Ethernet уже успешно применяется на уровне администрирования и управления корпоративными сетями данных, а на уровне Feldbus, т. е. в более близкой к производственным процессам области, позиции протокола становятся все более прочными. Условия для этого создает появление сетевых компонентов и модульных разъемов промышленного назначения. Однако требования к работе в реальном времени, безопасности данных и управлению сетью во многом отличаются от офисных.

На производстве до сих пор доминируют системы Feldbus, но с приходом промышленного Ethernet (Industrial Ethernet) появляется альтернатива, благодаря которой данные от различных систем не придется постоянно конвертировать, а для передачи корпоративных информационных потоков можно использовать современные технологии. Доступ к информации осуществляется либо через локальную сеть, либо через Internet. Это дает ряд преимуществ — повышение производительности систем или экономия при планировании, пуске в эксплуатацию и обслуживании. Ethernet, кроме того, позволяет проводить удаленное обслуживание машин и установок, что невозможно в случае Feldbus. Реализация необходимых мер безопасности и прав доступа с точки зрения технических возможностей и специальных программных продуктов не представляет собой серьезную проблему. Так, к примеру, через защищенные соединения можно из центра следить за производственными площадками, расположенными в разных странах.

ПРОМЫШЛЕННО ГОДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Использование в производственных цехах, где в окружающем воздухе содержатся примеси масел, чистящих средств и различных эмульсий, предъявляет особенные требования к сетевым компонентам. Поэтому европейское отделение Альянса по объединению промышленной автоматики в открытую сеть (Industrial Automation Open Networking Alliance, IAONA) в своем «Руководстве по планированию и инсталляции промышленного Ethernet» определило два класса защиты.

Класс защиты Light Duty (защищенные условия эксплуатации) определяет компоненты, предназначенные для инсталляции в распределительных коробках. Они должны быть устойчивыми к вибрациям и ударам, а также выдерживать температуру до +55?С. Кроме того, устройства должны удовлетворять требованиям класса защиты IP20 в соответствии со стандартом EN 60529, т. е. быть защищенными от проникновения внутрь крупных твердых тел. Специальных требований в отношении защиты от пыли, грязи и влажности не выдвигается.

Компоненты класса защиты Heavy Duty (тяжелые условия эксплуатации) предназначены для применения без дополнительных предохраняющих средств и поэтому в полной мере подвержены разрушающему воздействию промышленной среды. В соответствии с классом защиты IP67 они должны быть абсолютно непроницаемыми и в течение некоторого времени сохранять работоспособность под водой.

RJ45 ПРОТИВ М12

Для подключения полевого оборудования к сетевым компонентам органы стандартизации и IAONA обсуждают два подхода: модифицированный соединитель RJ45, а также весьма распространенный в области техники автоматизации разъем М12. Для приложений в защищенной среде IP20 из соединителя RJ45 офисного применения де-факто выкристаллизовался стандарт. Решение же для соединителя в классе защиты IP67 выработать не просто. Возможны три различных решения: вилка RJ45 в корпусе IP67, соединитель на базе М12 в четырех- или восьмиконтактном исполнении и гибридный соединитель на базе технологии RJ45 с контактами для подачи питания.

Рисунок 1. Коммутатор IP67 с четырьмя Ethernet-портами М12 монтируется непосредственно на станке или другом оборудовании.

RJ45 является стандартом в офисном мире, поэтому обойти его вряд ли возможно. В данный момент все указывает на то, что и RJ45, и М12 будут стандартизированы для области IP67. Однако различные отраслевые организации определяют и разные соединители RJ45, несовместимые друг с другом. Четырехконтактный М12, напротив, предлагает возможность избежать этой ситуации: если четырехконтактная версия будет стандартизирована всеми отраслевыми организациями, то соединитель М12 может стать мировым стандартом для промышленного Ethernet.

ТРЕБОВАНИЕ РАБОТЫ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

Для повсеместного применения Ethernet в промышленности наиболее важен вопрос поддержки работы в реальном времени. Если о приложениях реального времени речь заходит применительно к информационным технологиям, то чаще всего имеется в виду передача голоса или видео, поскольку именно тогда предъявляются высокие требования к качеству услуг в сети. При помощи специальных методов, в частности назначения приоритетов, удается обеспечить несущественное варьирование времени задержки и своевременную доставку необходимых данных. При этом характерные значения лежат в миллисекундной области.

В промышленных управляющих приложениях временные требования гораздо жестче. Замкнутые управляющие циклы с длительностью заметно меньше 1 млс требуют гарантированных величин задержки до 100 мкс и ее вариации, т. е. отклонения от среднего значения менее 1 мкс. Примерами приложений, к которым машиностроительные предприятия предъявляют высокие требования в части управления и работы с коммуникационными системами в реальном времени, являются сложные станки, роботы, упаковочные или крупные печатные машины. Для их поддержки все еще применяются шинные системы, к примеру Sercos, Profibus, CAN, или собственные решения производителей. Дело в том, что для приложений, где время цикла меньше нескольких миллисекунд, а вариация измеряется в микросекундах, до сих пор не существует открытого метода на базе Ethernet.

