Přepínače pro průmyslové ethernetové sítě

Vzhledem k tomu, jak často se lze s ethernetovými sítěmi v současné době setkat, určitě nikdo nepochybuje o možnosti jejich použití při přenosech dat v automatizaci, energetice i dopravě, tedy v širokém spektru průmyslových instalací. Základní otázkou však zůstává, zda vůbec má smysl definovat samostatnou kategorii „průmyslových ethernetových přepínačů“ (industrial switch) a čím se popř. tyto přístroje odlišují od modulů běžně používaných v kancelářích a domácnostech.

Téměř každé moderní elektronické zařízení v domácnosti lze připojit k Ethernetu a internetu. Od domácího počítače a tiskárny, přes televizi, IP kamery pro zabezpečení nebo domácí vytápění až po inteligentní mobilní telefony. Spojit je s použitím běžného a levného WiFi směrovače (router) z internetového obchodu zvládne i laik. Člověk tak může snadno nabýt dojmu, že problematice sítí rozumí a že není co řešit. Pro malou domácí síť je to vlastně i tak trochu pravda. Postačí používat selský rozum, mít zvládnutou alespoň základní terminologii a postupovat podle návodu k použití daného přístroje.

Kancelářské versus průmyslové prostředí

Trochu jinak než v domácnostech je tomu v oblasti datových sítí pro rozsáhlé kancelářské komplexy. Zde již málokdo pochybuje, že požadavky kladené na infrastrukturu jsou odlišné a že je nezbytné vybírat vhodné typy síťových prvků tak, aby bylo možné k síti připojit stovky či tisíce účastníků. Je tedy nutné použít strukturované sítě. Pro kancelářské prostředí je navíc poměrně typická potřeba značné variability sítě, umožňující síť rychle přizpůsobovat v podmínkách průběžně se měnících potřeb včetně vcelku živelného rozšiřování. Z hlediska variability jsou výhodné zejména sítě s volnou strukturou (mesh networks) se standardními síťovými protokoly, jako je MSTP nebo RSTP (Multiple/Rapid Spanning Tree Protocol), primárně zabraňujícími vzniku nedovolených smyček na síti.  Sítě zprostředkovávají spojení s centrálními servery s nejrůznějšími databázemi a široké spektrum služeb od běžné elektronické pošty a prohlížení obsahu webových stránek až po přenos videa a hudby nebo internetovou telefonii (VoIP). Síť tedy slouží k přenosu rozmanitého obsahu a vznikají tzv. konvergentní sítě. Každá služba má přitom jiné požadavky na rychlost odezvy a potřebnou šířku pásma.

Paralelně k širokému rozmachu v běžných prostředích se ethernetové sítě postupně prosadily i v průmyslových úlohách. Podmínky platné při použití komponent ethernetových sítí v průmyslu jsou jednoznačně dány podmínkami instalace samotných programovatelných automatů (PLC). Typicky je tedy od průmyslové ethernetové sítě (Industrial Ethernet) požadována např. schopnost provozu v širokém rozmezí teploty okolního prostředí (od –40 do +70 °C), lepší odolnost proti elektromagnetickému rušení apod. To vše za předpokladu shody s požadavky normy IEEE 802.3, popisující síť Ethernet. V principu jde o běžnou kancelářskou síť Ethernet, která však z hlediska použitých aktivních a pasivních komponent sítě vyhoví standardům platným v oboru automatizace. Vedle již zmíněného širokého rozsahu provozních teplot jde zejména o odolnost proti vibracím a rázům a požadavek na výrazně delší dobu provozního života daného produktu. Ta musí být shodná s dobou života PLC, tj. typicky deset až patnáct let, a to včetně dostupnosti náhradních dílů. Rovněž je požadováno snadné použití. Toho lze v plné míře dosáhnout začleněním komponent sítě do projektu automatizačního systému včetně možnosti jednotné diagnostiky společně s decentralizovanými moduly I/O. Minimálně by pak měla být k dispozici základní diagnostika s použitím signálního výstupu v podobě reléového kontaktu připojeného k blízké jednotce vstupů, a tak umožňujícího PLC snadno detekovat poruchu přepínače.

