วิธีการใช้เครือข่ายการควบคุมแบบไฮบริดในงานอุตสาหกรรม

คอมเพล็กซ์อุตสาหกรรม เช่น โรงกลั่นน้ำมันและก๊าซ โรงงานเคมี คลังก๊าซธรรมชาติเหลว และสิ่งอำนวยความสะดวกที่คล้ายคลึงกันนั้นมีขนาดใหญ่และถูกท้าทายให้ปรับปรุงประสิทธิภาพการดำเนินงาน สนับสนุนการผลิตที่ยืดหยุ่น ลดต้นทุน และรับประกันการดำเนินงานที่ปลอดภัย ธรรมชาติของกระบวนการผลิตที่ต่อเนื่องทำให้ความท้าทายสูงขึ้น เครือข่ายการควบคุมอุตสาหกรรมในโรงงานเหล่านี้ต้องได้รับการตรวจสอบอุณหภูมิ ความดัน การสั่นสะเทือน การไหล และพารามิเตอร์อื่น ๆ ในสถานที่หลายพันแห่งอย่างต่อเนื่อง โดยเครือข่ายสามารถขยายได้มากกว่าหลายกิโลเมตร (กม.) และต้องการเทคโนโลยีการสื่อสารข้อมูลผ่านสายทองแดงและไฟเบอร์ออปติกต่าง ๆ เพื่อรองรับอุปกรณ์ต่าง ๆ ตั้งแต่เซ็นเซอร์แบนด์วิธต่ำไปจนถึงการควบคุมแบนด์วิดท์แบบเรียลไทม์และอุปกรณ์ความปลอดภัยที่สูงขึ้น

เพื่อให้บรรลุข้อกำหนดที่หลากหลายเหล่านี้ วิศวกรเครือข่ายจำเป็นต้องปรับใช้ส่วนผสมที่เหมาะสมที่สุดระหว่างทองแดงและอุปกรณ์สื่อสารไฟเบอร์ออปติกประเภทต่าง ๆ ทั้งหมดเชื่อมต่อกับสวิตช์ Industrial Ethernet ขนาดกะทัดรัดพร้อมแหล่งพลังงานสำรอง ความสามารถด้านอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง การตรวจสอบระยะไกล และคุณลักษณะด้านความปลอดภัยขั้นสูง

บทความนี้เริ่มต้นด้วยภาพรวมโดยย่อของ Industrial Ethernet (IE) รวมถึงความต้องการสำหรับเครือข่ายการสื่อสารข้อมูลแบบไฮบริดไฟเบอร์/ทองแดงโดยเน้นเฉพาะที่ไฟเบอร์ออปติก โดยจะเปรียบเทียบไฟเบอร์โหมดเดียว (SM) และมัลติโหมด (MM) ดูมาตรฐานโมดูลไฟเบอร์ออปติกแบบเสียบปลั๊กได้ และวิธีการตรวจสอบการวินิจฉัยแบบดิจิตอล (DDM) ของโมดูลไฟเบอร์ออปติก จากนั้นจึงนำเสนออุปกรณ์สื่อสารข้อมูลไฟเบอร์ออปติกที่หลากหลายจาก Cisco Systems Phoenix Contact และโซลูชั่นเครือข่ายอัจฉริยะ พร้อมด้วยสวิตช์อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมที่มีการจัดการพร้อมพอร์ตทองแดงและไฟเบอร์ออปติกผสมกันในที่หุ้มแข็ง IP40 จากRed Lion Controls

IE นั้นจะขึ้นอยู่กับการใช้โปรโตคอลอีเทอร์เน็ตที่มีสวิตช์ช่วงอุณหภูมิที่ขยาย และการเชื่อมต่อระหว่างกันที่ทนทานเพื่อทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง IE สามารถรองรับการควบคุมและการกำหนดระดับตามเวลาจริง และดำเนินการโดยใช้โปรโตคอลการสื่อสารที่หลากหลาย เช่น EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET และ Modbus TCP ได้

