Индустриални IP технологии

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2014

Индустриалните IP технологии все по-масово се прилагат в производствените предприятия по целия свят заради лесната им конфигурация и експлоатация, високата им ефективност при обработка на информация, опростената свързаност и възможността данните за производствените процеси да се интегрират с корпоративната база данни.

По този начин информационните технологии в предприятията постепенно еволюират от системи за ресурсно планиране (ERP), за планиране на материалите (MRP), за планиране на производствените ресурси (MRPII) и цялостни системи за управление на производството (MES) в интегрирани програмни пакети, включващи множество бизнес функции, приложения за управление на веригата на доставките, управление на активите, съставяне на производствени графици и оптимизация на производствените процеси.

Тези системи се превръщат в мащабни платформи, функциониращи в реално време и подпомагани от нарастващата достъпност и възприемане на IP-базираните технологии. Това ги прави добро практическо решение за подобряване на производителността и възвръщаемостта на активите.

Внедряването на индустриална IP инфраструктура спомага за по-доброто оползотворяване на ресурсите, повишаване производителността на персонала, оптимизация на веригата на доставките и подобрено обслужване на клиентите, като предлага цял куп нови възможности.

Най-важното качество на IP технологиите обаче се оказва способността им значително да увеличават обема обработвана информация и скоростта и качеството на комуникацията, свързани с производствените процеси, като по този начин създават повече условия за гъвкавост и иновации в индустрията.

За да реализира бизнес възможностите, които предлага тази революция в комуникациите, индустриалната автоматизация трябва постепенно да се превърне в цялостна цифрова комуникационна сфера, която поддържа всички подсистеми, свързани с индустриалните приложения, твърдят специалистите. Тези подсистеми ще се трансформират в услуги на оперативния мениджмънт, а IP технологията ще направи възможни свързаните и споделените услуги.

Така например, индустриалните IP технологии могат да интегрират автоматизацията, видеонаблюдението, управлението на съоръжения и контрола на достъп в една-единствена инфраструктура, което би намалило усилията и разходите за внедряване и поддръжка на различни системи.

Изключването на не IP-адресируемите устройства и затворените мрежи от сметката предполага, че производителите и индустриалните потребители, които биха искали да се възползват от пълната функционалност на новата концепция Internet of Things, би трябвало да се насочат към комуникации, които използват Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), допълват експертите.

Протоколи TCP/IP
Както е известно, TCP/IP е моделът за комуникация между компютрите, който се използва в Интернет и в почти всички други съвременни компютърни мрежи. Той се състои от много протоколи, като ключова роля имат протоколите TCP и IP. При този модел приложенията в мрежата могат да създават връзки едно с друго и чрез тях да обменят данни в пакети, като процеса преминава през четири функционални нива: мрежови достъп; Интернет; точка до точка; процес/приложение.

Протоколът TCP предава на IP подготвените за изпращане пакети. Протоколът IP добавя IP-адресите на подателя и на получателя и намира път през мостовете и шлюзовете на мрежата от възела-подател до възела-получател на съобщението. Всеки IP-пакет пътува от източника до получателя с помощта на маршрутизаторите в мрежата.

В заглавната част на всеки пакет се съдържа адресът на получателя, но той може да премине през няколко междинни адреса (маршрутизатори), преди да достигне крайната точка. IP пакетите може да се разделят на по-малки, ако конкретната мрежа изисква това. Източникът на пакети може да заяви изисквания за маршрутизирането на пакета, който изпраща.

Може да се проследи маршрута на даден пакет и той да се маркира с етикет за сигурност на данните. Всеки IP пакет има време на живот (Time To Live - TTL), което намалява с всяко преминаване през маршрутизатор. Когато това време изтече, пакетът се отхвърля.

Протокол User Datagram Protocol
Протоколът UDP (User Datagram Protocol) е един от двата протокола на транспортно ниво, които се използват в стека протоколи TCP/IP. UDP позволява приложните програми да предават своите съобщения по мрежи с минимални изисквания, свързани с преобразуването на протоколите от ниво приложения в протокол IP. Приложната програма сама потвърждава за доставяне на съобщението.

Основно предимство на UDP е въведената концепция на т. нар. портови номера, които се използват от приложното ниво. Портовите номера имат значение от гледна точка на действия, изисквани от приложението и предполагат определен отговор от устройството получател. Заглавната част на UDP е кратка и относително проста по съдържание - състои се от осем байта.

Номерът на порта на адресата и на източника са по 16 бита. Следващите 16 бита показват дължината на заглавната част и данните. Използва се и 16-битова контролна сума за проверка целостта на пакета и данните. UDP заглавието и данните, които идват от приложното ниво, се поместват в IP полето за данни.

