Индустриални комутатори

• Мнозина считат промишлените мрежови комутатори за гръбнак на модерната индустриална автоматизация и това не е случайно

• Индустриалните суичове се отличават с множество специфики в дизайна и функционалността от комутиращите устройства, използвани в други сфери

• Те поддържат специфични промишлени протоколи, чрез които могат безпроблемно да интегрират в обща мрежа различни индустриални устройства и системи

Мнозина считат промишлените мрежови комутатори, известни още като превключватели или суичове, за гръбнак на модерната индустриална автоматизация. И това не е случайно – оборудването в този сегмент свързва машините и системите в заводите с критичните мрежи и опосредства ключовата комуникация между различни мрежови сегменти и полеви устройства, като сензори, програмируеми контролери, човеко-машинни интерфейси (HMI), изпълнителни механизми и др. Индустриалните суичове се отличават с множество специфики в дизайна и функционалността от комутиращите устройства, използвани в други сфери.

Промишлените версии трябва да отговарят на много по-високи изисквания за надеждност, издръжливост и ефективност. Те поддържат специфични индустриални протоколи, като PROFINET, EtherNet/IP и Modbus/TCP, чрез които могат безпроблемно да интегрират в обща мрежа различни индустриални устройства и средства за автоматизация. Индустриалните комутатори оптимизират обмена на данни между тези мрежови елементи, чрез което допринасят за рационализиране на работните потоци, намаляване на престоите и повишаване на производителността. С помощта на подходящите промишлени суичове системите за индустриална автоматизация могат да постигнат ефективен пренос на данни, прецизен контрол и детайлен мониторинг, както и да подобрят ефективността и качеството на производствените и технологични процеси.

Основни функции, типове и специфики

Индустриалните суичове осъществяват връзка между различни устройства в рамките на една мрежа, като основната им функция е да гарантират надеждност, достатъчна скорост и стабилност на комуникацията. На практика комутаторите играят ролята на посредници между отделните елементи на мрежата, като чрез Ethernet разпределят и пренасочват данни между устройствата в нея. С нарастващото търсене на гъвкави решения за пренос на данни в реално време в контекста на Industry 4.0 мрежовите превключватели стават все по-важен компонент на разнообразни системи в производството, промишления сектор, енергетиката и т. н. Основно условие за ефективността на индустриалните суичове е стабилната инфраструктура, позволяваща интегриране на разнообразни по тип и предназначение полеви устройства и системи.

За разлика от комутаторите, използвани в потребителски сценарии, промишлените конфигурации е необходимо да са проектирани така, че да издържат на тежки експлоатационни условия. За целта те се отличават с разширен температурен диапазон на работа, усилени корпуси и висока степен на IP защита, недопускаща навлизането на влага, прах и замърсявания в устройството. В допълнение индустриалните превключватели следва да са подходящи за високи скорости на трансфер на данни, характерни за голяма част от промишлени приложения, както и да осигуряват ефективна мрежова защита.

Ключов въпрос при избора на подходящ суич за потребностите на дадено предприятие е дали той да бъде управляем или неуправляем. Тази класификация определя двата основни типа мрежови комутатори в индустрията, а съществената разлика е в нивото на контрол, с което разполага потребителят при конфигуриране.

Неуправляемите суичове представляват най-простите активни мрежови компоненти. Те функционират на принципа “plug-and-play” – директно включване и използване на свързаните устройства. Липсата на необходимост от настройване ги прави изключително гъвкави в редица сценарии. Неуправляемите комутатори в Ethernet мрежи използват базови стандартни протоколи и функции, като “auto-negotiation”, “auto-crossing” и “flow-control”, които подобряват съвместимостта, ефективността и надеждността на мрежовата комуникация между устройствата.

