Priemyselné prostredie je nepriateľom káblov

Priemyselné inštalácie sa nachádzajú vo výrobných prevádzkach, v prevádzkach na spracovanie ropy a plynu, uhoľných baniach, zariadeniach na čistenie odpadových vôd, dopravných systémoch vrátane tunelov a pod. Tieto prostredia kladú náročné požiadavky na vyhotovenie a spoľahlivosť káblov. K nebezpečenstvám, ktoré káble ohrozujú, patria chemikálie, ultrafialové (UV) svetlo, prenikanie vlhkosti, nárazy, extrémne teploty a vibrácie. Kábel musí zároveň zabezpečiť integritu signálu a minimalizovať straty signálu a efekty elektromagnetického rušenia (EMI). Poruchy môžu ohroziť bezpečnosť operátora a spôsobiť problémy s kvalitou a môžu byť veľmi drahé: každá minúta straty výroby môže stáť tisíce eur.

Medzi mechanické riziká pre káble v prevádzke patria náraz, odieranie, otrasy, napätie a vibrácie. Okrem toho sú mnohé priemyselné aplikácie neustále v pohybe: viacosové obrábacie stroje, roboty, veterné turbíny, stroje na vyberanie a umiestňovanie, automatické manipulačné a dopravníkové systémy a pod. Káble pre tieto aplikácie musia byť schopné vydržať opakované ohýbanie počas stoviek tisíc cyklov.

Nebezpečenstvo vniknutia zahŕňa vlhkosť, chemikálie a prach. Mnoho priemyselných odvetví používa agresívne chemikálie a kábel musí prežiť dlhodobé vystavenie okolitým podmienkam bez zníženia výkonu. Napríklad pri spracovaní potravín a nápojov sa zariadenia musia pravidelne čistiť vysokotlakovou vodou a žieravinami, aby spĺňali prísne hygienické požiadavky. Zle navrhnutý kábel môže spôsobiť nasávanie tekutín do vodičov.

Priemyselná kabeláž je často vystavená poveternostným vplyvom vo vnútorných aj vonkajších inštaláciách. V tomto prípade nebezpečenstvo predstavujú extrémy vysokej a nízkej teploty, UV žiarenie (slnečné žiarenie), vlhkosť a dokonca aj obhrýzanie hlodavcami alebo invázne zásahy koreňov stromov.

Priemyselné elektrické prostredie zahŕňa vysoký prúd a napätie, nedostatočné uzemnenie a elektromagnetické rušenie z oblúkových zváračiek, pecí a zariadení kúrenia, vetrania a klimatizácie (HVAC). Pri modernizácii prevádzok môžu priestorové obmedzenia spôsobiť, že nové káble budú vedené blízko zdrojov rušenia, ako sú motory a generátory.

Poďme sa teraz pozrieť na riziká diskutované vyššie a porovnajme ich s káblami inštalovanými v typickom komerčnom prostredí. Komerčné inštalácie vrátane kancelárskych priestorov, serverových miestností a domácností sú typicky klimatizované pomocou systémov HVAC, ktoré udržujú káble na konštantnej úrovni teploty a vlhkosti. Veľká časť kabeláže infraštruktúry je vo vzdušnom priestore nad stropnými doskami alebo je vedená vnútri stien, kde môže roky nerušene ležať. Štandardné komerčné prostredie je vo všeobecnosti bez jemných častíc, kvapalín a neprimeraných teplôt, takže komerčné káble nie sú vystavené prachu, vlhkosti, chemikáliám, extrémnym teplotám alebo UV žiareniu.

Použitie komerčného kábla v priemyselnej aplikácii povedie k vysokej poruchovosti, prerušeniu výroby, zvýšeným nákladom a zníženej bezpečnosti. Porovnanie dvoch typov káblov v sérii štandardných testov ukazuje vynikajúcu výkonnosť káblov priemyselnej kvality (tab. 1).

Aj technika káblov sa vyvíja

Technológia jednopárového ethernetu (Single Pair Ethernet – SPE) umožňuje realizovať nové možnosti v súlade s konceptmi digitalizácie inteligentných závodov. Odborníci však poukazujú na inovácie káblov kategórie 7 (CAT7) spolu s aplikačne špecifickými a hybridnými riešeniami ako katalyzátormi na dosiahnutie prepojenia informačných (IT) a prevádzkových (OT) technológií. Riešenia priemyselnej kabeláže a konektorových technológií sa dostali do centra pozornosti v súvislosti s trendmi digitalizácie procesov a konceptmi Priemyslu 4.0.

