Современный Industrial Ethernet

в исполнении Symanitron

Сегодня ETHERNET - самая широко распространенная технология связи в электронных системах обработки

данных.

ETHERNET предлагает широкий диапазон средств передачи данных таких, как медь, оптоволокно, а также

беспроводная связь; скорости передачи данных могут быть от 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps вплоть до 10 Gbps.

В настоящее время эта технология играет большую роль не только при созданоии современных ЛВС, но и в

промышленной автоматизации. Наряду с преимуществами стандартизированной связи, ETHERNET обеспечивает

бесшовную сетевую архитектуру, соединяющую в единое целое как офисное оборудование, так и

производственные участки.

Учитывая вышесказанное, можно сказать, что ETHERNET является самой распространенной средой

промышленных сетей и широко применяется при автоматизации производственных процессов.

Ethernet в современном мире

Ethernet как транспортная система информации управления процессом. Достоинства

• Высокие скорости передачи (до 10Gbps)

• Открытость стандарта

• Возможность инкапсуляции других сервисов

• Централизованное управление сетью

• Простое расширение сети

• Большое количество обученных

специалистов

• Широкая полоса пропускания

• Сложившаяся система стандартов

• Широкий выбор сред передачи данных: TP,

SMF, MMF, Wireless, WDM…

• Непрерывное развитие технологии

• Достаточно низкая «Общая Стоимость

Владения» (ОСВ)

• Возможность удаленной диагностики через

Профилактическая диагностика,

использующая управляющее программное

обеспечение, например SNMP или OPC

• Возможность вертикальной интеграции

Продукция Industrial Ethernet состоит из управляемых и неуправляемых коммутаторов, маршрутизаторов, медиа-

конверторов и других устройств, используемых для подключения современных устройств автоматизации.

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) определяет Industrial Ethernet как технологию совместимую с

семейством стандартов IEEE 802.3, но при этом, Industrial Ethernet удовлетворяет требованиям эксплуатации на

промышленном производстве и может применяться в различных бизнес-приложениях.

За прошедшие 30 лет стандарт Ethernet неоднократно усовершенствовался и в настоящий момент является

безальтернативным вариантом построения систем промышленной автоматизации и систем управления

промышленными процессами (АСУТП).

IE и Ethernet на уровне пакетов абсолютно совместимы, но IE имеет два принипиальных отличия:

• Исполнение оборудования (прочный компактный корпус, повышенная защита…)

• Специфические технологии резервирования (логическое отличие для создания избыточности связей,

резервирования…)

Industrial Ethernet и классический Ethernet

Особенности промышленных условий эксплуатации Техническое соответствие оборудования условиям среды

В промышленной среде

сеть должна работать

надежно в чрезвычайных

условиях, таких как:

• электромагнитное

излучение;

• высокие температуры и

механическое

воздействие.

Офисный коммутатор

не подходит для

промышленного

применения

Режим передачи данных Полудуплексный, полнодуплексный Полнодуплексный

Активное оборудование Маршрутизаторы, коммутаторы Маршрутизаторы, коммутаторы

Резервирование Не обязательно Обязательно

Скорость восстановления работоспособности сети

Не критично по времени Максимально быстрое

Время запаздывания при разрешении конфликтов

Не учитывается Строго детерминировано

Размер пакета данных Большой Минимальный

Условия Отапливаемые здания, помехи отсутствуют Промышленная зона, загрязненность, возможно электромагнитные помехи

Офисная сеть Industrial Ethernet

Требования к промышленному сетевому оборудованию Техническое соответствие оборудования условиям среды

• Расширенный температурный диапазон от -40°С до +85 °C

• Безвентиляторное охлаждение

• Металлический корпус из качественных материалов

• Резервирование питания одним или двумя дополнительными

источниками

• Соответствие стандартам на ударопрочность и

виброустойчивость:

• Соответствие стандартам на элетромагнитную совместимость

• При использовании в электроэнергетике - поддержка

стандарта IEC 61850

• При использовании на транспорте – поддержка стандартов

NEMA TS1/TS2

• При использовании на Ж/Д транспорте – поддержка стандарта

EN 50155

• Надежность связи (топологии с резервированием связей)

• Большое время наработки на отказ (MTBF)

Промышленому объекту

–

коммутатор промышленного

исполнения

Широкий рабочий температурный диапазон

Промышленный коммутатор с

решенной проблемой

теплообмена

63,4°C

Коммутатор со стандартным

рабочим температурном

диапазоном

Офисное оборудование, как правило, работает при положительных температурах (от +5°C до +40°C), в то время, как,

например, промышленные котроллеры (PLC) работают при температурах от 0°C до +60°C. Из этого можно сделать

вывод, что оборудование Ethernet должно иметь равные или лучшие температурные характеристики, чем

оборудование с которым оно соединяется. При использовании систем автоматизации или видеонаблюдения в

неотапливаемых помещениях или на улице, требуется еще более широкий температурный диапазон от -40°C до +70

или +85 °C.

