Кто делает Ethernet «промышленным»?
Оборудование промышленного Ethernet способно выдерживать жесткие производственные условия без установки в защитные оболочки, обеспечивая возможность сокращения длины кабельных сетей за счет использования более простой распределенной схемы подключения (вместо централизованной), и обладает повышенной надежностью по сравнению с коммутаторами, маршрутизаторами, концентраторами, шлюзами и разъемами Ethernet коммерческого исполнения. Промышленные требования по степени защиты (например, NEMA 4x или IP67 и выше), предъявляемые к аппаратуре Ethernet, предусматривают способность оборудования выдерживать экстремальные значения температур (в пределах от -40 до 85 °C), и даже воздействие жидкости и пыли, сохраняя при этом надежную работоспособность в течение нескольких лет.
Для сохранения надежности коммерческие устройства Ethernet достаточно было бы поместить их в защитные оболочки и обеспечить охлаждение. С другой стороны, повышенные затраты на промышленное исполнение увеличивают среднее время между отказами, предотвращая вероятные нарушения процесса или потерю данных. Все это зависит от конкретной области применения. Например, компания Cisco Systems Inc., будучи хорошо известным авторитетом в области различных сетевых приложений, относится к компаниям, которые осознают всю трудность работы в жестких производственных условиях. Она заключила соглашения с компаниями Honeywell и Rockwell Automation, которые отличаются хорошим пониманием нужд потребителей при оснащении производственных процессов и отдельных технологических операций.
Промышленная «упаковка»
Защитные кожухи могут творить чудеса, при знается Том Эдвардс, старший технический консультант компании Opto 22. Он утверждает, что монтаж в основном заключается в том «что делает аппаратуру Ethernet пригодной для эксплуатации в промышленных условиях…. Большая часть серийного оборудования в полной мере подходит для использования в промышленных установках, если его защитить от обычных для этих условий ударов и царапин. Наибольшая часть дополнительных затрат на «промышленное» оборудование приходится на защитную оболочку, добавляемую для предохранения от повреждений, и на обеспечение возможности его монтажа в 19-дюймовоую стойку». Чтобы сделать устройство Ethernet пригодным для промышленной эксплуатации, говорит Грег Покерт, менеджер по продукции компании Tyco Electronics, необходимо использовать ударопрочные пластмассы и резиновые материалы, «которые защищают от проникновения многих химических реагентов, включая воду, обеспечивая изделию срок службы в течение 10 — 20 лет».Разъемы, в которых применяется система соединений с принудительной фиксацией, гарантируют межэлементным соединениям «полное сцепление и надлежащее сочленение», — добавляет Покерт. Под промышленным исполнением оборудования понимается аппаратура, способная работать в самых жестких условиях, говорит Крис Харрис, менеджер по производству средств связи компании AutomationDirect. На промышленное исполнение аппаратуры Ethernet распространяется действие многих стандартов. «Предполагается, что промышленное оборудование сохраняет нормальную работоспособность даже при воздействии экстремальных температур, скачков напряжения питания (IEEE-472), сильной вибрации (IEC 68-2-6), а также в опасных зонах [UL 1604, CSA C22.2/213 (Class 1, Div. 2)]», — отмечает Харрис.
Под различиями в конструкции, говорит Эдди Ли, менеджер национальной службы сбыта компании Moxa Technologies Inc., подразумевается то, что «технические требования к промышленным коммутаторам Ethernet обычно в два — три раза строже требований, предъявляемых к аналогичному оборудованию офисного класса. Отнесение промышленных коммутаторов Ethernet к классу Class 1, Div. 2 упомянутого стандарта позволяет эксплуатировать их в опасных зонах при наличии легковоспламеняющихся газов или частиц, в частности, в нефтегазовой, полупроводниковой, целлюлозно-бумажной и других отраслях промышленности».
Промышленный Ethernet: коммутаторы, концентраторы, шлюзы
Ассортимент продукции Ethernet в промышленном исполнении растет, и ее особенности описываются в многочисленных технических статьях и спецификациях. В дополнение к приводимым здесь источникам пользуйтесь ссылками, имеющимися по адресу www.controleng.com/archive .
