Промышленные сети simatic net

Автоматизация процессов: переход к обеспечению дальнейшего бесшовного подключения к сети Ethernet

Соединение по токовой петле 4–20 мА с HART уже много лет успешно применяется в приложениях автоматизации технологических процессов и представляет собой проверенное и надежное решение, которое не исчезнет в одночасье, особенно учитывая присущий производственникам консерватизм типа «лучшее — враг хорошего». Поскольку существует большая база для инсталляции сети с использованием токовой петли с приборами, поддерживающими HART, компания Analog Devices, отвечая на вызов рынка, инвестирует в программно-конфигурируемый ввод/вывод, который обеспечивает большую гибкость установки таких устройств, позволяя использовать любую промышленную функцию ввода/вывода и иметь доступ к нему с любого контакта, чтобы в любое время настраивать каналы в приложениях удаленного ввода/вывода. Это означает, что настройка может происходить прямо во время установки, что приводит к более быстрому выходу на рынок, меньшему объему проектно-наладочных работ и универсальным продуктам, которые можно широко использовать в проектах и клиентах. Примерами программно-программируемых схем ввода/вывода от Analog Devices являются четырехканальная микросхема с программно-конфигурируемыми портами ввода/вывода AD74413 [] и универсальный входной аналоговый интерфейс с 24-разрядным АЦП для промышленных систем управления процессамиAD4110-1 [].

На рис. 4 показан переход от устаревших приборов с подключением по токовой петле 4–20 мА к Ethernet, где они будут сосуществовать с новыми приборами с поддержкой 10BASE-T1L. Программно-конфигурируемый ввод/вывод соединяет эти устаревшие приборы, где удаленный ввод/вывод обеспечивает точку агрегации для восходящего канала Ethernet 10 Мбит/с к ПЛК.

Рис. 4. Унаследованная раздельная кабельная проводка постепенно превратится в интеллектуальную сеть Ethernet для всех датчиков и исполнительных механизмов

Бесшовное подключение от периферии к облаку будет достигнуто за счет автоматизации процессов с помощью технологии 10BASE-T1L. Стандарт 10BASE-T1L устраняет потребность в шлюзах и вводе/выводе, а также обеспечивает возможность подключения по Ethernet от полевых устройств к уровню управления и в конечном итоге к облаку. Такая разблокировка полевых устройств приведет к получению обширных наборов данных для их расширенной аналитики, накопления исторических данных о процессах и оборудовании, с переходом на прогнозное управление и обслуживание.

Выбор надлежащего Ethernet-кабеля для конкретного промышленного поля

Перед покупкой необходимо выполнить несколько основных этапов:

Определение сценария – необходимо установить в каком окружении и в какой среде будет использоваться расходник;

Выбор надлежащей оболочки провода – грамотно подобранная оболочка поможет гарантировать наилучшую производительность и защищенность сети;

Учет разницы экранированных и неэкранированных кабелей – первые необходимы для зон, которые имеют повышенную степень возможности проявления помех, а вторые подойдут для остальных зон. В первых всегда присутствует фольга и усиленная оплетка, что и будет качественно защищать передаваемый пакет данных, предотвращая возможные потери по дороге.
Выбор типа проводника – здесь следует сделать выбор в пользу многожильного или одножильного вариантов. Последний подойдет для неподвижного монтажа, т.е. для простой коммутации, его не стоит использовать на движущихся механизмах. Следующий момент заключается в выборе между цельным исполнением (оболочки присоединены друг к другу) и витой парой. Цельные образцы предпочтительнее применять для сложной индустриальной работы, ибо соединенные по вдоль участки изоляции не допустят формирование пропусков между парными проводниками. Если же такой пропуск образуется, то будет создана разница сопротивлений, что приведет к разрыву сети и невозможности передачи данных.

