Ethernet в промисловості, Локальні мережі, статті

Олексій Чернобровцев, Тижневик «Computerworld Росія»
www.osp.ru

Побудова єдиної інформаційної інфраструктури промислових підприємств, що забезпечує спільну роботу програмних і апаратних засобів систем АСУП і АСУТП, стає все більш актуальним завданням.

На шляху різко зростаючих інформаційних потоків стоять технологічні бар’єри між різними рівнями автоматизації, що виникли в результаті незалежного розвитку АСУП і АСУТП. За оцінками експертів, тільки збір даних в реальному масштабі часу про різні аспекти виробничих процесів призведе в найближчі роки майже до тридцятикратного збільшення трафіку в розподілених системах промислового управління, причому значно зростуть потоки інформації між датчиками і програмованими контролерами. Тому одним із завдань комплексної автоматизації є організація міжмережевого обміну в масштабах всього підприємства на основі стандартної масштабованої високопродуктивної технології.

Сучасні системи АСУП, що базуються на стандартах, використовують у комунікаційних інфраструктурах мережі Ethernet і протоколи TCP / IP. В інформаційних комплексах підприємств широко застосовуються Internet-технології. В області АСУТП зі стандартизацією справа йде набагато гірше. Існує більше півсотні комунікаційних технологій, що відносяться до класу промислових мереж або польових шин, що надають можливість створення розподілених систем, до складу яких входять програмовані логічні контролери, датчики та виконавчі пристрої. Значна частина цих технологій заснована на власних протоколах і апаратних засобах компаній-виробників. Природно, інтерес до уніфікації промислових мереж, які надають можливість побудови мультивендорної систем, дуже великий, хоча цього і перешкоджає досить вузька сегментація ринку по галузях промисловості, а також комерційні інтереси найбільших виробників (Fisher-Rosemount, Honeywell, Rockwell Automation, Siemens і ряду інших), довгий час випускають власні комунікаційні продукти. В останні роки постачальники обладнання для автоматизації виробничих процесів звернули увагу на Ethernet. Проте до цих пір питання про масштабах проникнення Ethernet в комплекси управління виробничими процесами та можливості заміни таких поширених технологій, як Foundation Fieldbus, Profibus або DeviceNet, залишається відкритим.

Польові шини

Більше 30 років компанії, що займаються промислової автоматизацією, створювали власні «нішеві» польові шини для зв’язку обладнання контролю та управління виробничими процесами. Це вимагало значних фінансових і тимчасових витрат на проектування конфігурацій і протоколів промислових мереж, їх кабельних систем, спеціалізованих мікросхем, інтерфейсних блоків і програмного забезпечення. В середині 80-х в Міжнародної електротехнічної комісії (МЕК) почалася розробка стандарту промислової мережі IEC61158, який не затверджений до сих пір. На початку 90-х набула статус національного стандарту специфікація Profibus, створена групою фахівців ряду компаній і дослідницьких інститутів Німеччини. В середині 90-х американська асоціація Fieldbus Foundation завершила розробку промислової мережі Foundation Fieldbus, а в Європі з’явився European Fieldbus Standard, заснований на національних стандартах Німеччини (Profibus), Данії (P-Net) і Франції (FIP). Це лише невелика частина подібних специфікацій. Слід зазначити, що багато виробників продають або випускають разом з партнерами обладнання для мереж різних стандартів.

Ідея міжнародної стандартизації в області комунікації в різних галузях промисловості не втратила своєї привабливості як для виробників, так і для численних системних інтеграторів. В кінці 1999 року більшість національних комітетів МЕК схвалили створення на основі IEC61158 проекту стандарту Final Draft International Standard for Data Link Layer and Application Layer, що включає близько десятка незалежних технологій польових шин.

Можливості Ethernet

Ethernet – найпоширеніша стандартна мережева технологія, яка налічує, за оцінками експертів, понад 100 млн. користувачів. Тому здається цілком логічним поширити Ethernet в системи промислової автоматизації (тим більше що більшість фахівців, що працюють в цій галузі, в тій чи іншій мірі знайомі з особливостями Ethernet) і спробувати на її базі «навести порядок» в історично сформованому різноманітті промислових мереж. Однак колись необхідно забезпечити можливість застосування Ethernet в системах реального часу, високий рівень надійності створеної на її основі технології промислової мережі, а також прийнятні вартісні параметри.

