Ethernet w zastosowaniach przemysłowych

Oferta rozwiązań sieciowych firmy AAXEon

W ostatnich latach sieć Ethernet zyskała bardzo dużą popularność. Przemysłowe sieci Ethernet zapewniają stabilną i szybką komunikację na poziomie urządzeń, np. między modułami we/wy, PLC, panelami HMI, oraz łączność na poziomie informacyjnym między komputerami w przedsiębiorstwie. Zalety sieci Ethernet sprawiły, że od kilku lat jest to najczęściej wybierany standard w szeroko pojętej automatyce przemysłowej. Szacuje się, że przez najbliższe pięć lat sprzedaż urządzeń automatyki z portem Ethernet będzie rosła w tempie ponad 50 % rocznie.

Wymagania stawiane Ethernetowi w wersji przemysłowej są diametralnie różne od jego odpowiednika biurowego. Osprzęt sieciowy do zastosowań przemysłowych powinien mieć solidną obudowę, odporną na wstrząsy, wibracje i wysoką temperaturę. Przełączniki przemysłowe nie mogą mieć żadnych elementów ruchomych, a podzespoły, z których są wykonane, powinny być wysokiej jakości, aby zapewnić odpowiednio wysoki MTBF.

Dla osprzętu sieciowego niezawodność to nie tylko solidna obudowa i odporność na ekstremalne temperatury. Niezawodność to przede wszystkim zdolność utrzymania sieci w ruchu nawet w przypadku jednoczesnego wystąpienia kilku awarii. O ile trzyminutowy brak połączenia z serwerem w biurze to raczej drobna niedogodność, o tyle trzy minuty braku łączności ze sterownikiem PLC mogą, w przypadku zakładu produkcyjnego, spowodować ogromne straty finansowe.

Dlatego wymagania w stosunku do komponentów przemysłowych są różne w zależności od wymaganej funkcjonalności i odporności na warunki zewnętrzne. Najprostszą i najbardziej popularną grupą komponentów do budowy sieci Ethernet są niezarządzalne switche (fot. 1). Zaledwie kilka lat temu, gdy przemysłowy Ethernet nie był jeszcze tak popularny, zbudowanie sieci przemysłowej kosztowało krocie. Dziś urządzenia te są powszechnie dostępne, a pięcioportowy przełącznik można kupić poniżej 200 zł. Różnorodność niezarządzalnych przełączników jest bardzo duża, np. firma Aaxeon Technologies oferuje około 50 modeli różniących się m.in. liczbą i szybkością portów, temperaturą pracy i stopniem ochrony. Do wyboru mamy przełączniki z portami fast lub gigabit Ethernet, PoE (P.S.E.), SFP, oraz kilka rodzajów światłowodu.

Switche zarządzane, oprócz wzmocnionej konstrukcji, cechują się rozbudowaną funkcjonalnością, która pozwala na budowanie deterministycznych sieci, odpornych na przerwanie łącza. Typowym protokołem, zapewniającym redundancję połączeń w przemysłowej sieci Ethernet, jest technologia redundantnego pierścienia. W przypadku przerwania pierścienia protokół zapewnia natychmiastową rekonfigurację sieci i przejście na połączenia zapasowe w czasie poniżej 20 ms. W niektórych zastosowaniach tworzenie jednego dużego pierścienia może okazać się niemożliwe, dlatego protokół przewiduje tworzenie wielu mniejszych pierścieni z redundantnymi połączeniami między poszczególnymi pierścieniami, tzw. Ring Coupling.

Nie wszystkie protokoły redundantnego pierścienia są ze sobą kompatybilne, dlatego chcąćy wpiąć switch do istniejącej już sieci, można zastosować standardowy protokół redundancji RSTP/STP. Przełączniki zarządzalne firmy Aaxeon, np. seria LNX-1212GN (fot. 2), mają zaimplementowaną większość dostępnych mechanizmów i protokołów zwiększających niezawodność przesyłanych danych. Umożliwiają tworzenie wirtualnych sieci lokalnych VLAN, co pozwala na logiczny podział sieci, bez ingerencji w fizyczną infrastrukturę. IGMP Snooping zapewnia odpowiednie filtrowanie wiadomości multicast, a QoS czuwa nad determinizmem przesyłanych danych. Te i inne funkcje switcha konfiguruje się poprzez konsolę Web, Telnet lub Serial.

