Jak zarządzać siecią?

Rys. 2. Sieć Ethernet wykorzystująca łącza światłowodowe

Wspomniana kompatybilność wsteczna Ethernetu ma jeszcze jedną zaletę – sieć nie wymaga praktycznie jakiejkolwiek konfiguracji, a jednocześnie pozwala na wprowadzanie zaawansowanych ustawień. Urządzenia same rozpoznają, z jaką maksymalną prędkością mogą wymieniać dane i takie parametry mogą wybierać automatycznie.

Podobne ułatwienia zostały wprowadzone także w sferze konfiguracji urządzeń sieciowych, tak aby mogły być wzajemnie, jednoznacznie rozpoznawalne. Różne implementacje Ethernetu przemysłowego odziedziczyły po swoim klasycznym odpowiedniku prostotę konfiguracji.

Urządzenia ethernetowe mają32-bitowe adresy IP, które mogą być albo konfigurowane za pomocą zestawu przełączników typu dip-switch lub też – jak to bywa w przypadku nowszych modeli – poprzez strony WWW. Jeszcze inne mogą mieć wbudowany port RS-232 z funkcjonalnością terminala, który za pomocą kilku komend umożliwia dokonanie pełnej konfiguracji urządzenia.

Ponadto niektóre koncentratory implementują zaawansowane techniki zdalnego monitorowania sieci. Udostępniają one informacje na temat ruchu odbywającego się poprzez każdy z ich portów oddzielnie. Jeżeli jest to wciąż niewystarczające, istnieje możliwość skorzystania z funkcji Port Mirroring, której działanie polega na duplikowaniu całego ruchu wychodzącego przez określony port i przesyłaniu go na inny, do którego podłączony jest np. do komputer monitorujący. Pozwala to precyzyjnie określić charakterystyczne parametry występującego ruchu sieciowego, dzięki czemu możliwe jest podjęcie działań usprawniających i optymalizujących sieć lub diagnostyka usterek.

Oczywiście nic nie stoi na przeszkodzie, aby zautomatyzować także nadawanie numerów IP poprzez uruchomienie usługi DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). Ponadto, każde urządzenie musi mieć swój unikalny numer MAC (Media Access Control), który nadawany jest przez producenta, jak też może być czasami zmieniany przez użytkownika. To na jego podstawie możliwe jest takie skonfigurowanie usług DHCP tak, aby każdemu urządzeniu przydzielany był automatycznie ten sam numer IP po każdorazowym jego uruchomieniu.

Sebastian Tryk - Inżynier systemów sieciowych Navi-Net

Czy klienci przemysłowi wdrażając Ethernet w swoich firmach korzystają z urządzeń przeznaczonych specjalnie do zastosowań przemysłowych? Co decyduje o wyborze sprzętu?

Tam, gdzie parametrem krytycznym jest niezawodność urządzeń i ciągłość produkcji, klienci przemysłowi wybierają dedykowane rozwiązania przemysłowe renomowanych producentów. Zwracają oni przede wszystkim uwagę na jakość urządzeń, markę i rodzaj wdrożonych instalacji.

Równie ważnymi kryteriami doboru są zaimplementowane funkcje redundancji, możliwość zarządzania i łatwej diagnostyki lub monitorowania stanów przedawaryjnych, oraz okres gwarancji, serwis i parametr MTBF podawany w tys. godzin bezprzerwowej pracy. Kryteria te spełniają tylko urządzenia o parametrach przemysłowych.

Dla tak wymagających klientów, cena urządzeń jest parametrem drugorzędnym, toteż rozwiązania najtańsze nie zawsze zyskują ich aprobaty. Tymczasem tzw. klienci budżetowi w pierwszej kolejności zwracają uwagę na cenę ale po kolejnych awariach wykazują oni coraz większe zainteresowanie droższymi rozwiązaniami. Dzieje się tak, gdyż często kilkusekundowa awaria może spowodować konieczność kilkugodzinnego rozruchu procesu.

W jaki sposób najczęściej rozwiązywane są problemy związane z bezpieczeństwem przemysłowej sieci ethernetowej?