Зміни, внесені в стандарт Ethernet в останні роки, зробили цю технологію досить привабливою для вирішення завдань промислової автоматизації. Йдеться про доповнення, не тільки забезпечують можливість підвищення швидкодії (швидкість передачі даних – 10, 100 Мбіт / с або 1 Гбіт / с – перевершує показники польових шин: швидкодія більшості з них не перевищує 1-2 Мбіт / с, а найбільш продуктивна мережу, Profibus, має пропускну здатність 12 Мбіт / с), а й дозволяють застосовувати Ethernet в системах реального часу.

Традиційним недоліком використання Ethernet в системах управління довгий час вважався імовірнісний характер доступу пристроїв до мережі, не дозволяв гарантувати передачу інформації в задані інтервали часу. Вважалося, що при завантаженні мережі, що перевищує 40%, затримка передачі даних зростала експоненціально. Однак дослідження, проведені в кінці 80-х, показали, що при підвищенні рівня трафіку затримки збільшуються лінійно і варіюються в межах від 2 до 30 мс, що прийнятно для ряду промислових застосувань. Однак для додаткового зменшення затримки треба було б розбити мережу на сегменти і значно знизити трафік в кожному з них.

Проблему вирішили внесені в специфікацію Ethernet доповнення. З’явилися комутатори, здатні надати будь-якому абоненту повну смугу пропускання мережі, і повнодуплексні канали, що виключають характерні для Ethernet колізії за рахунок розділення ліній прийому і передачі даних абонентів. Реалізація вимог стандартів IEEE 802.1p і IEEE 802.1Q надала можливість постачати різні потоки даних пріоритетами, обумовленими правилами управління мережею, і формувати віртуальні локальні мережі, розділяючи сумарний трафік і виділяючи домени, що підтримують режим реального часу.

Відсутність тимчасового детермінізму було запропоновано також компенсувати за допомогою обліку необхідних тимчасових співвідношень взаємодії різних пристроїв в протоколі, використовуваному «поверх» Ethernet. На конференції ISA Expo ’98 представники Hewlett-Packard продемонстрували подібний метод, що забезпечує тимчасовий дозвіл в межах 200 нс.

Надійність мереж Ethernet забезпечується введенням надлишкових компонентів в комунікаційні пристрої, використанням резервних ліній зв’язку відповідно до стандарту IEEE 802.1d, застосуванням сучасних методів управління мережами.

Величезний ринок продуктів і компонентів, що підтримують Ethernet, гарантує досить низьку їх вартість. Так, адаптери Ethernet для ПК можна придбати приблизно за 30 дол, у той час як ціна їх аналогів для сучасних промислових мереж коливається в межах від 500 до 1500 дол Ряд виробників освоїли масове виробництво вбудованих мікросхем Ethernet TCP / IP, що відкриває можливість використання цих технологій на інструментальному рівні. Останньому застосування сприяє також розробка стандарту IEEE 802.3af, що визначає спосіб подачі напруги живлення для IP-телефонів по кабельної проводці Категорії 5. Це відповідає методам, традиційно використовуваним в польових шинах з метою зниження вартості кабельних систем, а також вимогам спеціальних виробничих умов.

Таким чином, у наявності передумови створення на базі Ethernet стандартної мережевої інфраструктури, що відповідає потребам передачі даних не тільки між промисловими контролерами і SCADA-системами, але і на рівні датчиків і виконавчих пристроїв.

Чергова стандартизація

Стандарт IEEE 802.3 визначає протоколи та параметри тільки фізичного і канального рівнів моделі взаємодії відкритих систем ISO. До транспортного та мережевого рівнів відносяться протоколи TCP і IP, які не «вникають» у вміст переданих пакетів. Вони зазвичай працюють в сукупності з такими прикладними протоколами, як FTP, SMTP і SNMP. Деякі виробники систем промислової автоматизації підтримують протоколи прикладного рівня (зокрема SNMP) у своєму обладнанні, але більша частина таких протоколів не призначена для промислової автоматизації. Тому з’являються реалізації з протоколами традиційних промислових мереж поверх TCP / IP. Так, компанія Schneider Automation запропонувала для цієї мети прикладної протокол MBAP (Modbus Application Protocol), представивши два роки тому специфікацію Open Modbus / TCP Specification. Ще один приклад – застосування протоколу прикладного рівня CIP мереж ControlNet і DeviceNet.

Даний список можна продовжити, це знову ставить питання стандартизації. У березні 1999 року з ініціативи шести компаній – Synergetic Micro Systems, Grayhill, HMS Fieldbus Systems, Hilscher, Contemporary Controls і Richard Hirschmann – була утворена асоціація Industrial Ethernet Association, в яку сьогодні входять більше десятка організацій. Асоціація спрямовує свої зусилля на те, щоб прийти до єдиного для всіх розуміння поняття Industrial Ethernet і розробити специфікації стандартів, що забезпечують сумісність продуктів різних виробників.

