Przy budowie sieci Ethernet wykorzystuje się różne klasy sprzętu przełączającego. Osobno warto wyróżnić przełączniki niezarządzalne – proste urządzenia, które pozwalają szybko i sprawnie zorganizować pracę małej sieci Ethernet. Artykuł ten zawiera szczegółowy przegląd podstawowych niezarządzalnych przełączników przemysłowych serii EKI-2000.
Wprowadzenie
Ethernet od dawna stał się integralną częścią każdej sieci przemysłowej. Standard ten, wywodzący się z branży IT, umożliwił przejście na jakościowo nowy poziom organizacji sieci. Wzrosły prędkości, wzrosła niezawodność i pojawiła się możliwość scentralizowanego zarządzania infrastrukturą sieciową. Twórcy protokołów przesyłania danych nie musieli długo czekać. Prawie wszystkie główne protokoły przemysłowe, takie jak Modbus TCP, EtherNet/IP, IEC 60870-5-104, PROFINET, DNP3 itp., wykorzystują jako podstawę identyczny lub podobny model OSI. Ładunek jest umieszczany w ramce i przesyłany siecią Ethernet. Prawie każdy nowoczesny sterownik, inteligentny czujnik czy panel operatorski wyposażony jest w interfejs Ethernet umożliwiający podłączenie do sieci o tej samej nazwie. Oznacza to, że teoretycznie sieć przemysłowa może wykorzystywać standardowe urządzenia Ethernet, które można spotkać w sieci korporacyjnej, biurowej, a nawet domowej. Jednak w praktyce od dawna powstała duża klasa urządzeń zaprojektowanych specjalnie do współpracy z sieciami takimi jak Ethernet przemysłowy. Obejmuje urządzenia sieciowe przystosowane do pracy specjalnie w środowisku przemysłowym, zapewniające niezawodność, minimalny poziom opóźnień, a także spełniające różne standardy przemysłowe wymagane przez konkretną branżę. W tym przypadku główną jednostką „bojową” jest z reguły przemysłowy przełącznik Ethernet. Wynika to z faktu, że przełącznik jest urządzeniem pozwalającym na niezawodną i co najważniejsze szybką interakcję pomiędzy elementami i węzłami sieci przemysłowej.
Switch – optymalne rozwiązanie dla sieci przemysłowej
Przełącznik przemysłowy, czyli przełącznik, jest głównym urządzeniem służącym do budowy sieci przemysłowej. Dlaczego przełącznik? W końcu istnieją inne urządzenia sieciowe, na przykład koncentrator (koncentrator) lub router (router). Chodzi przede wszystkim o szybkość i funkcjonalność. Najszybszym urządzeniem na liście jest hub, jakiś czas temu urządzenia tego typu cieszyły się dużą popularnością ze względu na niską cenę. W rzeczywistości koncentrator jest wieloportowym wzmacniaczem, działa na poziomie fizycznym zgodnie z modelem sieci OSI i przekazuje otrzymane dane do wszystkich podłączonych portów.
Z jednej strony ten schemat pozwala na minimalne opóźnienia w sieci, ale z drugiej strony zwiększa się obciążenie sieci, ponieważ transmisja z tą implementacją okazuje się nadawana. Często prowadziło to do gwałtownego spadku wydajności sieci. Router z kolei to urządzenie działające na poziomie sieci zgodnie z modelem OSI i posiadające bardzo bogatą funkcjonalność pozwalającą na budowę tras transmisji ruchu. Taka funkcjonalność wymaga wyższej wydajności urządzenia, ponieważ pakiet informacji jest analizowany począwszy od nagłówka 3. poziomu modelu OSI i wyżej. W rezultacie opóźnienia stają się dłuższe, ponieważ wdrożenie na routerach to w większości przypadków oprogramowanie, cena jest oczywiście wyższa, a taka funkcjonalność jest pożądana na poziomie rdzenia sieci.
