Инфраструктурные устройства сети Ethernet.
Современные тенденции в области промышленных коммутаторов
Критерии выбора инфраструктуры промышленных сетей
Для достижения высокой степени готовности оборудования, эксплуатируемого в промышленных условиях, к нему предъявляется ряд требований: широкий диапазон рабочих температур, стойкость к ударам и вибрации, а также электромагнитная совместимость. Эти требования привели к появлению в последние годы нового класса устройств — промышленных коммутаторов, устанавливаемых на монтажную рейку в электротехническом шкафу или в корпусе шинной распределительной системы.
Выбор подходящих промышленных коммутаторов зависит, прежде всего, от условий места применения, используемого интерфейса для подключения и сред передачи данных в каждом конкретном случае применения. Фирма Phoenix Contact в своей серии изделий „Factory Line» предлагает пользователю компактные коммутаторы в различных исполнениях: с 5-ю, 8-ю или 16-ю портами или модульные варианты. Подключение оконечных устройств к сети и соединение их между собой можно осуществить витой парой, многомодовым или одномодовым стекловолоконным кабелем, либо требующем меньше трудозатрат для подготовки, оптическим кабелем из полимерного волокна или, наконец, через интерфейс Power over Ethernet (IEEE 802.3af) (рис. 1).
Стандарты информационных технологий расширяют полосу используемых частот
При создании всеобщей сети на базе Ethernet такие функции, как передача видеоизображения или звука по протоколу IP можно использовать и в системах автоматизации. Веб-камеры можно применять для визуального наблюдения за технологическими процессами, например, с применением автоматических манипуляторов. IP-телефония может использоваться в общей базовой сети Ethernet для обеспечения голосовой связи с техническими специалистами службы сервиса, находящимися непосредственно на месте. Желание интегрировать функции передачи видеоизображения и звука по протоколу IP или другие услуги информационных технологий в системы автоматизированного управления, требует расширения используемой полосы частот.
Gigabit-Ethernet
Интерфейс Gigabit-Ethernet (на базе витой пары — стандарт IEEE 802.3ab и на базе стекловолоконного кабеля — стандарт IEEE 802.3az) с номинальной скоростью передачи данных 1000 Mбит/с и, соответственно, более быстрой передачей телеграмм по сравнению с Fast Ethernet, требует и десятикратного увеличения ширины полосы частот. Передача самых больших пакетов Ethernet -размером 1522 байт — занимает менее 13 мкс. Gigabit-Ethernet, таким образом, может обеспечить необходимый резерв в полосе частот и передачу данных в режиме реального времени в автоматизированных системах управления.
Часто центральная телекоммуникационная сеть участков производства оказывается уже реализованной на базе Gigabit-Ethernet, поэтому отсюда вытекают соответствующие требования к интерфейсу промышленной инфраструктуры. Между тем различные производители уже предлагают на рынке промышленные Gigabit-коммутаторы, которые, правда, в большинстве случаев поддерживают высокую скорость передачи данных только между двумя портами.
Промышленные сети на базе Ethernet, как правило, имеют децентрализованную структуру, поэтому, построены по топологии типа „шина» или „кольцо»,а это накладывает на них определенные ограничения. Два магистральных порта, не позволяют оконечным устройствам, оснащенным интерфейсом для сети Gigabit, например, высокопроизводительным серверам баз данных, решающим задачи логистики, непосредственно использовать возможности высокоскоростной передачи данных.
Дополнительные T-образные разветвители или линии связи с магистралью также не могут быть реализованы в полосе частот Gigabit-Ethernet.
С разработкой новых коммутаторов SMCS 8GT и SFN 8GT из семейства изделий Factory Line на рынке впервые появились промышленные коммутаторы уровня Gigabit-Ethernet — как „управляемые» так и „неуправляемые”. Они поддерживают высокую скорость передачи данных на всех восьми портах. Это упрощает как проектирование сети при гибком выборе топологии, так и ее монтаж, поскольку все порты поддерживают одинаковую скорость передачи данных 1 Гбит/с. Эти коммутаторы позволяют создать высокопроизводительную, гибкую и экономичную сеть вплоть до уровня полевых устройств.
Реализация 1000Base-T на витой паре обеспечивает передачу данных по нисходящей линии связи со скоростью 100 и 10 Мбит/с с автоматическим согласованием скорости передачи данных с их объемом. Это позволяет подключать к сети оконечные устройства Fast- Ethernet и сегменты по принципу „plug & play».
Реализация сети Gigabit на базе витой пары и оптоволоконного интерфейса
Длина сегмента витой пары в сети Gigabit-Ethernet составляет 100 м. Для работы со скоростью 1000 Мбит/с (Gigabit) требуется, однако, кабель с четырьмя парами проводов передачи данных. Кабельная разводка должна удовлетворять требованиям по параметрам передачи данных, как минимум, в соответствии с категорией Cat 5 (ранее Cat 5e). Для сетей Gigabit с высокими требованиями используются высококачественные кабеля категории CAT 6, например патч-кабеля.
Помимо витой пары для Gigabit-Ethernet стандарта IEEE 802.3az можно применять оптоволоконные технологии стандартов 1000Base-SX и 1000Base-LX. В стандарте 1000Base-SX используется многомодовый оптоволоконный кабель для передачи на расстояние до 550 м. В случае 1000Base-LX применяется одномодовый оптоволоконный кабель, при этом длину сегмента можно увеличить, в зависимости от применяемых компонентов, до двадцати километров.
Резервирование сети повышает ее готовность
Помимо высокой скорости передачи данных и способности работать в режиме реального времени готовность сети и системы определяет выбранная инфраструктура. Применение управляемых коммутаторов позволяет создавать диагностируемые сетевые структуры с резервированием (рис. 2). Если контуры автоматизированной системы должны присоединяться к вышестоящим телекоммуникационным магистралям (стандарта Gigabit) с резервированием, то сопряжение осуществляется на втором уровне стека протоколов, т.е. на уровне коммутаторов, по наиболее распространенному среди производителей, стандартному протоколу резервирования RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) согласно IEEE 802.1w. В зависимости от вышестоящей IT-структуры, канал резервирования может быть создан на уровне 3 по протоколу VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol).
Для контуров автоматизации, подключенных к сети, важное значение имеет время переключения на резервный канал. Современные международные стандарты МЭК определяют механизмы достижения высокой степени готовности таких сетей автоматизации. Для целей всеобъемлющего контроля технологических процессов требуется максимально возможное быстрое переключение на резервный канал менее 500 мс. Управляемые коммутаторы промышленного применения серии Factory Line имеют механизмы резервирования среды передачи и обеспечивают время переключения 200 мс.
Поддержка протоколов автоматизированных систем
Такие протоколы автоматизации, как Profinet IO и EtherNet/IP ориентированы на ввод-вывод данных в областях применения, критичных в отношении времени, поэтому структура размещения коммутаторов должна быть рассчитана соответственно. Profinet IO требует от структуры коммутаторов управления передачи фреймов Ethernet в зависимости от приоритетов. Для этого информация о приоритетах анализируется в сетиVLAN (Virtual Local Area Network) в соответствии со стандартом IEEE 802.1Q. Назначение приоритетов пакетам данных служит для того, чтобы при большой загрузке сети избежать задержки низкоприоритетными данными данных с более высоким приоритетом, например, критичных в отношении времени процессных данных.
Управляемые коммутаторы семейства Factory Line способны поддерживать режим реального времени шины Profinet и, более того, видимы через устройства ввода-вывода Profinet IO в программных инструментах Profinet для отладки и ввода в эксплуатацию. Для наглядного отображения конфигурации сети эти программные инструменты Profinet, например, PC WorX, поддерживают протокол Link Layer Discovery (LLDP). Функции управляемых коммутаторов, такие как резервирование и распознавание топологии пользователь может настраивать и диагностировать через интегрированный Web-сервер (рис. 3).
Пригодность управляемых коммутаторов для применения в промышленности определяется также трудоемкостью монтажа, ввода в эксплуатацию или замены устройств при обслуживании. Особенно просты в эксплуатации коммутаторы Smart Managed Compact Switch (SMCS). Все настройки, необходимые для конфигурирования в конкретной области применения можно предварительно записать на вставной конфигурационный модуль. Это очень существенно упрощает ввод коммутатора в эксплуатацию. Вставной конфигурационный модуль с разъемом М12 промышленного применения можно оставить на соответствующем устройстве и тогда замена устройств при обслуживании упрощается до уровня „plug and play» без использования, при этом, программных инструментов (рис. 4).
Заключение
Компоненты инфраструктуры Ethernet в значительной степени определяют способность сети функционировать в режиме реального времени, ее пропускную способность и степень готовности сети и оборудования, а также трудоемкость ввода в эксплуатацию и обслуживания. Применение компонентов, ориентированных на область применения и на самого пользователя, является решающим фактором для повышения производительности и экономичности систем автоматизации.
ООО «Феникс Контакт Рус»
115477 Москва, ул. Кантемировская, д. 58
Тел.: +7 (495) 933-85-48
Факс: +7 (495) 931-97-22
info@phoenixcontact.ru
www.phoenixcontact.ru