Промышленные локальные сети, Ethernet TCP/IP (IP)

   Отличия от обычного EtherNet

•  Стандарты  на кабели и разъемы, удовлетворяющие  специфическим требованиям промышленности: усиленное экранирование, стойкость  к агрессивным средам и т  п..
• Специальные стандарты и устройства для связи с подвижными объектами: гибкие кабели, устройства беспроводной связи
• Дополнение стека протоколов TCP / IP протоколом RFC 1006 обеспечивает регулярную и частую передачу по сети небольших объемов информации, что характерно для обмена данными между промышленными контроллерами
• С помощью специальных коммутаторов можно организовать кольцевую топологию, которая при обрыве восстанавливает связь, то есть находит новый путь для передачи данных значительно быстрее, чем применяемый в обычных сетях «алгоритм избыточного дерева»
• Частое использование наряду со стеком протоколов TCP / IP специфического стека протоколов ISO.

   В настоящий  момент Ethernet – это самый распространенный и практически универсальный  международный сетевой стандарт. Используя стандартизованную инфраструктуру с различными средами передачи данных (коаксиальный кабель, витая пара, волоконная оптика, радиоканал, инфракрасный канал), сеть Ethernet поддерживает передачу больших объемов данных с высокой скоростью и способна удовлетворить потребности достаточно крупных систем.

   Использование компьютерных и Internet-технологий набирает обороты, вместе с тем растут и  объемы передаваемых данных, что приводит к более интенсивному использованию  существующих сетевых ресурсов. Сетевые  коммуникации и различные взаимодействующие сетевые протоколы были интегрированы во все операционные системы и, следовательно, легко доступны пользователю. 
Сегодня в мире Ethernet используется в 90% всех офисных приложений, аналогичные тенденции ожидаются и в области промышленной автоматизации. 
Коммуникации в автоматизированных системах постоянно меняются, становясь все более открытыми и прозрачными. Исключительную важность приобретает непрерывность (целостность) информации. 
В результате растет количество производителей автоматизированных систем разрабатывающих Ethernet-решения. 
Основная цель таких производителей – обеспечение планирования, инсталляции и администрирования промышленных сетей таким образом, чтобы сети работали надежно и обеспечивали работу системы управления даже в жестких промышленных условиях. 
В отличие от офисных коммутаторов и концентраторов, к промышленному Ethernet-оборудованию (Industrial Ethernet) предъявляются дополнительные требования, основными из которых являются: 
крепление на DIN-рейку; 
питание 24V DC; 
резервирование электропитания; 
аварийная сигнализация (контакт); 
широкий температурный диапазон; 
надежная работа при: ударах; вибрации; 
повышенной влажности; 
электрических помехах. 

   Оборудование для промышленной Ethernet-инфраструктуры

    
В настоящее время на российском рынке существует большое количество поставщиков 
оборудования для построения промышленных Ethernet-сетей. 
Наряду с оборудованием таких известных производителей как Hirschmann и Cisco потребитель может найти оборудование и других поставщиков, которое еще не достаточно «раскручено» на российском рынке, но зачастую выигрывает у своих именитых конкурентов не только по цене, но и по техническим характеристикам. 
Немаловажным для крупных системных интеграторов и потребителей систем АСУ ТП является возможность заказывать всю номенклатуру необходимого им оборудования у одного производителя, что обеспечивает гарантированную совместимость, как отдельных компонентов, так и всей системы в целом. В этой связи, нельзя не обратить внимание на продукцию компании 
Phoenix Contact GmbH & Co. KG, которая известна в России, прежде всего как производитель клемм и принадлежностей к ним, электромеханических и оптоэлектронных реле, нормирующих преобразователей, систем кабельной разводки, вторичных источников питания – всего, что расположено между верхним уровнем управления и визуализации, и нижним уровнем датчиков/исполнительных устройств. Однако за рубежом компания Phoenix Contact известна и как родоначальник систем управления и сбора данных для промышленных сетей. Еще до появления таких распространенных сейчас шин как Profibus, Modbus, CANopen, DeviceNet и др., в Phoenix Contact была разработана и появилась в 1987 году промышленная шина INTERBUS, которая стала международным стандартом и достаточно широко распространена сегодня в мире. 
По данным 2005 года в мире насчитывается более 7,5 млн. INTERBUS узлов в более чем 680 000 приложений в разных областях промышленности. 
Помимо оборудования для промышленных сетей (INTERBUS, Profibus, Profinet, Modbus, CANopen, DeviceNet, AS-i и др.), в которых предъявляются специфические требования детерминированности 
протокола, Phoenix Contact в последние годы активно занимается разработкой и внедрением сетевых устройств и программного обеспечения для верхнего уровня АСУ, где используется стандартный протокол Ethernet. Одним из таких направлений является семейство аппаратных и программных продуктов серии Factory Line. 
Серия Factory Line включает в себя широкую номенклатуру изделий, объединяющих новейшие сетевые технологии и уникальные решения Phoenix Contact в области соединительной техники. Здесь вы сможете найти комплектующие для любых решений – от пассивной соединительной 
техники (кабели, разъемы, розетки и т.д.) до высокотехнологичных Ethernet-устройств (медиа-конверторы, концентраторы, управляемые и неуправляемые коммутаторы). 
Значительное внимание уделяется и специальному программному обеспечению для конфигурирования и диагностики Ethernet-сетей, а также для их интеграции в любую OPC-совместимую SCADA систему.