8-канальный промышленный концентратор
Концентратор Ethernet AC808 от компании B&R Industrial Automation Corp. можно использовать в качестве концентратора 2-го уровня в стандартных сетях Ethernet или в промышленных сетях реального времени Ethernet Powerlink. Он подходит для сетей со скоростью связи 100 Mбит/с (скоростной Ethernet) и Mбит/с. Концентратор ав томатически распознает правильную скорость пе редачи и конфигурирует применительно к ней соответствующие каналы. В устройстве используются разъемы RJ45. С помощью переключателя адресация штырьков первого канала может быть изменена на перекрестную, поэтому возможно использование того же типа кабеля как для соединений между концентраторами (концентратор-концентратор), так и для подсоединения к концентратору сетевой станции. Монтаж осуществляется вертикально или горизонтально на направляющих или непосредственно на боковых стенках.
Диагностика Ethernet, интерактивное обучение
Технический справочник от Contemporary Controls «The ABCs of Ethernet Troubleshooting» (Азбука диагностики Ethernet) содержит 22 общих вопросов, относящихся к поиску неисправности в сети; находится по адресу www.ctrlink.com/tips. Отдельно независимый виртуальный университет промышленного Ethernet предлагает «целевое содержательное обучение по сетям Ethernet,» особенно для станков и заводских установок; по утверждению компании, 2000 студентов проходят все или некоторые из 19 курсов обучения. Обязательные экзамены основываются на стандартах IEEE. 802.3 и относящимся к ним запросах для комментариев (RFC). Бесплатно.
Ethernet-модем 900 МГц
Компания Data radio предлагает модем HiPR-900 FHSS IP/Ethernet, работающий на частотах 902-928 МГц. Это высокоскоростной нелицензируемый промышленный IP/Ethernet, обеспечивающий надежную передачу данных пользователя через Ethernet или последовательное соединение в сеть, использующую протокол IP. Запатентованная технология параллельного декодирования Dataradio объединяет пространственное разнесение и интеллектуальное суммирование для повышения чувствительности и устойчивости к многолучевому распространению, обеспечивая повышенную надежность линии радиосвязи.
Расширенная полоса коммутатора, защищенное программное обеспечение
Коммутатор Magnum Line 6k25e компании GarrettCom обеспечивает пропускную способность канала, приблизительно в 8 раз превышающую аналогичный показатель выпускавшихся ранее коммутаторов Magnum 6K, и допускает перестройку конфигу-I, что важно для энергосистем общего пользования, промышленных приложений и систем безопасности. Программное обеспечение DynaStar OS 7.4 расширяет область применения новейшего поколения служб обработки и передачи данных, основывающихся на использовании технологии MPLS (многопротокольная коммутация с использованием меток), на подстанции энергосистем и другие распределенные промышленные объекты. Программное обеспечение распространяет безопасное приоритетное управление критическим трафиком SCADA на службы на основе MPLS, что позволяет использовать общую сеть SCADA для видеонаблюдения, дистанционного снабжения и других приложений.
Прочные, скоростные Ethernet-коммутаторы
Обладая рабочим диапазоном температур от -40 до 85 °C, Ethernet-коммутаторы Uber Rugged Mach1000 расширяют ассортимент продукции компании Hirschmann для промышленного Ethernet и могут использоваться вне границ предприятий и средств автоматизации процессов — для регулирования дорожного движения и наблюдения, на предприятиях по выработке и распределению электроэнергии и во множестве других ответственных областей. Новые коммутаторы предназначены для монтажа в 19-дюймовой стойке и имеют модульную конструкцию, содержащую до 26 портов (24 из них рассчитаны на 100 Мбит/с и 2 — на скорость 1 Гбит/с). Модульное исполнение этих коммутаторов предоставляет пользователю возможность выбора портов RJ45 и оптоволоконных портов для работы в многомодовом, одномодовом и магистральном режимах с разнообразным набором оптоволоконных разъемов. Они идеально подходят для работы при высоких температурах и в условиях радиочастотных/электромагнитных помех, отвечая требованиям стандартов NEMATS-2, IEEE 1613 и IEC 61850-3.