При “auto-negotiation” механизма, дефиниран в Ethernet стандарта (IEEE 802.3), две устройства с Ethernet връзка помежду си автоматично договарят оптималните параметри на тази връзка, включително скорост на предаване и дуплексен режим. “Auto-crossing” позволява на Ethernet портовете автоматично да разпознават типа кабел (прав или кръстосан), което улеснява инсталацията и предотвратява грешки. “Flow-control” е механизъм, използван за управление на потока от данни между две устройства, за да се предотврати загуба на пакети, когато едно от устройствата не може да обработва данните достатъчно бързо. Традиционно по-евтини, неуправляемите комутатори са разходно ефективно решение, отлично за по-прости промишлени мрежови архитектури с необходимост от базова свързаност.

Управляемите суичове, от друга страна, предлагат много по-широка функционалност и по-богати възможности за персонализиране. Те осигуряват по-задълбочен контрол върху мрежовия трафик, давайки на администраторите опции да конфигурират, наблюдават и управляват комутаторите в отдалечен режим. С поддръжка на VLAN мрежи, Quality-of-Service (QoS) приоритизиране и протоколи за сигурност, тези суичове са подходящи за по-мащабни и комплексни индустриални мрежи, изискващи много по-високи нива на контрол и значително по-висока степен на безопасност.

Ключови разлики между управляемите и неуправляемите суичове

Неуправляемите Ethernet суичове позволяват незабавно свързване и използване на устройства в дадена мрежа, докато управляемите комутатори дават по-високо ниво на контрол върху тях. Изборът на решение често се свежда до това коя потребност е с по-висок приоритет в дадено приложениe. Освен привидните разлики между двата типа мрежови превключватели са налице и множество други фактори, които ги отличават едни от други. Можем да ги обединим в четири основни групи – функции за управление, ефективност/производителност, сигурност/мащабируемост и цена.

Конфигурирането и управлението при втория тип е значително по-детайлно, адаптивно и персонализируемо. Мрежовите администратори могат да настройват гъвкаво параметрите така, че да оптимизират трафика, да създават VLAN мрежи, за да го разделят и приоритизират, както и да зададат QoS настройки, за да гарантират, че критичните данни получават необходимата пропускателна способност и ширина на честотната лента. Управляемите комутатори поддържат различни протоколи за мрежов мениджмънт, като SNMP (Simple Network Management Protocol) за мониторинг на състоянието и производителността на мрежата. Неуправляемите суичове няма как да предложат подобна свобода при конфигуриране, тъй като работят със стандартни настройки без възможност за промяна съобразно специфични мрежови изисквания.

Базовите функции за превключване, които неуправляемите версии осигуряват, както и QoS услугите, на практика могат да доведат до по-ниска ефективност при високи натоварвания или в сложни мрежови топологии.

Приоритизирането на канали по желание, ефективното разпределение на ресурсите и минимизирането на ключови пречки, особено в мрежи с големи обеми на трафика или комуникация в реално време, са основни предимства на управляемите комутатори. “Priority SNMP” функционалността, която позволява отдалечено отстраняване на мрежови проблеми, дава възможност за лесни проверки за наличието на различни неизправности или събития с негативно влияние върху производителността.

Сигурността е друго направление, в което управляемите превключватели превъзхождат аналозите си. Те предлагат усъвършенствани функции, като ACL списъци за контрол на мрежовия достъп, сигурност на ниво единичен порт и поддръжка на стандарта IEEE 802.1X за управление на достъпа до мрежата. Управляемите комутатори могат лесно да бъдат интегрирани в по-мащабни архитектури в предприятията и организациите, позволявайки централизиран мениджмънт на сигурността в съответствие с действащите корпоративни политики.

За разлика от тях неуправляемите суичове осигуряват ограничен набор от възможности за допълнителна сигурност отвъд заложените в базовата функционалност на комутатора. Няма опции за организиране и добавяне на слоеве за киберзащита или контрол върху достъпа до мрежата, което може да направи свързаните към такива суичове устройства по-уязвими на киберрискове.