W rezultacie przełączniki o różnym poziomie i funkcjonalności stały się najbardziej rozpowszechnione w przemysłowych sieciach Ethernet. Przełącznik jest inteligentniejszym urządzeniem niż koncentrator i szybszym niż router, ponieważ działa w warstwie łącza zgodnie z modelem OSI. Ruch jest wyraźnie dystrybuowany i kierowany bezpośrednio do odbiorcy, co eliminuje niepotrzebne obciążenie sprzętu sieciowego, pozwalając innym segmentom nie przetwarzać danych, które nie są dla nich przeznaczone. Osiąga się to poprzez analizę adresów MAC nadawcy i odbiorcy zawartych w każdej przesyłanej ramce danych. Przełączanie to pozwala osiągnąć minimalne opóźnienia w dystrybucji ruchu przy zachowaniu akceptowalnego poziomu cen.
W swojej pamięci przełącznik zawiera tabelę (tabela CAM), która wskazuje zgodność między adresem MAC hosta a fizycznym portem przełącznika, co precyzyjnie zmniejsza obciążenie sieci, ponieważ przełącznik dokładnie wie, który port do którego chcesz przekazać pakiet danych. Warto jednak wziąć pod uwagę, że po włączeniu lub ponownym uruchomieniu przełącznika działa w trybie treningowym, ponieważ tabela korespondencji jest pusta. W tym trybie dane docierające do przełącznika są wysyłane do wszystkich pozostałych portów, a przełącznik analizuje i wprowadza do tabeli adres MAC nadawcy. Z biegiem czasu ruch jest lokalizowany, ponieważ przełącznik kompiluje pełną tabelę mapowania adresów MAC dla wszystkich portów.
Obecnie wielu producentów sprzętu sieciowego dla sieci przemysłowych oferuje przełączniki jako urządzenia zapewniające interakcję między węzłami sieci. W ofercie znajdują się przełączniki o różnej funkcjonalności, z reguły są to przełączniki niezarządzalne, zarządzane i poziomu L3. A jeśli przełączniki L3 stosowane są jako alternatywa dla routerów na poziomie rdzenia sieci i z ich wyborem wiążą się tylko wysoce specjalistyczne kwestie, to wybór pomiędzy przełącznikiem zarządzanym a niezarządzanym sprowadza się do prawidłowego zdefiniowania zadań, jakie musi spełniać urządzenie sieciowe rozwiązywać. Następnie przyjrzymy się podstawowym różnicom między przełącznikami zarządzanymi i niezarządzanymi.
Przełączniki zarządzane i niezarządzalne
Przełączniki zarządzane i niezarządzalne to tak naprawdę dwa różne urządzenia, które działają na poziomie L2 modelu OSI. Przełącznik niezarządzany ma za zadanie automatycznie rozprowadzać prędkość i równomiernie przesyłany ruch pomiędzy wszystkich uczestników sieci. Jest to optymalne rozwiązanie dla sieci z małą liczbą urządzeń końcowych, a jego zaletami są:
- zapewnienie dużej przepustowości sieci Ethernet;
- krótki czas reakcji;
- Łatwość kontroli;
- dostępność dodatkowej funkcjonalności kontroli przepływu danych.
Przełącznik zarządzany ma wyższy koszt, jest stosowany w dużych sieciach i ma możliwość pełnej kontroli przesyłanego ruchu, prędkości, a także ma dodatkowe możliwości zarządzania. W rzeczywistości jest to optymalne rozwiązanie dla odcinków sieci, gdzie wymagana jest dodatkowa funkcjonalność w zakresie segmentacji, redundancji, bezpieczeństwa informacji itp. W przeciwieństwie do przełącznika niezarządzanego, przełącznik zarządzany należy skonfigurować, określając szereg dodatkowych i obowiązkowych ustawień.
Przełączniki niezarządzalne to urządzenia typu plug and play, które nie wymagają skomplikowanej konfiguracji ani dogłębnej wiedzy. Pozwalają szybko zorganizować wymianę pomiędzy urządzeniami w sieci Ethernet bez dodatkowych ustawień. Przełączniki te umożliwiają urządzeniom Ethernet komunikowanie się między sobą (takim jak sterowniki PLC i interfejsy HMI), zapewniając połączenie z siecią i przekazywanie informacji do miejsca docelowego od nadawcy. Mają stałą konfigurację i nie pozwalają na zmianę ustawień, więc nie ma potrzeby nadawania priorytetu ramkom ani wykonywania dodatkowej konfiguracji.