Výkonné riešenie konektivity

Podľa Ralfa Moebusa, vedúceho produktového manažmentu priemyselnej komunikácie spoločnosti Lapp, kľúčové technické trendy ovplyvňujúce vývoj najnovšej generácie priemyselných ethernetových káblov a konektorov možno hľadať v piatich oblastiach:

  • CAT7 pre rýchlosť prenosu dát 10 Gbit/s – vyššia rýchlosť prenosu dát sa v priemyselných prevádzkach stáva čoraz častejšie štandardom.
  • SPE – umožňuje ethernetovú komunikáciu cez jeden skrútený medený pár namiesto dvoch alebo štyroch párov.
  • Ethernetová kabeláž – na použitie v aplikáciách, ako je robotika vrátane nového štandardu typu R pre PROFINET, ktorý definuje test špecifický pre aplikáciu na použitie ethernetových káblov.
  • Ethernetové konektory s krytím IP67: M12D a M12X na inštaláciu ethernetových zariadení v prevádzke bez rozvádzačov.
  • Hybridné inštalácie – s prenosom údajov a napájaním v rovnakom kábli.

Kľúčové technologické výhody

R. Moebus vysvetlil, že tieto technologické riešenia ponúkajú rad kľúčových technických výhod, ktoré poskytujú riešenia pre špecifické aplikácie.

  • CAT7 pre priemyselnú ethernetovú kabeláž umožňuje vyššiu prenosovú rýchlosť a vyššiu bezpečnostnú rezervu na vylepšenie prevádzky v budúcnosti.
  • SPE znižuje námahu pri inštalácii, šetrí priestor a má potenciál šetriť náklady na komponenty. Preto sú ethernetové inštalácie pre najnižšie prevádzkové úrovne nákladovo efektívnejšie a umožňujú ekonomicky výhodnú integráciu snímačov a akčných členov do sieťovej infraštruktúry. Ide teda o dôležitú technológiu na sprístupnenie údajov z prevádzky v rámci konceptov inteligentných fabrík.
  • Ethernetová kabeláž špecifická pre aplikáciu zvyšuje odolnosť ethernetových inštalácií v priemyselných strojoch, pretože pri navrhovaní káblov sa berú do úvahy špecifické požiadavky aplikácie, ako je mechanické namáhanie alebo špeciálne podmienky prostredia.
  • Ethernetové konektory s krytím IP67 sa používajú na pripojenie ethernetových zariadení s krytím IP 67 v prevádzke. V tomto prípade nie je potrebný žiaden rozvádzač alebo skrinka; to znižuje náklady a v prevádzke šetrí drahocenný priestor.
  • Hybridné inštalácie s údajmi a napájaním v rovnakom kábli šetria miesto, pretože je potrebný iba jeden kábel namiesto dvoch. Pripojenie a výmena koncových zariadení je rýchlejšia, pretože stačí pripojiť iba jeden konektor.

Cielené aplikácie

Na aké konkrétne aplikačné oblasti a sieťové architektúry sú tieto riešenia zamerané? R. Moebus uviedol nasledujúci vplyv na potenciálne aplikácie:

  1. CAT7 sa používa hlavne ako chrbtica priemyselných ethernetových sietí a je chrbticou používanou na komunikáciu medzi strojmi a ERP/MES, medzi strojmi a cloudom a medzi strojmi navzájom (M2M).
  2. SPE je určený hlavne pre priemyselné zbernice na úrovni prevádzok. Premosťuje medzeru medzi snímačmi a akčnými členmi a automatizačnou sieťou alebo cloudom. Priamou integráciou SPE do týchto zariadení možno získať oveľa viac informácií, ktoré možno použiť v iných systémoch, ako sú edge zariadenia. SPE prináša aj potenciál pre nové aplikácie založené na využití údajov, ako je prediktívna údržba alebo podrobný dohľad nad procesom.
  3. Nový štandard PROFINET, typ R je dobrým príkladom riešení ethernetovej kabeláže, špecifických pre aplikáciu. Typ R bol vyvinutý na použitie v robotike a zaisťuje, že káble spoľahlivo fungujú v priemyselných robotických aplikáciách. Opisuje mechanické testovacie postupy pre káble, ktoré sa používajú na komunikáciu PROFINET medzi riadiacim systémom robota a nástrojom na konci ramena robota.
  4. S ethernetovými konektormi s krytím IP67 je možná inštalácia ethernetových zariadení priamo v prevádzke. Najmä v strojoch, kde je priestor obmedzený, vytvára zmenšenie skriniek a rozvádzačov potenciál na výrobu kompaktnejších strojov. Menšie rozmery rozvádzačov sú v rámci modernej decentralizovanej automatizačnej architektúry jednoznačne trendom.
  5. Hybridné ethernetové inštalácie umožňujú dátovú komunikáciu a tiež napájanie cez jeden kábel. Je to dobré riešenie pre aplikácie, ktoré potrebujú viac energie, ako dokáže poskytnúť technológia Power over Ethernet. Vďaka dostupnosti káblov s rôznym prierezom ide o škálovateľné riešenie, ktoré možno prispôsobiť požiadavkám na výkon jednotlivých aplikácií. Hybridná inštalácia je preto ideálnym riešením pre pohony, napr. inteligentné servopohony.