ОТКРЫТЫЙ СТАНДАРТ В РАБОТЕ

Для определения подобного стандарта компании, выпускающие компоненты для автоматизированной техники, B&R, Lenze и Hirschmann Electronics, а также производитель роботов Kuka вместе с цюрихским институтом Winterhur создали Группу стандартизации межсистемной связи Ethernet (Ethernet Powerlink Standardization Group, EPSG). Цель проекта — разработка такого метода на базе Ethernet, чтобы он обеспечивал длительность цикла менее 200 мкс, время вариации — менее 1 мкс, а временную синхронизацию — даже при большом количестве распределенных участников — от 1 мкс. При помощи комбинации метода квантования времени, точной временной синхронизации и четкого сегментирования можно обеспечить поддержку работы в реальном времени практически любых современных приложений. Кроме того, все конечные устройства благодаря интегрированному серверу Web в состоянии взаимодействовать посредством протокола TCP/IP, чтобы, к примеру, начальник производства мог получить доступ к ним через браузер. Лишь таким образом достигается всеобщность решений Ethernet.

Подготавливаемый стандарт реального времени опирается на синхронные защищенные сегменты Ethernet. Последний базируется на методе межсистемных связей компании B&R и обеспечивает детерминированное взаимодействие. Понятием «детерминизм» описывается свойство коммуникационной системы определять наступление события к конкретному моменту времени. Среди всех участников система выбирает «мастера», который делит имеющееся время на несколько частей и предоставляет один такой период каждому участнику для передачи данных. В стохастической коммуникационной системе, напротив, все участники обладают одинаковыми правами, в результате передача выполняется по принципу случайности (стохастически), и ее время не может быть определено. Ethernet работает как раз в соответствии с этим правилом. Метод межсистемных связей обеспечивает детерминированное поведение путем квантования времени в рамках независимого сегмента. Если необходимо согласовать между собой несколько сегментов, то их можно синхронизовать при помощи протокола точного времени (Precision Time Protocol, PTP) согласно IEEE 1588 (синхронизация времени). Так называемые мосты межсистемных связей отделяют разные сегменты друг от друга и передают асинхронный трафик в защищенные сегменты прозрачным образом.

ИНТЕГРИРОВАННОЕ СЕТЕВОЕ УПРАВЛЕНИЕ

В офисном мире сетевым администраторам часто приходится работать со сложными системами управления сетями. Они хоть и отличаются высокой производительностью, но достаточно сложны в обращении. В производстве, напротив, в основном применяются системы диспетчерского контроля и сбора данных (Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA). С их помощью персонал, находящийся у пультов управления, всегда может наблюдать за текущими процессами, но не за состоянием сети.

Рисунок 2. С помощью интегрированной архитектуры коммуникационная система становится частью автоматизации. На рисунке изображена визуализация сетевого компонента в интерфейсе SCADA.

Подход, объединяющий управление сетью и системами SCADA, описывается понятием «интегрированная архитектура»: коммуникационная система на производстве становится частью автоматизации, а система SCADA заодно показывает все данные о сети. В таком случае необходимо, чтобы система управления сетью предоставляла специфичные для устройства данные MIB (SNMP), для их итоговой конвертации в формат OPС (OLE для управления процессами) и последующего переноса в систему SCADA.

Подход с использованием интегрированной архитектуры наглядно отражает требования к будущему управлению сетью для промышленного применения. Реализация функционала, т. е. инжиниринг, будет сопряжена на первых порах с большими затратами, поскольку должна обеспечить удовлетворение соответствующих требований. Предприятиям, без сомнения, понадобятся дни или даже недели, чтобы отобразить весь процесс производства в системе SCADA или создать все условия для автоматической конфигурации. Однако в конечном счете эксплуатация производственной сети станет заметно проще и будет доступна для людей, не являющихся специалистами в области информационных технологий. Таким образом, подход на базе интегрированной архитектуры исходит из того, что управление производственной сетью осуществляется централизованно из центра управления. Однако можно представить и другое разделение — между управлением локальной и производственной сетями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ethernet в производственной области и традиционный Ethernet — не одно и то же, поскольку условия промышленного производства и сама постановка проблем вносят новые технологические требования. Это касается также сетевых компонентов — времени реакции коммуникационной системы, безопасности данных и управления сетями. Кроме того, необходимо решить, кто же в будущем возьмет на себя ответственность за производственную сеть: сетевой администратор или специалист по производству.

Франк Зойферт — менеджер по продуктам группы автоматизации компании Hirschmann Electronics. С ним можно связаться по адресу: db@lanline.awi.de.

? AWi Verlag

Путь к единому информационному пространству

Перед производственными и транспортными предприятиями сейчас как никогда остро встает вопрос создания единого информационного пространства. Не секрет, что зачастую успешная работа производителя с заказчиком напрямую зависит от степени информатизации предприятия. Это связано, прежде всего, с требованиями рынка — главным образом с тем, какие функции могут выполнять корпоративные системы ERP и CRM, чтобы удовлетворить потребность заказчика в информации относительно выполнения производителем его заказа.

Об удобстве работы с любым типом информации и об эксплуатационных возможностях единой информационной среды вряд ли стоит напоминать. С появлением Industrial Ethernet в области автоматизации впервые реально появилась перспектива создать идеальную по соотношению цена/качество бесшовную информационную систему предприятия, где были бы объединены все ранее разрозненные и обособленные уровни предприятия — от уровня производственных механизмов до промышленного офиса.

Будучи в числе разработчиков Industrial Ethernet, компания Hirschmann — одна из немногих, кто производит оборудование и программное обеспечение для применения на всех уровнях промышленного предприятия. Достоинство производственной концепции Hirschmann не только в том, что ей удалось разработать оборудование, где учитываются все технологические особенности применения в промышленности (детерминированность, отказоустойчивость), но и создать высококачественные (с точки зрения конструктивных особенностей) изделия очень широкого спектра применения. В данном направлении работают также такие всемирно известные компании, как Siemens, ABB, Shneider Electrik, Emerson, Yokogava. Пожалуй, эти производители и будут в ближайшее время задавать тон на рынке решений Industrial Ethernet.