Nástroje pro řešení problémů s průmyslovým Ethernetem

Obrázek 1: Schopnost udržet provoz a úroveň produktivity prostřednictvím průmyslového Ethernetu je jen tak dobrá, jak kvalitní je základní kabelážní infrastruktura, avšak i poté, co je tato infrastruktura nainstalována, otestována a zjevně plní svou funkci, mohou nastat problémy, které zastaví provoz na lince. Obrázky publikovány se svolením společnosti Fluke Obrázek 1: Schopnost udržet provoz a úroveň produktivity prostřednictvím průmyslového Ethernetu je jen tak dobrá, jak kvalitní je základní kabelážní infrastruktura, avšak i poté, co je tato infrastruktura nainstalována, otestována a zjevně plní svou funkci, mohou nastat problémy, které zastaví provoz na lince. Obrázky publikovány se svolením společnosti Fluke

Dostupné technologie mají záběr od jednoduchých až po velmi sofistikované.

Díky své přirozené spolehlivosti, výkonu a interoperabilitě se Ethernet rychle stal oblíbeným komunikačním protokolem v rámci automatizačních a řídicích systémů v průmyslovém prostředí. Podle nedávných průzkumů využívá průmyslový Ethernet 70 % všech nově instalovaných podnikových automatizačních uzlů. Jedná se o aplikace průmyslového Ethernetu, jako jsou Modbus TCP/IP, EtherCat, EtherNet/IP a Profinet, zapouzdřené do ethernetových rámců pro odesílání a příjem dozorových a řídicích informací mezi průmyslovými zařízeními a systémy.

Všechny tyto aplikace jsou navrženy tak, aby fungovaly přes měděné nebo optické kabely a konektory s kroucenou dvojlinkou, které jsou odolné vůči vibracím, vniknutí prachu, kapalin a chemikálií i proti elektromagnetickému rušení v průmyslovém prostředí. Schopnost udržet provoz a produktivitu prostřednictvím průmyslového Ethernetu je jen tak dobrá, jak kvalitní je základní kabelážní infrastruktura, avšak i poté, co je tato infrastruktura nainstalována, otestována a zjevně plní svou funkci, mohou nastat problémy, které průmyslový provoz zastaví.

Ať už je to způsobeno náhodným poškozením a znečištěním kabelů či konektorů v náročném průmyslovém prostředí, rušením ze strany nových strojů nebo změnami v infrastruktuře, které se nepovedly kvůli nevhodně zvoleným komponentům nebo nesprávné instalaci, manažeři a pracovníci provozních technologií musejí jednat rychle, aby problém lokalizovali, odstranili a udrželi stroje ve výrobním procesu. Vzhledem k tomu, že více než polovina problémů s průmyslovým Ethernetem souvisí s kabelážní infrastrukturou, může znalost nejefektivnějšího způsobu, jak řešit problém, znamenat rozdíl mezi hodinkou neplánované odstávky a třeba i několika dny, které by jistě způsobily chaos ve výrobních procesech a posléze se promítly do milionových ztrát.

Dobrou zprávou je, že na trhu existuje spousta jednoduchých a levných přístrojů určených k odstraňování výše popsaných záležitostí, které vám pomohou rychle identifikovat a lokalizovat problémy v rámci metalických či optických sítí a urychlí opravu, včetně zkrácení nákladných neplánovaných prostojů, na minimum.

Jednoduché přístroje na řešení jednoduchých problémů

Když se strojní zařízení zastaví, protože nepřijímá řídicí signály průmyslového Ethernetu přes kabeláž, může být problém jednoduchý, např. nedostatečná kontinuita způsobená přerušením nebo zlomením kabelu či špatným zakončením na připojovacím rozhraní. Kontrolu spojitosti lze snadno provést prostřednictvím testování kabeláže, během něhož jsou vyhledávány potenciální problémy, jako jsou rozpojení způsobená přerušením vodičů, zkraty způsobené nesprávně zakončenými nebo poškozenými konektory anebo chybné zapojení, které má za následek přepojené páry, zkřížené nebo rozdělené páry, kdy byly vodiče v kabeláži zakončeny do nesprávné pozice pinů na rozhraní konektoru.

Místo toho, abyste si přivolali externí pomoc s drahým testovacím zařízením, můžete k rychlé identifikaci problému použít jednoduchý a levný tester, jenž vám pomůže zmapovat aktuální stav vodičů. Kvalitní tester pro ověření aktuálního stavu kabeláže je rovněž schopen identifikace, který kabel (vodič) je příčinou problému, a ověří neporušenost stínění kabelu, což je ideální pro průmyslová prostředí, kde je standardem stíněná kroucená kabeláž.

