Rozwój technologii komponentów do komunikacji w sieciach przemysłowych

Nowoczesna technologia w zakresie automatyzacji sieci przemysłowych wymaga przesyłu coraz większej ilości danych, toteż dla zapewnienia bezpiecznego przesyłu danych konieczne są połączenia bardzo wysokiej klasy. Komponenty do sieci przemysłowych są stosowane w różnych gałęziach przemysłu, np. w liniach produkcyjnych, nowoczesnych maszynach, w systemach sterowania i kontroli.

Rynek sieci przemysłowych

Obecnie dostawcy oferują na polskim rynku wiele urządzeń sieciowych, wśród nich m.in. switche, konwertery, przewody. Stosowanie sieci przemysłowych przyczynia się do poprawy kontroli i zarządzania złożonymi, często rozproszonymi układami automatyki przemysłowej.

Ważną rolę na rynku komponentów sieci przemysłowych odgrywa firma ASTOR. Paweł Podsiadło, specjalista ds. sterowania i sieci przemysłowych tej firmy twierdzi, że przewodowa transmisja danych z wykorzystaniem sieci Ethernet jest jednym z najbardziej popularnych sposobów wymiany informacji w przemyśle. Wysoka przepustowość sieci Ethernet w połączeniu z łatwą rozbudową o nowe urządzenia oraz szybką instalacją magistral sprawiają, że coraz więcej użytkowników wybiera ten standard jako wiodący. Powoduje to, że jednym z najczęściej stosowanych urządzeń komunikacyjnych jest switch (przełącznik) przemysłowy. Rosnącym zainteresowaniem cieszą się zwłaszcza switche zarządzalne, które poza przemysłowym wykonaniem charakteryzują się szeregiem specjalnie opracowanych funkcji, np. pozwalających na szybkie wykrywanie i usuwanie awarii (zdalna diagnostyka) oraz zabezpieczających sieć przed awarią (rozbudowane, samonaprawiające się struktury sieciowe). Cenionym przez administratorów sieci przemysłowych narzędziem jest również dedykowane oprogramowanie pozwalające w sposób automatyczny wykrywać połączenia sieciowe oraz budować graficzną wizualizację struktury całej sieci Ethernet.

Switche zarządzalne dostarcza również firma Antaira Technologies. Jak podkreśla Cezary Kalista, specjalista Antaira Technologies, switche te – oprócz wzmocnionej konstrukcji – cechuje rozbudowana funkcjonalność, która pozwala na budowanie deterministycznych sieci, odpornych na przerwanie łącza. Typowym rozwiązaniem, zapewniającym redundancję połączeń w przemysłowej sieci Ethernet jest technologia redundantnego pierścienia. W przypadku przerwania pierścienia realizowana jest natychmiastowa rekonfiguracja sieci i przejście na połączenia zapasowe w czasie poniżej 20 ms. W niektórych zastosowaniach tworzenie jednego dużego pierścienia może okazać się niemożliwe, dlatego przewiduje się tworzenie wielu mniejszych pierścieni z redundantnymi połączeniami między poszczególnymi pierścieniami, tzw. Ring Coupling, Dual Homing lub Dual Ring. Nie wszystkie protokoły redundantnego pierścienia są ze sobą kompatybilne, dlatego w sytuacji, gdy chcemy wpiąć switch do istniejącej już sieci, można zastosować standardowy protokół redundancji RSTP/STP. Przełączniki zarządzalne firmy Antaira 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.

Konfiguracja zarządzalnych switchy nikomu nie powinna nastręczać trudności. Większość przełączników ma bardzo intuicyjną konsolę web, która znacznie ułatwia konfigurację początkującym użytkownikom, szczególnie w małych sieciach. Zaawansowani użytkownicy, zwłaszcza w przypadku sieci rozległych, chętnie korzystają z wiersza poleceń CLI oraz SNMP. Pojęcie switch przemysłowy jest bardzo pojemne. Wspólnym mianownikiem dla tych urządzeń jest podwyższona odporność na trudne warunki zewnętrzne, natomiast funkcjonalność przełączników jest dobierana w zależności od tego, w jakiej aplikacji zostały zastosowane i jakiego rodzaju dane przesyłają.

