Come implementare reti di controllo ibride in applicazioni industriali

Complessi industriali come raffinerie, poli petrolchimici, impianti chimici, terminali di gas naturale liquido e strutture simili sono enormi e devono migliorare l'efficienza operativa, sostenere una produzione flessibile, ridurre i costi e garantire un funzionamento sicuro e protetto. La natura continua dei processi produttivi aumenta le sfide. Per il funzionamento ottimale, le reti di controllo industriale di questi impianti devono monitorare costantemente temperatura, pressione, vibrazioni, flusso e altri parametri in migliaia di punti. Le reti possono estendersi su diversi chilometri e richiedono varie tecnologie di comunicazione dati in rame e fibra ottica per supportare vari dispositivi, dai sensori a bassa larghezza di banda ai controlli in tempo reale a larghezza di banda più elevata, fino ai dispositivi di sicurezza.

Per soddisfare questi requisiti, gli ingegneri di rete devono implementare un mix ottimale di dispositivi di comunicazione in rame e in fibra ottica di vario tipo, tutti collegati a switch Industrial Ethernet compatti con fonti di alimentazione ridondanti, ampie capacità di temperatura di funzionamento, monitoraggio remoto e funzioni di sicurezza avanzate.

Questo articolo inizia con una breve panoramica di Industrial Ethernet (IE), inclusa la necessità di reti di comunicazione dati ibride in fibra/rame, con particolare attenzione alla fibra ottica. Mette a confronto le fibre monomodali (SM) e multimodali (MM), esamina gli standard dei moduli in fibra ottica innestabili a caldo e il funzionamento del monitoraggio diagnostico digitale (DDM) dei moduli in fibra ottica, quindi presenta una gamma di dispositivi di comunicazione dati in fibra ottica di Cisco Systems, Phoenix Contact e Intelligent Network Solutions, oltre a uno switch Industrial Ethernet gestito con un mix di porte in rame e in fibra ottica in un robusto contenitore IP40 di Red Lion Controls.

IE si basa sull'uso di protocolli Ethernet con switch in un intervallo di temperatura esteso e interconnessioni robuste per resistere negli ambienti difficili. IE può supportare il controllo in tempo reale e il determinismo ed è implementato mediante una serie di protocolli di comunicazione come EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET e Modbus TCP.

Le reti IE devono fornire un certo livello di interoperabilità tra i sistemi legacy e quelli attuali, oltre a fornire prestazioni prevedibili ed essere di facile manutenzione per massimizzarne il tempo di servizio. Nelle grandi strutture viene spesso utilizzata una combinazione di interconnessioni in rame e fibra ottica. Se opportuno, il rame può rappresentare un'alternativa a basso costo. Tuttavia, l'uso della fibra ottica può ridurre i problemi associati al rumore elettrico, fornire isolamento elettrico e supportare lunghezze di interconnessione molto maggiori, particolarmente utili in complessi industriali grandi e geograficamente dispersi.

Fibra MM e fibra SM

La luce viaggia lungo una fibra ottica perché il disadattamento dell'indice ottico tra il nucleo e il rivestimento causa una riflessione interna totale. Il diametro del nucleo è fondamentale e definisce il cono di accettanza contenente gli angoli a cui la luce che entra nella fibra può continuare a propagarsi. La fibra SM utilizza un piccolo nucleo di 10 µm che può supportare un solo modo di propagazione, detto modo fondamentale. Le fibre ottiche MM hanno un nucleo di grande diametro rispetto alla lunghezza d'onda operativa della luce. Questi nuclei più grandi guidano simultaneamente molti modi, detti anche sequenze di onda stazionaria, della luce (Figura 1). Lo standard ISO/IEC 11801 definisce cinque classi di fibre MM basate su due dimensioni del nucleo e varie caratteristiche di larghezza di banda: OM1, OM2, OM3, OM4 e OM5. I cavi in fibra ottica possono essere classificati in base al diametro del nucleo e del cavo. Ad esempio, 62,5/125 µm si riferisce a cavi MM OM1. I cavi di 50/125 µm sono utilizzati per MM OM2, OM3, OM4 e OM5, mentre 10/125 µm è un esempio di cavo SM.

Figura 1: Le fibre MM hanno un diametro relativamente grande e possono supportare la trasmissione di molti modi di luce contemporaneamente. (Immagine per gentile concessione di Cisco Systems)

Le fibre MM possono funzionare con sorgenti a diodi luminescenti (LED), ma i progetti più performanti utilizzano laser a cavità verticale a emissione superficiale (VCSEL). L'uso dei VCSEL consente alle reti in fibra MM di fornire velocità di trasmissione dati multi-gigabit.