โดยคาดว่าเครือข่าย IE จะให้ความสามารถในการทำงานร่วมกันระหว่างระบบเดิมและระบบปัจจุบันในระดับหนึ่ง และยังคงให้ประสิทธิภาพที่คาดการณ์ได้และบำรุงรักษาได้ง่ายเพื่อเพิ่มเวลาในการทำงานสูงสุด การเชื่อมต่อระหว่างกันระหว่างทองแดงและไฟเบอร์ออปติกมักใช้ในสิ่งอำนวยความสะดวกขนาดใหญ่ ทองแดงอาจเป็นทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำกว่าได้แต่ต้องเป็นไปตามความเหมาะสม อย่างไรก็ตาม การใช้ไฟเบอร์ออปติกสามารถลดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า ให้การแยกทางไฟฟ้า และรองรับความยาวการเชื่อมต่อระหว่างกันที่ยาวกว่ามาก ซึ่งจะมีประโยชน์อย่างยิ่งในคอมเพล็กซ์อุตสาหกรรมขนาดใหญ่และกระจายตัว

MM เทียบกับเส้นใยไฟเบอร์ SM

แสงเดินทางผ่านไฟเบอร์นำแสงเนื่องจากดัชนีแสงไม่ตรงกันระหว่างแกนกลางและส่วนหุ้มทำให้เกิดการสะท้อนภายในทั้งหมด เส้นผ่านศูนย์กลางของแกนเป็นสิ่งสำคัญและกำหนดกรวยของการยอมรับที่มีมุมที่แสงเข้าสู่เส้นใยไฟเบอร์สามารถแพร่กระจายต่อไปได้ ไฟเบอร์ SM ใช้แกนขนาดเล็ก 10 ไมโครเมตร (µm) ที่สามารถรองรับการแพร่กระจายเพียงโหมดเดียว ซึ่งเรียกว่าโหมดพื้นฐาน เส้นใยแก้วนำแสง MM มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับความยาวคลื่นในการทำงานของแสง แกนที่ใหญ่ขึ้นเหล่านั้นจะนำทางโหมดต่าง ๆ จำนวนมากพร้อมกัน หรือที่เรียกว่ารูปแบบคลื่นนิ่งของแสง (รูปที่ 1) มาตรฐาน ISO/IEC 11801 กำหนดไฟเบอร์ MM ห้าคลาสตามขนาดแกนสองขนาดและลักษณะแบนด์วิธต่าง ๆ: OM1, OM2, OM3, OM4 และ OM5 สายเคเบิลไฟเบอร์ออปติกสามารถจัดประเภทตามแกนกลางและเส้นผ่านศูนย์กลางของสายเคเบิล ตัวอย่างเช่น 62.5/125 µm หมายถึง OM1 MM สายเคเบิล 50/125 µm ใช้สำหรับ OM2, OM3, OM4 และ OM5 MM และ 10/125 µm เป็นตัวอย่างของสายเคเบิล SM

รูปที่ 1: เส้นใยไฟเบอร์ MM มีเส้นผ่านศูนย์กลางค่อนข้างใหญ่และสามารถรองรับการส่งผ่านแสงได้หลายโหมดในเวลาเดียวกัน (แหล่งรูปภาพ: Cisco Systems)

เส้นใย MM สามารถใช้งานได้กับแหล่งกำเนิดแสงไดโอดเปล่งแสง (LED) แต่การออกแบบที่มีประสิทธิภาพสูงนั้นใช้เลเซอร์เปล่งพื้นผิวโพรงในแนวตั้ง (VCSEL) การใช้ VCSEL ทำให้เครือข่ายไฟเบอร์ MM สามารถส่งมอบอัตราข้อมูลหลายกิกะบิตได้

เส้นใย MM ห้าประเภทขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นแสง (เป็นนาโนเมตร, นาโนเมตร) เส้นผ่านศูนย์กลางแกนในหน่วย μm และแบนด์วิดธ์โมดอล แบนด์วิดธ์โมดอลคือการวัดอัตราสัญญาณสูงสุดในหน่วยเมกะเฮิรตซ์ (MHz) สำหรับระยะทางที่กำหนดในหน่วยกม. หรือระยะทางสูงสุดสำหรับอัตราการส่งสัญญาณที่กำหนด และเป็นผลคูณของแบนด์วิดท์และระยะทาง MHz·กม. สำหรับสายเคเบิลที่กำหนด เมื่อระยะทางลดลงครึ่งหนึ่ง อัตราการส่งสัญญาณสูงสุดจะเพิ่มเป็นสองเท่า คลาสไฟเบอร์ MM ที่กำหนดโดย ISO/IEC 11801 คือ:

• OM1: แกน 62.5 μm พร้อมแบนด์วิดท์โมดอลขั้นต่ำ 200 MHz·km ที่ 850 นาโนเมตร
• OM2: แกน 50 μm พร้อมแบนด์วิธโมดอลขั้นต่ำ 500 MHz·km ที่ 850 นาโนเมตร
• OM3: แกน 50 μm พร้อมแบนด์วิธโมดอลขั้นต่ำ 2000 MHz·km ที่ 850 นาโนเมตร
• OM4: แกน 50 μm พร้อมแบนด์วิธโมดอลขั้นต่ำ 4700 MHz·km ที่ 850 นาโนเมตร
• OM5: แกน 50 μm พร้อมแบนด์วิธโมดอลขั้นต่ำ 4700 MHz·km ที่ 850 nm และ 2470 MHz·km ที่ 953 nm

มาตรฐาน OM3 ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับมาตรฐาน IEEE 802.3 10GbE Ethernet เมื่อใช้ร่วมกับการมอดูเลต VCSEL สายเคเบิล OM3 MM สามารถส่งได้ 10 กิกะบิตต่อวินาที (Gb/s) ที่ระยะทางสูงสุด 300 เมตร (ม.) ในกรณีส่วนใหญ่ ลิงก์ไฟเบอร์ OM3 MM เป็นโซลูชันที่คุ้มค่าที่สุดสำหรับการใช้งานสูงสุดประมาณ 500 ม. ลิงค์ OM4 MM สามารถรองรับระยะทางได้ถึง 1 กม. สำหรับระยะทางที่ไกลขึ้นและอัตราข้อมูลที่สูงขึ้น ไฟเบอร์ SM เป็นสิ่งจำเป็น

SFP สำหรับทองแดงและไฟเบอร์

อินเทอร์เฟซ Small Form-Factor Pluggable (SFP) เป็นรูปแบบโมดูลเครือข่าย Hot-Pluggable ขนาดกะทัดรัดที่ใช้สำหรับการสื่อสารข้อมูลและเครือข่ายโทรคมนาคม อินเทอร์เฟซ SFP บนฮาร์ดแวร์เครือข่าย เช่น สวิตช์อีเธอร์เน็ตเป็นสล็อตโมดูลาร์สำหรับตัวรับส่งสัญญาณเฉพาะสื่อ เช่น สายทองแดงหรือไฟเบอร์ออปติก SFP ช่วยให้พอร์ตติดตั้งตัวรับส่งสัญญาณประเภทต่างๆ ได้ตามต้องการ SFP แทนที่ตัวแปลงอินเทอร์เฟซกิกะบิต (GBIC) ที่พัฒนาก่อนหน้านี้และมีขนาดใหญ่ขึ้น และบางครั้งเรียกว่า "mini-GBIC" คณะกรรมการฟอร์มแฟกเตอร์ขนาดเล็กได้ระบุฟอร์มแฟกเตอร์ อินเตอร์ล็อกเชิงกล และอินเทอร์เฟซทางไฟฟ้าผ่านข้อตกลงหลายแหล่ง นั่นคือ MSA SFF-8472 (รูปที่ 2) นอกจากอินเทอร์เฟซ SFP มาตรฐานแล้ว ความเร็วที่สูงขึ้นสามารถทำได้โดยใช้ SFP+ สูงสุด 10 Gbit/s และ SFP28 สำหรับความเร็ว 25 Gbit/s

รูปที่ 2: องค์ประกอบเชิงกลของโมดูลไฟเบอร์ออปติก SPF ที่เน้นกลไกการล็อคและอินเทอร์ล็อค และการเชื่อมต่อไฟเบอร์ออปติกและไฟฟ้า (แหล่งรูปภาพ: Intelligent Network Solutions และ Jeff Shepard)

มีตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติก SFP ที่รองรับเครือข่ายออปติกซิงโครนัส (SONET), Gigabit Ethernet, Fibre Channel, Passive Optical Networking (PON) และมาตรฐานการสื่อสารอื่นๆ

