Индустриално Еthernet оборудване

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 3/2021 • 01.06.2021

  • Индустриалните Еthernet архитектури са изградени от специални кабели и компоненти, защитени от потенциално суровите условия в промишлена среда

  • Трите важни аспекта, които е добре да бъдат взети предвид при избора на Ethernet PHY слой са латентността, електромагнитните смущения и електростатичният разряд

  • Подготовката на традиционните индустриални мрежи за IIoT приложения с управляеми индустриални Ethernet комутатори е от ключово значение за прехода към стандартите на Industry 4.0

 

Индустриалното Еthernet оборудване непрекъснато се усъвършенства в синхрон с развитието на компютърните и комуникационните мрежи и технологии. В резултат се постигат по-високи скорости на предаване на данни, поддръжка на по-голям брой възли и надеждна връзка на по-големи разстояния. С времето и еволюцията системите в сегмента от решения за битови приложения, превъзхождащи функционалността на LAN мрежите, трайно се превръщат в стандарт и за промишлеността.

Една индустриална Ethernet система може да се състои от множество компоненти (най-често до 1024 възела), стотици кабели и голям брой устройства за мрежово управление. Двата основни типа суичове (управляеми и неуправляеми) със своите предимства и специфики постепенно се доказват като подходящи за различни приложни сценарии. Четвъртата индустриална революция оказва сериозно влияние както върху водещите направления на технологично развитие в областта, така и върху основните предизвикателства пред Industrial Ethernet архитектурите в заводската автоматизация.

 

Ethernet компоненти

В зависимост от тяхната комплексност устройствата за мрежово управление включват: хъбове или ретранслатори, мрежови мостове, които обединяват две или повече компютърни мрежи, рутери и суичове. Разликите между тези устройства са в протоколните слоеве, на чиято база са проектирани да функционират.

Термините хъб и ретранслатор (повторител) обикновено са взаимозаменяеми в практиката. Хъбът реално просто преразпределя данните, не тълкува или сортира съобщенията, които преминават през него. Хъбовете увеличават дължината на мрежата, като повтарят сигнала, свързват отделните LAN сегменти заедно, за да образуват единна мрежа и позволяват преобразуване между различни типове кабели, например от неекранирана усукана двойка (UTP) към оптични влакна.

Тъй като хъбовете са проектирани да регенерират сигнали, без да ги филтрират или насочват, те обикновено предлагат малка или почти никаква мрежова защита.

Някои прости устройства от този тип представляват усъвършенствани електрически буфери с включено основно филтриране на шума. Други обаче все пак разполагат с ограничени възможности за съхранение и предаване.

Хъбовете оперират само във физическия мрежов слой (слой 1). Не им се присвояват MAC или IP адреси. Въпреки че свързват отделни Ethernet възли, всички те споделят една и съща честотна лента. Това означава, че ако към мрежата се добавят по-голям брой възли, те ще трябва да се конкурират за ограничена честота.

Но основната причина, поради която хъбовете не се считат за надеждни в реална индустриална среда, е, че те препращат пакети с информация към всички възли едновременно, което прави т. нар. сблъсъци на данни (data collisions) неизбежни. Тези нежелани събития създават мрежови закъснения с неопределима продължителност, което прави хъбовете практически безполезни за контролни приложения, които изискват времето за предаване на пакети данни да е до 100 msec.

 

Мостове и рутери

Мостовете свързват отделни мрежи. Те работят на физическия слой 1 и на слоя с връзки към данните, като управляват трафика на информация между мрежи от един и същ тип, например между Ethernet архитектури. В практиката счетоводните и инженеринг отделите на дадено предприятие обикновено се обособяват в отделни мрежи. Те могат да бъдат свързани именно посредством мрежови мостове. Тези устройства осигуряват и преобразуване на протоколи между свързани мрежи, например между Modbus и Modbus +.

Мостовете се различават от хъбовете по това, че отварят и проверяват пакетите данни, които получават. Повечето мостове могат да научат адресите на възлите, така че да позволяват само необходимия трафик на данни, като вземат решения за препращане въз основа на MAC адреси.