Позначено три проблеми, що вимагають першочергового рішення: визначення стандартного протоколу верхнього рівня; розробка специфікацій на апаратуру Ethernet в промисловому виконанні і вибір коннектора, більш надійного, ніж пластиковий RJ-45; створення архітектурних правил побудови мереж Ethernet, що відповідають вимогам промислової автоматизації.

Ethernet настає

Але, як відомо, розробка стандартів потребує досить тривалого часу, і виробники пропонують власні рішення. Компанія Schneider в рамках концепції Transparent Factory вибрала Ethernet і протоколи TCP / IP для мереж і польових шин, а Web-технології – для доступу до інформації в теперішніх та майбутніх розробках, не відмовляючись в той же час від своїх традиційних рішень.

В Hirschmann створили на базі Ethernet власну архітектуру Distributed Communication Architecture (DCA) і запропонували трифазну стратегію впровадження Ethernet в АСУТП. В основі DCA – інтелектуальний комутатор, підтримує логічну кільцеву архітектуру з дубльованими каналами зв’язку. Hirschmann випускає комутатори та концентратори Ethernet, що відповідають вимогам механічної монтажної шини DIN 35, з 24-вольта харчуванням постійного струму, що зберігають працездатність при підвищенні температури до 60 ° С.

У червні поточного року на ринок промислових мереж вийшла Cisco Systems, яка організувала спільно з GE Industrial Systems компанію GE Cisco Industrial Networks. Партнери сподіваються створити єдину комунікаційну інфраструктуру підприємства і поширити на сферу промислової автоматизації такі переваги Ethernet, як відносно низька вартість установки і технічної підтримки, а також простота інтеграції з Internet. Очікується, що протягом трьох-п’яти років продаж нового підприємства досягнуть 100 млн. дол Експерти вважають цю суму цілком реальною, оскільки прогнозують 3-мільярдний обсяг ринку Ethernet для промислових застосувань в 2003 році.

Для мережевого гіганта Cisco кілька десятків мільйонів доларів – незначна добавка до багатомільярдного обороту. Однак той факт, що компанія, що лідирує в мережевій індустрії, проявила інтерес до промислових мереж, вельми примітний. Правда, її поява на цьому ринку може збільшити кількість приватних рішень, запропонованих усіма великими виробниками. Мабуть ситуація буде розвиватися за звичайним сценарієм: випереджаючи розробку стандартів, почнуть просуватися продукти таких компаній, як Hilscher, Hirschmann, Siemens, а тепер ще й GE і Cisco.

На сьогоднішній день відомо про ряд успішних застосувань Ethernet на цеховому рівні систем управління виробничими процесами, в яких передбачені методи обмеження рівня трафіку. Так, у новій базової мережі випускає більше мільйона друкованих плат на рік підприємства Fanuc Automation, яке входить до складу корпорації General Electric, для управління п’ятьма поточними лініями використовуються протоколи TCP / IP «поверх» Ethernet. Це дозволяє здійснювати Web-контроль стану виробничого обладнання та передавати інформацію про випуск продукції, проходженні замовлень та наявності необхідних матеріалів в ERP-додаток. Один з останніх прикладів – початок реалізації в липні цього року пілотного проекту компанії General Motors, в рамках якого мережа ControlNet, що об’єднує програмовані логічні контролери, замінюється на основі стандартних пристроїв Ethernet.

Зійде чи Ethernet до інструментальних систем – покаже час. Деякі аналітики відзначають надмірність протоколу Ethernet, що ускладнює і робить дорожчим передачу однобітовий інформації. Інші вважають, що Ethernet – лише одна з можливих технологій, яка буде співіснувати з уже наявними польовими шинами. Проте всі сходяться в тому, що величезні інвестиції в Ethernet стрімко міняють функціональність цієї технології. Дійсно, сьогодні Ethernet так же разюче відрізняється від свого попередника, що з’явився на початку 80-х, як сучасні ПК від комп’ютерів того часу.

