Оптимизация промышленных сетей с технологией Ethernet

12 августа 2014

 

Поделитесь статьей в социальных сетях

0

коммутаторИсточник: processonline.com.au

Перевод: Павлов Николай

* * * * *

Традиционные полевые шины были — а некоторые и являются до сих пор — изолированными от других сетей автоматизированной системы, и требовали локального мониторинга и рутинного обслуживания. Для повышения производительности и снижения эксплуатационных расходов многие производители и владельцы предприятий развернули Industrial Ethernet, с целью свести воедино изолированные полевые шины для централизованного управления и мониторинга.

Термин «автоматизация» был введен в 1946 году, позднее опубликован в журнале в 1948 году и определен как «искусство применения механических устройств для… выполнения этих задач во временной последовательности… с помощью кнопочного контроля на стратегических участках». Цели инженеров в автоматизации сегодня совпадают с целями инженеров 1940-ых: минимизировать участие человека в техпроцессе с увеличением выходной мощности, скорости производства и обеспечения цикличности действий.

До недавнего времени системы автоматизации были изолированы и, как правило, состояли из устройств ввода/вывода, подключенных непосредственно к ПЛК, которые в свою очередь взаимодействовали со SCADA-системой в локальных диспетчерских. Сегодня наблюдается разница в архитектуре современных сетей промышленной автоматизации — в виде технологии, которая все чаще используется для подключения крупных распределенных систем с удаленными центрами мониторинга и управления. Технология эта — Industrial Ethernet.

Технология Industrial Ethernet состоит из различных Ethernet-ориентированных протоколов и разработана с определенными возможностями как надежная альтернатива дорогостоящим проприетарным системам автоматизации. Важно, что технология выстраивает масштабируемую и унифицированную инфраструктуру, которая объединяет все сетевые узлы на административном, контроллерном и полевом уровнях. Многие современные системы промышленной автоматизации используют шлюзы в качестве мостов между полевыми устройствами ввода/вывода и ПЛК на базе Ethernet, Ethernet-коммутаторы для подключения ПЛК и SCADA-терминалов в центрах дистанционного управления, снижая эксплуатационные затраты и повышая эффективность производства за счет расширения сетей.

По данным последних исследований, проведенных IMS Research, на три из наиболее распространенных протоколов на основе Ethernet — Ethernet/IP, Profinet и Modbus TCP — приходится более 65% от всех существующих автоматизированных систем в мире, и их суммарный рост с 2010 по 2015 гг., как ожидается, превысит 18 миллионов новых устройств.

Industrial Ethernet

Тем не менее, во всем мире число существующих устройств на полевой шине увеличится со 183 млн в 2010 году до более чем 326 млн к 2015 году. Устойчивый рост, несмотря на растущую популярность Industrial Ethernet, связан с тем, что промышленные сети по-прежнему считаются более простыми и рентабельными чем Industrial Ethernet для применения на полевом уровне. К тому же количество устройств полевого уровня больше в несколько раз количества устройств на контроллерном и административном уровнях. Однако с ростом сетей и централизацией управления интеграция различных Ethernet-протоколов и объединение полевых систем будет неизбежно.

Простая инфраструктура на основе Ethernet обеспечивает эффективность централизованного управления сетью с высокой степенью масштабируемости и гибкости, широкую полосу пропускания и быстрое восстановление после сбоя. Для повышения производительности системы и повышения управляемости сети коммутаторы и шлюзы должны «бесшовно» интегрироваться с сетями промышленной автоматизации. Однако интеграция промышленной сети с Industrial Ethernet представляет для интеграторов и инженеров несколько проблем:

  • Централизованный мониторинг всех сетевых устройств, включая коммутаторы, должен быть доступен со SCADA-системы. Однако стандартные коммутаторы Industrial Ethernet не обрабатывают протоколы промышленной автоматизации, и поэтому не могут быть проверены на той же системе управления, что ПЛК и другие устройства ввода/вывода.

  • Существующие устройства полевой шины могут составлять значительную часть активов компании, и включить их в сеть Ethernet можно с помощью модулей ПЛК. Но для крупномасштабных систем управления экономически выгоднее использовать шлюзы Industrial Ethernet для интеграции устройств полевой шины. В этом случае потребуется значительное время для ручной настройки коммутаторов и шлюзов.

Многие производители предлагают оборудование интегрирования полевой шины в Ethernet для консолидации автоматизированных систем с учетом особенностей устройства и взаимодействием между ним и ПЛК. Правда, это всего лишь основные требования для объединения систем. Большинство доступного на сегодня сетевого оборудования ориентировано на перспективы автоматизации. Такие параметры как общая производительность, конфигурация/управление эффективностью и гибкость использования, видимо, были упущены.