Le cinque categorie di fibre MM si basano sulla lunghezza d'onda della luce (in nm), sul diametro del nucleo in μm e sulla larghezza di banda modale. La larghezza di banda modale è una misura della velocità massima del segnale in MHz per una data distanza in km, o la distanza massima per una data velocità di segnalazione, ed è il prodotto della larghezza di banda e della distanza, MHz·km. Per un dato cavo, quando la distanza viene dimezzata, la velocità di segnalazione massima raddoppia. Le classi di fibre MM definite da ISO/IEC 11801 sono:

• OM1: nucleo di 62,5 μm con larghezza di banda modale minima di 200 MHz·km a 850 nm
• OM2: nucleo di 50 μm con larghezza di banda modale minima di 500 MHz·km a 850 nm
• OM3: nucleo di 50 μm con larghezza di banda modale minima di 2000 MHz·km a 850 nm
• OM4: nucleo di 50 μm con larghezza di banda modale minima di 4700 MHz·km a 850 nm
• OM5: nucleo di 50 μm con larghezza di banda modale minima di 4700 MHz·km a 850 nm e 2470 MHz·km a 953 nm

Lo standard OM3 è stato concepito per supportare lo standard Ethernet IEEE 802.3 10GbE. Se utilizzati con la modulazione VCSEL, i cavi MM OM3 possono fornire 10 Gbps su distanze fino a 300 metri. Nella maggior parte dei casi, i collegamenti in fibra MM OM3 sono le soluzioni più economiche per le applicazioni fino a circa 500 metri. I collegamenti MM OM4 possono supportare distanze fino a 1 km. Per distanze maggiori e velocità di trasmissione dati più elevate, sono necessarie le fibre SM.

SFP per rame e fibra

L'interfaccia SFP (Small Form-factor Pluggable) è un formato di modulo di rete compatto e innestabile a caldo utilizzato per le reti di comunicazione dati e telco. Un'interfaccia SFP su hardware di rete come uno switch Ethernet è uno slot modulare per un transceiver specifico per un dato supporto, come un cavo in rame o in fibra ottica. Gli SFP consentono di dotare le porte di diversi tipi di transceiver, a seconda delle necessità. L'SFP ha sostituito il convertitore di interfaccia gigabit (GBIC), sviluppato in precedenza e più grande, talvolta detto "mini-GBIC". Lo Small Form Factor Committee ha specificato il fattore di forma, gli interblocchi meccanici e le interfacce elettriche in MSA SFF-8472 (Figura 2). Oltre alle interfacce SFP standard, è possibile raggiungere velocità più elevate utilizzando SFP+ per velocità fino a 10 Gbps e SFP28 per velocità di 25 Gbps.

Figura 2: Elementi meccanici di un modulo SPF in fibra ottica, con l'evidenziazione dei meccanismi di blocco e interblocco e dei collegamenti elettrici e in fibra ottica. (Immagine per gentile concessione di Intelligent Network Solutions e Jeff Shepard)

Sono disponibili in commercio transceiver in fibra ottica SFP che supportano reti ottiche sincrone (SONET), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, reti ottiche passive (PON) e altri standard di comunicazione.

Monitoraggio diagnostico digitale

MSA SFF-8472 definisce anche le funzioni DDM per i transceiver in fibra ottica. DDM è talvolta detto monitoraggio ottico digitale (DOM). DDM consente agli amministratori di rete di monitorare in tempo reale la potenza di ingresso/uscita ottica, la temperatura, la corrente di polarizzazione del laser e la tensione di alimentazione del transceiver (Figura 3). DDM è un'espansione dell'interfaccia ID seriale definita nella specifica GBIC. DDM include allarmi e indicatori che inviano avvisi se i parametri operativi non rientrano nelle impostazioni di fabbrica per il funzionamento normale.

Figura 3: DDM è in grado di monitorare le prestazioni dei transceiver ottici SFP e di inviare avvisi se i parametri non rientrano negli intervalli operativi nominali. (Immagine per gentile concessione di Intelligent Network Solutions)

DDM aiuta a prevedere i guasti e supporta la manutenzione preventiva per assicurare il massimo tempo di servizio della rete. Il produttore del transceiver imposta le soglie DDM per vari parametri. Il funzionamento del transceiver al di là di qualsiasi soglia comporta un deterioramento delle prestazioni e può causare errori di trasmissione. Il transceiver invia un allarme quando il valore di un parametro supera una soglia specificata. Inoltre, il modulo cessa di trasmettere dati e il ricevitore rifiuta di ricevere messaggi. Non è raro che vengano emessi più allarmi contemporaneamente; ad esempio, se la potenza ottica di trasmissione è troppo alta, può essere elevata anche la temperatura.