Гигабитные промышленные коммутаторы Ethernet
Гигабитные промышленные коммутаторы Ethernet серии 7000 компании N-Tron предназначены для коммутации каналов Ethernet промышленного оборудования и/или оборудования безопасности. Они являются полностью управляемыми и в стандартной комплектации поставляются с функциями отслеживания IGMP, VLAN, QoS, соединения, зеркального копирования, RSTP, DHCP, SNMP и настройки с помощью веб-браузера, а также мониторинга ОРС N-View. Они подходят для использования в качестве менеджера кольцевой оптоволоконной сети, обеспечивая повышенную пропускную способность, детальную диагностику ошибок и время восстановления кольцевой сети приблизительно 30 мс.
Шлюз EtherNet/IP к последовательному ASCII
Предлагаемый компанией ProSoft Technology шлюз EtherNet/IP к групповому последовательному каналу ASCII имеет один порт Ethernet и до четырех конфигурируемых последовательных портов. Каждый из портов может поддерживать сеть ASCII. Шлюз можно использовать в различных устройствах — приборах считывания штрих-кода, сканерах, весах, принтерах или терминалах.
Модули защиты промышленного Ethernet
Защитите производственное оборудование от манипуляции с данными, шпионажа, несанкционированного доступа и вторжения в работу автоматики при помощи модулей защиты промышленного Ethernet семейства Scalance S от Siemens Energy & Automation Inc. Они обеспечивают функциональность и защиту межсетевого экрана и виртуальной частной сети (VPN), допуская только санкционированный обмен данными в реальном времени между разрешенными устройствами в пределах сети автоматизации. Клиент программного обеспечения безопасности выполняет настройку с настольного или переносного компьютера. В компании утверждают, что потери из-за слабой защиты сети предприятия будут оставаться первоочередной заботой инженеров по оборудованию и администраторов.
Стартовый комплект Ethernet 10/100 Мбит/с
Компания Wago предлагает стартовый комплект Ethernet StarterKit 2, в состав которого включены контроллер полевой шины Ethernet TCP / IP 10 / 100 Мбит/с и другие основные компоненты. В набор входят терминалы цифрового ввода и вывода (по 8 для каждого), терминал соединения шины, блок источника питания (24 В постоянного тока), программное обеспечение, а также документация и инструментарий на диске DVD.
Влияние помех
Интенсивность внешнего воздействия на коммутатор тоже имеет значение, говорит Ричард Хаттон, менеджер по производству средств автоматизации компании Schneider Electric North America. «Если такое воздействие на коммутатор или кабель происходит достаточно часто, необходимо использовать более прочное соединение или устройство».
Скип Хансен, менеджер по производству систем ввода/вывода компании Beckhoff Automation, поясняет, что «условия работы с высоким уровнем помех могут создаваться сварочными агрегатами, частотно-регулируемыми приводами (VFD) и индукционными нагревателями. Используемые коммутаторы должны быть пригодны для монтажа в шкафу управления или для автономной эксплуатации. При автономной эксплуатации следует предусмотреть аттестацию коммутаторов по классу защиты IP67». К другому оборудованию, дающему свой вклад в промышленные электрические помехи, относятся электромагниты, двигатели и устройства позиционирования, говорит Ларри Комарек, менеджер по производству средств автоматизации компании Phoenix Contact. «Устройства промышленного Ethernet, разработанные в соответствии с набором требований IEC 61000-4, имеют повышенную в два — три раза помехоустойчивость по сравнению с коммерческими устройствами, которые обычно проектируются в соответствии с техническими условиями EN 55024 и 50082-1», — отмечает Комарек. Пакерт из компании Tyco говорит, что ожидает более широкого применения «экранированных металлизированных пластмассовых разъемов, обеспечивающих повышение эффективности экранирования более чем на 20 дБ».