Частта header на IP осигурява адресиране на устройството и предшества UDP дейтаграмата, а пълната IP дейтаграма се затваря в кадър по технологията на каналното ниво и се изпраща до желаното устройство, където данните се обработват по обратния начин.

EtherNet/IP технологията
Ethernet/IP е най-широко използваната Ethernet технология за комуникация в реално време в индустрията. Ethernet/IP технологията използва протокола CIP (Common Industrial Protocol), който е обща основа и за мрежите DeviceNet и ControlNet чрез своите мрежов, транспортен и приложен слой. Common Industrial Protocol (CIP) е разработен специално за индустриални приложения.

Той обхваща цялостен набор от функции, включително съобщения и услуги за производствени приложения в областта на автоматизацията – контрол, сигурност, синхронизация, движение, конфигуриране и информация. Така CIP осигурява унифицирана комуникация в рамките на цялото производствено предприятие, като позволява на потребителите да интегрират производствените приложения в Ethernet или Интернет мрежи и да се възползват от всеобхватна функционалност и съвместимост на ниво предприятие.

Ethernet/IP използва стандартните техники на Ethernet и TCP/IP за пренос на CIP-пакетите в Ethernet мрежи, изградени по стандартите IEEE 802.3. Това е направено чрез дефиниране на специален приложен слой над известните и общоприети Ethernet и TCP/IP/UDP. В Ethernet/IP CIP съобщенията са енкапсулирани в Ethernet пакетите и са снабдени със заглавна част, зависеща от конкретната функция.

Заглавната част съдържа код, който указва значението на предаваното съобщение и се интерпретира от протоколите на приемащите страни. По този начин CIP-пакетите, предавани по Ethernet мрежата, притежават стандартната Ethernet заглавна част, както и IP и TCP заглавни части.

В допълнение е прибавена и заглавната част на енкапсулираното съобщение. Тя съдържа полета с управляващи команди, информация за формата и състоянието, синхронизираща информация и др. По този начин CIP-пакетите могат да бъдат транспортирани чрез TCP/IP/UDP протоколите и впоследствие да бъдат декодирани от приемащата страна.

Енкапсулирането на пакетите в Ethernet/IP води до значително снижаване на ефективността на протокола за пренос на данни, докато мрежите от полево или управляващо ниво са доста по-ефикасни поради отсъствието на това ограничение. На практика често заглавните части на Ethernet/IP са по-обемисти от реално пренасяните данни.

Това означава, че Ethernet/IP технологията е по-подходяща за пренос на значителни по обем единици информация като програми и файлове, отколкото за кратки вх./изх. съобщения (данни) при управлението на процеси, където мрежите от по-долните нива като Profibus, DeviceNet или ControlNet са значително по-ефективни.

Най-новата версия на IP технологията - IPv6
До голяма степен по-нататъшното развитието на Internet of Things няма да бъде възможно без поддръжка на най-новата версия на IP технологията - IPv6. Адресният протокол IPv6 решава проблема с нарастващото търсене на уникални IP адреси поради факта, че използва за адреси 128-битови цели числа. IPv6 адресите се задават в потребителския интерфейс за настройки на мрежовите функции на операционната система чрез описание с шестнадесетични цифри.

При наличие на добра организация на процеса на разпределяне на IPv6 адресите, така дефинираното адресно пространство от 128-битови уникални адреси би следвало да се разглежда като практически неизчерпаем номерационен ресурс. Глобалното възприемане на тази технология през идните години ще се окаже решаващо за успешното разширяване на Internet of Things платформата в бъдеще.

Сигурност на IP мрежите
Неминуемо възможността всички устройства в индустриалното предприятие да бъдат свързани чрез IP мрежата създава предпоставки за разработването на вируси и програми за злонамерен контрол на индустриално оборудване. Широко разпространено средство за справяне с подобни предизвикателства са т.нар. защитни стени (firewalls).

Защитните стени предпазват устройствата в мрежата, като наблюдават и контролират получаваните пакети дали съответстват на предварително избраната политика на филтриране. Използват се за разделяне и изолиране на отделните подмрежи, което повишава сигурността на системата.

Различават се няколко основни типа защитни стени - за филтриране на пакети (packet filtering firewalls), за проверка състоянието на връзките (stateful Inspection), приложни прокси защитни стени, изградени върху шлюзове (application-proxy gateway firewalls) и други.
Защитните стени предоставят множество инструменти за прилагане на политики за сигурност, които иначе не биха могли да бъдат реализирани с наличните на пазара устройства за управление.