Uzupełnieniem oferty przełączników przemysłowych jest cały typoszereg media konwerterów, które umożliwiają wydłużenie dystansu transmisji ze standardowych 100 m do 120 km. Firma Aaxeon ma w ofercie ponad 100 różnych media konwerterów, różniących się prędkością, sposobem montażu oraz rodzajem portów światłowodowych. Ciekawostką są zarządzalne media konwertery z technologią WDM, POE oraz konwertery ze światłowodu wielomodowego na jednomodowy.

Kolejną grupą komponentów, bez których trudno sobie wyobrazić funkcjonowanie sieci przemysłowych, są elementy do budowy sieci bezprzewodowych. Bezprzewodowa łączność umożliwia niezawodną transmisję danych w połączeniu z szybką instalacją. Zastosowanie technologii bezprzewodowej zapewnia swobodę projektowania systemów automatyki, ponieważ kable często ulegają uszkodzeniu w trudnych warunkach środowiskowych lub przy częściach ruchomych.

Również w zakresie sieci bezprzewodowych oferta Aaxeon jest bardzo bogata. Firma oferuje komponenty do sieci 802.11 a/b/g/n oraz Bluetooth. Standard 802.11 stosowany jest głównie w infrastrukturze sieci LAN, natomiast Bluetooth jest dedykowany do bezpośredniej obsługi urządzeń wykonawczych, rozszerzając możliwości sieci przemysłowych. Bluetooth przeznaczony jest do małych sieci z maksymalnie siedmioma urządzeniami i prędkościami maksymalnie 1 Mb/s.

Zaletą transmisji Bluetooth jest duża niezawodność uzyskana dzięki technologii FHSS (ang. Frequency Hopping– częstotliwość skokowa Spread Spectrum w widmie rozproszonym). Transmisja odbywa się w całym zakresie pasma 2,4 GHz. Kanały, które są wykorzystywane przez inne sieci, są automatycznie wykrywane i usuwane z sekwencji skoków, dzięki czemu transmisja danych jest bardziej niezawodna.

Ze względu na rodzaje zastosowań istnieje wiele profili sieci Bluetooth. W automatyce najczęściej stosowane są PAN (ang. Personal Area Networking) i SPP (ang. Serial Port Profile). Przykładowo, moduły Parani SD1000 wspierają profil SPP i umożliwiają zastąpienie połączenia szeregowego (fot. 3). W zależności od zastosowanej anteny, urządzenie z portem szeregowym można oddalić od komputera na odległość od 100 m do 1000 m.

W ofercie Aaxeon znajdziemy również punkt dostępowy Bluetooth Parani MSP1000, który umożliwia podłączenie od 7 do 28 urządzeń Bluetooth do sieci Ethernet. MSP1000 wykorzystuje Bluetooth 2.0 z Enhanced Data Rate (EDR) i wspiera profile SPP, PAN, DUN i FTP. Punkt dostępowy ma wbudowany serwer COM i umożliwia łatwe włączenie urządzeń z portem szeregowym do sieci Ethernet. Urządzenia z portami RS-232/485 można również w prosty sposób podłączyć do sieci Ethernet przy pomocy serwerów portów szeregowych. Serwery COM oferują znacznie większe możliwości niż Bluetooth. W ofercie Aaxeon dostępne są urządzenia z 1/2/4/8/16 portami szeregowymi do sieci 802.3 lub 802.11 (fot. 4). Pod względem możliwości konfiguracyjnych serwery COM znacznie przewyższają moduły Bluetooth, ale jest to zwykle okupione większymi gabarytami urządzeń oraz ich wyższą ceną.

Sieci Ethernet ze wsparciem technologii Bluetooth to ciekawa propozycja organizacji sieci przemysłowej. Integracja sieci Ethernet, Bluetooth oraz komponentów z interfejsem szeregowym w jedną sieć umożliwia sprawne zarządzanie całym przedsiębiorstwem. Zarząd może mieć wgląd w procesy produkcyjne, logistykę oraz wyniki finansowe firmy w czasie rzeczywistym. Takie rozwiązanie umożliwia optymalizację wszystkich procesów przedsiębiorstwa. Popularności sieci Ethernet i Bluetooth należy upatrywać w tym, że są to standardy powszechnie stosowane w biurach i w domach. Większość współczesnych komputerów ma wbudowaną kartę sieciową oraz Bluetooth, dlatego użytkownicy są już zaznajomieni z funkcjonalnością obu interfejsów. Wdrożenie takiej sieci nie wymaga szkoleń personelu, a komponenty są niedrogie i powszechnie dostępne.

Cezary Kalista
AAXEON Technologies sp. z o.o.
ul. Czereśniowa 98 p. 119
02-456 Warszawa
www.aaxeon.pl

źródło: AAXEON Technologies