Při budování ethernetových sítí se používají různé třídy spínacích zařízení. Samostatně stojí za to zdůraznit neřízené přepínače - jednoduchá zařízení, která vám umožní rychle a efektivně organizovat provoz malé ethernetové sítě. Tento článek poskytuje podrobný přehled základních neřízených průmyslových přepínačů řady EKI-2000.
úvod
Ethernet se již dlouho stal nedílnou součástí každé průmyslové sítě. Tento standard, který přišel z IT průmyslu, umožnil posunout se na kvalitativně novou úroveň organizace sítě. Zvýšily se rychlosti, zvýšila se spolehlivost a objevila se možnost centralizované správy síťové infrastruktury. Tvůrci protokolů přenosu dat na sebe nenechali dlouho čekat. Téměř všechny hlavní průmyslové protokoly, jako je Modbus TCP, EtherNet/IP, IEC 60870-5-104, PROFINET, DNP3 atd., používají jako základ identický nebo podobný model OSI. Užitečná zátěž je umístěna v rámci a přenášena přes síť Ethernet. Téměř každý moderní ovladač, chytrý senzor nebo operátorský panel je vybaven ethernetovým rozhraním pro připojení ke stejnojmenné síti. To znamená, že teoreticky může průmyslová síť využívat standardní ethernetová zařízení, která lze nalézt v podnikové, kancelářské nebo dokonce domácí síti. V praxi se však již dlouho vytvořila velká třída zařízení, která jsou navržena pro práci se sítěmi, jako je průmyslový Ethernet. Zahrnuje síťová zařízení přizpůsobená pro práci specificky v průmyslovém prostředí, zajišťující spolehlivost, minimální úroveň latence a také splňující různé průmyslové standardy vyžadované konkrétním průmyslem. V tomto případě je hlavní „bojovou“ jednotkou zpravidla přepínač průmyslového Ethernetu. Je to dáno tím, že switch je zařízení, které umožňuje spolehlivou a hlavně rychlou interakci mezi komponenty a uzly průmyslové sítě.
Switch – optimální řešení pro průmyslovou síť
Průmyslový switch, neboli switch, je hlavní zařízení používané k budování průmyslové sítě. Proč vypínač? Koneckonců existují další síťová zařízení, například rozbočovač (hub) nebo směrovač (router). Vše je o rychlosti a funkčnosti. Nejrychlejším uvedeným zařízením je hub, před časem byl tento typ zařízení velmi oblíbený díky nízké ceně. Hub je ve skutečnosti multiportový opakovač, který funguje na fyzické úrovni podle modelu sítě OSI a přenáší přijatá data do všech připojených portů.
Toto schéma na jedné straně umožňuje minimální zpoždění v síti, ale na druhé straně se zvyšuje zatížení sítě, protože vysílání s touto implementací se ukazuje jako vysílání. To často vedlo k prudkému poklesu výkonu sítě. Router je zase zařízení, které funguje na úrovni sítě podle modelu OSI a má velmi bohatou funkcionalitu umožňující stavbu přenosových cest provozu. Taková funkce vyžaduje vyšší výkon zařízení, protože informační paket je analyzován počínaje hlavičkou 3. úrovně modelu OSI a vyšší. V důsledku toho se prodlužují zpoždění, protože implementace na směrovačích je ve většině případů softwarová, cena je přirozeně vyšší a tato funkce je žádaná na úrovni jádra sítě.
V důsledku toho se přepínače různých úrovní a funkcí staly nejrozšířenějšími v průmyslových sítích Ethernet. Přepínač je chytřejší zařízení než rozbočovač a rychlejší než router, protože funguje na linkové vrstvě podle modelu OSI. Provoz je přehledně distribuován a odesílán přímo příjemci, což eliminuje zbytečné zatížení síťových zařízení a umožňuje ostatním segmentům nezpracovávat data, která jim nejsou určena. Toho je dosaženo analýzou MAC adres odesílatele a cíle obsažených v každém přenášeném datovém rámci. Toto přepínání umožňuje dosáhnout minimálních zpoždění v distribuci provozu při zachování přijatelné cenové hladiny.
Přepínač ve své paměti obsahuje tabulku (CAM-table), která označuje shodu mezi MAC adresou hostitele a fyzickým portem přepínače, což přesně snižuje zatížení sítě, protože přepínač přesně ví, který port k předání datového paketu. Je však třeba zvážit, že když je přepínač zapnutý nebo restartován, funguje v tréninkovém režimu, protože tabulka shody je prázdná. V tomto režimu jsou data, která přicházejí do přepínače, odesílána na všechny ostatní porty a přepínač analyzuje a zadává MAC adresu odesílatele do tabulky. Postupem času je provoz lokalizován, protože přepínač sestavuje kompletní tabulku mapování MAC adres pro všechny porty.
