Построение промышленной СКС на основе модульных, взаимозаменяемых и технологичных решений обеспечит простоту обслуживания и надежность работы кабельной инфраструктуры, что, в свою очередь, является залогом эффективности производственных процессов и коммерческого успеха предприятия.

Современные офисы нельзя представить без локальных сетей, где в качестве физической среды передачи применяются структурированные кабельные системы (СКС). Уже никому не требуется доказывать те преимущества, которые обеспечивают «три кита» СКС: структуризация, универсальность и избыточность. Четко определенная структура кабельной системы, высокий уровень стандартизации компонентов, гарантированная поддержка высокоскоростных сетевых технологий (в первую очередь, Ethernet на скоростях от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с) — благодаря всем этим возможностям такие сети служат прочным фундаментом для бизнес-приложений.

Наряду с «миром» классических (офисных) СКС существует не менее важный «мир» промышленных кабельных систем и сетей. Но здесь все по-иному: большое число разнообразных протоколов, предназначенных для работы по сетям с шинной топологией (Profibus, Interbus, Modbus, Fieldbus и др.), нестандартные системы передачи, специфические интерфейсы, отсутствие структурированного подхода к проводке и т. п. Сегодня многие задумываются о реализации преимуществ офисных СКС и технологии Ethernet в промышленной среде.

 

ОЖИДАНИЯ И РЕАЛИИ

Уже пять лет назад большинство специалистов (80%) были уверены в том, что Ethernet станет стандартом для промышленных систем (об этом свидетельствует опрос, проведенный в 2001 г. компанией IMS). Такие плюсы, как низкая цена сетевого оборудования, гибкость и простота внедрения, чрезвычайно востребованы в современных системах автоматизации производства. Кроме того, использование стандартизированной сетевой технологии в офисных и производственных сетях должно способствовать их интеграции в единую инфраструктуру, повышению эффективности сбора информации о производственных процессах и управления ими.

Однако уровень «проникновения» Ethernet в промышленные инфраструктуры пока крайне мал. По данным BSRIA, лидером является Швеция (13,5%), во Франции этот показатель составляет лишь 2,7%, в Австрии — 2,3%, в Германии — 2,0%, а в Италии и Швейцарии и того меньше — 1%.

Переломным может стать текущий год, поскольку вскоре ожидается принятие стандарта ISO/IEC 24702: Informa-tion technology — Generic cabling — Industrial premises, разработанного Международной организацией по стандартизации (ISO) и Международным электротехническим комитетом (IEC). Кроме того, Европейский комитет по стандартизации электротехнических средств (CENELEC) завершает подготовку европейского аналога этого документа — стандарта EN 50173-3. ISO/IEC 24702 опирается на хорошо известный специалистам по СКС стандарт ISO/IEC 11801 и учитывает специфические требования к кабельной проводке в индустриальной сфере.

Вопросами использования СКС и технологии Ethernet в промышленных средах занимаются и другие организации. В первую очередь следует отметить Альянс по применению открытых сетевых решений в области промышленной автоматизации (Industrial Automation Open Networking Alliance, IAONA). Эта организация была создана в 1999 г.

В последней версии справочника IAONA Handbook Industrial Ethernet, вышедшего в мае 2005 г. (и, к слову, распространяемого бесплатно), содержится описание не только решений Industrial Ethernet, но и сетевых протоколов, за которые отвечают пять других авторитетных организаций, занимающихся вопросами промышленной автоматизации: Open Device Vendor Association (ODVA), Modbus-IDA, EtherCAT Technology Group (ETG), Ethernet Powerlink Specification Group (EPSG) и SERCOS. Таким образом, IAONA взял на себя роль координатора с тем, чтобы обеспечить максимально возможную совместимость существующих технических решений. Все шесть упомянутых организаций утвердили общую стратегию по развитию продуктов на базе Ethernet для систем промышленной автоматизации.

В рамках достигнутой договоренности будут вестись работы по нескольким направлениям: безопасность, использование систем IEEE 1588, организация кабельной проводки для средств автоматизации.

Ниже, говоря о структуре и новых элементах промышленных СКС, мы будем опираться на предварительные варианты стандартов ISO/IEC 24702 и EN 50173-3.

 

СТРУКТУРА И НОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Структура классической и промышленной СКС во многом схожа. Подсистемы внешних и внутренних магистралей предусматривают кросс группы зданий (его еще называют кроссом внешних магистралей), кросс зданий и кросс этажей (Floor Distributor, FD). А вот на уровне горизонтальной подсистемы появляется новый элемент — промежуточный кросс (Intermediate Distributor, ID) (см. Рисунок 1). В качестве его аналога в обычных СКС можно рассматривать точку консолидации, но функции промежуточного кросса в промышленных системах значительно шире. Чаще всего именно здесь происходит преобразование сигналов для сопряжения подсистемы промышленной автоматики со специфическими протоколами телекоммуникационной подсистемы, где используются стандартные протоколы IP/Ethernet.