V oboru automatizace se v současnosti Ethernet se svými protokoly používá i k cyklickým a deterministickým přenosům dat a nahrazuje sériové komunikační sběrnice historicky vybudované na bázi nejrůznějších protokolů (Profibus, Modbus, Interbus atd.). Původní Ethernet bez dalších optimalizací nebyl zcela nejvhodnějším nástupcem těchto sběrnic. I proto se postupem času dočkal rozšíření ve formě podpory priorizace paketů metodou rozšíření ethernetového rámce o část hlavičky, tzv. VLAN tag, včetně tříd priority. Informaci o prioritě paketu kvalitní průmyslový přepínač využívá tak, že umožní paketům s větší prioritou opustit přepínač přednostně, a tím zlepšit poměry v síti Samotný přepínač potom může umožňovat virtuální segmenty vytvářet nebo jen respektovat příslušnou prioritu rámce.

Požadavky na determinismus sítí používaných při automatizaci spojitých i nespojitých výrob dobře splňuje komunikační protokol Profinet. Na rozdíl od jiných protokolů umožňuje realizovat cyklickou výměnu dat mezi centrální řídicí jednotkou a decentralizovanými jednotkami I/O, včetně případné izochronní komunikace, a zároveň beze zbytku podporuje běžný standard Ethernetu, to včetně možnosti použít spojení WiFi i provoz ve virtuálním segmentu LAN. S použitím jednoho společného kabelu tak lze paralelně zajistit cyklické řízení současně s acyklickými komunikačními službami využívajícími protokoly jako HTTP, FTP atd.

Provedení a použití průmyslových přepínačů

Vraťme se k samotným síťovým prvkům. Ty se v průmyslu vyskytují jak integrované v zařízeních, tak i jako samostatně stojící komponenty průmyslových sítí. Vnější kryt samostatných přístrojů je obvykle vyroben z odolného plastu nebo kovového materiálu. Přístroje k běžnému použití v rozváděčích apod. mají stupeň krytí IP20 až IP40 (obr. 1), k použití mimo rozváděč je to IP65/67 (odolnost proti stříkající vodě). Jako fyzické médium sítě lze použít metalické a optické kabely. Metalické kabely se obvykle připojují pomocí konektorů typu RJ45 v průmyslovém provedení, dostupných i s vysokým stupněm krytí IP65/67. Organizace AIDA, sdružení firem automobilového průmyslu, ve svých požadavcích doporučuje konektory se spolehlivým uzamykacím mechanismem, tzv. push-pull. V průmyslových instalacích s vysokým stupněm krytí se také běžně používá šroubovací konektor typu M12. Optické kabely se v průmyslu používají zejména tam, kde lze očekávat vysokou úroveň elektromagnetického rušení. Obvyklé jsou mnohavidové (multi mode) kabely s optickými vlákny rozměrů 50/125, popř. 62,5/125 μm). Pro velké vzdálenosti a především pro rychlosti přenosu dat řádu gigabitů za sekundu jsou využívány i kabely v jednovidovém (single mode) provedení, známé spíše z běžných instalací IT. Speciální fyzickou vrstvu představují optické kabely vyrobené s použitím plastu v provedení POF (Polymer Optic Fiber), popř. PCF (Polymer Clad Fiber) – pro přenos světla o vlnové délce 650 nm. Jde o kabely vyznačující se velkým útlumem, a tudíž použitelné jen na krátké vzdálenosti. Jejich předností je snadná instalace, podobně jako při použití metalických kabelů, ovšem při zachování galvanického oddělení uzlů sítě. Metalické i optické kabely lze osazovat konektory až na místě instalace. Připojení kabelu ke konektoru přitom musí být velmi jednoduché a zároveň spolehlivé.

Maximální dosažitelná vzdálenost mezi dvěma uzly je faktorem limitujícím možnosti uspořádání (topologii) sítě např. výrobní linky. Topologie sítě vychází z typického rozložení koncových zařízení na stroji či podél výrobní linky. Obvykle je třeba spojit několik decentralizovaných sběrných uzlů, z nichž v každém je připojeno jen několik lokálních koncových uzlů (zařízení). Je tedy zcela logické použít přepínače s malým počtem portů, typicky čtyřmi až osmi. Topologie celé sítě tak má podobu hřebenu. K dosažení redundance je obvykle požadováno propojení obou konců „hřebenu“ do konfigurované sítě s kruhovou topologií tak, aby spojení mezi uzly pokud možno fungovalo i při poruše (obr. 2).