Другие различия между Ethernet и промышленным Ethernet

По словам Real Time Automation, стандартный Ethernet больше подходит для офисных применений, нежели для использования в промышленности. Он предназначен для повседневного использования, в то время как промышленный Ethernet предусматривает различные уровни и может применяться в более сложных условиях эксплуатации (рис. 2) — в том числе в зашумленных производственных помещениях. При этом он даже способен определить потерю данных на производстве.

Рис. 2. Факторы, которые необходимо учесть при выборе Ethernet для промышленного предприятия

Кабели и разъемы, применяемые в сетях промышленного Ethernet, также имеют определенные отличия от стандартных. Например, разъемы, используемые в промышленности, как пишет Real Time Automation, не будут иметь стандартных защелок. Поскольку такие разъемы применяются в агрессивных промышленных средах, им необходимы более надежные механизмы фиксации. В оборудовании, используемом в тяжелых условиях эксплуатации, как правило, применяют герметичные разъемы.

Структура кабелей коммерческого или офисного Ethernet также может отличаться от структуры кабелей промышленного Ethernet. Оболочка низкоскоростных промышленных кабелей может быть более высокого качества. Конечно, и оболочка кабелей с высокой пропускной способностью, и используемый в них металл имеют еще более высокое качество, что значительно повышает надежность этих кабелей.

Детерминизм (гарантированная фиксированная задержка) является еще одним важным фактором, отличающим промышленный Ethernet от стандартного. Ethernet сам по себе не является детерминированным , но для применения сетей в промышленных средах детерминизм необходим. На промышленном предприятии пакеты данных должны отправляться и приниматься в определенное время и при этом нужна гарантия того, что пакеты будут доставлены несмотря ни на что. Это связано с тем, что потеря данных или задержка в передаче данных между оборудованием в промышленных условиях может привести к серьезному сбою в технологическом процессе. Такая передача информации в режиме реального времени часто является основным решающим фактором при выборе Ethernet-решения. При этом компания должна оценить свои потребности и определить, какое Ethernet-решение лучше подойдет для удовлетворения требований.

Что такое локальная сеть

Ethernet обычно используется в сетях LAN. Это тип сети, в которой группа компьютеров совместно использует проводное или беспроводное соединение с сервером в определённой области. ЛВС может состоять из нескольких компьютеров в вашем доме или сотен компьютеров в главном офисе компании.

Дома вы будете использовать локальную сеть для подключения друг к другу различных интернет-устройств. Ваш принтер, например, будет подключён к вашему компьютеру через локальную сеть. Локальная сеть действует как мост между вашими устройствами, так что вы можете получить к ним доступ через свою сеть.

Принцип работы Ethernet

При использовании Ethernet поток данных разделяется на короткие части, или фреймы, каждый из которых содержит дополнительную информацию об источнике и приемнике данных. Такая структура необходима для того, чтобы сеть корректно принимала и отправляла данные.

Среди важных понятий, связанных с технологией Ethernet:

среда передачи данных, которая в рамках современного Ethernet представляет собой витую пару или оптоволоконный кабель, к которому подключаются Ethernet-устройства для создания маршрута передачи данных;
сегмент — общая среда передачи данных;
узлы — устройства, которые подключаются к сегментам.

Стандартные сети Ethernet могут передавать данные со скоростью 10–100 Мбит/с. Существует и гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet) — этот термин используется в стандарте IEEE 802.3 для описания сетей, способных передавать данные со скоростью 1 Гбит/с. Изначально такой Ethernet использовался для передачи данных по магистральным сетям и для высоконагруженных серверов, однако со временем его начали применять для подключения обычных персональных компьютеров.

Построение информационной сети предприятия

Системы промышленной автоматизации имеют в своём составе множество связанных между собой устройств и компонентов. Полевые устройства, такие как датчики, исполнительные механизмы и интеллектуальные системы, подключаются к контроллерам. Эти программируемые логические контроллеры (ПЛК), а также программируемые контроллеры автоматизации (ПКА) контролируют полевые устройства и управляют ими, обмениваются данными между собой и с системами высшего уровня, обеспечивая человеко-машинный интерфейс (ЧМИ), диспетчерское управление и сбор данных (SCADA), архивирование, анализ данных и прочие функции (рис. 2).