Riešenie technických výziev

Tieto najnovšie riešenia sú navrhnuté tak, aby riešili celý rad technických výziev. „Ak treba vybudovať výkonné podnikové chrbticové siete s rýchlosťou až 10 Gbit/s a sieť musí byť pripravená aj na výzvy očakávané v budúcnosti, potom sú priemyselné ethernetové káble CAT7 tou správnou voľbou,“ uviedol R. Moebus. „Ak by mali byť údaje dostupné z úrovne snímača/akčného člena a nie je potrebná príliš vysoká rýchlosť prenosu dát, ekonomickým riešením je SPE.“

Pohyb robotov spôsobuje veľa torzných a ohybových namáhaní káblov. V minulosti neexistovala žiadna norma, ktorá by opisovala tieto špecifické mechanické požiadavky na káble používané na robotoch. „S ethernetovými káblami, ktoré spĺňajú štandard typ R, môže technik veriť, že komunikácia PROFINET bude fungovať spoľahlivo,“ dodal R. Moebus.

Na inštaláciu zariadení priemyselného ethernetu s krytím IP67 mimo skrinky alebo rozvádzača sú štandardizovaným riešením kódované konektory M12D až do 100 Mbit/s a M12X kódované konektory až do 10 Gbit/s. Ak treba k ethernetu pripojiť servopohony, hybridná inštalácia môže ušetriť miesto a námahu pri inštalácii.

Jednopárový ethernet

„SPE je kľúčovým prostriedkom na pridávanie zariadení v rámci priemyselného internetu vecí (IIoT) do digitálnych sietí prevádzkových technológií (OT),“ povedal Al Beydoun, prezident a výkonný riaditeľ združenia ODVA. „Tými zariadeniami môžu byť stýkače, tlačidlá a motorové spúšťače umiestnené v rozvádzačoch alebo snímače teploty, hladiny a prietoku v spracovateľských závodoch a dokonca aj snímače RFID a komunikačné brány v logistických zariadeniach. Mnohé z týchto zariadení sú v súčasnosti analógové s malými alebo žiadnymi diagnostickými alebo parametrizačnými schopnosťami. Niektoré sú už dnes pripojené v digitálnych prevádzkových sieťach. Ich stav a schopnosti uvádzania do prevádzky sú však často nedostatočne využívané, čo vedie k značnému množstvu uviaznutých údajov a nevyužitému potenciálu na zlepšenie prevádzky,“ dodal.

Možnosti IT/OT konvergencie

SPE môže podľa A. Beydouna pomôcť so vzájomným prepojením IT/OT tým, že umožní zariadeniam OT využívať tie isté základné ethernetové technológie ako na úrovni IT, čím sa uľahčí zabezpečenie toho, aby sa údaje dostali z úrovne prevádzky cez brány do SCADA, MES, ERP a clouduových systémov.
Existuje mnoho verzií SPE pre rôzne aplikácie s viacerými typmi káblov a ich dĺžkou, rýchlosťou a inými faktormi, ako je iskrová bezpečnosť. SPE zahŕňa aplikácie 10BASE-T1L na všeobecné použitie SPE, aplikácie 10BASE-T1S vnútri rozvádzača a aplikácie 10BASE-T1L Ethernet-APL. Okrem uvedených existuje viacero noriem IEEE SPE.

