Industrial Ethernet: понятие и сущность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Industrial Ethernet

Эффективность работы современных промышленных предприятий во многом зависит от гибкости применяемых систем автоматизированного управления. Крупные производственные установки требуют использования нескольких децентрализованных систем управления, связанных друг с другом мощной информационной сетью, способной работать в сложных промышленных условиях. Одним из основных международных стандартов информационных сетей промышленного назначения, поддерживаемых концерном Siemens, является стандарт Industrial Ethernet.

Industrial Ethernet (Промышленный Ethernet) - это мощные вычислительные сети, используемые, как правило, на верхних уровнях АСУТП, соответствующие международным стандартам EEE 802.3 (Ethernet, 10Мбит/с) и IEEE 802.3u (Fast Ethernet, 100Мбит/с). За счёт наличия возможности автоматической настройки режимов передачи и построение коммутируемых сетей стандарт обрёл популярность в системах автоматики. Продвижение и поддержка стандарта ведется организацией Industrial Ethernet Association.

Внедрению Industrial Ethernet в промышленные сети способствовали следующие факторы:

1. Скорость передачи данных достигающая 10 Гбит/с, что позволяет строить системы жесткого реального времени.

2. Простота построения интегрированных сетей с Internet и Intranet, используя протоколы SNMP, FTP, MIME, HTTP.

3. Легкость в построении общей интегрированной системы офисных и промышленных сетей.

4. Возможность организации многомастерных сетей.

5. Использование самых различных сетевых топологий.

Применению промышленного Ethernet некоторое время препятствовал метод случайного доступа к сети, не гарантировавший доставку сообщения в короткое и заранее известное время. С применением коммутаторов industrial ethernet эта проблема была решена.

Выделяют 4 стандартных скорости передачи данных по витой паре или оптоволоконному кабелю Industrial Ethernet: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с и 10 Гбит/с.

В чем же отличие Industrial Ethernet и его стандартной вариации?! Самыми главными признаками являются:

- промышленные климатические условия работы;

- устойчивость к вибрациям;

- отсутствие вентиляторов и кулеров в работе;

- высокие требования электромагнитной совместимости;

- компактность, удобство в подключении;

- разъемы и оборудование со степенью защиты до IP67;

- высокая степень защиты от электростатических зарядов, электромагнитных импульсов, от превышения напряжения питания.

Естественно, что промышленная сеть ethernet передает много вспомогательных данных. К примеру, при пересылке всего 8 байт, что типично для АСУ ТП, то полезная информация в протоколе составляет всего 11%, поскольку каждый пакет TCP/IP содержится 68 байт служебной информации. Нивелируется это большой пропускной способностью industrial ethernet сетей.

Структура физического и канального уровня Ethernet

Физический уровень состоит из среды передачи и методов кодирования информации.

Средой передачи industrial ethernet может быть:

- FC TP (Fast Connect twisted pair - витая пара для быстрого монтажа).

- Промышленные витые пары (ITP - Industrial Twisted Pair) с длиной линии до 100м.

- Оптические каналы связи.

- Беспроводные каналы связи в частотном диапазоне 2.4 ГГц.

В зависимости от состава используемых компонентов на основе электрических и оптических каналов связи могут создаваться линейные, звездообразные и кольцевые топологии сети. В составе одной сети допускается комбинированное использование электрических и оптических каналов связи.

К Industrial Ethernet могут подключаться:

- Программируемые контроллеры SIMATIC S7/ WinAC.

- Персональные и промышленные компьютеры.

- Средства визуализации SIMATIC HMI.

- Сертифицированные системы других производителей.

Активные сетевые компоненты позволяют строить сети, использовать в Industrial Ethernet технологию коммутируемых сетей, увеличивать протяженность каналов связи и количество подключаемых сетевых устройств.

Сферы применения

Оборудование Industrial Ethernet востребовано в нефтегазовой добыче и переработке, транспорте (железные дороги, метро, автомагистрали, морской транспорт), металлургии, горнодобывающей и химической промышленности и др. Успешно реализованы проекты гидроэлектростанций и телекоммуникационных объектов на базе оборудования GarrettCom. Известен опыт внедрения оборудования Korenix в системе городского электротранспорта. Мировой опыт внедрения систем передачи данных на 31 олимпийском объекте в Пекине, а также на ряде транспортных систем в Китае и других странах имеет компания Kyland.

Отличительные характеристики

Проанализировав специфику каждой отрасли, несложно понять, что продукция Industrial Ethernet должна обладать характеристиками, которых нет у обычного оборудования Ethernet, предназначенного для офисного применения. Удаленное базирование промышленных объектов от пункта управления опорными сетями передачи данных, а также нередко жесткие условия окружающей среды (высокие/низкие температуры, влажность и атмосферное давление, ветренопылевая активность и др.) предъявляют особые требования к оборудованию.