Системы промышленной автоматизации и управления имеют многоуровневую структуру устройств и сетей.

Иерархические структуры промышленных сетей имеют целый ряд характеристик и не всегда могут быть чётко определены, поскольку какие-то уровни сетей могут быть виртуальными или объединёнными в одной физической сети. Далее приведён пример таких уровней, которые должны быть объединены в сеть на уровне предприятия.

Уровень 4: бизнес-планирование и логистика.
Уровень 3: система управления производством (MES) для контроля хода работ.
Уровень 2: ЧМИ и SCADA (диспетчерское управление и сбор данных).
Уровень 1: управление системами автоматики с помощью локальных ПЛК и ПКА.
Уровень 0: полевые датчики, устройства и сети.

Контроллеры могут взаимодействовать с полевыми устройствами (и между собой) на уровнях 0 и 1, используя жёстко запрограммированные точки ввода-вывода, промышленные шины и промышленную сеть Ethernet. Такие соединения являются локальными, и, как правило, осуществляется передача небольших пакетов данных с высокой скоростью, так как физическими устройствами нужно управлять напрямую в режиме реального времени.

Необходимость связи между контроллерами и с устройствами высшего уровня обусловлена рядом причин. Промышленные сети, связывающие уровень 1 с более высокими уровнями, иногда называют сетями уровня предприятия. В сравнении с сетями более низкого уровня в части скорости передачи пакетов данных к информационной сети предприятия могут предъявляться менее жёсткие требования.

В отличие от сетей более низкого уровня, сети уровня предприятия объединяют много разнообразных систем. В результате появляются новые требования к параметрам передачи данных:

безопасность: наличие встроенных функций защиты информации;
контекстуализированная и объектно-ориентированная архитектура: способность определить и организовать передаваемые данные;
платформенно-независимая структура: обеспечение распределённых приложений для бесперебойной передачи данных.

Как уже отмечалось, выбор пал на физическую сеть Ethernet. Это в полной мере относится к IT-системам предприятий и бизнеса, а также системам промышленной эксплуатации (OT – Operational Technology). С физической точки зрения управление по сети Ethernet может осуществляться по медным проводам, оптоволокну и даже по каналам беспроводной связи. Главным отличием применения сети Ethernet в IT- и OT-системах являются протоколы передачи данных.

Что такое Ethernet

Ethernet — это протокол, который позволяет сетевым устройствам отправлять и получать данные другим устройствам в той же сети.

Он обычно используется в сетях, где местоположение является фактором. Вот почему он стал таким важным в сетях LAN: этот тип сети имеет географические ограничения. Сеть LAN находится в одном месте, будь то библиотека, офис или ваш дом.

Возможно, вы слышали в играх термин «вечеринка по локальной сети». Когда вы настраиваете компьютеры для работы в локальной сети, все они подключаются к одной сети через Ethernet. Это позволяет вам играть на локальном сервере, доступ к которому есть только у вас, потому что все подключены друг к другу.

Классический Ethernet

Исторически появился самым первым, в первом варианте Ethernet использовалась топология “общая шина”.

Вдоль всех компьютеров шел коаксиальный кабель, который соединял все компьютеры между собой. Компьютеры подключались к этому коаксиальному кабелю с помощью Т-коннекторов, к которым с двух сторон подключались разные участки коаксиального кабеля соединяющего компьютер с двумя соседними. Такие сети не были удобны в эксплуатации, если где-то происходил разрыв кабеля или повреждение адаптера, то сразу переставала работать вся сеть. И найти место, где конкретно произошла проблема было очень сложно, поэтому со временем появился второй вариант технологии Ethernet на основе устройств — концентратор (hud).