การตรวจสอบการวินิจฉัยแบบดิจิตอล

MSA SFF-8472 ยังกำหนดฟังก์ชัน DDM สำหรับตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติก DDM บางครั้งเรียกว่าการตรวจสอบด้วยแสงดิจิทัล (DOM) DDM ช่วยให้ผู้ดูแลระบบเครือข่ายตรวจสอบพลังงานอินพุต/เอาต์พุตแบบออปติคัล อุณหภูมิ กระแสเลเซอร์ไบอัส และแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายทรานซีฟเวอร์แบบเรียลไทม์ (รูปที่ 3) DDM เป็นส่วนขยายของอินเทอร์เฟซซีเรียล ID ที่กำหนดไว้ในข้อกำหนด GBIC DDM ประกอบด้วยสัญญาณเตือนและแฟล็กคำเตือนที่ส่งการแจ้งเตือนหากพารามิเตอร์การทำงานอยู่นอกการตั้งค่าจากโรงงานสำหรับการทำงานปกติ

รูปที่ 3: DDM สามารถตรวจสอบประสิทธิภาพของตัวรับส่งสัญญาณแสง SFP และส่งการแจ้งเตือนหากพารามิเตอร์ใด ๆ อยู่นอกช่วงการทำงานที่กำหนด (แหล่งรูปภาพ: โซลูชันเครือข่ายอัจฉริยะ)

DDM ได้รับการออกแบบมาเพื่อช่วยคาดการณ์ความล้มเหลวและสนับสนุนการบำรุงรักษาเชิงป้องกันเพื่อให้เครือข่ายมีเวลาทำงานสูงสุด ผู้ผลิตเครื่องรับส่งสัญญาณตั้งค่าเกณฑ์ DDM สำหรับพารามิเตอร์ต่างๆ การใช้งานตัวรับส่งสัญญาณเกินกว่าเกณฑ์ใดๆ จะส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลงและอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการส่ง ตัวรับส่งสัญญาณจะส่งสัญญาณเตือนเมื่อค่าของพารามิเตอร์เกินเกณฑ์ที่ระบุ นอกจากนี้ โมดูลจะหยุดส่งข้อมูล และผู้รับจะปฏิเสธที่จะรับข้อความใดๆ ไม่ใช่เรื่องแปลกที่จะมีการแจ้งเตือนหลายรายการพร้อมกัน ตัวอย่างเช่น ถ้าพลังงานแสงส่งสูงเกินไป อุณหภูมิอาจสูงด้วย

ในขณะที่ DDM จะปิดและปกป้องระบบเมื่อเกินเกณฑ์ที่ตั้งไว้ มันยังสามารถใช้เพื่อตรวจสอบพารามิเตอร์การทำงานของตัวรับส่งสัญญาณและให้ผู้ปฏิบัติงานเห็นค่าที่เคลื่อนไปในทิศทางที่ไม่ถูกต้องก่อนที่จะเกินระดับความเสียหาย ทำให้สามารถบำรุงรักษาเชิงป้องกันได้ กำหนด

เส้นใย MM และระยะ 1 กม

นักออกแบบเครือข่ายการควบคุมอุตสาหกรรมสามารถใช้2891754 โมดูล Gigabit SFP จาก Phoenix Contact เพื่อรองรับการส่งสัญญาณได้ไกลถึง 1 กม. โดยใช้ไฟเบอร์ที่ออกแบบให้ทำงานด้วยความยาวคลื่น 850 นาโนเมตร (รูปที่ 4) โมดูลนี้เหมาะสำหรับงานอุตสาหกรรมและมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -40 ถึง 85 °C และความชื้นสูงถึง 95% ระยะการส่งข้อมูลขึ้นอยู่กับเส้นใยที่ใช้:

• 275 ม. ด้วย 62.5/125 µm (OM1)
• 550 ม. ด้วย 50/125 µm (OM2)
• 800 ม. ด้วย 50/125 µm (OM3)
• 1,000 ม. ด้วย 50/125 µm (OM4)

รูปที่ 4: ตัวรับส่งสัญญาณแสง SFP นี้มีช่วง 1 กม. เมื่อใช้งานด้วยความยาวคลื่น 850 นาโนเมตรและสายเคเบิล OM4 (แหล่งที่มารูปภาพ: DigiKey)

ระยะ 20 กม. ด้วยไฟเบอร์ SM

โซลูชั่นเครือข่ายอัจฉริยะ'INT 506724 โมดูล SFP รองรับการส่งข้อมูล 1000Base-LX สูงสุด 20 กม. ผ่านไฟเบอร์โหมดเดียว 9/125 µm โดยใช้เลเซอร์ 1310 นาโนเมตร รองรับ DDM และตัวเรือนโลหะช่วยลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และเพิ่มความทนทาน (รูปที่ 5) มีช่วงอุณหภูมิในการทำงาน 0 ถึง 70 °C และกำหนดไว้สำหรับความชื้นสัมพัทธ์ (RH) 10 ถึง 85%