Коммутатор SWM-73GC

-40°C .. +85°C

Коммутатор SEWM18G-D

-40°C .. +85°C

63,4°C

Отсутствие вентиляторов

Основной причиной выхода из строя компьютерного оборудования является неисправность систем

охлаждения. Вентилятор, принудительного охлаждения, вышедший из строя приводит к

нестабильной работе коммутатора и его зависанию. Необходимо помнить, что оборудование с

вентиляторами накладывает определенные требования на чистоту воздуха в помещении, что в

условиях российской действительности практически никогда не соблюдается.

В отличие от офисной техники, Industrial Ethernet оборудование охлаждается с помощью

естественной конвекции, не содержит вентиляторов, что позволяет использовать их в запыленных

помещениях и в местах где затруднен доступ к оборудованию для регулярного профилактического

обслуживания. В результате отсутствия движущихся частей, промышленное Industrial Ethernet

оборудование многократно превосходит офисное по времени наработки на отказ (MTBF не менее 15

лет).

Модульный промышленный коммутатор SWWM2G28SK(без активного охлаждения)

Промышленный частично-управляемый коммутаторSWS-50M12 (с защитой IP67)

Резервирование питания

Большинство оборудования имеет двойное или

тройное резервирование питания.

1. Два источника питания подключаются через

клеммную колодку.

2. Третий источник- через отдельный разъём.

Основные промышленные стандарты

Основные промышленные стандарты IP

(Ingress Protection Rating - Степень защиты оболочки)

IP67

IP30

Различные технологии резервирования

Для большинства офисных применений, выход из строя компьютерной сети на несколько минут или даже часов, не

является критичным. Любой из Вас может вспомнить, случаи когда во время рабочего дня нерадивые системные

администраторы перезагружали сервер или меняли активное оборудование, и при этом ничего катастрофического не

произошло. Однако, для промышленного применения вышеописанные случаи недопустимы! Представьте себе, что ваша

компьютерная сеть вышла из строя во время производственного цикла, или неработающую в течении пяти минут систему

охранного виденаблюдения. Все это приводит к авариям, экологическим бедствиям, случаям воровства и вандализма. Потери,

даже от одной минуты простоя, могут быть необратимые последствия.

Именно по этой причине производители Industrial Ethernet используют в своем оборудовании высокоскоростные

технологии восстановления работоспособности (HIPER-Ring, eRSTP, Super-Ring и т.д.) которые однозначно превосходят по

скорости офисный Spanning-Tree (STP).

Резервирование Super-RingРезервирование eRSTP

Резервирование Hiper-Ring Резервирование Turbo-Ring

Различные технологии резервирования

Технология Turbo Ring успешно использовалась во множестве проектов

для обеспечения бесперебойной работы промышленных сетей Ethernet. Суть

ее заключается в создании дополнительных резервных соединений,

обеспечивающих быстрое восстановление соединения при повреждении

кабелей передачи данных или сетевого оборудования. Время

восстановления соединения в таких системах составляло около 300 мс.

Время восстановления соединения в сетях, использующих Turbo Ring

нового поколения, составляет всего 20 мс.

Spanning Tree Protocol (IEEE 802.1D) был разработан для решения

фундаментальных проблем петлей трафика. Он помогает достичь этого

благодаря тому, что все коммутаторы в сети (с поддержкой STP)

обмениваются информацией, следуя алгоритму, определяющему любую

сетевую петлю. Как только петля определена, она логически разрывается

путём блокирования одним из устройств одного из соединений. Этот протокол

считается слишком медленным даже для офисных сетей.

Эволюционирование протокола вылилось в создание последователя -

IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP). Эта версия протокола

сильно уменьшила время восстановления сети (десятки секунд), но всё же

была слишком медленной для реал-тайм систем.

Главной идеей при создании eRSTP явилось расширение функционала

RSTP в двух направлениях:

• уменьшение времени восстановления сети

• улучшение производительности больших кольцевых систем

И теперь eRSTP обеспечивает время восстановления менее 5мс на хоп и

поддерживает сети до 80 устройств в кольце. Кроме того он полностью

совместим со стандартным RSTP для возможности работы с офисными

коммутаторами.

Немного о новейших технологиях резервирования

PRP использует две независимые сети с любой топологией,

не ограничиваясь только кольцевыми связями. Двумя

независимыми параллельными сетями могут быть кольца Turbo

Ring, RSTP и даже сети без резервирования вовсе. Основным

преимуществом PRP является его переключение без прерываний,

которое вообще не затрачивает время на активацию

резервирования в случае отказа, тем самым предлагая

максимально возможную доступность. Естественно, если только

обе сети не выходят из строя одновременно.