Концентратор (HUB)

Физическая топология в такой сети звезда, все компьютеры подключаются к одному концентратору, но логическая топология общая шина. Так как сигнал который поступает на один порт концентратора передается на все остальные порты. Преимущество концентратора в том, что если выйдет из строя кабель или сетевой адаптер, то перестает работать сеть всего лишь на одном компьютере.

Найти неисправность неисправность легко, на основе цветовой индикации, на портах концентратора.

Архитектура OPC UA, разработанная для нужд промышленности

Когда речь заходит о совместимости средств автоматизации промышленных процессов с другими системами, проектировщики всегда стоят перед выбором протоколов, даже несмотря на то, что Ethernet является доминирующей сетевой технологией. Иногда имеются ограничения, связанные с физическими сетями или совместимостью цифровых протоколов с выбранными устройствами. А к современной архитектуре информационных сетей предприятий предъявляются требования по информационной безопасности, контекстуализации и объектной ориентации.

Архитектура OPC UA отвечает указанным требованиям. Защита информации обеспечивается надёжными IT-технологиями. Контекстуализация играет ключевую роль в передаче необработанных данных OT во множество разных IT/OT-систем высшего уровня с оболочкой, содержащей дополнительную информацию. Объектная ориентация способствует стабильности и эффективности работы сети и её совместимости с современными языками программирования. В совокупности эти преимущества позволяют считать протокол передачи данных для систем промышленной автоматизации OPC UA достойным выбором. ●

Ethernet пока не применяется для датчиков

Стоит отметить, что сегодня по-прежнему просто нет смысла подключать абсолютно все промышленное оборудование к Ethernet. Главный фактор, который играет при этом роль, — стоимость. Считается, например, что слишком дорого подключать по Ethernet на витой паре производственные датчики. Результаты опросов 2016 и 2019 года подтверждают это: в обоих опросах около половины датчиков на предприятиях респондентов подключены через сети других стандартов.

Какие цифровые продукты можно купить со скидкой 50% при поддержке государства
Поддержка ИТ-отрасли

Существует еще одно препятствие: в большинстве решений для организации промышленных сетей на основе Ethernet не предусмотрено использование технологий подачи электропитания по одному кабелю с данными (Power over Ethernet, PoE). Поэтому для всех устройств, подсоединяемых к сети Ethernet, понадобится отдельные линии для подведения электроэнергии. Это означает что и сама техника будет более громоздкой, и расходы на интеграцию увеличатся.

Вместе с тем, влияние данного фактора, похоже, начинает уменьшаться. Ряд стандартов связи уровня устройств, например, IO-Link, обеспечивают и передачу данных, и электропитание по стандартному кабелю, что позволяет встраивать их без лишних затрат. Благодаря развитию этих технологий интеграция Ethernet-устройств упрощается, появляется возможность расширения сетей в дальнейшем, когда на предприятии будут готовы к последующим этапам внедрения Ethernet-сетей в системах АСУТП.

Постепенно Ethernet-устройства, поддерживающие PoE, дешевеют и к сетям Ethernet станут подключать гораздо больше датчиков и других небольших устройств.

И, судя по результатам последнего опроса, респонденты выражают большую степень готовности перейти на Ethernet, чем три года тому назад.

Через какое время вы планируете внедрить сеть Ethernet или перейти на оборудование с поддержкой Ethernet?

Сейчас целый ряд поставщиков активно развивают направление, связанное с «последним метром», — технологиями соединения датчиков с сетью. Внедрение Ethernet с поддержкой PoE позволяет обойти многие препятствия. Так что когда по этой технологии начнут подключать даже датчики, можно ожидать начала масштабных внедрений. Можно предположить, что именно этим обусловлено приближение планов внедрения в последнем опросе.

Есть и извечная движущая сила модернизации — перспектива утратить поддержку устаревшего сетевого оборудования, поскольку , например, поставщики контрольно-измерительного оборудования часто перестают обновлять драйверы для старых устройств, побуждая клиентов переходить на Ethernet-решения.