Doba na rekonfigurování a spolehlivost sítí

Na rozdíl od světa IT, kde se pro sítě s volnou strukturou obvykle používají protokoly založené na algoritmu, tzv. spanning tree (STP, RSTP nebo MSTP), je v oboru automatizace běžnější použití protokolů se stanovenou maximální možnou dobou rekonfigurace. Obvykle jde o proprietární protokoly (Hyper Ring, High Speed Redundancy, enhanced RSTP atd.), popř. protokoly definované v mezinárodních normách týkajících se sítí v průmyslovém prostředí, jako je např. Media Redudancy Protocol (MRP), nebo kruhové protokoly pro realizaci sítí s plánovaně duplikovanými pakety, jejíž zásadní výhodou je nulová doba rekonfigurace (Media Redundancy for Planned Duplication – MRPD, High-availability Seamless Redundancy – HSR). Zásadním rozdílem je schopnost určovat maximální dobu potřebnou na rekonfiguraci sítě v kruhové topologii.

Hlavním požadavkem kladeným na automatizační sítě je schopnost zachovat spojení s jednotlivými uzly i při poruše v síti. Za tím účelem je vedle opatření v oblasti topologie sítí a komunikačních protokolů využíváno u průmyslových přepínačů také napájení ze dvou nezávislých zdrojů či možnost konfigurovat nové zařízení při poruše původního vložením externí paměti typu flash, tedy bez nutnosti opětovného pracného konfigurování síťové komponenty. Cílem je dosáhnout co největší dostupnosti síťových zařízení.

Dílčí sítě obsluhující části výrobního zařízení se připojují k páteřním sítím zajišťujícím přenosy dat rychlostmi řádu gigabitů za sekundu. K tomu jsou nutné síťové komponenty podporující směrování (routing), tj. přepínač s funkčními schopnostmi na úrovni Layer3 (L3), tzn. včetně směrování, nebo směrovač jako takový. Každou jednotlivou dílčí síť pro obsluhu výrobního zařízení je rozumné oddělit od páteřní sítě vhodným hardwarovým firewallem a vytvořit tak samostatné chráněné síťové úseky.

V sítích vyšší úrovně musí být vedle přenosů rychlostí řádu gigabitů za sekundu podporována také tvorba virtuálních místních sítí (VLAN), technika IGMP snooping a funkce směrování (L3). Zároveň však musí být možné tyto sítě snadno sledovat při použití obvyklých protokolů, jako je SNMP (Simple Network Management Protocol), SNMP trap nebo nástroj Syslog server. Přepínače tak lze snadno integrovat do nástrojů pro sledování síťových komponent a sítí. Přednost je přitom třeba dát nástrojům určeným pro průmyslové sítě, jimž nejsou cizí příslušné kruhové protokoly ani ostatní zvláštnosti průmyslových sítí a síťových komponent.

Nezapomínat na certifikáty

Připomeňme také, že průmyslový přepínač hodný svého názvu nejen odpovídá průmyslovým standardům, ale musí mít i potřebné certifikáty potvrzující jeho použitelnost v průmyslu (ATEX, EMC pro průmysl atd.). Speciální odvětví průmyslu, jako např. distribuce elektrické energie, navíc přinášejí další zpřísnění norem v oblasti elektromagnetické kompatibility a ještě vyšší horní mez rozsahu pracovních teplot (až +85 °C) podle normy IEC 61850-3. Obdobně je při použití síťových komponent v drážních vozidlech požadováno splnění požadavků normy EN 50155.

Závěrem

Na otázku položenou v úvodu, zda vůbec existuje kategorie „průmyslové komunikační sítě“, která vyžaduje použití průmyslových síťových komponent, lze odpovědět kladně. Jednotlivé oblasti použití těchto sítí mohou klást i dodatečné požadavky na síťové komponenty, ale vždy jde o komponenty velmi robustní, které se svým provedením na první pohled liší od síťových komponent pro domácí nebo kancelářské účely. Ač se kancelářské a průmyslové síťové komponenty odlišují svým provedením, účel je v obou případech stejný – zajistit spolehlivé spojení mezi jednotlivými účastnickými zařízeními, ať už jde o osobní počítače nebo programovatelné automaty 

Vladimír Ševčík, Siemens, s. r. o.

Obr. 1. Příklad provedení přepínače pro průmyslový Ethernet s krytím IP30 (Siemens Scalance X304-2FE)

Obr. 2. Redundance v síti s kruhovou topologií