und Empfangen von Daten. (Bildquelle: Cisco Systems)

Industrieller Ethernet-verwalteter Switch

Netzwerktechnikern, die einen gemanagten Gigabit-Ethernet-Switch mit 12 Ports benötigen, der über acht Ports mit vier SFP-Kombinationsports und Modbus-Überwachung verfügt, steht der Sixnet SLX-8MG-1 von Red Lion zur Verfügung. Der SLX-8MG-1 verfügt über acht 10/100/1000Base-T(X)-Ports und vier SFP-Kombi-Ports (die 100Base- oder 1000Base-Glasfaser-Transceiver unterstützen). Der SLX-8MG ist in einem schlanken, gehärteten Metallgehäuse für DIN-Schienen untergebracht und eignet sich für den Einsatz in anspruchsvollen Industrieumgebungen. Er unterstützt redundante Versorgungseingänge für 10 bis 30 VDC und einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis 75 °C. Darüber hinaus bietet er Modbus/TCP-Fernüberwachung, erweiterte Sicherheitsfunktionen, erweiterte Schock- und Vibrationsfestigkeit sowie hohe elektrische Stör- und Überspannungsfestigkeit.

Abbildung 7: Der verwaltete Gigabit-Ethernet-Switch SLX-8MG-1 verfügt über acht 10/100/1000Base-T(X)-Ports mit vier SFP-Kombi-Ports (oben links). (Bildquelle: Red Lion)

Fazit

Hybride Glasfaser- und Kupfernetzwerke können dazu beitragen, die betriebliche Effizienz zu verbessern, eine flexible Produktion zu unterstützen, die Kosten zu senken und einen sicheren Betrieb in großen Industriebetrieben wie Öl- und Gasraffinerien und Chemieanlagen zu gewährleisten. Netzwerktechniker können verwaltete Gigabit-Ethernet-Switches verwenden, um eine Mischung aus Glasfaser- und Kupferkommunikationsverbindungen einzurichten. Die Verwendung von MM- und SM-Fasern unterstützt optimale modale Bandbreiten und die DDM-Fähigkeit ermöglicht eine vorbeugende Wartung, um eine maximale Betriebszeit des Netzwerks zu gewährleisten.