Temat bezpieczeństwa sieci można podzielić na dwie podstawowe kwestie. Pierwsza dotyczy niezawodności urządzeń i transmisji. Od urządzeń tworzących przemysłową sieć Ethernet wymaga się zupełnie innych cech zapewniających bezpieczeństwo niż od typowych urządzeń biurowych.

Muszą one sprostać pracy w środowisku skrajnie niekorzystnym dla elektroniki. Począwszy od ekstremalnych warunków klimatycznych, po narażenia na pola elektromagnetyczne generowane przez silniki, transformatory itp. Zaletami rozwiązań przemysłowych są m.in. wysoki stopień IP oraz brak części mechanicznych. Najczęściej są chłodzone konwekcyjnie.

Dodatkowymi parametrami zwiększającymi ciągłość transmisji są funkcje redundancji takie jak dublowanie zasilania, nadmiarowość połączeń pomiędzy urządzeniami lub dublowanie całych systemów sieciowych. Przykładem mogą być podwójne pierścienie redundancyjne. Ważnym elementem jest odpowiednie oprogramowanie diagnostyczne.

Druga kwestia dotyczy bezpieczeństwa danych. Jest ono równie ważne jak niezawodność sieci. W dużym przedsiębiorstwie dba o to personel IT, odpowiednio chroniąc styk sieci automatyki z siecią biurową przed tzw. wyciekaniem danych. W instalacjach autonomicznych, do których przez internet mają dostęp upoważnione osoby, należy stosować przemysłowe routery z odpowiednio skonfigurowaną polityką uwierzytelniania użytkowników.

Dostęp do sieci przez taki router umożliwia modem analogowy, ISDN lub GSM. Istotnym czynnikiem podnoszącym bezpieczeństwo jest firewall, najczęściej zintegrowany z routerem. Jeśli w sieci pracują urządzenia bezprzewodowe np. w standardzie WiFi, odpowiednia konfiguracja zabezpieczeń jest niezbędna aby dany nie wydostawały się na zewnątrz zakładu. Innym rodzajem zagrożeń dla bezpieczeństwa danych są użytkownicy i pracownicy danego przedsiębiorstwa.

Jak wybrać odpowiednie okablowanie?

Rys. 3. Ethernet pozwala na integrację wszystkich poziomów sieci przemysłowej

Ethernet to także różne, choć kompatybilne ze sobą media komunikacyjne. Wymiana informacji w sieci może odbywać się zarówno przez łącza miedziane, takie jak skrętka ekranowana lub nieekranowana, jak również poprzez światłowody – plastikowe i szklane, w tym jedno- lub wielomodowe.

Znacznie częściej stosowane są łącza miedziane, z racji swej niższej ceny i prostszej instalacji, ale w przypadku, gdy dystanse pomiędzy kolejnymi urządzeniami są zbyt duże – tj. ponad 100m, konieczne jest częściowe skorzystanie ze światłowodów.

Światłowody będą także zalecane w tych miejscach, w których zaburzenia elektromagnetyczne są bardzo duże i mogą wpływać na jakość komunikacji poprzez łącza miedziane. W chwili obecnej zdołano zredukować do minimum trudności związane z instalacją i terminacją światłowodów. W sprzedaży dostępne są nawet gotowe łącza o określonych długościach, które ograniczają rolę instalatora jedynie do umieszczenia końcówek kabli w odpowiednich gniazdkach.

Wybór okablowania wiąże się ze znajomością kilku oznaczeń. I tak sieć 100-BaseTX to 100-megabitowa sieć oparta na skrętce (T od Twisted Pair), natomiast 100-BaseFX, to sieć światłowodowa (F od Fiber). Kable miedziane przypisywane są do różnych kategorii na podstawie maksymalnych prędkości transmisji, które umożliwiają.

Związane jest to ze stopniem ekranowania, jak i z liczbą przewodów znajdujących się wewnątrz płaszcza kabla oraz sposobem ich wzajemnego skręcenia. W przemyśle stosowane są najczęściej ekranowane łącza kategorii 5, nazywane w skrócie STP (Shielded Twisted Pair), które złożone są z dwóch par skrętek. Warto jednak zastosować ich odpowiedniki należące do kategorii 5e, które mają już 4 skręcone pary i dzięki postępowi technologicznemu w układach nadawczo-odbiorczych, są obecnie wystarczającym medium do transmisji gigabitowej.