Рисунок 1. Структура промышленной проводки (ISO/IEC 24702).

В типичном промежуточном кроссе, который устанавливается вблизи устройств автоматизации, размещаются источник электропитания, коммутатор, коммутационная панель, кассеты для сплайсов и другие элементы (см. Рисунок 2). Типовой горизонтальной медной проводки СКС длиной 100 м не всегда оказывается достаточно для крупных промышленных объектов. Тогда до промежуточного кросса прокладывается оптика, где она заводится на коммутатор, а далее идут медные соединения. Таким образом, коммутатор помимо своих основных функций выполняет роль медиа-конвертера.

Рисунок 2. Промежуточный кросс (ISO/IEC 24702).

Итак, промышленная СКС состоит из четырех подсистем:

  • подсистемы внешних магистралей — от кросса внешних магистралей (СD) до кроссов зданий (BD);
  • подсистемы внутренних магистралей — от кросса здания (BD) до кроссов этажей (FD);
  • подсистемы этажа (Floor Cabling) — от кросса этажа (FD) до промежуточного кросса (ID);
  • промежуточной подсистемы (Intermediate Cabling) — от промежуточного кросса (ID) до телекоммуникационных розеток (TO).

«Зона действия» общего стандарта ISO/IEC 11801 охватывает все эти подсистемы — от кросса группы зданий до телекоммуникационной розетки. А стандартом ISO/IEC 24702 дополнительные требования предусматриваются только для подсистемы этажа и промежуточной подсистемы, т. е. от кросса этажа до телекоммуникационной розетки, где учитывается специфика окружающей среды, в которой приходится функционировать промышленным СКС.

Кабельный тракт промышленной СКС может оканчиваться телекоммуникационной розеткой, как в классической СКС, или розеткой автоматизации (AO). Сетевое оборудование подключается через телекоммуникационную розетку (например, защищенный вариант RJ-45 или SC-RJ), а система автоматизации — через розетку автоматизации соответствующего типа. Здесь «зона ответственности» СКС оканчивается, далее находится область кабельной системы подключенной аппаратуры (Apparatus Attachment Cabling, AAC). Активная часть промышленной автоматики описывается уже другими стандартами, например ISO/IEC 61918, где, в частности, упомянуты следующие типы розеток автоматизации: Тип 4 и Тип 14 (для протокола Profinet/Profibus), Тип 6 (для Interbus), Тип 1 (для Ethernet/IP).

 

СПЕЦИФИКА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Наиболее важными требованиями к промышленной проводке являются:

  • повышенная надежность контактов к вибрации;
  • защита соединений от грязи и влаги;
  • повышенная защита от масел, газов, различных агрессивных жидкостей;
  • повышенная устойчивость к электромагнитным помехам.

На разных объектах условия могут быть абсолютно разными. Нефтеперегонный завод отличается от конфетной фабрики, а та, в свою очередь, от морского судна или железнодорожного состава, которые тоже относятся к объектам, где устанавливаются промышленные СКС. Чтобы помочь проектировщикам и системным интеграторам в выборе необходимых компонентов системы для различных нагрузок, в разрабатываемые стандарты включена специальная таблица (Mechanical, Ingress, Climatic/Chemical, Electromagnetic, MICE).

Таблица 1. Таблица MICE.

В соответствии с таблицей условия окружающей среды — механические, климатические, химические, электромагнитные характеристики, а также показатели проницаемости — делятся на три основных класса: стандартная (офисная) среда (M1 I1 C1 E1), легкая (M2 I2 C2 E2) и тяжелая (M3 I3 C3 E3) промышленные среды. Для более детального описания конкретной среды возможна комбинация разных уровней воздействия: в частности, высокий механический, средний уровень проницаемости и химического воздействия и низкий электромагнитный — M3 I2 C2 E1.

Механическое воздействие характеризует степень ударной нагрузки, нагрузки растяжения, изгибов, вибрации. Например, при вибрации M1 максимальная амплитуда колебаний не превышает 1,5 мм; такие колебания возможны в обычном офисе, скажем, когда включен пылесос. Легкая промышленная среда характеризуется колебаниями с амплитудой до 7 мм, а тяжелая среда — 15 мм. Ясно, что и технические решения в каждом из этих случаев должны быть особыми.

