Создание современных промышленных сетей автоматизации на основе Ethernet
Традиционно сеть Ethernet используется для сопряжения и связи персональных компьютеров (ПК) и рабочих станций, но в классическом виде с разделяемой средой связи она не удовлетворяет требованиям систем реального времени и многих систем управления, так как имеет непредсказуемые задержки и даже не гарантирует доставку сообщений.
Первые сети обеспечивали скорость передачи 10 Мбит/с. Потом появился Fast Ethernet и обеспечил быструю связь со скоростью 100 Мбит/c, благодаря чему получил широкое распространение во многих применениях, включая приборные системы измерений, системы промышленной автоматизации, распределённые системы управления, бортовые системы и др.В настоящее время основными стандартами для создания промышленных сетей являются Fast Ethernet и другие стандарты, построенные на его основе, в первую очередь — PPOFINET (IEC 61158). В таких сетях обеспечивается скорость передачи данных до 100 Мбит/c. Однако всё активнее применяются гигабитные промышленные сети, выпускается соответствующее сетевое оборудование, способное функционировать в условиях температурных колебаний, вибраций, электромагнитных излучений и т.п. Коммутируемые сети Ethernet с гигабитными скоростями стали стандартными в 2006 году, и многие процессорные модули уже имеют встроенный интерфейс (или несколько интерфейсов) Gigabit Ethernet как обязательное унифицированное средство сопряжения с внешними устройствами.
Классическая звездообразная топология офисных сетей обычно формируется вокруг серверов в центральном здании. Промышленные сети распределяют по технологическим помещениям, зачастую находящимся в разных зданиях или на значительном удалении; при этом к ним предъявляются повышенные требования по надёжности и времени восстановления. Звездообразная топология промышленных сетей позволяет кратковременно отключать отдельные сегменты, например для профилактики, но здесь постоянно присутствует риск отказа в центральном узле сети.
Общая протяжённость кабелей в топологии «звезда» значительно возрастает (особенно если технологический процесс «вытянут в длину»), так как приходится прокладывать связи от центра ко всем распределённым узлам. Это приводит к дополнительному увеличению стоимости и повышенному риску электромагнитных наводок в неэкраниро-ванных витых парах. Риск электромагнитных наводок в линиях связи устраняют применением оптоволокна. Как правило, его прокладывают в коробах вдоль кабелей электропитания со средними и низкими номиналами напряжения. Однако, говоря о возможности устранения некоторых проблем, следует помнить, что в звездообразной топологии могут проявиться и другие проблемы, например проблема «вещательного шторма», создающего нерабочий режим в сети.На основе Ethernet, используя сетевое оборудование для промышленных применений, на предприятиях создают интегрированные сети, объединяющие технологические системы и системы управления. Это выдвигает новые требования к ширине полосы частот, резервированию, протоколам. Важное место среди сетевого оборудования занимают коммутаторы. Коммутаторы для промышленных сетей по своему исполнению соответствуют жёстким условиям эксплуатации. Как правило, они изготавливаются в вариантах для устано ки на монтажную рейку, размещения в специальном шкафу или монтажа в приборном корпусе. Выбор коммутатора зависит от условий и особенностей его применения. Важнейшие характеристики коммутатора — тип и количество портов. Тип портов определяется принятым протоколом и средой передачи (витая пара — IEEE 802.3ab, оптоволокно — IEEE 802.3az). Характерным примером коммутаторов для гигабитных промышленных сетей являются модульные управляемые коммутаторы серий MICE и Power MICE (рис. 1) компании Hirschmann.
Рис. 1. Модульные управляемые коммутаторы MICE и Power MICE для промышленных сетей
Рис. 2. Защищённый управляемый коммутатор MACH1000
Диагностика и настройка управляемых коммутаторов возможна через Web-серверы.
Передача по витой паре через порт 1000Base-T поддерживает также автоматическую нисходящую установку скорости 100 или 10 Мбит/c для подключения оконечных устройств в соответствии с их возможностями. Для передачи данных по гигабитному сегменту с витой парой на расстояние до 100 м требуется кабель с 4 парами проводов, удовлетворяющий требованиям каналов связи, как минимум, 5-й категории; при более высоких требованиях применяются кабели 6-й категории. Для передачи по оптоволокну на расстояние до 550 м используют многомодовый кабель (1000Base-SX), а для больших расстояний (20 км) — одномо-довый кабель (1000Base-LX).По мере развития промышленных сетей совершенствовались способы повышения их надёжности. Метод группового преобразования предполагал группирование и дублирование каналов связи: все кабели не укладываются в один и тот же короб по одному и тому же маршруту, а группируются по частям (например, по северной и по южной частям здания). На следующем этапе стали резервировать сетевые коммутаторы и конечные терминальные узлы. Однако наиболее эффективным является метод резервирования отдельных каналов в кольцевых структурах промышленных сетей. Управляемые промышленные коммутаторы обеспечивают время переключения на резервные каналы порядка десятка-сотен миллисекунд. На данный момент наиболее отказоустойчивой является кольцевая топология HIPER-Ring (рис. 4). Она была разработана одним из лидеров в области промышленных сетей — компанией Hirschmann как решение по созданию резервированной сетевой инфраструктуры без дублирования линий связи. Это решение предполагает построение не полностью замкнутых кольцевых связей в сети Ethernet и обеспечивает обнаружение сбоя в канале с восстановлением без потерь в течение 200-300 мс за счёт создания обходных путей связи. Сейчас стремятся снизить время восстановления сети до 50 мс. Такая топология сети из 1000 узлов была применена при автоматизации аэропорта в г. Дрездене. Пять зданий были связаны гигабитной сетью Ethernet. Вместо связующего дерева здесь применили HIPER-Ring с двойным резервированием в кольце, что обеспечило среднее время восстановления 0,5 с. Примечательно, что в этом проекте было также выполнено дублирование блоков питания.
Среди примеров резервирования в структурах промышленных сетей Ethernet известны и другие решения, например избыточные кольцевые сети Turbo Ring и двойные дублирующие сети.