Switch LNX-1212GN-SFP-T wyróżnia się liczbą dostępnych portów SFP, ponieważ każdy z portów switcha może być uzbrojony w moduł SFP. Wśród zastosowań przemysłowych nie jest to częste rozwiązanie – zwykle tylko porty do tworzenia szkieletu sieci mają taką postać. LNX-1212GN-SFP-T wyposażony jest w osiem portów 10/100/1000T/SFP Combo oraz cztery porty 1000BaseX SFP. Jest to bardzo uniwersalny switch, ponieważ w odróżnieniu od switchy modułowych każdy port LNX-1212GN-SFP-T można skonfigurować indywidualnie.

Switch EDS-619 to najbardziej rozbudowany model przełącznika z rodziny EDS-600 oferowany przez firmę Elmark Automatyka. Urządzenie zostało wyposażone w cztery sloty przeznaczone do montażu modułów z serii CM-600, co pozwala zainstalować maksymalnie 16 portów Fast Ethernet. Ponadto EDS-619 ma trzy porty gigabitowe combo RJ-45/SFP. Switch EDS-619, podobnie jak pozostałe switche z serii 600, ma nowy zestaw funkcjonalności, m.in. Turbo Chain, PTP, DHCP Option 82, LLDP. Protokoły Turbo Chain oraz Turbo Ring umożliwiają tworzenie redundantnych sieci o czasie rekonfiguracji poniżej 20 ms. EDS-619 został zaprojektowany do pracy w warunkach przemysłowych, ma solidną, metalową obudowę, uchwyt do montażu na szynie DIN i może pracować w szerokim zakresie temperatury.

EDS-P510A-8PoE to jeden z najnowszych switchy firmy Moxa z obsługą standardu IEEE 802.3af/at. Przełącznik jest wyposażony w funkcjonalności switcha zarządzalnego, ma dodatkowo osiem portów mogących zasilać urządzenia zgodne ze standardem PoE i PoE+. Dodatkowe dwa gigabitowe porty combo (RJ-45 bądź slot na moduł SFP) umożliwiają komunikację na znaczne odległości. Dzięki zastosowaniu modułów SFP transmisja światłowodowa może odbywać się na odległość nawet do 80 km. Ponadto wykorzystanie światłowodu jako medium transmisyjnego eliminuje wpływ zakłóceń elektromagnetycznych. Switch EDS-P510A-8PoE został wyposażony w szereg mechanizmów usprawniających przesyłanie pakietów w sieci Ethernet – IGMP, VLAN, QoS, RMON, a także w protokół Moxa Turbo Ring, umożliwiający tworzenie redundantnych połączeń w topologii pierścienia. Przełącznik Moxa to urządzenie zaprojektowane do zastosowań przemysłowych w szerokim zakresie temperatury, wyposażone m.in. w uchwyt do montażu na szynie DIN, redundantne wejście zasilania, aluminiową obudowę IP30.

ICS-G7848/G8750/G8752 to najnowsza seria switchy corowych, obsługująca przełączenia w warstwie trzeciej. 48 portów gigabitowych (RJ-45 bądź SFP) oraz nawet cztery porty 10 Gb/s sprawiają, że urządzenia te idealnie sprawdzą się w roli przełączników rdzeniowych w rozległych sieciach przemysłowych. ICS-G7848/7850/7852 obsługują zarówno routing statyczny, jak i dynamiczny (RIP, OSPF), a także routing multicastu (DVMRP, PIM-DM). Uzupełnieniem funkcjonalności switchy z tej serii jest cała gama protokołów sieciowych: 802.1Q VLAN, QoS, IGMP Snooping, DHCP, SNMP i wiele innych.

Przełączniki z rodziny ICS-G7848/G4850/G7852 stanowią idealny wybór wszędzie tam, gdzie wymagana jest zarówno wysoka wydajność, jak i niezawodna, bezawaryjna praca.

Rozwój technologii sieci przemysłowych

Piotr Sabak, Product Manager firmy Elmark Automatyka podkreśla że wraz z rozwojem sieci przemysłowych bazujących na technologii Ethernet pojawia się coraz więcej mechanizmów zapewniających niezawodne przesyłanie danych i odporność sieci na awarie związane z brakiem komunikacji w którymś z segmentów sieciowych.