Sebbene DDM spenga e protegga il sistema quando sono superate le soglie preimpostate, può anche essere utilizzato per monitorare i parametri operativi del transceiver e consentire agli operatori di identificare i valori che si stanno muovendo nella direzione sbagliata prima che superino i livelli dannosi, consentendo di programmare la manutenzione preventiva.

Fibra MM e raggio di 1 km

I progettisti di reti di controllo industriale possono utilizzare il modulo SFP Gigabit 2891754 di Phoenix Contact per supportare trasmissioni fino a 1 km utilizzando fibre progettate per funzionare con una lunghezza d'onda di 850 nm (Figura 4). Questo modulo è adatto alle applicazioni industriali e ha una temperature di funzionamento compresa tra -40 e +85 °C e un'umidità massima del 95%. La distanza di trasmissione dipende dalla fibra utilizzata:

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

Figura 4: Questo transceiver ottico SFP è operativo entro un raggio di 1 km quando funziona con una lunghezza d'onda di 850 nm e un cavo OM4. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

20 km di raggio con fibra SM

Il modulo SFP INT 506724 di Intelligent Network Solutions supporta trasmissioni di dati 1000Base-LX fino a 20 km su fibra monomodale 9/125 µm utilizzando un laser da 1310 nm. Supporta DDM e l'alloggiamento in metallo riduce le interferenze elettromagnetiche (EMI) e aumenta la durata (Figura 5). Ha un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra 0 e 70 °C ed è specificato per un'umidità relativa compresa tra il 10 e l'85%.

Figura 5: Il modulo SFP INT 506724 di Intelligent Network Solutions supporta trasmissioni di dati 1000Base-LX fino a 20 km su fibra monomodale 9/125 µm utilizzando un laser da 1310 nm. (Immagine per gentile concessione di Intelligent Network Solutions)

Transceiver SFP su 10 km

SFP-10G-BXD-I e SFP-10G-BXU-I di Cisco funzionano con fibra SM e supportano distanze di trasmissione fino a 10 km se collegati a una porta SFP+. Questi transceiver sono dotati di interoperabilità ottica con le interfacce 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 e 10GBASE XFP sullo stesso collegamento e includono funzioni DOM per il monitoraggio in tempo reale delle prestazioni. Quando è utilizzato, un transceiver SFP-10G-BXD-I si collega sempre a un transceiver SFP-10G-BXU-I. SFP-10G-BXD-I trasmette a una lunghezza d'onda di 1330 nm e riceve un segnale a 1270 nm, mentre SFP-10G-BXU-I trasmette a una lunghezza d'onda di 1270 nm e riceve un segnale a 1330 nm (Figura 6).

Figura 6: Questi transceiver ottici utilizzano lunghezze d'onda diverse per trasmettere e ricevere dati. (Immagine per gentile concessione di Cisco Systems)

Switch gestiti Industrial Ethernet

Gli ingegneri di rete che necessitano di uno switch gestito Gigabit Ethernet a 12 porte dotato di otto porte con quattro porte combinate SFP e monitoraggio Modbus possono rivolgersi al dispositivo Sixnet SLX-8MG-1 di Red Lion. SLX-8MG-1 dispone di otto porte 10/100/1000Base-T(X) con quattro porte combinate SFP (che supportano transceiver in fibra 100Base o 1000Base). SLX-8MG è alloggiato in un sottile contenitore metallico temprato su guida DIN per l'uso in ambienti industriali difficili e supporta ingressi di alimentazione ridondanti da 10-30 V c.c. e un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 e 75 °C. Include inoltre il monitoraggio remoto Modbus/TCP, funzioni di sicurezza avanzate, resistenza a urti e vibrazioni ed elevati livelli di immunità ai disturbi elettrici e alle sovratensioni.

Figura 7: Lo switch gestito Gigabit Ethernet SLX-8MG-1 dispone di otto porte 10/100/1000Base-T(X) con quattro porte combinate SFP (in alto a sinistra). (Immagine per gentile concessione di Red Lion)

Conclusione

Le reti ibride in fibra ottica e rame possono contribuire a migliorare l'efficienza operativa, sostenere una produzione flessibile, ridurre i costi e garantire un funzionamento sicuro e protetto nelle attività industriali su larga scala, come le raffinerie, i poli petrolchimici e gli impianti chimici. I tecnici di rete possono utilizzare gli switch gestiti Gigabit Ethernet per implementare un mix di collegamenti di comunicazione in fibra ottica e in rame. L'uso di fibre MM e SM supporta larghezze di banda modali ottimali e l'inclusione della funzionalità DDM consente la manutenzione preventiva per garantire il massimo tempo di servizio della rete.