„Prijatie SPE výrobcami zariadení aj koncovými používateľmi je dôležitým krokom na využitie plného potenciálu IIoT, čo prinesie vyššiu efektívnosť procesov a urýchli transformáciu podnikania. Ethernet-APL je špecializovaná verzia SPE pre automatizáciu procesov, ktorá zahŕňa ochranu v rámci prostredí s náročnými podmienkami, napájanie prevádzkových meracích prístrojov a podporu pre káble dlhé až do 1 000 metrov,“ dodal A. Beydoun.

Felix Hanisch, predseda predstavenstva združenia NAMUR, uviedol, že informačná diaľnica Ethernet-APL k systémom na úrovni prevádzky má mimoriadny význam a možno je to posledná šanca odvetvia zrealizovať digitálnu transformáciu „zhora nadol“.

Jednou z najjasnejších a najdôležitejších výhod SPE sú nižšie náklady na kabeláž v porovnaní so štandardným ethernetom, pretože je potrebný iba jeden krútený pár. Aj keď to na prvý pohľad nemusí byť také očividné, rozdiel sa môže rýchlo ukázať v podnikoch a prevádzkach, ktoré majú stovky metrov inštalovaných káblov a tisíce komunikačných uzlov.

SPE môže tiež minimalizovať prácu a čas potrebný na inštaláciu rozvádzačov pomocou jednoduchšie použiteľných konektorov a menšieho počtu káblov. Príkladom je riešenie zariadení s obmedzenými zdrojmi od spoločnosti ODVA, ktoré umožňuje pripojenie stýkačov a tlačidiel k EtherNet/IP cez plochý kábel SPE s funkciou viacnásobných preskokov (multidrop).

Káble s dĺžkou až 1 000 metrov, potenciálne opätovné použitie zbernicového kábla typu A (IEC 61158-2) a komunikačná rýchlosť až 10 Mbit/s Ethernet-APL umožňujú využiť výhody ethernetu na úrovni prevádzky v spracovateľských závodoch. Jednou z týchto výhod je, že prevádzkové meracie prístroje a zariadenia môžu jednoducho komunikovať viaceré premenné, ako je teplota, hladina a prietok z jedného prístroja prostredníctvom rozšírenej šírky pásma Ethernet-APL. Ďalšou výhodou je, že SPE minimalizuje hardvérové požiadavky tým, že umožňuje použitie menších fyzických rozhraní, vďaka čomu je pripojenie k jednoduchým zariadeniam nákladovo efektívne.

Dodatočná konektivita zariadení otvára možnosti pre diagnostiku a predpovedanie. Motiváciou na využitie SPE na pridávanie zariadení do ethernetových sietí môže byť diaľkové uvedenie do prevádzky, digitálne riešenie problémov a predpovedanie porúch prostredníctvom edge a/alebo cloudových analýz.

Úspora nákladov, práce a znižovanie prestojov sa vďaka možnosti rýchleho a jednoduchého pridania nového zariadenia do siete a identifikácie nefunkčného zariadenia bez nutnosti fyzického testovania porúch stáva v súčasnosti už realitou. Priemyselné ethernetové siete, ako je EtherNet/IP cez SPE, môžu pomôcť využiť predtým „neviditeľné“ údaje na vytvorenie prehľadov, ktoré môžu transformovať procesy s cieľom zvýšenia celkovej efektívnosti zariadení (OEE)/výrobných výstupov, flexibility a kvality a zároveň zníženia nákladov.

CAT7 – technológia kabeláže s vysokou dátovou rýchlosťou a odolným pripojením

Siete pripravené na budúce požiadavky sú potrebné najmä v priemyselných prevádzkach. Dôležitou súčasťou je použitie správneho riešenia kabeláže. Priemyselné káble musia spĺňať vysoké nároky priemyselného prostredia, či už ide o vysokú rýchlosť prenosu dát, alebo pevné pripojenie. Tu vstupuje do hry nový kábel IE FastConnect Cat7 od spoločnosti Siemens. Nový kábel Cat7 bol vyvinutý na použitie v priemyselných oblastiach. Funguje v súlade s požiadavkami normy IEC61156, čím zaisťuje dostatočne vysokú rýchlosť prenosu dát na priemyselné účely (až 10 G ethernet).

Literatúra

[1] 2023 Special Report: Industrial Ethernet Cables & Connector Solutions. Industrial Ethernet Book. [online]. Publikované 20. 1. 2023. 

[2] The Right Cable for an Industrial Application: How to Choose and Use for Design Success. DigiKey. [online]. Publikované 28. 2. 2019.   

-tog-