O ile jeszcze kilka lat temu najpopularniejszym rozwiązaniem, zapewniającym nadmiarowość połączeń sieciowych, były protokoły bazujące na topologii redundantnego pierścienia, o tyle obecnie gama dostępnych protokołów redundancji jest o wiele szersza – dostępne są zarówno tradycyjne pojedyncze pierścienie, jak i możliwość łączenia większej liczby redundantnych pierścieni w jedną sieć. Pojawiły się też protokoły redundantne w topologii magistrali. Sieć oparta na takim redundantnym łańcuchu przełączników może być wpięta do dowolnego, istniejącego już segmentu infrastruktury. Wciąż popularne są technologie bazujące na protokole drzewa rozpinającego (STP, RSTP, MSTP), których główną zaletą jest duża elastyczność oraz otwarta specyfikacja, pozwalająca na implementację tych rozwiązań w urządzeniach różnych producentów.

Zdaniem Piotra Sabaka, ze względu na specyfikę sieci przemysłowych, gdzie niezawodność przesyłania danych między różnymi systemami ma znaczenie krytyczne, należy spodziewać się dalszego rozwoju i ulepszania technologii zapewniających redundancję połączeń.

Istotną pozycję na rynku urządzeń do sieci przemysłowych zajmują konwertery sieciowe i karty sieciowe. Szczególnie popularne stają się konwertery sieciowe, które w znaczny sposób przyczyniają się do modernizacji maszyn. Dzięki nim można zapewnić sterowanie maszynami przez sieć Ethernet bez zmiany ich interfejsów.

Firma Acte oferuje konwerter RS-232 na Ethernet. Urządzenie jest gotowym rozwiązaniem w formie modemu wyposażonego w port RJ-45 oraz RS-232. Wystarczy podłączyć zasilanie, kabel Ethernet oraz DB9 i układ jest gotowy do pracy. Telecom Design proponuje szeroką gamę produktów Serial to Ethernet umożliwiających szybkie podłączenie urządzeń interfejsem szeregowym do sieci Ethernet. Konfiguracja odbywa się za pomocą komend AT lub programu Device Manager. Urządzenia są przystosowane do pracy w przemysłowych zakresach temperatury (–40… +90) °C.

Bardzo ważną rolę w obszarze sieci przemysłowych odgrywają moduły I/O, które umożliwiają podłączanie różnych sygnałów wejściowych – np. z czujników czy włączników – oraz sygnałów wyjściowych do sterowania i kontroli urządzeń. Istotne jest, że dane przekazywane są do systemu za pomocą sieci komunikacyjnych.

Stosowane są wersje modułowe i kompaktowe. Rozwiązania modułowe składają się z elementu backplane oraz kart we/wy. Na rynku są dostępne moduły czujnikowe, termoparowe, licznikowe.

Wersje kompaktowe to moduły o określonej funkcjonalności, które mogą być stosowane samodzielnie i bez możliwości zmiany elementów. Warto podkreślić, że technologia modułów rozwija się bardzo szybko dzięki podwyższaniu ich parametrów.

Ethernet w sieciach przemysłowych

Mimo rosnącej popularności technologii sieciowych stosujących Ethernet, wykorzystanie jej w przemyśle jest nadal mniejsze niż w innych dziedzinach. Jedną z istotnych przyczyn są wymagane w rozwiązaniach przemysłowych krótkie czasy przesyłu danych.

Cezary Kalista wyraźnie podkreśla, że Ethernet zdominował sieci przemysłowe zarówno na poziomie informacyjnym, jak i na poziomie urządzeń. Szacuje się, że przez najbliższe pięć lat sprzedaż urządzeń automatyki z portem Ethernet będzie rosła w tempie ponad 50 procent rocznie. Za stosowaniem Ethernetu w przemyśle przemawia popularność, jaką cieszy się ten standard oraz korzystny współczynnik ceny do możliwości. Popularności sieci Ethernet przysporzył fakt, że standard jest powszechnie stosowany w domach i biurach. Trzeba jednak pamiętać, że wymagania stawiane Ethernetowi w wersji przemysłowej są znacząco 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 ekstremalną temperaturę – niezawodność to przede wszystkim zdolność utrzymania w ruchu sieci, nawet w przypadku wystąpienia kilku awarii jednocześnie.

Więcej informacji w numerze 10/2013 miesięcznika naukowo-technicznego Pomiary Automatyka Robotyka. Zapraszamy do lektury.

Anna Kropiewnicka-Mielko

źródło: PAR 10/2013