PLC

тел: 8 (800) 707-18-71 (бесплатный звонок), 8 (499) 707-18-71

факс: 8 (800) 707-18-71 доб. 137 E-mail: info@plcsystems.ru

Доставка в любой регион России ! Представительства в регионах

Построение промышленных коммуникаций на базе сети Ethernet

В результате постоянного развития автоматизации промышленных объектов в настоящее время всё чаще появляются глобальные системы, имеющие распределённый характер с многогранной и гибкой архитектурой, требующие высокоскоростного обмена громоздкими пакетами данных с контролем их целостности. Большинство существующих на рынке систем связи не удовлетворяют обозначенным требованиям в силу устаревших технологий, экономической эффективности решений, а также простоты реализации.

Важнейшее требование, предъявляемое к промышленным сетям, состоит в надёжности, отказоустойчивости и стабильности сети. Кратковременная потеря связи может стать причиной огромных убытков, и, что наиболее важно, может стать причиной возникновения опасности для жизни людей. Усугубляет ситуацию тот факт, что промышленные сети зачастую находятся в непосредственной близости к технологическим объектам и работают в сложных производственных условиях, где коммуникационное оборудование подвергается воздействию повышенных температур, высокой влажности, регулярным вибрационным и значительным механическим нагрузкам.
В данной статье мы рассмотрим применение специализированного коммуникационного оборудования на примере таких производителей, как Koyo, Control Microsystems и Korenix, в промышленных условиях.

Наиболее распространённым типом промышленных сетей без сомнения является Ethernet. Этот тип сетей основан на децентрализованном подходе к построению коммуникаций. Сеть состоит из отдельных узлов, таких как компьютеры, ПЛК, датчики и пр., объединенных с помощью коммутаторов. Отсутствие единого управляющего центра позволяет легко создавать большие распределенные сети в масштабах предприятия и условно разбивать их на отдельные сегменты в масштабах цехов или отделов. Очень важным в таких сетях является использование широко распространенных протоколов стека TCP/IP и доступность целого спектра возможностей удаленного опроса и управления устройствами.

На сегодняшний день практически стандартом «де-факто» стало наличие у промышленных контроллеров либо встроенных портов с поддержкой Ethernet, либо дополнительных коммуникационных модулей. Это относится как к контроллерам, работающим над решением задач общепромышленной автоматизации, так и для контроллеров, на базе которых создаются различного рода специализированные системы – к примеру, системы телемеханики.

Рассмотрим контроллеры DirectLOGIC производства компании Koyo (Япония). Данные ПЛК предназначены для построения систем управления технологическими процессами в любых отраслях промышленности в цеховых условиях эксплуатации с различным числом каналов ввода/вывода. Контроллеры DirectLogic имеют несколько различных серий от моноблоков до каркасных с возможностью расширения. Для каждой серии существуют коммуникационные Ethernet-модули, обеспечивающие соединения с оборудованием по наиболее распространённым протоколам, таким как Modbus и DirectNet. Эти модули могут быть в работе как ведущими, так и ведомыми устройствами, функционировать на скорости 10/100 Мбит/с с автоопределением, и имеют поддержку протоколов TCP/IP, UDP/IP, IPX & MODBUS TCP. В качестве линий связи могут применяться как витая пара, так и оптоволокно.

Теперь перейдем к более специализированным устройствам. Системы телемеханики на базе промышленных контроллеров SCADAPack производства компании Control Microsystems (Канада) особый класс средств автоматизации, предназначенных для построения автоматизированных систем управления технологическими объектами, такими как: технологические объекты добычи нефти и газа, трубопроводы, сети тепло- и водоснабжения и канализации, электрические подстанции, железнодорожные и автомобильные магистрали, ирригационные системы, системы мониторинга окружающей среды. В последнее время системы телемеханики широко применяются в системах учета потребления энергоресурсов на предприятиях и в жилых зданиях.

Большинство моделей контроллеров SCADAPack имеют встроенные Ethernet-порты, для остальных же существуют отдельные дополнительные коммуникационные модули, выполняющие роль Ethernet-шлюзов.