По большому счету, учитывая рост количества новой техники с поддержкой Ethernet и господство проприетарных технологий обмена данными, которое по-прежнему сохраняется в промышленности, три года можно считать относительно коротким периодом, чтобы за это время успели появиться планы новых внедрений. Вместе с тем можно с уверенностью прогнозировать, что в ближайшие годы масштаб внедрения Ethernet-технологий на заводах существенно вырастет по ряду причин — прежде всего по соображениям сохранения конкурентоспособности, для чего будут внедряться средства мониторинга условий производства, аналитики данных, отслеживания состояния оборудования и прогнозного техобслуживания.

Классический Ethernet

Классическая технология Ethernet давно и успешно заменена новыми технологиями, но некоторые нюансы работы сохранились. Рассмотрим классическую версию.

Физический уровень включает в себя 3 варианта работы Ethernet, которые зависят от сред передачи данных.

Это:

коаксиальный кабель
витая пара
оптоволокно

Канальный, в свою очередь, включил методы доступа, а также протоколы, что ничем не отличаются для различных сред передачи данных. Подуровни LLC и MAC в классической технологии присутствуют вместе.

MAC-адреса позволяют идентифицировать устройства, подключенные к сети Ethernet. Идентичных адресов при этом быть не должно. В противном случае из нескольких устройств с одинаковыми MAC будет работать только одно.

По типам MAC-адреса разделяются на:

Индивидуальные (для отдельных компьютеров).
Групповые (для нескольких компьютеров).
Широковещательные (для всех компьютеров сети).

Адреса могут назначаться как производителем оборудования (централизованно), так и администратором сети (локально).

Технология Ethernet и формат кадра

Также не стоит забывать о коллизиях. Если сигнал, который принят, отличается от переданного, это означает, что произошла коллизия.

Технология CSMA/CD разработана с учетом возникновения коллизий и предполагает их контроль. Модель CSMA/CD выглядит следующим образом:

CSMA/CD выглядит следующим образом

Классический Ethernet плох тем, что становится неработоспособным при нагрузке более чем 30%.

Резервирование каналов и кольцевая топология

Для обеспечения защиты каналов связи от единичного отказа необходимо их резервировать. Резервирование неизбежно ведет к возникновению кольцевых участков сети — замкнутых маршрутов. Стандарт Ethernet предусматривает только древовидную топологию и не допускает кольцевых, так как это приводит к зацикливанию пакетов.

Современные коммутаторы, как правило, поддерживают дополнительный протокол Spanning Tree Protocol (STP, IEEE 802.1d), который позволяет создавать кольцевые маршруты в сетях Ethernet. Постоянно анализируя конфигурацию сети, STP автоматически выстраивает древовидную топологию, переводя избыточные коммуникационные линии в резерв. В случае нарушения целостности построенной таким образом сети (обрыв связи, например), STP в считанные секунды включает в работу необходимые резервные линии, восстанавливая древовидную структуры сети. Этот протокол не требует первичной настройки и работает автоматически.

Более мощная разновидность данного протокола — Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP, IEEE 802.1w), позволяющая снизить время перестройки сети до нескольких миллисекунд. Протоколы STP и RSTP позволяют создавать произвольное количество избыточных линий связи и являются обязательным функционалом для промышленных коммутаторов, применяемых в резервированных сетях.

Контекстуализация и объектная ориентация

Классические промышленные протоколы фокусируются на надёжности передачи исходных данных. Проектировщики упорядочивали сигналы входных данных с целью их дальнейшей обработки назначенными контроллерами и преобразования исходных данных в полезную информацию. Такая обработка включала в себя операцию определения типа информации и масштабирования значений, например, до уровня инженерных единиц. Но данная процедура становится очень обременительной, если её требуется применять на каждом отрезке канала связи, например на участке от устройства ввода-вывода сигнала до контроллера, от контроллера до ЧМИ и SCADA, от SCADA до MES и от SCADA или контроллера до сервера архивных данных.