Прочность кабельной проводки
Независимо от способа размещения сетевых устройств — распределенного и открытого, либо сосредоточенного в защитном корпусе, «коммерческие серийные (COTS) кабельные системы и средства подключения Ethernet не обладают достаточной стойкостью, чтобы противостоять факторам внешнего воздействия и обеспечивать характеристики передачи сигналов, необходимые для сетей автоматизации и управления», — говорит Франк Кодитек, менеджер рынка промышленной продукции компании Belden. На территории предприятия, предостерегает Кодитек, сетевые компоненты и соединяющие их кабели могут подвергаться воздействию экстремальных температур, солнечного света, растворителей, масел, влаги и химических реагентов. Кроме того, они подвержены воздействию механических напряжений из-за чрезмерного растяжения кабелей, а также риску истирания, раздавливания или обрыва в результате производственной деятельности. Использование кабелей Ethernet категории 6 или 5e позволяет избежать «отказа сети, развивающегося по классическому сценарию — от все возрастающей степени повреждения и ухудшения характеристик к перебоям в работе и катастрофическому отказу», — говорит Кодитек.
Разъемы и отказы сети
Разъемы, разумеется, тоже имеют большое значение. Эд Наброцки, генеральный директор департамента промышленных средств связи компании Woodhead Industries, говорит: «Почти 70% отказов сети происходит из-за механической неисправности кабельной проводки и разъемов. Компоненты соединений могут ослабеть из-за вибрации, износиться, они могут быть неправильно установлены после отключения или даже раздавлены проезжающим автопогрузчиком. Кабели и пластмассовые разъемы коммерческих марок просто не в состоянии выдерживать обращение, которому они подвергаются в заводском цеху». Благодаря использованию специальных материалов и методов проектирования возможно создание особо прочных изделий, способных сохранять работоспособность в производственных условиях, — говорит Наброцки. Некоторые стандартные разъемы RJ45 удовлетворительно работают при испытаниях на воздействие удара и вибраций в соответствии с установленными нормативами; остальные этих испытаний не выдерживают, отмечает Брайан Олтон, менеджер по маркетингу отделения Logix/NetLinx Business компании Rockwell Automation. «Многие промышленные стандарты Ethernet также признают использование разъемов, защищенных от внешних воздействий по классам IP65 и IP67 (например M12), которые эффективно работают во многих промышленных областях применения»,- говорит Олтон.
Более стойкие внутренние протоколы
В дополнение к устройствам, кабелям и разъемам повышенной прочности в заводских условиях могут потребоваться и промышленные протоколы обмена данными на физическом уровне Ethernet. Выбор протоколов «зависит от особенностей автоматизированного оборудования, установленного в определенном месте, — говорит Брайан Тьютор, менеджер по продукции компании Lantronix, — однако наиболее широко в производственных условиях используются протоколы ModbusTCP, EtherNet/IP и Profinet. «Типичные характеристики стойкости протоколов Ethernet включают: широкий диапазон температур (от -40 до 70 °C), проверки на высокую стойкость к удару и соответствие электрической нормам Class 1, Div. 2 подчеркивает Тьютор.
Олтон из компании Rockwell полагает, протоколы Ethernet и ратура должны содержать средства контроля ошибок и диагностики для принятия мер в случае нарушений на линиях связи. «Например, во многих протоколах присутствует контрольная сумма и соответствующий запрос на подтверждение своевременной и надежной доставки данных, и многие средства ввода/вывода спроектированы таким образом, чтобы возвращать задаваемое пользователем значение при остановке обмена информацией»,- говорит Олтон.