Не е за пренебрегване и още един ключов фактор при избора на суич – цената. Управляемите модели са по-комплексни и с много по-обширен инструментариум, следователно са значително по-скъпи. Инвестицията в такъв комутатор в сферата на индустриалната автоматизация обаче в повечето случаи е обоснована, особено когато касае среди, изискващи усъвършенстван мрежов мониторинг и мениджмънт, както и подобрена сигурност и производителност.
Неуправляемите превключватели се доказват като по-разходно ефективни за несложни системи и инсталации, при които бюджетните ограничения са основно съображение.

Макар да не разполагат с богатата функционалност на управляемите суичове, те са адекватен избор за базова свързаност в среди с по-малко критични мрежови изисквания.

Критерии за избор

Изискванията към устройствата, управляващи комуникационните процеси в бизнеса, индустрията, търговията, сектора на услугите и други сфери са коренно различни по отношение на факторите на експлоатационната среда. В промишления сектор тежките условия, на чието влияние са изложени мрежовите комутатори в рамките на целия си сервизен цикъл, изискват тотално различен подход при проектирането. За изработка на корпусите вместо пластмаса например, както е при потребителските комутатори, най-често се използват неръждаеми метали, устойчиви на екстремни температури, удари, вибрации и т. н. Ето защо от първостепенно значение за промишлени приложения е да се избере суич от индустриален клас, с висока степен на защита.

Важен момент при вземането на решение за инвестиция е да се прецени дали управляем или неуправляем комутатор би бил по-подходящ в дългосрочен план. За комплексни мрежови архитектури, налагащи необходимост от прецизен контрол върху трафика на данни, управляемите комутатори на практика са задължителен избор. Такива са например мащабните производства с висока степен на автоматизация, множество критични процеси, базирани на комуникация, и потребност от въвеждането на стриктни протоколи за сигурност. Управляемите суичове не само гарантират стабилна първоначална инфраструктура, но и гъвкавост и адаптируемост при бъдещи модификации и мащабиране.

Препоръчителен е изборът на управляеми превключватели и за сценарии, в които се разчита основно на отдалечено управление на процесите и оборудването. Така операторите и мрежовите администратори могат да внасят незабавно промени в параметрите от всяка дистанционна локация, за да гарантират безпроблемна работа на системата. Тези възможности са особено важни за мрежи, боравещи с чувствителни данни, при които няма място за компромиси със сигурността. Управляемите комутатори позволяват и въвеждането на протоколи за резервиране – за автоматично превключване при срив, които гарантират висока надеждност за критично важни процеси и платформи, при които прекъсванията и престоите не са допустима опция.

Неуправляемите индустриални комутатори се отличават с простота и лекота на внедряване при по-несложни условия. Тяхната “plug-and-play” концепция е подходяща за базови стандартни приложения, при които не се изисква комплексно мрежово управление, включително за сценарии, в които техническият персонал е минимален или изобщо липсва.

Тези комутатори често са предпочитани в приложения, които се нуждаят от индустриален клас надеждност в тежки условия, но без множеството (понякога) излишни екстри, характерни за управляемите суичове. С неуправляем индустриален превключвател компаниите с по-ограничен бюджет все пак могат да постигнат необходимата свързаност, за да обезпечават потребностите на бизнеса си безпроблемно, без да правят допълнителни разходи, свързани с разширени функции за управление, от които не се нуждаят.

Системите за индустриална автоматизация обработват чувствителни данни, които трябва да бъдат защитени от неоторизиран достъп и потенциални киберзаплахи. Индустриалните комутатори позволяват сегментиране на мрежата, разделяйки я на по-малки, изолирани секции, като по този начин ограничават въздействието на пробивите в сигурността. В допълнение, индустриалните суичове предлагат функции за резервно архивиране и отдалечено управление, което гарантира много по-висока надеждност, сигурност и гъвкавост в платформите за индустриална автоматизация. Промишлените комутатори играят все по-важна роля в този сектор, тъй като са ключов градивен елемент при реализирането на стратегии за интелигентно производство и IIoT концепции. Чрез високоскоростните Ethernet връзки, опосредствани от индустриалните суичове, става възможно безпроблемното предаване на данни с цел управление в реално време и комуникация в рамките на цялата интелигентна и автоматизирана екосистема.