Dostępne są one także w wersji nieekranowanej – UTP (Unshielded Twisted Pair), jak i ekranowanej folią – FTP (Foiled Twisted Pair). W razie konieczności można zastosować kable kategorii 6, które pozwalają na transfer z prędkością do 10Gbps, ale są znacznie droższe. Niemniej okablowanie przeznaczone do szybszych transferów raczej nie będzie konieczne w instalacjach przemysłowych poza liniami łączącymi odległe od siebie ośrodki, pomiędzy którymi zachodzi intensywna wymiana danych lub też w ramach tworzenia sieci szkieletowej. Związane jest to nie tylko z kosztem bardziej wydajnych instalacji, ale i większymi średnicami kabli, które są mniej podatne na wyginanie i mogą stanowić utrudnienie podczas ich układania.

Sprawa kabli światłowodowych jest nieco mniej skomplikowana. Dostępne są światłowody wielomodowe i jednomodowe, w ramach których istnienie kilka dalszych podgrup. W przypadku światłowodów wielomodowych wykorzystuje się najczęściej promieniowanie o długości fali wynoszącej 1300nm i złącza typu SC, podczas gdy dla ich starszych odpowiedników jest to zwykle promieniowanie 850nm i połączenia wykonane z użyciem złączy typu ST. Maksymalna odległość na jaką możliwe jest obecnie przesyłanie danych za pomocą kabli wielomodowych przy transferze 100Mb/s to 2km.

W przypadku czterokrotnie droższych kabli jednomodowych, odległość ta rośnie do około 15km. Niestety terminowanie tych kabli jest już znacznie bardziej skomplikowana. Istnieje także odmiana plastikowych światłowodów o znacznie krótszych maksymalnych odległościach transmisji, ale za to prostych w montażu (wykorzystanie złączy SMA). Przeznaczone są one głównie jako zamienniki dla kabli miedzianych w przypadku aplikacji, gdzie zaburzenia elektromagnetyczne są zbyt duże.

Instalując w zakładzie przemysłowym światłowody, należy zwrócić specjalną uwagę na kompatybilność poszczególnych typów złączy i urządzeń. Istnieją konwertery sygnału, które pozwalają np. rozbudować starszą sieć opartą o światłowody 850nm, o nową część, pracującą w standardzie 1300nm. Dzięki temu wcześniej zakupione urządzenia wciąż będą mogły pełnić swoją rolę.

Przemysłowe urządzenia ethernetowe muszą być odporne nie tylko na zaburzenia elektromagnetyczne czy drgania, ale także na zanieczyszczenia i wilgoć. W celu ich certyfikacji oznaczane są stopniami ochronności IPxx (ingress protection). Pierwsza z cyfr znajdująca się po znaku IP wskazuje na odporność na cząsteczki stałe. Im cyfra ta jest wyższa, tym urządzenie jest bardziej chronione. Przykładowo cyfra 6 na pierwszej pozycji oznacza że urządzenie odporne jest na bardzo drobny kurz. Druga z cyfr wskazuje, jak bardzo sprzęt jest chroniony przed wodą. Jeśli cyfrą tą jest 5, to znaczy że urządzeniu nie zagraża padający z dowolnego kąta strumieni wody. Gdyby była to cyfra 7, urządzenie możnaby było tymczasowo zanurzać w wodzie.

Jaka jest odporność urządzeń sieciowych?

Kolejną kwestią, która pojawia się zawsze, gdy jest mowa o rozwiązaniach biurowych przenoszonych na teren zakładów przemysłowych, to odporność na trudne warunki środowiskowe. Dotyczy to takich czynników, jak wysoka temperatura, wilgotność, wstrząsy czy wibracje. O ile switche biurowe przeznaczone są do pracy w zakresie temperatur od 0°C do 50°C, ich przemysłowe odpowiedniki mogą pracować nawet w temperaturach powyżej 60°C, a wersje przeznaczone do pracy na wolnym powietrzu mają rozszerzony zakres temperatur, tj. od -40°C do 85°C.