Если рассматривать задачи автоматизации еще более широко и не ограничиваться только промышленными контроллерами, то в рамках организации местного пульта управления оператора широко применяются операторские панели, которые обмениваются информацией с контроллерами по сетям Ethernet, а для организации диспетчерского пункта с несколькими АРМами и серверами БД вопрос Ethernet-коммуникаций стоит еще более остро.

В частности операторские панели C-more производства компании Koyo (Япония) имеют практически во всех своих модификациях встроенную Ethernet-карту и поддерживают широкий набор наиболее распространенных протоколов для связи с контроллерами.

Конечно конкретные промышленные контроллеры или организация пульта местного управления - это лишь «верхушка айсберга». При создании полномасштабной системы автоматизации технологического процесса, когда все ее «участники» должны быть объединены в одну сеть на базе Ethernet, необходимо использовать дополнительные коммуникационные устройства, занимающие самостоятельную нишу среди средств автоматики. Речь идет о серверах последовательных устройств. Основное их достоинство заключается в возможности подключения последовательных устройств, сколь угодно удаленных друг от друга, через сеть Ethernet. Таким образом решается не только проблема подключения удаленных устройств но и подключение последовательных устройств, вообще лишенных Ethernet портов. Из отличительных особенностей серверов последовательных устройств стоит отметить возможность работы в различных режимах: Virtual Com, Serial Tunnel,TCP сервер, TCP клиент, UDP, что позволяет не только подключать последовательные устройства к компьютеру, но и при помощи технологии туннелирования двум последовательным устройствам обмениваться информацией напрямую, минуя компьютер. Компания Korenix (Тайвань) имеет в своем ассортименте несколько серий серверов под общим названием JetPort, при этом все серии имеют промышленное исполнение предполагающее использование в тяжелых условиях с повышенным уровнем вибрации, низкими температурами и высоким уровнем влажности. Самые совершенные модели, кроме всего вышеперечисленного, оснащены дискретными входами/выходами, оптической изоляцией портов, системами резервирования связи и системами оповещения о неисправностях.



После того, как всем абонентам предполагаемой распределенной сети предоставлена возможность работы через Ethernet с помощью встроенных портов, дополнительных коммуникационных модулей или преобразователей интерфейсов, в больших распределенных системах для объединения всех абонентов в единое информационное пространство обычно применяют управляемые коммутаторы, отличающиеся богатым набором сервисных функций. Для уменьшения паразитного трафика в таких коммутаторах используется протокол управления группами пользователей (IGMP), благодаря которому все члены сети могут посмотреть, какие хосты в настоящий момент объединены в группы и к каким группам они принадлежат, и поэтому знают, кто может получить передаваемую ими информацию. Разграничение доступа осуществляется путем создания виртуальных сетей (VLAN), с их помощью цеха или отделы предприятия логически отделяются друг от друга. Доступ к данным, хранящимся и передаваемым в одной сети, будет предоставлен пользователю другой только при соответствующей авторизации. Создается эффект их нахождения в различных локальных сетях. Своевременность доставки наиболее критичных данных обеспечивается заданием уровней качества обслуживания (QoS) для каждого порта коммутатора. Пакеты с наивысшим приоритетом будут доставляться сетью в первую очередь, в то время как менее важные данные будут ожидать своей очереди в буфере. Применение протокола управления сетевыми устройствами (SNMP) позволяет администратору сети удаленно управлять коммутаторами и получать от них необходимую информацию о состоянии из административной базы данных (MIB) устройства. В то же время при помощи расширения RMON можно выявлять наиболее загруженные трафиком участки сети, не загромождая линии связи большим количеством служебной информации. Эти средства позволяют выявить проблемные участки сети и предпринять необходимые действия до окончательного отказа оборудования. При возникновении нештатных ситуаций обслуживающий персонал должен немедленно информироваться. Для этого используется релейный выход коммутатора, замыкающийся при обрыве линии или выходе из строя порта. Кроме того, используя протокол SMTP, администратор сети может быть оповещен о случившемся по электронной почте. Кроме того устройства такого уровня, предназначенные для промышленного использования имеют различные технологии резервирования связи, причем каждый производитель подобного оборудования имеет собственную, например Turbo Ring компании Moxa, Hiper Ring Hirscmann или Super Ring компании Korenix. Все эти технологии используют кольцевую архитектуру для резервирования связи и позволяют восстанавливать соединение по резервному пути при потере связи, менее чем за 300мс, а самые современные реализации этих технологий, например, разработки компании Korenix, менее 5мс.