Тези инструменти дават възможност за блокиране на всички съобщения (с изключение на специално разрешените) между незащитената корпоративна LAN и защитените ICS мрежи. Също така, благодарение на тях, потребителите могат да бъдат ограничени да се свързват в управляващата мрежа само с устройства, до които имат достъп вследствие на преките си служебни задължения. Това намалява възможността умишлено или случайно да получат достъп до управляващи устройства, за които не са упълномощени.

В допълнение към традиционното филтриране, много персонални защитни стени могат да бъдат конфигурирани да позволяват комуникация въз основа на създадени списъци на разрешени сфери на приложение и да не разрешават комуникация между други приложения.

Много защитни стени включват и технологии за предотвратяване на проникванията (Intrusion Prevention Systems - IPS), с които могат да се открият злонамерени атаки към системата.
Защитните стени сами по себе си не са в състояние да осигурят защита на системите срещу всички видове заплахи. Необходима е многослойна стратегия, включваща в себе си поне два взаимно препокриващи се механизми за сигурност.

Свързване към Internet of Things
Заводите все по-масово ще се подготвят за свързване с платформата Internet of Things, като разпространението на цифрови устройства обещава да революционализира индустриалното производство чрез всеобхватната оперативна съвместимост на Internet Protocol (IP). Много такива устройства вече оперират във фабриките. Днес микропроцесорите с IP интерфейс безпроблемно се свързват с оборудването за автоматизация като I/O модули и честотни задвижвания.

Но истинският катализатор на трансформацията на индустрията е експоненциалното приобщаване на цифрови устройства от други сфери и дисциплини. Видеокамерите, четците с радиочестотна идентификация, таблетите, персоналните магнитни карти за достъп – всички тези IP-свързани устройства с отворен стандарт, както и редица подобни технологии, днес вече са в помощ на производството и на процесните операции и се грижат за по-високото качество, ефективност, сигурност и безопасност на съвременната индустрия.

Някои дори още по-мощни технологични тенденции ще ускорят развитието на Internet of Things във фабриките на бъдещето. Тези фактори включват безпрецедентната възможност да се комбинира хардуер и софтуер чрез индустриална Ethernet връзка за постигане на още по-висока резултатност и свързаност.

Към това е редно да прибавим и ръстът в процесорната мощ, капацитетите на съхранение и скоростите на трафик, които са достъпни на все по-ниски цени. Заедно с появата на мобилните технологии и облачните услуги, все повече се увеличават и възможностите за обработка и анализ на гигантски обеми данни и превръщането им в оперативен информационен ресурс.

За да се възползват от всички предимства на интелигентните технологии, всички устройства в една фабрика трябва да могат да комуникират помежду си. Същото се отнася и за устройствата на ниво бизнес предприятие, като се използва унифицирана мрежова IP- инфраструктура.

Това е необходимо, защото само пакетът от функции на Internet Protocol може да осигури мащабируемостта и хармоничното съжителство на услугите в Internet of Things и да създаде условия за прогресивни иновации в платформата. В бъдеще всички индустриални мрежови инфраструктури вероятно ще се възползват от високотехнологичните възможности за свързаност, които Internet Protocol предлага за всяко приложение.

75% от устройствата в индустриалната автоматизация ще бъдат свързани с Интернет до 2025 г.
Актуален технологичен доклад на агенцията за маркетингови изследвания IHS прогнозира, че бързо развиващата се индустриална автоматизация ще доведе до небивало разрастване на Internet of Things до 2025 г. и IP-адресируемите устройства ще са основният двигател на тази индустриална експанзия.

На индустриалната автоматизация се дължат малко повече от половината инсталирани интернет-свързани устройства през 2012 г., твърди още докладът на IHS. До 2025 г. в сектора на индустриалната автоматизация ще са инсталирани общо три четвърти от всички свързани устройства.

Също толкова впечатляваща е и скоростта, с която се очаква да нарасне инсталираната база. Докладът изчислява, че броят Интернет-свързани устройства в индустриалната автоматизация ще се увеличи повече от петкратно между 2012 и 2015 г. с комбиниран годишен темп на растеж от 36.3%.

„Много от тези устройства на практика ще представляват оборудване, което към момента не разполага с опции за свързаност, но се очаква да придобие такива и да стане IP-адресируемо. Това, в комбинация с възможностите за анализ и обработване на големи обеми данни, ще позволи цялостна оптимизация и синхронизация на производствените процеси с бизнес системите и веригите на доставките.

Ако всички устройства, които използват Internet Protocol, се свържат в една и съща мрежа, производителите ще могат да достигнат нови измерения по отношение качеството на продукцията, ефективността, сигурността и безопасността”, гласи още докладът.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top