Компоненты для оптимизации сети

Поскольку сети полевых устройств переходят в более крупные сети управления через интеграцию полевой шины в Ethernet, развертывание и управление сетью становится все сложнее, а производительность сети снижается до критического значения. Для оптимизации производительности и управления сетью коммутаторы и шлюзы Industrial Ethernet должны ставить во главу сеть. Это повысит производительности, эффективность конфигурации, упростит управление сетью и обеспечит гибкость.

Высокая производительность обеспечивает сетевую способность

Оптимизация производительности сетей промышленной автоматизации имеет решающее значение для обеспечения максимальной производительности и надежности. Высокая пропускная способность, высокая скорость передачи данных, аппаратные особенности коммутаторов являются выжными составляющими производительности сети. Тем не менее, эти факторы являются бесполезными, если сеть недоступна. Для поддержания высокой доступности сети требуются не только надежные сетевые устройства, но и быстрое восстановление сети и ее компонентов во время технического обслуживания, в случае обрыва соединения или сбоя устройства.

Коммутаторы Industrial Ethernet

Высокоскоростное резервирование

Избыточность является обязательным компонентом для обеспечения надежности промышленной автоматизации. Длительные периоды незапланированного простоя системы могут поставить под угрозу безопасность персонала на площадке, серьезно повлиять на производительность и даже повредить дорогостоящее оборудование. Последние достижения в технологиях резервирования не только обеспечивают время восстановления в мс, но и позволяют существенно снизить затраты на развертывание.

Быстрее чем перезапуск ПЛК

Перезапуск коммутаторов и ПЛК, как правило, требуется в момент технического обслуживания. Большинству управляемых коммутаторов требуется порядка трех минут, если не больше, чтобы запуститься, т.к. имеют относительно малую вычислительную мощность. ПЛК, с другой стороны, работают на основе простой релейной логики, и перезапуск обычно занимает менее одной минуты. Устройства административного уровня (например, SCADA и HMI) не смогут получить доступ к контроллерному и полевому уровням до тех пор, пока коммутаторы не завершат POST-диагностику (самотестирование при включении) и процесс начальной загрузки. Разница между временем перезапуска ПЛК и коммутаторов не только «сведет на нет» усилия на техническое обслуживание, но и может привести к блокировке портов в некоторых старых, чувствительных ко времени, системах автоматизации. «Продвинутые» управляемые коммутаторы способны запуститься в течении 10 секунд.

Шлюзы Industrial Ethernet

Вычислительная мощность

Обычно на шлюзы устанавливается 16-битная архитектура, что ограничивает шлюз до восьми одновременных соединений и время отклика. Недавно разработанные 32-разрядные шлюзы Industrial Ethernet могут обрабатывать до 16 одновременных подключений (SCADA/HMI/PLC) без ущерба для времени отклика и надежности передачи.

Приоритизация данных

Большинство коммутаторов предусматривают назначение приоритета пересылаемым пакетам между устройствами административного уровня (SCADA/HMI) и контроллерного уровня (ПЛК). Некоторые шлюзы Ethernet в настоящее время также способны обеспечить приоритизацию данных на полевом уровне, чтобы внедрить QoS (качество обслуживания) и обеспечить детерминизм.

Ядро промышленной автоматизации состоит из SCADA, ПЛК и устройств ввода/вывода. Коммутаторы и шлюзы объединяют полевую шинц и Ethernet путем предоставления сетевого взаимодействия между этими основными устройствами на всех уровнях сети. Для оптимизации производительности крупномасштабных сетей промышленной автоматизации крайне важно, чтобы каждое устройство сети работало с учетом временных рамок.

контроллерный уровень

Продвинутая эффективность упрощает настройку и мониторинг

Настройка конфигурации коммутатора и шлюза в момент объединения полевой шины в Ethernet раньше возлагалась на опыт системных интеграторов. Конфигурация шлюза может быть чрезвычайно трудоемкой, так как требует ручного ввода параметров, и проверяется путем проб и ошибок. Кроме того, изохронный характер жесткого реального времени систем промышленной автоматизации не терпит задержек и требует точной настройки критических параметров, таких как тайм-аут ответа шлюза для предотвращения системных ошибок. Кроме того, оптимизация управления сети ПЛК подразумевает использование инструментов для конфигурирования и мониторинга сети не только для обеспечения надежного функционирования и немедленного уведомления о событиях, но и обеспечивает простоту обслуживания для сведения к минимуму времени простоя системы.

Коммутаторы Industrial Ethernet

Простота Plug-and-play

Коммутаторы, устанавливаемые в заводской сети, должны поддерживать промышленные протоколы Ethernet, например Profinet, Modbus TCP и EtherNet/IP. Так, коммутаторы интегрируются в SCADA/HMI промышленные системы автоматизации для консолидации сетевой конфигурации, управления и контроля без дополнительной настройки или каких-либо изменений.