Przełączniki niezarządzalne są używane głównie do podłączania urządzeń peryferyjnych do odgałęzień sieciowych lub w małej, autonomicznej sieci składającej się z kilku komponentów. W środowiskach przemysłowych konieczne jest stosowanie przełączników dostosowanych do konkretnych potrzeb.
Przełączniki przemysłowe są opracowywane do różnych zastosowań przemysłowych, takich jak wytwarzanie energii, ropa i gaz, transport kolejowy i infrastruktura itp. Zostały specjalnie zaprojektowane do pracy w szerokim zakresie temperatur, wibracji i wstrząsów i przyczyniają się do stworzenia opłacalnej i niezawodnej bezpiecznej sieci.
Przełączniki serii Advantech
Przełączniki przemysłowe serii Advantech to urządzenia klasy podstawowej, przeznaczone do szybkiego organizowania interakcji urządzeń poprzez utworzenie sieci Ethernet. Obecnie w serii W zestawie znajduje się ponad 25 urządzeń. Poniższa tabela przedstawia podział według numeru zamówienia.
W tym przypadku przełączniki mogą być wyposażone zarówno w porty RJ-45, jak i porty optyczne do transmisji danych po światłowodzie jednomodowym i wielomodowym, maksymalna prędkość może osiągnąć 1 Gbit/s.
Funkcjonalność przełączników szeregowych
Funkcjonalność przełączników niezarządzalnych generalnie nie jest niczym nadzwyczajnym. Zastanówmy się jednak, jakie funkcje są nadal dostępne w przełącznikach serii Advantech .
Automatyczne wykrywanie typu połączenia MDI/MDI-X
Funkcja ta pozwala na podłączenie do przełączników dowolnego typu urządzenia Ethernet bez martwienia się o rodzaj kabla: prosty lub krosowany.
Zazwyczaj do podłączenia karty sieciowej do sprzętu sieciowego L2 (koncentratora lub przełącznika) używany jest kabel „prosty”. Aby połączyć ze sobą dwa identyczne urządzenia sieciowe lub np. kartę sieciową z routerem, zaleca się zastosowanie kabla krosowanego. Obecność funkcji MDI/MDI-X pozwala na zastosowanie z przełącznikiem dowolnego rodzaju kabla.
Automatyczne wykrywanie typu sieci (automatyczna negocjacja)
Funkcja ta, po MDI/MDI-X, należy do Plug and Play i pozwala automatycznie określić rodzaj sieci i prędkość transmisji zapewnianą przez standard Ethernet. W praktyce jest to szczególnie istotne, gdyż w istniejącej sieci można wykorzystywać sprzęt o różnej charakterystyce prędkości, od 10 Mbit/s do 1 Gbit/s. Funkcja automatycznej negocjacji znacznie ułatwia życie użytkownikom sieci. Samo urządzenie będzie „negocjować” prędkość ze swoim granicznym „sąsiadem Ethernet”.
Ochrona przed burzą rozgłoszeniową
Ochrona przed burzą rozgłoszeniową jest również bardzo przydatną funkcją przełączników. Burza rozgłoszeniowa jest zwykle spowodowana pętlami w sieci lokalnej lub nieprawidłowym zachowaniem jednego z uczestników sieci. W takich przypadkach sieć zostanie wypełniona dużą liczbą bezużytecznych ramek, co wpłynie na jej prędkość.
Funkcja ochrony przed burzą rozgłoszeniową przełącznika automatycznie odfiltrowuje ramki rozgłoszeniowe. A kiedy ruch rozgłoszeniowy przekroczy określony próg, sieć nadal będzie działać, ponieważ przełącznik automatycznie rezerwuje przepustowość do transmisji normalnych ramek.
Funkcja ochrony przed burzą rozgłoszeniową na przełącznikach niezarządzanych domyślnie włączone. Szczegółowe informacje na temat wartości progowych dla każdego modelu należy wyjaśnić na oficjalnej stronie producenta.
Przekaźnik P-awaria
Zacznijmy od tego, że większość modeli z serii zaprojektowane dla zakresu napięcia wejściowego 12…48 V DC. Wejście jest zdublowane i zabezpieczone przed odwróceniem polaryzacji oraz przetężeniem za pomocą samoresetującego się bezpiecznika. Na wejściu znajduje się komparator napięcia i po podaniu napięcia na oba wejścia komparator automatycznie wybiera wyższą wartość i ustawia to wejście jako główne. W przypadku zaniku napięcia na jednym z wejść lub gdy jego poziom spadnie poniżej 12 V, przełącznik automatycznie przełącza się na drugi kanał i zamyka przekaźnik P-Fail. Funkcja ta umożliwia monitorowanie stanu sieci zasilającej przełączniki i natychmiastową sygnalizację nieprawidłowej pracy.