Отправитель использует два независимых сетевых

интерфейса, по которым одновременно осуществляется передача

данных. Протокол резервирования должен гарантировать, что

получатель будет использовать только первый пакет данных, а

второй будет проигнорирован.

Протокол PRP реализован в конечных устройствах, в то

время как используемые в сети коммутаторы являются

стандартными и не требуют поддержки данного протокола.

PRP

HSR Протокол HSR является специальной версией протокола

PRP. Применение протокола HSR ограничивается сетями с

кольцевой топологией.

По сравнению с другими подходами доступная пропускная

способность делится пополам, поскольку по кольцевой сети

осуществляется передача двух пакетов данных в разных

направлениях.

Усройства в составе схемы должны обладать поддержкой

протокола HSR. Устройство с поддержкой протокола HSR,

получающее пакет данных по кольцевой сети, направляет его на

другой свой порт и одновременно выполняет копирование пакета

данных на свои верхние уровни, в зависимости от правил

переадресации. После того как передача пакета данных

выполнена через всю кольцевую схему, отправитель должен

удалить пакет данных для исключения возможности его

циркуляции по сети.

Технология синхронизации времени

IEEE 1588 – стандарт, позволяющий синхронизировать часы распределенных устройств в сети. Текущие версии

протоколов основаны на спецификации IEEE 1588-2008, так же называемой 1588 v.2. В зависимости от

используемого оборудования и топологии, точность синхронизации может достигать десятков наносекунд.

Однако, следует заметить, что версии 1588 v.1 и 1588 v.2 между собой не совместимы.

Технологии Symanitron

Оборудование Symanitron использует в своих управляемых коммутаторах помимо

стандартных технологий резервирования, часто имеющих достаточные ограничения по

функционалу, также свои фирменные технологии:

Группы линеек оборудования

Поддержка различных технологий оборудованием Symanitron

Поддержка различных технологий оборудованием Symanitron

Технология All-Ring

All-Ring – технология позволяет коммутаторам Symanitron быть

совместимыми с большинством фирменных кольцевых технологий сторонних

производителей. Время восстановления < 50 мс.

Технология Sy-Ring

Sy-Ring – собственная кольцевая технология Symanitron со временем

восстановления менее чем 10 мс и поддержкой до 250 устройств.

Технология объединения колец Dual Homing

Технология по принципу действия напоминает технологию Spanning Tree,

определенную стандартом IEEE 802.1d. Главное отличие Dual Homing

заключается в том, что операции по восстановлению связей займут не более

трех секунд.

Технология объединения колец Couple-Ring

Технология дублированного соединения сегментов сетей, в том числе колец

Sy-Ring. Принцип действия прост – из двух линий связи активной остается

только одна, резервная линия активизируется только на время сбоя

основной. Быстродействие составляет порядка 250 мс.

Технология Sy2-Ring

Sy2-Ring – новейшая собственная кольцевая технология Symanitron со

временем восстановления 2,5 мс на хоп, разработанная для бесперебойной

работы устройств в условиях сильного электромагнитного излучения.

Принцип работы:

1. Соединение коммутаторов в

кольцо

2. Отключение одной из связей

для исключения петли

3. Возникновение разрыва

4. Активация отключенной связи

Технология Sy2-Ring+

Sy2-Ring+ – новейшая собственная технология Symanitron предназначенная

для резервируемой связи 2 колец Sy2-Ring. Технология разработана

специально для бесперебойной работы устройств в условиях сильного

электромагнитного излучения.

Технология Sy2-RP

Sy2-RP – новейшая технология резервирования коммутаторов серии

Symanitron Energy. Технология позволяет строить сети разных топологий,

обеспечивая сверхбыстрое время восстановления – около 50 мс. Технология

разработана специально для бесперебойной работы устройств в условиях

сильного электромагнитного излучения.

Технология Sy2-VLAN

Sy2-VLAN – новейшая технология виртуальных локальных сетей,

обладающая функционалом схожим с MSTP. Sy2-VLAN позволяет корректно

создавать несколько виртуальных локальных сетей в кольцах Sy2-Ring.

Принцип работы:

1. Соединение коммутаторов в

кольцо

2. Настройка разных VLAN

3. Отключение одной из связей

для исключения петель.

4. Работа технологии Sy2-VLAN

И о совместимости Symanitron

Совместное тестирование коммутаторов Symanitron и Hirschmann показало,

что технология All-Ring позволяет использовать коммутаторы Symanitron в

кольцах, образованных коммутаторами Hirschmann. При этом не нарушается

передача данных и не возникает широковещательных штормов. При

использовании технологии All-Ring другие технологии резервирования

должны быть отключены, Ring Master’ом должен быть коммутатор

Hirschmann.

В лабораторном стенде применялись управляемые коммутаторы Symanitron

SWM-80 и Hirschmann RS-20.

Спасибо за внимание!