Параметры устройства и мониторинг

Кроме того, мониторинг производительности сети, изменение параметров, например питания, состояния портов и резервирования — должны быть доступны через SCADA-систему. Отображение состояний в SCADA-системе является важным моментом для поддержания работоспособности сети. Доступ к параметрам устройства позволяет осуществлять удаленный мониторинг компонентов коммутатора, предоставляя операторам полную информацию о сети контроллерного уровня.

Шлюзы Industrial Ethernet

Интеллектуальное автоматическое обнаружение

Новейшие достижения в области Ethernet шлюзов заменяют утомительный ручной ввод сетевых параметров и конфигураций устройств, которые, даже для опытных системных интеграторов, могут быть крайне сложными и трудоемкими. Последние разработки позволяют за короткий просежуток времени автоматически обнаружить настройки модулей ввода/вывода Profibus и Modbus-устройств, что исключает появление ошибок при ручном вводе настроек.

Инструменты мониторинга и диагностики

Если ошибки связи останавливают производственные линии завода, то инженеры должны быстро найти и устранить причину остановки. При возникновении проблем шлюзы с помощью реле должны немедленно сгенерировать тревогу в диспетчерской или отключить механизм, чтобы минимизировать воздействие сбоя системы. Многие интеллектуальные шлюзы предлагают программные инструменты диагностики, помогающие инженерам в устранении неполадок. В случае точного определения причины отказа системы инженеры могут быстро получить доступ к журналу передачи данных и отфильтровать ошибочные кадры полевой шины для просмотра и анализа.

Ручной ввод модулей ввода/вывода и настроек тайм-аута может занять много часов, если не дней. Интеллектуальные коммутаторы и шлюзы помогают системным интеграторам и инженерам без особых усилий развернуть, настроить и обновить сегменты сети для быстрого запуска производства в заводских цехах.

Максимальная гибкость

Сетевую инфраструктуру промышленной автоматизации можно распределить по нескольким заводам в различных удаленных местах, где различные задачи выполнены в различных промышленных средах. Гибкость коммутатора и шлюза позволяет оптимизировать развертывание сети ПЛК с устройствами, которые лучше всего подходят для применения в таких отраслях, как химические заводы, очистка сточных вод и нефтеперерабатывающие заводы.

Для различных задач промышленной автоматизации требуются различные типы шлюзов и коммутаторов. Для решения разных задач требуется различная плотность портов, разные комбинации типов портов, таких как оптоволокно, PoE, SFP-порты с Fast Ethernet, Gigabit или 10GbE. Кроме того, условия работы будь то в помещении или на открытом воздухе могут предъявлять к оборудованию жесткие требования, почти что на грани эксплуатационных характеристик. Факторы окружающей среды, такие как экстремальные температуры, вибрации, ударные нагрузки, коррозия, пыль, сырость, влажность, скачки напряжения и EMI требуют использования промышленного класса устройств с наличием отраслевых сертификатов. Ниже перечислены нкоторые требования.

  • Широкий диапазон температур необходим для уличных условиях, когда температура опускается ниже -30 °С ночью и поднимаются до более 70 °С в дневное время.
  • Gigabit PoE позволяет объединить взаимодействие контроллерного уровня с видеонаблюдением, устраняя необходимость использвания внешнего силового кабеля.
  • Fibre используется на больших расстояних между удаленными сетями. Кроме того, EMI позволяет использовать волокно для многих задач электроэнергетики.
  • 10GbE и коммутаторы 3-его уровня требуются в диспетчерских крупномасштабных систем видеонаблюдения для обеспечения высокой скорости передачи данных, необходимых для передачи видео HD-качества.
  • Разъемы M12 необходимы для наружного применения, например в горнодобыбающей или транспортной отраслях, где интенсивная вибрация и пыль могут поставить под угрозу наличие связи.
  • Степень защиты (IP) имеет важное значение для тех сред, где загрязнители и высокая влажность могут нарушить работу устройства и привести к его отказу.

Многие производители предлагают широкий выбор коммутаторов и шлюзов, специально предназначенных для конкретного применения, избавляя от размышления о том, как эти устройства могут повлиять на сеть автоматизации в целом. Следовательно, операторы могут работать с сетью разных поставщиков, которые не взаимодействуют как единое целое, что может серьезно повлиять на общую производительность и управляемость сети. Сопряжение различных систем и приложений в сети ПЛК требует широкий спектр коммутаторов и шлюзов, не только разработанных и настроенных специально под конкретную задачу, но и для оптимизации конфигурации, производительности и надежности сетей ПЛК в целом.

Ссылки

1. Pursell C, 2008, A Companion to American Technology, Blackwell Publishing


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*