Параметр «проницаемость» определяет уровень защиты системы от пыли и влаги. Для стандартной среды максимально допустимый размер проникающих частиц определен в 12,5 мм (I1), а для промышленных сред — 50 мкм (I2 и I3). Этот параметр тесно связан с другой известной характеристикой — защитой от проникновения (Ingress Protection, IP). Для офисной среды (классическая СКС) он равен IP20, для легкой промышленной — IP65, для тяжелой — IP67. Первая цифра (от 0 до 6) характеризует степень защиты от попадания внутрь посторонних предметов и пыли, а вторая (от 0 до 8) — от проникновения жидкостей. Так, устройство с уровнем IP67 полностью защищено от проникновения пыли и может быть временно погружено в воду.

В разделе «Климатическая/химическая защита» для каждой среды определены допустимые уровни температуры, влажности, радиации и концентрации большого числа жидких и газообразных химических веществ. Например, стандартная офисная среда в таблице MICE охарактеризована температурным диапазоном от -100С до +600С и влажностью от 5 до 85% (без конденсата), а тяжелая промышленная среда — температурой от -400С до +700С и влажностью до 95% (с конденсатом влаги). В этом разделе учитывается воздействие нефтепродуктов и горюче-смазочных материалов, соленой (морской) воды, мыла и других моющих средств.

В разделе «Электромагнитная защита» указаны уровни электростатического разряда, радиочастотных помех, кратковременных скачков напряжения (surge), магнитных полей. Все это очень важные внешние параметры для проектировщиков СКС.

 

ЭЛЕМЕНТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ СКС

Разобравшись со структурой промышленной СКС и характеристиками степени агрессивности окружающей среды, самое время поговорить о конкретных сетевых элементах. Начнем с кабелей. Не следует думать, что если кабель подходит для офисной СКС, то он будет устойчиво функционировать в агрессивной промышленной среде. К счастью, на рынке имеется достаточно наименований кабельной продукции промышленного назначения.

Уже более десяти лет кабели для промышленных инсталляций предлагает компания Belden CDT. Ее медные кабели для систем Industrial Ethernet носят название DataTuff: в этой линии присутствуют экранированные и неэкранированные, двух- и четырехпарные кабели, соответствующие требованиям Категорий 5е и 6. Многие промышленные среды диктуют необходимость использования оптического кабеля, поскольку, во-первых, он обеспечивает значительно большую дальность связи (по сравнению с медным), а во-вторых, абсолютно не подвержен электромагнитным помехам (т. е., по определению, соответствует уровню MICE E3). Волоконно-оптические кабели Belden CDT для промышленного применения поставляются под торговой маркой TrayOptic. Для дополнительной защиты они снабжены специальным водоотталкивающим наполнителем. Кроме того, Belden CDT производит широкий спектр кабелей для «традиционных» промышленных сетей: ControlNet, Modbus, Fieldbus, Profibus, Devicebus и др.

Экранированные медные кабели Категорий 5e и 6 типа S/FTP (с индивидуальной оплеткой для каждой пары) швейцарской компании Reichle&De-Massari (R&M) отличаются повышенной стойкостью к климатическим/химическим воздействиям (уровень C3 по классификации MICE) и высокой защищенностью от электромагнитных помех (уровень E2).

В них применяются два вида оболочек: LSFR0Н (LS означает Low Smoke, малый уровень выделения дыма; FR — Flame Retardant, огнестойкая; 0H — No Halogen, не содержащая галогенов) или полиуретановая. Последняя обладает повышенной стойкостью к воздействию растворителей и обеспечивает большую гибкость. Этим свойством полиуретана во многом объясняется тот факт, что именно его часто используют для оболочек шнуров переключения промышленных СКС, причем как медных, так и оптических.

Для промышленных инсталляций R&M выпускает и оптический кабель — двухволоконный, отвечающий всем требованиям MICE C1-C3. При реализации промышленной СКС может оказаться удобным использование претерминированных оптических сборок. Они должны иметь высокий уровень защищенности (например, IP67), выпускаться с различными длинами (от нескольких метров до 500 м и более) и выдерживать сильное натяжение (желательно до 1000 Н). Пример такого продукта — VARIOline, где длина сборки варьируется от 5 до 600 м, имеется встроенная петля для протяжки и гарантируется соответствие указанному выше уровню IP.

Кабели для промышленных СКС производят и многие другие компании — ADC/Krone, Corning, Nexans, Teldor. Panduit включила их в состав своего решения IndustrialNET, а AMP Netconnect (подразделение корпорации Tyco) — в систему EtherSeal. Кабели EtherSeal в исполнении Industrial выпускаются в экранированном и неэкранированном вариантах с цельными (solid) и многожильными (stranded) проводниками с двойной оболочкой из ПВХ. По заявлению производителя, эта продукция превосходит требования спецификации Категории 5е.