Pokud není problém v zakončení na rozhraní konektoru a závada se vyskytuje někde po délce kabelu, lze zkrátit prostoje identifikací místa pomocí funkce generování tónu a příslušné zesilovací sondy. Některé mapovače kabelů mohou mít dokonce zabudovaný tónový generátor, který pracuje se standardními analogovými sondami a pomáhá identifikovat trasování kabelů ve svazcích.

PLE2104 MAG Fluke ethernet image 2Obrázek 2: Pokud máte po ruce levný kabelový tester, můžete snadno ověřovat spojitost či chybné zapojení jednotlivých párů a také generovat signály za účelem lokalizace poruch na trase kabelu.

Tónová sonda funguje tak, že do vodiče přivádí vysokoharmonický signál, jenž v místě poruchy vytváří slyšitelný šum. V některých průmyslových prostředích však může být obtížné získat přístup k celé délce kabelu – zejména pokud je instalován v ochranném potrubí, nachází se u stropu nebo prochází jinými částmi výrobní haly, kde stále probíhá výroba. V takovém případě lze k určení přesné vzdálenosti k poruše kabeláže použít poněkud sofistikovanější reflektometr s časovou doménou (TDR – Time Domain Reflectometer). K dispozici jsou přístroje, které dokážou lokalizovat poruchy na jakékoli měděné kabeláži a obsahují integrovaný tonometr pro zúžení na skutečný problémový pár vodičů v kabelu.

Při výběru některého z těchto jednoduchých nástrojů pro vyhledávání problémů je důležité se ujistit, že podporuje daný typ kabeláže a vzdálenosti kabelových tras. Pro usnadnění procesu zvažte použití přístroje s uživatelsky přívětivým grafickým rozhraním, které jednoduše a jasně identifikuje problém. Můžete se také poohlédnout po přístroji s dostatečnou výdrží baterie a odolnou konstrukcí, aby obstál i v náročnějším průmyslovém prostředí. Při použití tónové sondy je třeba vzít v úvahu také schopnost sondy odfiltrovat rušivé signály z běžného 50- nebo 60Hz provozu z okolních průmyslových strojů.

Jak postupovat, když je kabeláž z optických vláken?

Ačkoli výskyt optické kabeláže v továrních halách není tak běžný, protože se tam vyskytují kabely kratší délky a přenosové rychlosti jsou obvykle nižší než 1 000 Mb/s, některé oblasti s delšími trasami, vyšší pracovní teplotou a požadovanou odolností proti elektromagnetickému rušení vyžadují použití optických kabelů. Zatímco instalace optických kabelů a počáteční testování vyžadují více odborných znalostí a specializovaných nástrojů, existují některé finančně nenáročné možnosti, které můžete použít k řešení případných problémů.

Je možné, že problém s optickým kabelem je způsoben ohybem nebo jeho přerušením někde na trase. Pokud je vlákno ohnuto nad doporučený poloměr ohybu, který je obvykle dvacetinásobkem průměru kabelu, může to způsobit únik světelných signálů z vlákna a zabránit správnému přenosu dat. K těmto ohybům může dojít během instalace nebo i po ní; malé mikroohyby, jež mohly při instalaci zůstat nepovšimnuty, mohou časem způsobit prasknutí skleněného vlákna. Další nevhodně zvolené instalační postupy, jako je překročení tahového zatížení kabelu, mohou rovněž vést k jeho přerušení.

Jedním z levných a jednoduchých nástrojů pro řešení problémů, jehož prostřednictvím lze zjistit kontinuitu vlákna a najít případný ohyb nebo zlom, je vizuální lokátor poruch, který osvětluje vlákno viditelným laserovým paprskem; ten tzv. prosákne v místě, kde je vlákno zlomené nebo ohnuté. Vizuální lokátor poruch však funguje dobře pouze tehdy, pokud jste schopni vizuálně zkontrolovat celý průběh vlákna. Pokud je vlákno obtížně přístupné nebo vede potrubím, možná budete muset investovat do optického vyhledávače závad. Tento pokročilejší přístroj vysílá světelné impulzy skrz vlákno a měří výkon a čas světla odraženého zpět od zlomů, ohybů a spojů po celé délce kabeláže. Je také ideální pro vyhledávání konce vlákna. Měřením časového průběhu světla odraženého zpět může optický vyhledávač závad rychle indikovat vzdálenost k problému.