รูปที่ 5: โมดูล INT 506724 SFP จาก Intelligent Network Solutions รองรับการส่งข้อมูล 1000Base-LX สูงสุด 20 กม. ผ่านไฟเบอร์โหมดเดียว 9/125 µm โดยใช้เลเซอร์ 1310 นาโนเมตร (แหล่งรูปภาพ: โซลูชันเครือข่ายอัจฉริยะ)

ตัวรับส่งสัญญาณ SFP 10 กม

SFP-10G-BXD-I และ SFP-10G-BXU-I จาก Cisco ทำงานด้วยไฟเบอร์ SM และรองรับระยะการส่งข้อมูลสูงสุด 10 กม. เมื่อเสียบเข้ากับพอร์ต SFP+ ตัวรับส่งสัญญาณเหล่านี้มีคุณสมบัติการทำงานร่วมกันแบบออปติคัลกับอินเทอร์เฟซ 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 และ 10GBASE XFP บนลิงก์เดียวกัน และรวมถึงฟังก์ชัน DOM ที่ตรวจสอบประสิทธิภาพตามเวลาจริง เมื่อใช้ SFP-10G-BXD-I จะเชื่อมต่อกับ SFP-10G-BXU-I เสมอ SFP-10G-BXD-I ส่งช่อง 1330-nm และรับสัญญาณ 1270-nm และ SFP-10G-BXU-I ส่งที่ความยาวคลื่น 1270-nm และรับสัญญาณ 1330-nm (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ตัวรับส่งสัญญาณแสงเหล่านี้ใช้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันสำหรับการส่งและรับข้อมูล (แหล่งรูปภาพ: Cisco Systems)

สวิตช์ที่จัดการด้วยอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม

วิศวกรเครือข่ายที่ต้องการสวิตช์ Gigabit Ethernet ที่มีการจัดการ 12 พอร์ตซึ่งมีแปดพอร์ตพร้อมพอร์ตรวม SFP สี่พอร์ต และการตรวจสอบ Modbus สามารถหันไปใช้ Sixnet SLX-8MG-1 จาก Red Lion ได้ SLX-8MG-1 มีพอร์ต 10/100/1000Base-T(X) แปดพอร์ต พร้อมด้วยพอร์ตคอมโบ SFP สี่พอร์ต (รองรับตัวรับส่งสัญญาณไฟเบอร์ 100Base หรือ 1000Base) SLX-8MG อยู่ในตู้ราง DIN โลหะชุบแข็งที่เพรียวบางสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่ท้าทาย และรองรับอินพุตพลังงานสำรอง 10-30 VDC และช่วงอุณหภูมิการทำงาน -40 ถึง 75 °C นอกจากนี้ยังมีการตรวจสอบระยะไกล Modbus/TCP คุณลักษณะด้านความปลอดภัยขั้นสูง ความสามารถในการกระแทกและการสั่นสะเทือนที่ขยายออกไป และระดับการป้องกันไฟกระชากและสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าสูง

รูปที่ 7: สวิตช์ Gigabit Ethernet ที่มีการจัดการ SLX-8MG-1 มีพอร์ต 10/100/1000Base-T(X) แปดพอร์ต พร้อมด้วยพอร์ตคอมโบ SFP สี่พอร์ต (บนซ้าย) (ที่มาของภาพ: Red Lion)

สรุป

เครือข่ายไฟเบอร์ออปติกและทองแดงแบบไฮบริดสามารถช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการดำเนินงาน ช่วยในการผลิตที่ยืดหยุ่น ลดต้นทุน และรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยในการดำเนินงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ เช่น โรงกลั่นน้ำมันและก๊าซ และโรงงานเคมี ได้ วิศวกรเครือข่ายสามารถใช้สวิตช์ Gigabit Ethernet ที่มีการจัดการเพื่อปรับใช้การเชื่อมโยงการสื่อสารแบบไฟเบอร์ออปติกและทองแดง การใช้ไฟเบอร์ MM และ SM รองรับแบนด์วิธโมดอลที่เหมาะสมที่สุด และรวมถึงความสามารถ DDM ช่วยให้สามารถบำรุงรักษาเชิงป้องกันเพื่อให้มั่นใจว่าเครือข่ายมีสถานะการออนไลน์สูงสุด