Более совершенный метод, называемый контекстуализацией, предполагает передачу данных с унаследованной семантикой, исключающей необходимость программирования и конфигурирования ПЛК и ЧМИ и тщательного последовательного преобразования сигналов между ними, поскольку теперь данные одинаково понимаются всеми взаимодействующими информационными системами. Контекстуализация позволяет специалистам работать с использованием одних и тех же исходных данных. Особая способность самопознания системы OPC UA позволяет ЧМИ выполнять навигацию в конфигурации ПЛК для получения требуемой информации с использованием функции масштабирования и параметров, заложенных в стандартном формате. Кроме того, OPC UA поддерживает принцип иерархии, который может быть использован дотошными проектировщиками для сохранения данных в полезном формате, что очень похоже на файловую систему ПК, состоящую из папок.

Контекстуализация позволяет агрегирующему серверу сконцентрировать информацию для одной или нескольких областей объекта промышленной автоматизации. Затем сервер может предоставить эту информацию многим клиентам в виде данных визуализации, аналитики, архивов и других прикладных решений. Клиенту нужно просто указать узел, в котором находится вся необходимая информация, поскольку дополнительные данные передаются в структурированном формате, в то время как переменные данных и их параметры разделяются по ссылкам, определяющим отношения между ними. Это в какой-то степени делает иерархию автоматизации более плоской и обеспечивает быстрый доступ к значимой информации для каждого ключевого игрока.

Объектно-ориентированные методы являются инструментами организации данных, которые можно использовать для построения информационной модели и передачи её смысловых составляющих в стандартном формате. Например, структурный компонент может отображать температуру и давление на входе и выходе насоса (рис. 4).

Ethernet-APL с 10BASE-T1L

Ethernet-APL (APL — advanced physical layer, расширенный или усовершенствованный физический уровень Ethernet) описывает физический уровень для технологии связи Ethernet, который специально разработан для производственных процессов и определяет подробности применения связи Ethernet к датчикам и исполнительным механизмам для обрабатывающей промышленности. Стандарт Ethernet-APL будет опубликован в рамках МЭК. Он основан на стандарте физического уровня Ethernet 10BASE-T1L и определяет методы реализации и требования по взрывозащите для использования во взрывоопасных зонах. Ведущие компании в области автоматизации процессов, для того чтобы заставить Ethernet-APL взаимодействовать с протоколами Industrial Ethernet и ускорить его развертывание, уже работают вместе под эгидой PROFIBUS и PROFINET International (PI), ODVA, Inc. и FieldComm Group.

EIB KNX

Стандарт KNX – это мировой стандарт для систем управления зданиями и сооружениями, европейская установочная шина. Шина KNX представляет собой децентрализованную систему событийного управления с последовательной передачей данных управления, контроля и сигнализации эксплуатационно технических функций и процедур по общему кабелю. К минимальной структурной единице KNX системы, линии, может быть физически подключено до 64 устройств (абонентов шины). С помощью устройств линейного сопряжения, подключаемых к так называемой главной линии, в одной зоне можно объединить до 15 линий, доведя общее количество устройств до 960. В свою очередь до 15 зон могут быть объединены в иерархию следующего уровня – область, с помощью устройств зонного сопряжения, устанавливаемых в так называемой линии зон.

Вывод

Ethernet — это сетевая технология, которая соединяет устройства в локальной или глобальной сети. Он может появиться в самых разных местах, от домов до корпоративных офисов и больниц. Где в одной сети есть несколько устройств, которые хотят общаться друг с другом.

Он обеспечивает надёжное и стабильное соединение, в отличие от беспроводной технологии. Которая подвержена помехам и может быть нестабильной в зависимости от вашего расстояния до маршрутизатора. Однако, чтобы использовать Ethernet, вам необходимо подключить к устройству кабель. Сегодня это непрактично для многих современных устройств, поддерживающих только беспроводную технологию.