Коммутируемый Ethernet сокращает коллизии
По мнению Пола Вэккера, менеджера по продукции компании Advantech Inc., современный коммутируемый Ethernet устранил существовавшие ранее проблемы с надежностью и скоростью связи. «Проблемы разрешения конфликтов в сети (так называемых коллизий) практически полностью исключаются при использовании коммутаторов Ethernet, которые оптимально перенаправляют сообщения от одного устройства к другому, обеспечивая детерминированный режим работы, — говорит Вэккер. — Трансформаторная связь и дифференциальная передача сигналов, применяемая в 10/100 Base-TX Ethernet, снижает интенсивность нарушений связи, обусловленных различием нулевого потенциала между устройствами и внешними источниками электромагнитных/радиочастотных помех. В качестве дополнительной меры защиты следует использовать оптоволоконный кабель». Хаттон из компании Schneider Electric предпочитает такую аппаратуру промышленного Ethernet, в которой предусмотрены дополнительные меры безопасности или резервирования, поддерживающие работоспособность системы, в частности, применяются быстрая прокладка основного дерева сети, используется индивидуальная фильтрация IP-адресов, а также дуплексная передача по оптоволоконным кабелям.
Монтаж и техническое обслуживание
Благодаря тому, что промышленный Ethernet быстро становится основной сетью реального времени для связи внутри автоматизированных систем управления и между ними, говорит Комарек из Phoenix Contact, аппаратура сетевой инфраструктуры часто поддерживается заводским персоналом, ответственным за эксплуатацию систем управления. «Интерфейсы конфигурирования программного обеспечения, соглашения о расположении и подключении должны быть аналогичны используемым в системах управления на основе ПЛК/ПК, которые поддерживает этот персонал, — говорит Комарек. — В информационных системах конфигурирование программного обеспечения выполняется в текстовых окнах, подобных тем, что используются в DOS. Дополнительные промышленные средства, такие как модули памяти, диагностические дисплеи и т.п. позволяют заводскому персоналу выполнить настройку, не прибегая к помощи переносного компьютера. При диагностике состояния системы IT-устройства опираются на центральный диспетчерский пульт».
Схема обслуживания собственными силами имеет преимущество в том случае, добавляет Хаттон, если «системы промышленного Ethernet рассчитаны на минимальную поддержку с применением простых инструментальных средств и использование интерфейса для просмотра данных либо конфигурации, аналогичного веб-браузеру. В этом случае заводской персонал сможет обслужить и проконтролировать систему самостоятельно, не обращаясь к помощи IT-специалистов». Удобство монтажа является еще одной причиной перехода к промышленному исполнению аппаратуры, говорит Ли из компании Moxa. Промышленные коммутаторы Ethernet чаще всего заключены в прочные металлические корпуса для установки на панели или на DIN-рейке, говорит он, в то время как большинство коммерческих коммутаторов невозможно удобно смонтировать внутри панелей управления, не затратив времени на устройство полки и закрепление блока в нужном положении. Кроме того, добавляет Ли, оборудование промышленного исполнения зачастую снабжено контактом цепи сигнализации, что помогает избежать простоев или свести их к минимуму.
Промышленный Ethernet расширяет компьютерные сети по всему миру
Промышленные технологии, согласно исследованию корпорации Venture Development Corp. (VDC), помогают расширить мировой рынок промышленной сетевой инфраструктуры, объем которого достиг 1,7 млрд. долл. «Аналитическая служба мирового рынка промышленных сетей» планирует среднегодовой темп роста (CAGR) на рынке продуктов сетевой инфраструктуры, поставляемой на промышленные предприятия, на уровне 25% до 2011 г.
Из трех исследуемых регионов (Азиатско — Тихоокеанский регион; Европа, Ближний Восток, Африка; Северная и Южная Америка), самый высокий темп роста рынка до 2011 г. прогнозируется для Азиатско-Тихоокеанского региона. На изучаемых рынках большая часть капиталовложений направляется на сетевую продукцию Ethernet.
Поставки товаров для промышленных сетей на рынки Азии и Тихоокеанского региона составили 298 млн. долл. в 2006 г. В этой сумме 76% составляла продукция для сетей Ethernet, и прогнозируется рост доли Ethernet до 81% рынка объемом в 1 млрд. долл. в 2011 г. Это самый высокий вклад Ethernet среди трех рассматриваемых регионов. Применение сетевых и шинных технологий в двух других регионах более установившееся и труднее поддается перераспределению, хотя и здесь ожидается возрастание доли Ethernet, сообщает VDC.