Яркими представителями этой категории являются управляемые коммутаторы Korenix серии JetNet 4500 и JetNet 4000. Устройства оснащены блоками DIP-переключателей, позволяющими в случае выхода из строя одного или нескольких портов, отключить их, оставшиеся же порты продолжают нормально функционировать. Два резервированных силовых входа гарантируют работу коммутатора даже при выходе из строя одного из блоков питания. Технология Super Ring обеспечивает механизм самовосстановления сети при обрыве или отключении сетевого кабеля. Суть технологии заключается в наличии у коммутатора основного и резервного подключения к сети. В случае отказа основного соединения коммутатор автоматически, менее чем за 300 мс, перенастраивается на работу по резервному подключению, предотвращая сбой работы сети в целом.

 
Современные сети становятся все более требовательными к скорости передачи данных и расстоянию связи, это обуславливает все большее проникновение технологии Gigabit Ethernet в сферу промышленных коммуникаций, при этом в качестве носителя может использоваться как витая пара, так и многомодовое/одномодовое оптоволокно. Эти предпосылки требуют универсального решения, в качестве которого можно использовать управляемые коммутаторы JetNet 5010 или неуправляемые JetNet 3010, имеющие 7 портов 10/100TX и 3 порта Gigabit Ethernet, при этом в качестве Gigabit подключения можно использовать как витую пару, так и многомодовое/одномодовое оптоволокно. Такую возможность обеспечивает использование SFP модулей.

В небольших сетях большинство описанных выше функций не востребованы. В них обычно применяются неуправляемые коммутаторы, лишенные части интеллектуальных свойств, но при этом гораздо более дешевые. Здесь актуальны младшие модели коммутаторов Korenix серии JetNet 3000 и JetNet 3500, позиционируемые как коммутаторы начального уровня, и, из всего вышеперечисленного, оснащенные только дублированными входами питания, а JetNet 3500 еще и релейным выходом и поддержкой технологии резервирования соединения Super Ring. Повышенные требования к механической прочности коммутаторы Korenix удовлетворяют применением армированных ударопрочных алюминиевых корпусов со степенью защиты IP30. Также в них предусмотрена возможность монтажа на стену и на DIN-рейку.

Отдельно стоит упомянуть одно из направлений развития оборудования для сетей Ethernet оборудование с поддержкой технологии передачи питания по витой паре (Power over Ethernet, сокращенно PoE). Речь идет о подключении конечных сетевых устройств, требующих электропитания, но используемых таким образом и в таких местах, где применение отдельного источника по ряду причин проблематично. Кроме того, при использовании PoE коммутаторов отпадает необходимость в прокладке дополнительной линии электропитания. Применение PoE оборудования позволяет значительно сэкономить на стоимости самого кабеля и его прокладки, а также повысить общую надежность системы. Надо заметить, что ситуация, когда и коммутатор и конечное устройство поддерживают технологию PoE, идеальна. Однако нередко возникают ситуации, когда коммутатор и/или конечное устройство не поддерживает PoE. Для решения таких задач существуют PoE ижекторы/сплитеры, позволяющее применять данную технологию с оборудованием, ее не поддерживающим. Стоит заметить, что передача электропитания производится по незадействованным проводникам 8-ми жильного провода, кроме того, все PoE коммутаторы имеют дополнительные механизмы защиты, предотвращающие выход из строя конечного устройства, не поддерживающего питания по витой паре и подключенного к PoE порту коммутатора.



Все вышеизложенное позволяет сделать вывод, что на сегодняшний день построение коммуникаций на базе сетей Ethernet является не только рентабельным в силу своей дешевизны, гибкости и надежности, но и имеет неплохие перспективы развития как с точки зрения повышения скорости обмена данными, гарантированности их доставки, обеспечения безопасности доступа, так и с точки зрения использования Ethernet-сетей в специализированных приложениях, как, например, в PoE технологиях.


07.11.2007

наверх