Nyní mnoho výrobců síťových zařízení pro průmyslové sítě nabízí přepínače jako zařízení pro zajištění interakce mezi síťovými uzly. Portfolio obsahuje přepínače různé funkčnosti, zpravidla se jedná o přepínače neřízené, řízené a úrovně L3. A pokud se přepínače L3 používají jako alternativa k routerům na úrovni jádra sítě a s jejich výběrem jsou spojeny pouze vysoce specializované problémy, pak volba mezi spravovaným a neřízeným přepínačem spočívá ve správné definici úkolů, které musí síťové zařízení řešit. Dále se podíváme na základní rozdíly mezi spravovanými a nespravovanými přepínači.
Spravované a nespravované přepínače
Spravované a nespravované přepínače jsou ve skutečnosti dvě různá zařízení, která fungují na úrovni L2 modelu OSI. Nespravovaný přepínač je navržen tak, aby automaticky rozděloval rychlost a přenášený provoz rovnoměrně mezi všechny účastníky sítě. Jedná se o optimální řešení pro sítě s malým počtem koncových zařízení, mezi výhody patří:
- zajištění vysoké propustnosti sítě Ethernet;
- krátká doba odezvy;
- Snadné ovládání;
- dostupnost dalších funkcí pro řízení toku dat.
Spravovaný přepínač má vyšší cenu, používá se pro velké sítě a má schopnost plně řídit přenášený provoz, rychlost a má také další možnosti správy. Ve skutečnosti se jedná o optimální řešení pro síťové úseky, kde je potřeba další funkcionalita pro segmentaci, redundanci, informační bezpečnost atd. Na rozdíl od nespravovaného přepínače musí být spravovaný přepínač nakonfigurován zadáním řady dalších a povinných nastavení.
Nespravované přepínače jsou zařízení typu plug and play, která nevyžadují složitou konfiguraci ani hluboké znalosti. Umožňují vám rychle organizovat výměnu mezi zařízeními v síti Ethernet bez dalších nastavení. Tyto přepínače umožňují ethernetovým zařízením komunikovat mezi sebou (jako jsou PLC a HMI), poskytují připojení k síti a předávají informace do cíle od odesílatele. Dodávají se s pevnou konfigurací a neumožňují žádné změny nastavení, takže není třeba upřednostňovat snímky nebo provádět další konfiguraci.
Nespravované přepínače se primárně používají k připojení periferních zařízení k síťovým prvkům nebo v malé samostatné síti s několika komponentami. V průmyslovém prostředí je nutné používat přepínače šité na míru konkrétním potřebám.
Průmyslové spínače jsou vyvinuty pro různé průmyslové aplikace, jako je výroba elektřiny, ropa a plyn, železniční doprava a infrastruktura atd. Jsou speciálně navrženy pro provoz v širokém rozsahu teplot, vibrací a otřesů a přispívají k vytvoření nákladově efektivní a spolehlivé zabezpečené sítě.
Spínače řady Advantech
Průmyslové spínače řady Advantech jsou zařízení základní úrovně a jsou navržena tak, aby rychle organizovala interakci zařízení vytvořením sítě Ethernet. Momentálně v sérii Je zahrnuto více než 25 zařízení, níže uvedená tabulka ukazuje rozpis objednacího čísla.
Switche mohou být v tomto případě vybaveny jak porty RJ-45, tak optickými porty pro přenos dat po single-mode a multimode vlákně, maximální rychlost může dosáhnout 1 Gbit/s.
Funkčnost sériových spínačů
Funkčnost neřízených přepínačů obecně není nic mimořádného. Pojďme však zjistit, jaké funkce jsou stále dostupné na přepínačích řady Advantech .
Automatická detekce typu připojení MDI/MDI-X
Tato funkce umožňuje připojit jakýkoli typ ethernetového zařízení k přepínačům bez obav o typ kabelu: přímý nebo křížený.
Pro připojení síťového adaptéru k síťovému zařízení L2 (rozbočovač nebo přepínač) se obvykle používá „přímý“ kabel. Pro propojení dvou stejných síťových zařízení k sobě nebo například síťového adaptéru k routeru se doporučuje použít křížený kabel. Přítomnost funkce MDI/MDI-X umožňuje použít s přepínačem jakýkoli typ kabelu.
Automatická detekce typu sítě (Auto-Negotiation)
Tato funkce po MDI/MDI-X patří k Plug and Play a umožňuje automaticky určit typ sítě a přenosovou rychlost poskytovanou standardem Ethernet. V praxi je to obzvláště důležité, protože stávající síť může využívat zařízení s různými rychlostními charakteristikami, od 10 Mbit/s do 1 Gbit/s. Auto-Negotiation výrazně usnadňuje život uživatelům sítě. Zařízení si samo „vyjedná“ rychlost se svým hraničním „ethernetovým sousedem“.