   Медиа-конвертеры 
Большим спросом у российских интеграторов систем промавтоматики пользуются медиа-конвертеры Phoenix Contact FL MC 10/100BASE-T/FO. Эти устройства преобразуют данные в формате Ethernet 10/100 Base T(X) в формат для передачи по оптоволоконному кабелю. Разные модификации обеспечивают различную дальность передачи – так, конвертер FL MC 10/100 
BASE-T/FO G1300 поддерживает расстояние устойчивой передачи до 10 км через многомодовое стекловолокно, расстояние для FL MC 10/100 BASE-T/FO G1300 SM составляет до 36 км для одномодового стекловолокна. Существуют также версии конвертеров для полимерного кабеля, который позволяет передать сигнал на расстояние 50-200 м.

   Коммутаторы (Switch) 
Phoenix Contact производитбольшую номенклатуру как управляемых, так и неуправляемых коммутаторов. Говоря о неуправляемых коммутаторах важно отметить, что в 2006 году у Phoenix Contact появилась новая серия коммутаторов FL SWITCH SFN, которые в отличие FL SWITCH SF имеют узкий корпус, поддержку Gigabit Ethernet, а также уникальное решение для механической защиты от несанкционированного доступа (НСД). 
Данная защита выражена в виде фиксаторов и заглушек на портах для RJ 45, которые либо блокируют кабель с возможностью отсоединения только с использованием специального ключа, либо закрывают свободные порты во избежание несанкционированного к ним подключения.

   Коммутаторы FL SWITCH SF и FL SWITCH SFN позволяют быстро и  недорого расширить сеть и могут  размещаться как в шкафах управления, так и непосредственно в производственных цехах предприятия. 
Коммутаторы FL SWITCH SF и FL SWITCH SFN поддерживают функцию автоматического определения возможной скорости передачи, что позволяет совмещать в системе управления сегменты сети с различными скоростями 10Мб/с, 100Мб/c или 1Гб/ c (FL SWITCH SFN). Функция autonegotiation позволяет работать в режимах half duplex и full duplex на любой скорости. 
Автоматическое распознавание типа оборудования (autocrossing) позволяет больше не задумываться о том, какое подключение вы используете 1:1 или кроссовер. Коммутаторы автоматически распознают тип подключенных Ethernet линий и настраиваются на них. Использование смешанных версий коммутаторов с одним или двумя волоконнооптическими портами (ST, SC, F-SMA, POF), позволяет создавать сегменты сети длиной до 20 километров, что бывает особенно важно на объектах, где на длинных трассах невозможно или нежелательно размещение промежуточного оборудования. 
Коммутаторы поддерживают резервирование электропитания и изолированный релейный контакт для удаленного мониторинга и сигнализации об аварии в системе. 
В продуктовую группу Factory Line входит модульный управляемый коммутатор FL Switch 
MMS, который снабжен всеми возможностями для набора требуемой конфигурации узла на основе 
Ethernet. 
Конфигурация позволяет расширить промышленную систему от 2 до 24 портов. Для повышения гибкости системы можно установить двухпортовые интерфейсные модули и применять смешанные среды передачи, например, витую пару, стекловолокно (многомодовое или одномодовое), полимерные световоды. 
Помимо модульного управляемого коммутатора Phoenix Contact производит компактные управляемые коммутаторы типа FL Switch MCS, которые имеются либо на 16 портов витая пара, либо на 14 портов витая пара и 2 волоконно-оптических порта. 
Все медные порты снабжены функциями auto-crossing и auto-negotiation. Функция “Full Wire Speed Switching Fabric” обеспечивает высокую пропускную способность и минимизирует задержку сообщений в системе.