Думки

Андрій Баскаков, президент компанії Ікос

<

Безсумнівно, Ethernet вже впроваджується в системи управління виробничими процесами. У нашої компанії є досвід участі в декількох таких проектах. В одному з них комп’ютери, що працюють під управлінням SCADA-системи, здійснювали збір даних з розташованих в цехах контролерів, оснащених платами Ethernet, отримуючи кілька сот параметрів кожну секунду. І при цьому не виникало особливих проблем. Справа в іншому. Така високопродуктивна і масштабована технологія, як Ethernet, необхідна в першу чергу великим підприємствам, а для невеликих організацій або окремих установок (і наш досвід це підтверджує) цілком придатні набагато простіші рішення, засновані, зокрема, на протоколі RS-485. Однак потреби замовників змінюються, і ми маємо намір пропонувати їм як контролери з вбудованими адаптерами Ethernet, так і комунікаційні сервери, що дозволяють включати в мережу Ethernet декілька пристроїв з інтерфейсами RS-232 або RS-422/485. Поряд з цим опрацьовується рішення, яке надає можливість збору інформації з датчиків по різних протоколах, серед яких RS-232 і CAN, і подальшої її передачі в Internet пристроєм, якому присвоюється власний IP-адресу.

Андрій Фрейдман, заступник директора компанії «Науцілус»

Чітку межу між Ethernet і Industrial Ethernet в даний час провести важко, але, взагалі кажучи, Ethernet на цеховому рівні застосовується досить широко. Використання Ethernet як промислової мережі має перспективу там, де вимоги жорсткого реального часу для управління несуттєві: для регулювання температури і багатьох інших повільних і інерційних процесів. Доцільно застосування Ethernet на рівні завдань SCADA (диспетчерське управління, збір даних, моніторинг), завдяки чому їх дуже легко інтегрувати з локальними або глобально розподіленими загальнокорпоративних інформаційними системами. Це дозволяє публікувати через Web-сервери дані цехового рівня для авторизованого двостороннього доступу керівництва компанії. Що ж стосується мереж інструментального рівня, вони навряд чи будуть замінені на Ethernet через вимоги реального часу.

Андрій Кузнєцов, менеджер з маркетингу компанії ProSoft

Проникнення общекомпьютерних технологій в область промислової автоматизації – природний процес. Широке поширення ПК-сумісних контролерів зумовлює впровадження Ethernet, як найпоширенішої мережевої технології, для їхнього зв’язку. Цьому сприяє масове виробництво продуктів Ethernet, що обумовлює і прийнятні їх ціни, і значна кількість фахівців, що володіють необхідним рівнем знань. Системи АСУТП на багатьох вітчизняних підприємствах знаходяться на зародковому рівні, що дозволяє уникнути труднощів, пов’язаних з переходом до Ethernet від приватних «фірмових» рішень. Наш піврічний досвід поставок пристроїв Ethernet в промисловому виконанні показує, що вони нормально сприймаються ринком, оскільки їх просування не відрізняється за динамікою зростання попиту від інших нових продуктів.

Андрій Любашін, керівник відділу компанії «РТСофт»

Поки Industrial Ethernet більш маркетинговий термін, ніж загальноприйнята технологія, оскільки окремі компанії і цілі асоціації претендують на те, щоб запропонувати ринку власну її реалізацію. Однак складається відчуття, що обов’язково має з’явитися рішення на базі Ethernet, яке в повній мірі можна було б назвати промислової шиною. Якщо ж Industrial Ethernet не отримає «прописку» в МЕК, то може піти шляхом відомого всім протоколу Modbus, який так і залишився стандартом де-факто. Один з найважливіших питань стандартизації, який повинен вирішуватися не тільки на апаратній, а й на протокольному рівні, – усунення недетермінованости поведінки Ethernet. В даний час ступінь проникнення Ethernet на рівень інтелектуальних контролерів і приладів стрімко зростає. Кількість рано чи пізно перейде в якість, і тоді сам ринок змусить вирішити виникаючі нині проблеми. Технологія Ethernet, протоколи TCP / IP та рішення прикладного рівня здатні забезпечити інтеграцію цехових пристроїв в загальнозаводські інформаційну структуру. Область промислових контролерів цілком підходить для технології, званої сьогодні Industrial Ethernet. Застосування ж контролерів з інтегрованими Web-серверами дозволить мати на підприємстві наскрізної Internet-доступ, що забезпечує істотний ціновий виграш в порівнянні з традиційними SCADA-системами. Ми працюємо над проблемою побудови подібних розподілених систем. Однак я не думаю, що Ethernet зможе повністю замінити існуючі промислові мережі: занадто високі вимоги і величезний набір завдань. Потрібно розглядати методи їх інтеграції на різних рівнях. За цим майбутнє.

Схожі статті:


Сподобалася стаття? Ви можете залишити відгук або підписатися на RSS , щоб автоматично отримувати інформацію про нові статтях.

Коментарів поки що немає.

Ваш отзыв

Поділ на параграфи відбувається автоматично, адреса електронної пошти ніколи не буде опублікований, допустимий HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*

*