Ochrana před bouří
Ochrana před bouří je také velmi užitečná funkce pro přepínače. Broadcast storm je obvykle způsobena smyčkami v lokální síti nebo nesprávným chováním některého z účastníků sítě. V takových případech se síť zaplní velkým množstvím zbytečných rámců, což ovlivní její rychlost.
Funkce ochrany před bouřkami přepínače automaticky filtruje vysílané snímky. A když přenos vysílání překročí určitou prahovou hodnotu, síť stále zůstává funkční, protože přepínač automaticky rezervuje šířku pásma pro přenos normálních rámců.
Funkce ochrany před bouří na neřízených přepínačích ve výchozím nastavení povoleno. Podrobné informace o prahových hodnotách pro každý model musí být objasněny na oficiálních stránkách výrobce.
P-Fail relé
Začněme tím, že většina modelů v řadě navrženo pro rozsah vstupního napětí 12…48 V DC. Vstup je zdvojený a je chráněn proti přepólování a také proti nadproudu pomocí samočinné pojistky. Na vstupu je napěťový komparátor a při přivedení napětí na oba vstupy komparátor automaticky vybere vyšší hodnotu a tento vstup udělá hlavním. Při výpadku napětí na jednom ze vstupů nebo při poklesu jeho úrovně pod 12 V přepínač automaticky přepne na druhý kanál a sepne relé P-Fail. Tato funkce umožňuje monitorovat stav napájecí sítě přepínačů a okamžitě signalizovat abnormální provoz.
LED indikace
Tato funkce umožňuje posoudit stav spínače jeho vizuální kontrolou. Každý datový port sériového přepínače má dvě LED pro zobrazení přenosové rychlosti, stavu připojení a možného stavu kolize. Existují také LED diody, které duplikují relé P-Fail, která se současně aktivují, když je přerušen jeden z napájecích obvodů.
PoE (Power-over-Ethernet)
Na řadě neřízených přepínačů v sérii Byla implementována funkce Power-over-Ethernet. Umožňuje poskytovat napájení vzdáleným zařízením podle standardů IEEE 802.3af a IEEE 802.3at (PoE+), kde se jako napájecí vedení používá kroucená dvoulinka kategorie 5e a vyšší. Jako napájecí síť pro tyto spínače se doporučuje použít jmenovitou hodnotu 53...57 VDC, aby se zabránilo poklesu napětí na vedení.
Vestavěná ochrana EMI a ESD
Přepnout série mají vestavěný filtrační systém na ochranu před elektromagnetickým rušením a statickým napětím. Přes napájecí vedení může switch zajistit provozuschopnost při krátkodobém impulzním šumu s amplitudou až 3000 V DC, stejně jako při elektrostatických výbojích na portech RJ-45 až do 4000 V.
Konstruktivní
Úplně všechny spínače v sérii mají odolné kovové pouzdro se stupněm krytí IP30. Strukturálně série lze vyrobit ve dvou verzích, jedná se buď o verzi pro montáž na DIN lištu nebo pro montáž do 19' racku. Veškerá potřebná montáž je součástí sady. Také spínače, které jsou určeny k montáži na DIN lištu, lze namontovat na panel, držák je součástí dodávky.
Závěr
Průmyslové neřízené přepínače jsou zařízení přizpůsobená pro práci specificky v průmyslovém prostředí. Poskytují spolehlivou a rychlou interakci mezi ethernetovými uzly a nevyžadují další nastavení a konfiguraci. V současné době je neřízený přepínač jednoduché levné síťové zařízení, které dokáže vyřešit poměrně velké množství základních úkolů souvisejících s organizací výměny přes síť Ethernet. Není nutná žádná konfigurace, stačí vyjmout přepínač z krabice a připojit všechny potřebné konektory.
Řada neřízených přepínačů Advantech , patřící do popisované třídy zařízení, podporuje širokou škálu důležitých a nezbytných funkcí, jako je automatická detekce typu připojení MDI/MDI-X, automatická detekce typu sítě (Auto-Negotiation), ochrana před bouří vysílání, PoE, ochrana proti elektromagnetickému rušení a elektrostatickým výbojům atd. Dohromady vám všechny tyto funkce umožňují používat řešit základní problémy organizace interakce mezi sítí a koncovými uzly.
Příklad aplikace
Jedním z klientů Advantech je . Aby se zlepšily možnosti datové komunikace a zároveň snížily související náklady, zvolila společnost CNPC řešení pro monitorování a řízení ropných polí společnosti Advantech. Data jsou přenášena přes mobilní síť z pole do řídicího centra. Směrovače byly instalovány s vypínači ve skříních přilehlých k šachtám čerpadel, které poskytují síťové připojení pro provozní zařízení, jako jsou kamery, PLC, RTU a další zařízení.
Literatura
1.
2.
3.
Autor je zaměstnancem společnosti
Zdroj: www.habr.com