Kromě odolné konstrukce a grafického rozhraní, které je uživatelsky přívětivé, je třeba při výběru optického vyhledávače závad dbát na to, abyste před odstraněním poruchy použili takový, který dokáže detekovat živé optické signály po celé trase kabelu, protože světlo z optického vysílače může být pro lidské oko škodlivé. Budete také potřebovat, aby vyhovoval typu optické kabeláže a konektorů v rámci vaší infrastruktury. Pokud máte v podniku nainstalováno více typů optických konektorů pro různá vstupně-výstupní rozhraní, pak si v ideálním případě pořiďte optický vyhledávač závad s vyměnitelnými adaptéry.

Další významnou vlastností optického vyhledávače závad je jeho schopnost identifikovat znečištěné konektory. Prach nebo nečistoty na čelní ploše optického konektoru představují nejčastější příčinu poruch optických vláken. Přenos světla potřebuje průchodnou cestu podél trasy celého kabelu a třeba i jediné smítko prachu může způsobit nepřijatelné odrazy a zhoršit průběh signálu.

Průmyslové prostředí je ze své podstaty prašné, takže není překvapením, že problémem může být znečištěná koncová plocha optického vlákna. Pokud vyhledávač optických závad zjistí, že problém spočívá v konektoru, dalším nástrojem, který je vhodné mít po ruce, je kamera nebo mikroskop pro kontrolu vláken. Zatímco použití mikroskopu k prohlídce koncového povrchu konektoru může vyžadovat určitou úroveň odborných znalostí, abyste věděli, na co se právě díváte, k dispozici jsou i nástroje pro kontrolu vláken, jež mají zabudovanou umělou inteligenci, která analyzuje koncový povrch vlákna za vás.

To se děje tak, že se analyzuje počet a velikost defektů a škrábanců na koncové ploše a porovnává se s průmyslovými normami, jako je např. IEC 61300-3-35, které specifikují kritéria pro čistotu koncové plochy. Samozřejmě pokud odhalíte znečištěnou čelní plochu vlákna, chcete si být jisti, že máte na daném místě k dispozici potřebné vybavení a spotřební materiál k vyčištění čelní plochy. Pokud tomu tak není, budete možná nuceni se obrátit zpět na dodavatele, který optickou infrastrukturu původně instaloval.

PLE2104 MAG FLUKE ethernet image 3Obrázek 3: S lokalizací poruch v optickém kabelu může pomoct viditelné laserové světlo z jednoduchého vizuálního lokátoru poruch (VFL), které prosvítá v místech, kde je vlákno ohnuté nebo přerušené.

V některých případech je zapotřebí využít odbornou pomoc

Když všechno ostatní selže a interní týmy pomocí jednoduchých nástrojů pro řešení problémů stále nedokážou identifikovat vzniklý problém v síti, je možná na čase povolat odborníky se sofistikovanějším testovacím a diagnostickým vybavením. Pravděpodobně to byli právě oni, kdo infrastrukturu instalovali a testovali, takže by měli být dobře vybaveni k nalezení a odstranění problému. Pokud však máte k dispozici odborné znalosti, rozhodně je využijte a investujte do pokročilejších přístrojů, díky nimž nebudete muset čekat a platit za pomoc zvenčí, abyste mohli vše zprovoznit.

Při řešení problémů týkajících vodičů s měděným jádrem, což už bude nad rámec toho, čeho můžete dosáhnout pomocí jednoduchého přístroje na zmapování aktuálního stavu vodičů, tónového generátoru se zesilovací sondou či pomocí reflektometru s časovou doménou (TDR), si vystačíte s kvalitním kvalifikačním testerem pro metalické sítě. Nejenže kvalifikační tester dokáže vše, co výše popisovaný jednoduchý přístroj, ale je rovněž schopen měřit rychlost sítě a identifikovat méně zjevné problémy s výkonem, jako jsou přeslechy. Kvalifikační tester vám nakonec může v některých případech pomoci zjistit, že problém netkví v samotné kabelové infrastruktuře.

Pokud jde o pokročilejší řešení problémů s optickými vlákny, dalším krokem od optického vyhledávače závad pak bude poněkud dražší optický reflektometr s časovou doménou (OTDR – optical time domain reflectometer). Tento složitější nástroj pro odstraňování poruch sice vyžaduje zručnost při ovládání, ale dokáže identifikovat a lokalizovat poruchy vyskytující se uvnitř vlákna, které způsobují odrazy, a změřit jejich vliv na celkovou ztrátu signálu, jež může být příčinou poruchy.

Přestože přivolání odborníků může být nakonec nevyhnutelné, je důležité si uvědomit, že existují jednoduché a snadno použitelné nástroje, které můžete použít jakožto první obrannou linii, abyste zajistili obnovení výroby v co nejkratším čase a v dlouhodobém horizontu vás to stálo méně. 

Mark Mullins, autor textu, pracuje jako produktový manažer ve společnosti Fluke Networks.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz