Konektory pro průmyslový Ethernet

Konektory pro průmyslový Ethernet

Běžný ethernetový konektor RJ45, známý z kanceláří, je v mnoha různorodých a převážně nepříznivých prostředích průmyslových provozů prostě nepoužitelný. Na rozdíl od svého kancelářského kolegy tedy nebude tzv. průmyslový Ethernet moci těžit z výhod jediného světového standardního konektoru. Organizace zabývající se průmyslovým Ethernetem však nerezignovaly. V odlišných průmyslových podmínkách se snaží dosáhnout alespoň toho, aby se dosavadní roztříštěná praxe sjednotila na dvou typech konektorů, které, jak doufají, v plné míře pokryjí potřeby průmyslu, takže již nebude třeba vyvíjet na toto téma žádné další variace. Zda uspějí, však zdaleka není samozřejmé, konstatuje a podrobněji tuto otázku rozvádí [1].

Staré rčení praví, že „nejlepší při navrhování výrobku s použitím norem je to, že je jich na výběr takové množství“. Je pravda, že jakmile pro tutéž věc zakořenily různé standardy, ať už byla jejich působnost vymezena geograficky nebo podle vertikálních segmentů trhu, nepodařilo se dosud přejít na jediný celosvětový standard. To se týká mnoha i dlouho známých technických řešení. Jako příklad vytrvalosti jednou zavedených místních standardů lze uvést způsob rozvodu elektrické energie, který je charakterizován napětím, frekvencí a fyzickým provedením konektoru. Elektřina se v praxi používá 120 let a celosvětově standardizován dosud není žádný z těchto parametrů.

Klíčovou komponentou globálně konvergujícího řešení obvykle označovaného jako průmyslový Ethernet (Industrial Ethernet – IE) ve skutečnosti není Ethernet, tj. fyzická vrstva sítě jako taková. Spíše je to Internet Protocol (IP), provozovaný v síťové vrstvě (neboli ve vrstvě 3) sedmivrstvého modelu komunikace podle ISO/OSI (International Organization for Standardization/Open Systems Interconnection). Internet Protocol pracuje nad mnoha rozmanitými fyzickými a linkovými vrstvami (neboli vrstvami 1, popř. 2 zmíněného modelu). Od roku 1985, kdy byl poprvé publikován standard pro datové sítě IEEE 802.3, bylo specifikováno mnoho různých „ethernetových„ fyzických vrstev. Vývoj jejich přenosové rychlosti od 10 Mb do 10 Gb za sekundu spolu s příchodem plně duplexních ethernetových přepínačů přivedl Ethernet do mnoha různých prostředí a oblastí použití. V kancelářském prostředí se všeobecně používá nestíněný splétaný kabel EIA/TIA kategorie 5E se čtyřmi páry vodičů, z nichž dva jsou zapojeny v konektoru typu RJ45. Specialisté na počítačové sítě označují toto uspořádání jako 10/100BaseTX a pro všechny ostatní je to prostě Ethernet. Tato dobře známá fyzická vrstva Ethernetu, se kterou se lze setkat v kancelářích i v mnoha aplikacích v průmyslu, je nyní patrně celosvětově nejúspěšnějším standardem.

Neexistuje jedno průmyslové prostředí

Bohužel neexistuje jediné průmyslové prostředí, ale je jich široká škála – a z nich v mnohých není konektor RJ45 použitelný. Důvodem je např. přítomnost chemikálií, prachu, silných elektromagnetických polí, vlhkosti nebo vibrací či omývání zařízení a celkově větší pravděpodobnost mechanické poruchy konektoru v důsledku střetu s provozem v závodě anebo hrubého zacházení ze strany obsluhy.

Aby umožnili ethernetovým zařízením proniknout do průmyslových provozů, přijali jejich konstruktéři a standardizační orgány mnoho různých řešení umožňujících Ethernetu obstát v často i velmi složitých provozních podmínkách. Příčinou různorodosti použitých řešení jsou zčásti různorodé provozní požadavky, ale zčásti také rozdílné zvyklosti panující v různých částech světa, jednotlivých standardizačních orgánech, konsorciích i u jednotlivých výrobců. A čím je různorodost větší, tím více je na překážku dalšímu pronikání ethernetové techniky do výrobního prostředí.

Konektory, které nespojují

Řešení, jejichž cílem je překonat omezení vlastní konektoru RJ45 z hlediska jeho použitelnosti v průmyslovém prostředí, jsou v podstatě dvojího druhu:

• úpravy zvětšující odolnost konektoru RJ45 jeho zabudováním do odolného pouzdra,
• náhrada konektoru RJ45 zcela jiným plnohodnotným konektorem průmyslového typu.

Odolné konektory RJ45 jsou fyzicky větší než jejich standardní provedení. Větší rozměry jsou v některých případech na závadu. Také nelze počítat se všeobecnou kompatibilitou dodávaných konektorových pouzder. Stejně jako každé podobné řešení navíc nevyhoví všem požadavkům kladeným ve skutečně nejtvrdších provozních podmínkách, a proto mnoho projektantů zařízení určených k použití např. na mořských vrtných plošinách nebo v dolech odmítá konektor RJ45 jakéhokoliv typu použít. A naopak: tento odolný konektor, byť vhodný do provozního prostřední, je zcela nekompatibilní s konektory v početné instalované bázi běžně dostupných ethernetových zařízení.

Provedení náhradních konektorů vychází z tvaru konektoru známého jako M12 (čímž je ovšem definován pouze vnější tvar konektoru, nikoliv jeho celková konstrukce). Jde o kompaktní konektor již dlouho běžně používaný v mnoha průmyslových odvětvích k připojování snímačů apod., který je velmi vhodný do nepříznivých podmínek vyžadujících např. krytí IP67. Vedle nekompatibility s běžnými ethernetovými komerčními produkty jsou s ním však spojeny ještě další komplikace.

Použije-li se v síti Ethernet, hrozí nekompatibilita v důsledku existence konektorů M12 ve dvou provedeních, čtyřkolíkovém a osmikolíkovém. Čtyřkolíkové konektory, převládající v Evropě, odpovídají evropské praxi používat pro síť Ethernet kabel se dvěma páry vodičů namísto kabelu se čtyřmi páry podle specifikací TIA (Telecommunications Industry Association), standardizačního orgánu se sídlem v USA.

Někteří ze zastánců odolného konektoru RJ45 se také obávají důsledků použití konektorů typu M12, techniky zcela odlišné od dosavadního Ethernetu, pro přenos dat v současné době běžnými rychlostmi řádu 100 Mb/s. Tvrdí, že při použití nepříliš běžných komponent, se kterými je při ethernetové komunikaci rychlostí okolo 100 Mb/s velmi málo zkušeností, a navíc za podmínek dlouhodobého provozu v tvrdém a elektricky zarušeném průmyslovém prostředí, je u 100Mb ethernetového kanálu větší pravděpodobnost vzniku komplikací s elektromagnetickou kompatibilitou. Pro enormní obtíže, které s sebou nese diagnostika problémů s kabely ve stárnoucích infrastrukturách sítí, se proto doporučuje takováto řešení nepoužívat a dát přednost, je-li to jen trochu možné, komerčním konektorům RJ45 v odolném provedení.

Jeden z podvýborů organizace TIA (TIA TR42.9) nyní pracuje na specifikaci fyzické vrstvy průmyslového Ethernetu. Jeho členy jsou představitelé amerických i evropských firem, ale praxe v Evropě se spíše než o specifikace TIA opírá o výsledky práce evropských tvůrců norem.

Odezva dodavatelských konsorcií

Různá konsorcia dodavatelů působící v oblasti průmyslového Ethernetu mají značný zájem na co nejmenším počtu používaných spojovacích metod. Snaží se proto nyní vytvořit specifikaci zahrnující odolný konektor RJ45 i jeho náhradu typu M12. V praxi by se tudíž následně používaly pouze dva různé typy konektorů.

Sdružení dodavatelů kolem sběrnice DeviceNet (Open DeviceNet Vendor Association – ODVA) a skupina ControlNet International (CI) definují fyzickou vrstvu v provedení s měděnými vodiči i s optickými vlákny v rámci kompletní specifikace svého protokolu průmyslového Ethernetu (EtherNet/IP – EIP). Základem současné specifikace, podrobně definující hermeticky uzavřenou zástrčku RJ45, je německá armádní konstrukce. Jí odpovídající komerční produkty dodává několik výrobců. Specifikace EIP současně uvádí ještě další typy utěsněných i neutěsněných konektorů jako „uvažované“.

Organizace Profibus International (PI), přestože neuvažuje o jejich použití v Ethernetu na úrovni zařízení, definuje oba typy konektorů pod hlavičkou své integrační metody ProfiNet. Odolný konektor RJ45 zvolený PI je nicméně jiný než ten, který specifikuje ODVA. Fieldbus Foundation, respektující požadavek svých členů i Rady konečných uživatelů (End User Council), nespecifikovala pro svou sběrnici HSE (High Speed Ethernet) žádný určitý konektor. Čtyři zařízení certifikovaná podle specifikace HSE nyní používají konektor RJ45.

Tab. 1. Konsorcia a konektory pro průmyslový Ethernet (podle [1])

IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance), zastřešující organizace věnující se harmonizaci různých iniciativ kolem průmyslového Ethernetu, zpracovala v listopadu 2001 první a na podzim roku 2002 druhý návrh příručky pro instalaci průmyslového Ethernetu [2]. Jejím základem jsou doporučení uváděná v normách IEC 11801 a EN 50713, týkajících se instalace ethernetových sítí v kancelářských a školních budovách. Ani jeden z těchto dokumentů IAONA ale zatím neskýtá odpověď na všechny otázky ohledně konektorů a elektrických vlastností instalace. Současná příručka IAONA doporučuje konektor RJ45 pro tzv. lehké (light duty, tj. uvnitř rozváděčů, IP20) a čtyřkolíkový konektor M12 pro tzv. těžké (heavy duty, tj. přímo v provozu, IP67) provozní podmínky. Současně však dovoluje použít libovolný typ odolného konektoru vycházející z RJ45, a to s jedinou podmínkou: musí být slučitelný s běžným konektorem RJ45. Důvodem je zachovat možnost testování.

O současném stavu v dané oblasti přehledně informuje tab. 1.

(sk)