Друга полезна функция на мостовете е способността им да работят със схеми за откриване на грешки като CRC (Cyclic Redundancy Check – проверка на цикличния остатък), за да се предотврати преминаването на неправилно форматирани пакети към други мрежи и да се предават само “здравите” или годни информационни единици. Някои интелигентни мостове могат да научат кои устройства са свързани към всяка страна и да определят кои съобщения да се препращат и кои да се блокират.

Рутерът по своята функция е подобен на мост, защото маршрутизира информация. Рутерите обаче работят на мрежовия слой (слой 3), вземат решения за препращане въз основа на IP адреса вместо на MAC адреса, свързват сложни мрежи като интернет и корпоративни LAN архитектури и разделят големите инфраструктури на логически подмрежи според географски показатели, например ситуирани в различни точки цехове, офиси или подразделения на едно предприятие.

Докато мостовете маршрутизират информация между адреси в една мрежа, рутерите съдържат информация както за мрежите, така и за отделни адреси в една мрежова архитектура чрез поддържане на таблици с IP адресите на всеки сегмент. Маршрутизаторите отварят пакетите с данни, за да определят първоначалната и крайната дестинация и целта на трансфера им. Те могат да филтрират съобщения въз основа на конкретни приложения и потребители.

Един индустриален мрежов мост може да контролира пакетите с данни в рамките на фабричната мрежа. Рутерите обаче могат не само да управляват фабричните мрежови пакети данни, но и да определят кои пакети данни трябва да се изпращат до различни мрежи – включително свързаните директно към интернет. Тези устройства научават най-ефективните пътища за изпращане на съобщения до техните дестинации. Самата глобална мрежа интернет се състои от отделни рутери, които контролират трафика между отделните й “станции”.

 

Мрежови суичове

Суичът (превключвателят или комутаторът) е по-сложно устроен от мрежовия хъб. Той осигурява пълна честотна лента и възможности за съхранение на всеки отделен възел или група възли. Комутаторът насочва пакетите данни към подходящия възел или порт, вместо да излъчва едновременно към всеки възел, както правят хъбовете. Обикновено суичовете работят на слоеве 2 и 3 в индустриалната мрежа.

Комутаторите могат да действат едновременно и като мостове, и като рутери. Тези системи приемат множество пакети данни в един и същ момент и ги подават към високоскоростна Ethernet магистрала или между отделните портове.

Превключвателите могат да конвертират 10-Mbps Ethernet и високоскоростен Ethernet. Те реално разделят една голяма мрежа на множество по-малки архитектури и отделят по един порт за устройство. На практика суичът насочва или превключва съобщенията между входния и изходния порт. Той може да работи в режим на полу- или пълен дуплекс. В режим на полудуплекс портът не може да приема и предава едновременно. Ако се опита да направи и двете, полученият сигнал се разпознава като сблъсък. Пълнодуплексният режим обаче позволява на комутатора да предава и приема едновременно, ефективно удвоявайки мрежовата честотна лента.

Суичовете, използвани в режим на пълен дуплекс, не са обект на сблъсъци, поради което осигуряват детерминистична работа на индустриалните мрежи. Един индустриален Ethernet комутатор реално увеличава честотната лента на мрежата и осигурява споменатия мрежов детерминизъм за приложения, свързани с управление на промишлено оборудване, като осигурява най-икономичното и ефективно решение за конкретната среда.

 

Специфики на индустриалните Ethernet архитектури

Основните типове кабели, които изграждат промишлените Ethernet архитектури, са коаксиални, усукани двойки и оптични влакна. В ранните дни на Ethernet технологията са използвани предимно коаксиални кабели. Тъй като коаксиалната линия е затворена предавателна линия, в края й трябва да се използва устройство, наречено терминатор, за да се предотврати отразяването на вълни, които да причинят различни проблеми в мрежата. Една такава система се нарича затворена, тъй като чрез екраниране се цели задържане на енергията в кабела.

Industrial Ethernet се приема за по-издръжлива и устойчива версия на стандартната Ethernet комуникация. Конвенционалното Ethernet оборудване е създадено за офиси и битови приложения. Индустриалните архитектури от своя страна са изградени от специални кабели и компоненти, защитени от потенциално суровите условия в промишлена среда.

В заводите и фабриките съоръженията за управление на процесите и промишлените инсталации са изложени на интензивно замърсяване и запрашаване, както и на въздействието на други рискови фактори – екстремни температури, високи напрежения, влага, опасни химикали, механично натоварване и вибрации. Индустриалните Ethernet технологии преодоляват тези проблеми чрез специални кабели и конектори (клас IP67 екранирани RJ45 или M12 съединители), които ги предпазват от негативните влияния на средата. Ethernet комутаторите и останалото мрежово оборудване са снабдени с индустриален клас корпуси и защитни обвивки, за да издържат на тежките условия в индустриалните приложения.

Повечето индустриални Ethernet мрежи са базирани на CAT5e или CAT6 кабели във версия 100Base-TX 100-Mb/s (802.3u). Някои системи използват варианта 1000Base-T (802.3ab), когато е необходима скорост от 1 Gb/s. Топологията на мрежата обикновено е звездовидна. Всички операции са полудуплексни с помощта на т. нар. метод за достъп CSMA-CD (Carrier-sense multiple access with collision detection). Този метод обаче прави Ethernet недетерминиран, което обаче е нежелателно в дадени индустриални приложения.

През последните няколко десетилетия Industrial Ethernet постепенно замени по-старите индустриални мрежи и различните типове полеви шини, популярни в промишлеността. В някои съвременни Industrial Ethernet конфигурации се използва стандартна Ethernet архитектура, но с добавяне на специални протоколи, които предполагат детерминизъм. Някои от тези протоколи включват Modbus/TCP, PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Sercos III и POWERLINK и т. н.

 

Предизвикателства пред Industrial Ethernet

Индустриалната среда е много по-различна от офис приложенията и поставя сериозни предизвикателства пред мрежовите технологии, използвани за комуникация. Физическият слой от индустриален клас Ethernet (PHY) трябва да работи в съответствие с изискванията на Ethernet стандартите. Има три важни аспекта, които е добре да бъдат взети предвид при избора на Ethernet PHY слой в етапа на проектиране на една промишлена система – латентността, електромагнитните смущения и електростатичния разряд.

Латентността представлява времезакъснението между подаването на команда към оборудването и действителното време за реакция. Този негативен ефект реално компрометира концепцията за детерминизъм при индустриалните Ethernet архитектури, а и по принцип. На практика това означава, че не е налице възможност да се предскаже с точност кога ще се извърши някаква операция или ще се случи дадено събитие.

Времето за реакция на Ethernet оборудването се определя от времето, необходимо за предаване на фреймове с променлива дължина през различни дължини на кабела с различна скорост. Проблемът е в неспособността на системата да предскаже кога ще настъпи закъснението според CSMA-CD процедурата за достъп. Това е реален проблем в редица индустриални приложения, които изискват управление и мониторинг на процеси в реално време. Без възможност за времево дефинирана работа някои машинни операции могат да се объркат. Роботите, производственото оборудване и металорежещите машини например редовно изискват данни за синхронизиране с останалите елементи на мрежата, за да се предотвратят неизправностите и престоите.

Основният въпрос е как да бъде преодоляно това предизвикателство в реалните приложения на промишлената автоматизация, които изискват предвидимост и прогнозируемост. За да не се превърне латентността в пречка пред изграждането на надеждни индустриални Ethernet мрежи, е важно да се вникне в същността на споменатите по-горе концепции за детерминизъм, повторяемост и времезакъснение.

Детерминизъм е характеристиката на даден процес или устройство да реагират винаги в рамките на определен времеви период или по-кратък от него. Това означава, че времето за реакция постоянно ще бъде по-малко или равно на дефинираната стойност.

Латентността се измерва с времето, необходимо на дадено действие да се случи след инициирането му. Това е периодът за реакция между генерирането на един процес или събитие и реалното им стартиране. Повторяемостта пък се свежда до постоянството във времето за реакция. Този термин понякога се свързва и с продължителността на т. нар. прозорец за вземане на решение от системата (solution window).

Цялостният подход към преодоляване на проблема с непредвидимостта на Ethernet архитектурите в промишлени приложения включва едновременно осмисляне и на трите парадигми и съставянето на план за конкретно действие. Правилна първа стъпка например би била изборът на физически слой с достатъчно малка латентност, че реално той да бъде достатъчно прогнозируем и устойчив, за да не се налага на мрежата да прибягва до специални протоколи за целта.

Що се отнася до електромагнитните смущения, те представляват сериозен риск за надеждността на Ethernet комуникацията в индустриални приложения. В тази категория попадат шумови емисии от силовите линии, преходни процеси от двигатели, релета и електромагнитни вентили, излъчвания от Wi-Fi и Bluetooth устройства, мобилни телефони и друго радио оборудване. В допълнение самата мрежа вероятно се явява значителен източник на смущения към друга чувствителна техника. За целта е необходимо да се осигури специално решение за защита на мрежата от подобен род негативни въздействия.

Електростатичният разряд (ESD) се отнася до огромна вълна или импулс от електрическа енергия, който произвежда много високо напрежение или ток. Светкавицата по време на буря е добър пример от природата за подобно явление. Често промишлените съоръжения крият риск от генериране на такъв разряд. За да се предотвратят потенциални проблеми, чувствителните системи и оборудване отново трябва да разполагат със специализирана защита.

 

Управляеми и неуправляеми суичове

Мрежовите комутатори се делят на два основни типа – управляеми и неуправляеми. Подготовката на традиционните индустриални мрежи за IIoT приложения с управляеми индустриални Ethernet комутатори е от ключово значение за прехода на много компании към стандартите на Industry 4.0. Логично възниква въпросът има ли място за неуправляемите комутатори в IIoT архитектурите и колко умно или управляемо трябва да бъде едно мрежово устройство, за да продължи да бъде приложимо в дигиталните съвременни производства. Оказва се, че всичко опира до спецификите на конкретното приложение.

Индустриалните неуправляеми комутатори поначало са рентабилни, издръжливи в сурови условия и могат да се използват за свързване на редица устройства към мрежата. Те са от типа “plug-and-play” устройства, които не налагат експертна инсталация и конфигуриране. Тези системи се явяват “прозрачни” по отношение на повечето индустриални протоколи, което елиминира важния въпрос за съвместимостта. В допълнение, обикновено те са и по-компактни, което пък ги прави лесни за монтаж в шкафовете за управление. Изисква се повишено внимание при работата на неуправляеми комутатори с индустриални протоколи като Profinet, EtherNet/IP и Modbus TCP, които се базират на Ethernet комуникация и се използват в приложения, изискващи мрежи с кратки времена за реакция и ниско трептене.

В този смисъл изборът на управляем суич е оправдан в редица сценарии. Той може да бъде интегриран и проверяван лесно чрез платформа за наблюдение на мрежата, система за надзорен контрол и събиране на данни (SCADA), интерфейс човек-машина (HMI) или портал на контролера. Управляемите комутатори разполагат с широк набор от механизми за подобряване на надеждността на мрежата – управление и приоритизиране на различни видове данни за мрежовия трафик, поддръжка на протоколи за съкращения и за управление на мрежата и т. н.

Важно съображение при избора на решение е сигурността. Докато неуправляемите устройства типично не разполагат с функции за сигурност, управляемите суичове често включват поддръжка на различни нива на сигурност – от основни функции като удостоверяване на потребителски достъп до по-усъвършенствани като контрол на достъпа “клиент/сървър” и криптиране на данни.

В обобщение – неуправляемите комутатори са практически приложими за свързване на малък брой устройства и установяване на базова комуникационна връзка в приложения без специални изисквания. В дългосрочен план се оказва по-рентабилно да се инвестира в управляеми устройства вместо в по-евтините на пръв поглед аналози без функции за управление.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top