Należy jednak pamiętać, że jeżeli w fabryce utrzymuje się stale temperatura 40°C, a wykorzystane urządzenie było przeznaczone do pracy w biurze, w którym takie temperatury występują sporadycznie, jego żywotność zostanie znacznie skrócona. Wynika to z faktu, że poszczególni producenci stosują różne metody szacowania przewidywanego czasu pracy. Różnice polegają właśnie głównie na badaniu sprawności urządzenia w innych temperaturach, przez co nieskutecznie odprowadzane ciepło może być przyczyną zmniejszenia okresu poprawnego działania urządzenia.

Podobne ograniczenia dotyczą przewodów stosowanych w sieciach Ethernet. Te o kategorii 5 mogą nie sprostać ujemnym temperaturom i pękać. Jednakże dostępne są ich przemysłowe odpowiedniki, które pokryte są specjalnymi warstwami izolacyjnymi, rozszerzającymi zakres temperatur pracy. Kwestia odporności na wstrząsy jest równie istotna. Niestety, najczęściej nie jest ona brana pod uwagę w specyfikacji urządzeń biurowych, gdyż zakłada się, że drgania generalnie nie występują albo występują sporadycznie i o znikomym natężeniu.

Tymczasem najbardziej istotnym problemem jest odporność na zaburzenia elektromagnetyczne. W przypadku urządzeń biurowych większość z nich jest zgodna z normą EN 55024, która jest w praktyce dwa do trzech razy mniej restrykcyjna, niż EN 61000-4, którą stosuje się do oceny odporności osprzętu przemysłowego. Dlatego też ważne jest, aby wybierając urządzenia przeznaczone do montażu na terenie zakładu produkcyjnego postarać się o dodatkowe ekranowanie elektromagnetyczne, jak również zastosować sprzęt odporny na nagłe skoki napięć mogące się pojawić na liniach danych i zasilania.

Arkadiusz Cetner - AB-Micro

Jakie elementy ethernetowych sieci przemysłowych są najczęściej nabywane przez klientów?

Nasi klienci to przede wszystkim duże firmy integratorskie działające na rynku automatyki przemysłowej. Bardzo istotne dla nich jest niezawodne działanie urządzeń, stąd sprzedajemy dużo przełączników ethernetowych z portami światłowodowymi. Często są to jednocześnie przełączniki zarządzalne pozwalające na monitorowanie stanu transmisji w sieci.

Kable miedziane są stosowane głównie do bardzo krótkich połączeń pomiędzy urządzeniami automatyki a portami przełącznika, o ile znajdują się one wewnątrz wspólnej szafy. W przypadku eksploatacji przełączników w najbardziej niekorzystnych warunkach środowiskowych oferujemy przełączniki z portami miedzianymi i światłowodowymi, o stopniu ochrony IP68.

Czy klienci wykazują zainteresowanie gigabitowym Ethernetem przemysłowym?

Gigabit Ethernet ma swoje miejsce w aplikacjach przemysłowych. Już kilka lat temu oferowane były przełączniki w wykonaniu przemysłowym z portami Gigabit Ethernet. Były to jednak duże, swobodnie konfigurowalne switche szkieletowe, które pełniły rolę centralnych przełączników łączących kilka sieci automatyki z siecią ogólnozakładową.

Często wykorzystywaną funkcjonalnością był routing. W zależności od potrzeb użytkownika były one wyposażane w moduły z portami gigabitowymi miedzianymi lub światłowodowymi. Ze względu na swój stosunkowo wysoki koszt rzadko stosowano je na poziomie sieci sterujących - łączących urządzenia automatyki kontrolujące pojedynczy proces.

Także urządzenia automatyki nie były wyposażane w porty gigabitowe. Nie było takiej potrzeby, szczególnie, że ilość przesyłanych danych pomiędzy urządzeniami była niewielka. Wraz ze znacznym obniżeniem cen tych portów zaczęły pojawiać się rozwiązania przemysłowe przełączników przeznaczone do sieci sterujących, wyposażone w dwa lub nawet więcej portów gigabitowych.

Dzisiaj nawet w grupie najtańszych przełączników dostępne są wykonania z portami gigabitowymi. Gwarantują one wystarczające pasmo do transmisji wszystkich rodzajów danych bez konieczności nadawania im priorytetów. Sądzę, że w ciągu najbliższych kilku lat przełączniki z portami GE będą stanowiły dominującą grupę przełączników przemysłowych.