Sygnalizacja LED
Ta funkcja pozwala ocenić stan przełącznika poprzez jego kontrolę wizualną. Każdy port danych przełącznika szeregowego posiada dwie diody LED sygnalizujące prędkość transmisji, stan połączenia i ewentualną kolizję. Istnieją również diody LED, które duplikują przekaźniki P-Fail, które jednocześnie aktywują się w przypadku przerwania jednego z obwodów zasilających.
PoE (zasilanie przez Ethernet)
Na kilku niezarządzanych przełącznikach z tej serii Zaimplementowano funkcję Power-over-Ethernet. Umożliwia zasilanie zdalnych urządzeń zgodnie ze standardami IEEE 802.3af oraz IEEE 802.3at (PoE+), gdzie jako linię zasilającą wykorzystywana jest skrętka transmisyjna kategorii 5e i wyższej. Jako sieć zasilającą dla tych przełączników zaleca się stosowanie napięcia znamionowego 53...57 VDC, aby uniknąć spadków napięcia na linii.
Wbudowana ochrona EMI i ESD
Seria przełączająca posiadają wbudowany system filtrowania chroniący przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i napięciem statycznym. Za pośrednictwem linii zasilającej przełącznik może zapewnić pracę podczas krótkotrwałych szumów impulsowych o amplitudzie do 3000 V DC, a także podczas wyładowań elektrostatycznych na portach RJ-45 do 4000 V.
Konstruktywny
Absolutnie wszystkie przełączniki z tej serii posiadają trwałą, metalową obudowę o stopniu ochrony IP30. Strukturalnie szereg może być wykonany w dwóch wersjach, jest to wersja do montażu na szynie DIN lub do montażu w szafie 19'. Wszystkie niezbędne elementy montażowe znajdują się w zestawie. Ponadto przełączniki przeznaczone do montażu na szynie DIN można zamontować na panelu; uchwyt jest dostarczany w zestawie.
wniosek
Przemysłowe przełączniki niezarządzalne to urządzenia przystosowane do pracy specjalnie w środowisku przemysłowym. Zapewniają niezawodną i szybką interakcję pomiędzy węzłami Ethernet i nie wymagają dodatkowych ustawień ani konfiguracji. W tej chwili przełącznik niezarządzalny to proste, niedrogie urządzenie sieciowe, które może rozwiązać dość dużą liczbę podstawowych zadań związanych z organizacją wymiany w sieci Ethernet. Nie jest wymagana żadna konfiguracja, wystarczy wyjąć przełącznik z puszki i podłączyć wszystkie niezbędne złącza.
Seria niezarządzalnych przełączników Advantech , należący do opisywanej klasy urządzeń, obsługuje szeroki zakres ważnych i niezbędnych funkcji, takich jak automatyczne wykrywanie typu połączenia MDI/MDI-X, automatyczne wykrywanie typu sieci (Auto-Negotiation), ochrona przed burzą rozgłoszeniową, PoE, ochrona przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i ładunkami elektrostatycznymi itp. Podsumowując, wszystkie te funkcje pozwalają na użycie rozwiązywać podstawowe problemy organizacji interakcji pomiędzy siecią a węzłami końcowymi.
Przykład zastosowania
Jednym z klientów Advantech jest . Aby zwiększyć możliwości transmisji danych przy jednoczesnym obniżeniu związanych z tym kosztów, CNPC wybrało rozwiązanie firmy Advantech do monitorowania i kontroli pól naftowych. Dane przesyłane są za pośrednictwem sieci komórkowej z pola do centrum sterowania. Routery zostały zainstalowane z wyłącznikami w szafach sąsiadujących z zatokami pomp, zapewniając łączność sieciową dla sprzętu terenowego, takiego jak kamery, sterowniki PLC, RTU i inne urządzenia.
literatura
1.
2.
3.
Autor jest pracownikiem firmy
Źródło: www.habr.com