   Коммутаторы FL Switch MMS и FL Switch MCS являются управляемыми по протоколу SNMP, который позволяет администратору ЛВС контролировать работу удаленных узлов сети. 
Использование базы управляющей информации (MIB-2) и поддержка специальной базы 
данных RMON MIB позволяет получать оперативную информацию о состоянии сети (трафике, сбоях и т.д.), а также осуществлять мониторинг работы компьютеров, маршрутизаторов, коммутаторов и приложений в сети, не загружая при этом сеть большим объемом служебной информации. 
Управляемые коммутаторы идеально подходят для протоколов реального времени Profinet и Ethernet IP и поддерживают необходимые функции управления, такие как протокол управления группами пользователей IGMP, позволяющий отдельным пользователям регистрировать на коммутаторе или маршрутизаторе, соединяющем данную сеть, подключение к определенному каналу, чтобы получать рассылку по спецификации IP Multicasting. 
Разграничение доступа осуществляется путем создания виртуальных сетей (VLAN), которые позволяют создать изолированные группы узлов, то есть логически разделить сети различных цехов и подразделений предприятия. 
Поддерживается функция зеркалирования портов (Port mirroring), которая необходима для мониторинга трафика и подключения различных сетевых анализаторов. Администратор определяет с какого на какой порт должно проводиться зеркалирование. После этого коммутатор будет автоматически посылать копии пакетов с зеркалируемого порта на систему мониторинга, где эти пакету могут быть записаны и проанализированы (например, анализатором Sniffer). 
Для обеспечения резервирования коммутаторы FL Switch MMS и FL Switch MCS поддерживают протоколы маршрутизации Spanning Tree 802.1d и Rapid Spanning Tree 802.1w, которые обеспечивают самовосстановление сети при неисправности сетевого кабеля в течение 100–500 мс. В случае отказа, сеть автоматически находит резервный путь для передачи сообщения, таким образом обеспечивая необходимое резервирование соединительных линий. 
Управляемые коммутаторы от Phoenix Contact имеют встроенный Web-браузер для всесторонней конфигурации и диагностики, поддерживают протоколы Telnet, FTP/TFTP, имеют резервирование электропитания и аварийный контакт. 
Программное обеспечение Factory Manager позволяет сконфигурировать устройства в сети (IP адрес, конфигурация портов), загрузить в устройство встроенное ПО используя FTP/TFTP, а также с помощью протокола SNMP собрать детальную информацию и обеспечить диагностику, как отдельных устройств, так и сети в целом. Специальная функция Trap-receiver позволяет назначать адреса и активировать/деактивировать получателей сообщений SNMP. 
 

   Ethernet наступает 

   Но, как известно, разработка стандартов требует достаточно длительного времени, и производители предлагают собственные решения. Компания Schneider в рамках концепции Transparent Factory выбрала Ethernet и протоколы TCP/IP для сетей и полевых шин, а Web-технологии — для доступа к информации в настоящих и будущих разработках, не отказываясь в то же время от своих традиционных решений.

   В Hirschmann создали на базе Ethernet собственную  архитектуру Distributed Communication Architecture (DCA) и предложили трехфазную стратегию внедрения Ethernet в АСУТП. В основе DCA — интеллектуальный коммутатор, поддерживающий логическую кольцевую архитектуру с дублированными каналами связи. Hirschmann выпускает коммутаторы и концентраторы Ethernet, соответствующие требованиям механической монтажной шины DIN 35, с 24-вольтовым питанием постоянного тока, сохраняющие работоспособность при повышении температуры до 60°С.

   В июне текущего года на рынок промышленных сетей вышла Cisco Systems, которая организовала совместно с GE Industrial Systems компанию GE Cisco Industrial Networks. Партнеры надеются создать единую коммуникационную инфраструктуру предприятия и распространить на сферу промышленной автоматизации такие преимущества Ethernet, как относительно низкая стоимость установки и технической поддержки, а также простота интеграции с Internet. Ожидается, что в течение трех–пяти лет продажи нового предприятия достигнут 100 млн. долл. Эксперты считают эту сумму вполне реальной, поскольку прогнозируют 3-миллиардный объем рынка Ethernet для промышленных применений в 2003 году.

   Для сетевого гиганта Cisco несколько десятков миллионов долларов — незначительная добавка к многомиллиардному  обороту. Однако тот факт, что компания, лидирующая в сетевой индустрии, проявила интерес к промышленным сетям, весьма примечателен. Правда, ее появление на этом рынке может увеличить количество частных решений, предлагаемых всеми крупными производителями. По-видимому ситуация будет развиваться по обычному сценарию: опережая разработку стандартов, начнут продвигаться продукты таких компаний, как Hilscher, Hirschmann, Siemens, а теперь еще и GE и Cisco.

   На  сегодняшний день известно о ряде успешных применений Ethernet на цеховом  уровне систем управления производственными  процессами, в которых предусмотрены  методы ограничения уровня трафика. Так, в новой базовой сети выпускающего более миллиона печатных плат в год предприятия Fanuc Automation, которое входит в состав корпорации General Electric, для управления пятью поточными линиями используются протоколы TCP/IP «поверх» Ethernet. Это позволяет осуществлять Web-контроль состояния производственного оборудования и передавать информацию о выпуске продукции, прохождении заказов и наличии необходимых материалов в ERP-приложение. Один из последних примеров — начало реализации в июле этого года пилотного проекта компании General Motors, в рамках которого сеть ControlNet, объединяющая программирумые логические контроллеры, заменяется на основе стандартных устройств Ethernet.