Сравнение капитальных и текущих затрат
Иногда коммерческую продукцию выбирают из-за невысоких капитальных затрат. Однако если воздействие факторов окружающей среды вызывает более частую замену коммерческих изделий, то вложения в промышленное исполнение могут стать оправданными с учетом издержек за весь срок эксплуатации.
Компании с ограниченными статьями на капитальные затраты не должны выбирать дешевые коммерческие продукты, стойкость которых ниже, считает Ларри Винчестер, менеджер по коммерческому развитию компании Ethernet Direct. «Многие компании используют коммерческие коммутаторы или неуправляемые промышленные коммутаторы из-за высокой стоимости промышленных управляемых коммутаторов. Компания Ethernet Direct снизила стоимость продукции промышленного Ethernet до 40% по сравнению с другими производителями без ущерба для качества, надежности и производительности», — говорит Винчестер, за счет автоматизации операций сравнения, выбора, определения цены и оформления заказа. Обеспечивается высокий уровень поддержки за счет интерактивного взаимодействия и предоставления доступа к обширным справочным библиотекам по тематике промышленного Ethernet, добавляет он.
Прямое подключение: SmartMotor в сети Ethernet
Адаптивный двигатель SmartMotor компании Animatics Corp. представляет собой модуль программируемых перемещений, используемый в разнообразной автоматической аппаратуре — от океанских просторов до космического пространства. Для облегчения работы разработчиков машин в серводвигателе сочетаются прецизионный привод с компьютерным управлением перемещением, возможность независимого программирования, низкая цена и компактный конструктив, исключающий использование шкафа управления. Внешние требования сводятся к подаче питания и подключению сети.
Когда двигателю SmartMotor от Animatics потребовались линии связи Ethernet, специалисты сочли общедоступные аппаратные и программные решения громоздкими, сложными и дорогими. И хотя платы Ethernet, устанавливаемые в ПК, кажутся простыми, они передают большинство функций ПК. Для этой встроенной системы компании потребовалась функционально законченная технология с множеством интегральных схем и значительным объемом печатного монтажа в ограниченном пространстве при стесненном бюджете.
Компания Animatics использовала встроенный сетевой модуль XPort от Lantronix. XPort объединяет сетевое процессорное аппаратное и программное обеспечение для работы сети Ethernet и подключения Internet в компактном интегрированном корпусе (фото на стр. ); его использование сократило время разработки, что позволило снизить затраты и сэкономить десятки тысяч долларов благодаря ускорению выхода продукции на рынок.
Для интеграции модуля компания Animatics предприняла следующее:
- присоединила XPort к задней части двигателя;
- подключила его к питанию логики и к выводам универсального асинхронного приемопередатчика (UART) ЦПУ SmartMotor;
- включила программные драйверы, предоставленные фирмой Lantronix, в резидентное программное обеспечение терминала ПК.
Первоначально компания не предполагала осуществлять хостинг веб-сайта в SmartMotor, но с учетом встроенного в XPort веб-сервера, эта функция оказалась интересной и ценной для пользователей.
В прикладных задачах несколько двигателей могут координировать свою работу по сети Ethernet, позволяя сообщениям Ethernet вызывать перемещение или осуществлять обмен входными/выходными сигналами, либо активировать предварительно запрограммированные алгоритмы в двигателе. В другом варианте один двигатель также может передавать данные вышестоящей станции мониторинга посредством XPort, поддерживая связь с остальными двигателями по отдельной сети.
Позже функциональные возможности были расширены за счет добавления протокола Modbus, что не потребовало дополнительных расходов или времени на разработку. Благодаря Lantronix компания Animatics может сосредоточить внимание на разработке интегрированных сервоприводов, не отвлекаясь на сетевые проблемы.