Не менее важным компонентом промышленных СКС является разъем. Многие производители пошли по пути разработки защищенных вариантов модульных разъемов RJ-45, а также других разновидностей разъемов, доказавших свое удобство и надежность в классических СКС. Подобный подход нашел поддержку среди организаций, объединяющих поставщиков и пользователей решений для сетей промышленной автоматизации. Например, разъемы RJ-45 (для медных кабелей) и SC-RJ (для оптики) рекомендуют Profinet (Profibus) PNO, Interbus, Modbus-IDA, а также Ассоциация немецких автопроизводителей (AIDA). Организация ODVA также рекомендует использовать разъемы RJ-45, а для волоконно-оптических кабелей — разъемы LC Duplex.

Промышленные розетки и вилки Industrial MAX компании Siemon соответствуют уровню защиты IP67. Вилка представляет собой обычную модульную конструкцию в корпусе промышленного класса байонетной конструкции. В случае обрыва или повреждения кабеля ее можно заделывать в полевых условиях на шнурах необходимой длины прямо на месте. Розетки устанавливаются в лицевые пластины из нержавеющей стали и обеспечивают защиту на уровне IP44.

Примерами разъемов RJ-45 с защитой IP67 могут служить изделия, поставляемые в составе уже упомянутых систем IndustrialNET и EtherSeal компаниями Panduit и AMP Netconnect, соответственно. Розетки EtherSeal устанавливаются в герметичные монтажные коробки, чем гарантируется максимальная защита (IP67) даже при размещении вне помещений, или в лицевые панели из нержавеющей стали в сочетании с настенной розеточной коробкой, когда требования к защите не столь высоки.

В этом году разъем RJ-45 IP67 (MIСE I3) представила компания R&M. Экранирование всех его компонентов, а также позолоченные IDC-контакты обеспечивают невосприимчивость соединения к вибрации и воздействию коррозии, что гарантирует надежную работу изделия в самых жестких условиях индустриальных сред. Разъем соответствует требованиям к СКС Категорий 5е и 6. Для подключения оптического кабеля разработан разъем SC-RJ IP67 (MIСE M3, I3, C3), который подходит как для традиционного оптического кабеля, так и для пластикового волокна. Помимо RJ-45 IP67 и SC-RJ IP67, предназначенных для обеспечения максимального уровня защиты, R&M предлагает и специальные компоненты Splash Line, которые устанавливаются на обычные разъемы RJ-45 и SC-RJ и обеспечивают чуть меньший уровень защиты — IP54 (защита от наслоений пыли и брызг). Решения включают в себя герметичные крышки для розеток и коммутационных панелей, а также силиконовые манжеты для коммутационных шнуров.

Отметим еще несколько важных моментов, нуждающихся в особом внимании. При инсталляции промышленной СКС иногда оказывается необходимо установить компоненты наподобие сетевых разъемов RJ-45 и/или SC-RJ на DIN-рейку в монтажном шкафу (например, на уровне промежуточного кросса), поэтому желательно, чтобы поставщик мог предложить такое решение. Кроме того, важно наличие удобной цветовой маркировки шнуров, причем как обычных (IP20), так и защищенных (IP67). Специфика инсталляции СКС в производственных помещениях зачастую требует проведения монтажа в полевых условиях, когда медные и оптические разъемы желательно устанавливать быстро и без специализированного инструмента. Примерами таких разъемов в продуктовой линейке R&M являются изделия FM45 (медь) и SC-RJ POF (оптика), гарантирующие защиту IP67.

 

ПРИОРИТЕТ КОМПЛЕКСНЫМ РЕШЕНИЯМ

Несмотря на то что ключевые стандарты на промышленные СКС разработаны относительно недавно, рынок предлагает довольно много компонентов для таких сетей. Однако комплексные решения выпускают лишь несколько компаний, поэтому следует выяснить, насколько полную продуктовую линейку имеет поставщик. В нее должны входить не только кабели/шнуры (медные и волоконно-оптические) и различные разъемы, но и герметичные монтажные коробки, средства для крепления компонентов СКС на DIN-рейку (что очень важно для промышленных инсталляций!), готовые решения для промежуточных кроссов, необходимый набор инструмента и т. п. Несмотря на наличие специального инструмента, технические решения должны поддерживать возможность несложного монтажа в полевых условиях без каких бы то ни было особых приспособлений. Кроме того, желательно, чтобы система была проста в обслуживании и обеспечивала защиту от неверных подключений/отключений, ведь чем меньше вероятность ошибки, тем выше надежность кабельной инфраструктуры, а значит, и функционирующих на ее базе приложений.

Сергей Логинов — директор представительства Reichle&De-Massari в России.