Большая пропускная способность и скорость передачи данных

Объем трафика напрямую зависит от многих факторов: количества архивируемых и визуализируемых технологических параметров, количества серверов и операторских станций, используемых прикладных приложений и т.д. В отличие от полевых сетей жесткого требования детерминированности у обычного оборудования Ethernet нет: неважно, сколько времени займет передача сообщения от одного узла к другому - 100 мс или 700 мс. Главное, чтобы сеть в целом могла справляться с общим объемом трафика за определенное время.

Отказоустойчивость

industrial ethernet данные передача

В случае выхода из строя Industrial Ethernet-коммутатора или обрыва канала система управления способна в кратчайшие сроки (не более 500 мс) локализовать место отказа, выполнить автоматическую перестройку топологии и перенаправить трафик на резервные маршруты.

Температурный режим

Оборудование упомянутых выше производителей чаще всего предназначено для работы в широком температурном диапазоне. Большая часть продуктовой линейки может работать в диапазоне от -40 до +85 °С. Конструкторы с успехом реализовали на своем оборудовании проект мониторинга на железной дороге в условиях тибетского высокогорья, районе с низкой температурой и сильным ветром. Устройства передачи данных установлены как внутри подвижного состава, так и вблизи железнодорожного полотна под открытым небом.

Защита от ЭМИ

Важным фактором безотказной работы оборудования Industrial Ethernet является возможность эксплуатации в условиях повышенного электромагнитного излучения.

Система охлаждения

Важной отличительной чертой оборудования Industrial Ethernet является отсутствие вентиляторов. Известно, что наиболее распространенная причина выхода из строя компьютерного оборудования - это неисправность систем охлаждения. Вышедший из строя вентилятор приводит к нестабильной работе коммутатора и его зависанию. Производители промышленного оборудования используют пассивную систему охлаждения. Алюминиевый корпус коммутаторов Kyland имеет гофрированную поверхность, что позволяет максимально рассеивать выделяющееся тепло.

Резервирование связей в промышленных сетях Ethernet

Резервированию в промышленных сетях Ethernet с коммутаторами посвящена серия стандартов IEEE. Однако первоначально они были предназначены только для исключения замкнутых контуров в сетях, поэтому требования к быстродействию алгоритмов учтены не были. В связи с резким ростом спроса на промышленный Ethernet (рост более 50% в год c 2004 г.) возросли требования ко времени переключения на резерв. Существует несколько методов резервирования промышленного Ethernet:

- агрегирование линий связи - технология объединения нескольких физических каналов в один логический. Это способствует не только значительному увеличению пропускной способности магистральных каналов коммутатор-коммутатор или коммутатор - сервер, но и повышению их надежности.

- резервирование на основе протоколов STP и RSTP. Основной проблемой при резервировании сетей Ethernet с коммутаторами является устранение замкнутых логических контуров (петель, циклов). Логические петли не допускаются потому, что при их наличии коммуникационные пакеты могли бы вечно путешествовать по сети, ограничивая ее пропускную способность. При отказе некоторых ветвей протокол STP выбирает новые сетевые маршруты, в которых участвуют зарезервированные ранее связи;

- организация в сети физического кольца;

- полное резервирование всей сети.

Теперь рассмотрим конкретные конфигурации сетей операторского уровня. На рисунке изображена резервированная конфигурация сети верхнего уровня, содержащая оптоволоконное кольцо для организации связи между контроллерами и серверами. Иногда это кольцо дублируется, что придает системе дополнительную отказоустойчивость.

Рисунок 3 Топология сети с резервированием на основе оптоволоконного кольца (структурная схема опорной сети передачи данных АСУ ветряной электростанции в городе Dabancheng (Китай))

Система состоит из полевого контроллера, центрального контроллера и коммуникационной сети. Ветряные турбины могут быть различного типа, поэтому коммуникации могут размещаться между двумя турбинами, между турбиной и контролирующим центром, а также внутри турбины.

Требования к сети

Данная ОСПД является типичной системой распределения. Необходимо, чтобы здесь было выстроено кольцо с использованием Industrial Ethernet-коммутаторов. Коммутаторы должны быть защищены от пыли, иметь широкий температурный режим, работать в условиях повышенного ЭМИ и стабильно передавать параметры.

Заключение

Основной целью любого производственного предприятия является непрерывная работа и постоянная оптимизация для увеличения производительности и сокращения издержек. Внедрение Industrial Ethernet-технологий позволит полностью автоматизировать промышленные процессы и контролировать их работу, оперативно реагируя на любые изменения. Автоматизированные системы управления на базе промышленного Ethernet - это возможность ускорить работу предприятия, повысить его надежность, безопасность и прибыльность.

Размещено на Allbest.ru