Ao construir redes Ethernet, são utilizadas várias classes de equipamentos de comutação. Separadamente, vale destacar os switches não gerenciados - dispositivos simples que permitem organizar de forma rápida e eficiente o funcionamento de uma pequena rede Ethernet. Este artigo fornece uma visão geral detalhada dos switches industriais não gerenciados básicos da série EKI-2000.
Introdução
A Ethernet há muito se tornou parte integrante de qualquer rede industrial. Esse padrão, que veio da indústria de TI, possibilitou passar para um nível qualitativamente novo de organização de rede. As velocidades aumentaram, a fiabilidade aumentou e surgiu a possibilidade de gestão centralizada da infra-estrutura de rede. Os criadores dos protocolos de transferência de dados não foram forçados a esperar muito. Quase todos os principais protocolos industriais, como Modbus TCP, EtherNet/IP, IEC 60870-5-104, PROFINET, DNP3, etc., usam um modelo OSI idêntico ou semelhante como base. A carga útil é colocada em um quadro e transmitida por uma rede Ethernet. Quase todos os controladores modernos, sensores inteligentes ou painéis de operação estão equipados com uma interface Ethernet para conexão à rede de mesmo nome. Isso significa que, em teoria, uma rede industrial pode usar dispositivos Ethernet padrão que podem ser encontrados em uma rede corporativa, de escritório ou até mesmo doméstica. No entanto, na prática, há muito se formou uma grande classe de dispositivos projetados para funcionar especificamente com redes como a Ethernet Industrial. Inclui dispositivos de rede adaptados para funcionar especificamente em um ambiente industrial, garantindo confiabilidade, níveis mínimos de latência e também atendendo a diversos padrões industriais exigidos por uma determinada indústria. Neste caso, a principal unidade de “combate”, via de regra, é um switch Ethernet industrial. Isso se deve ao fato de um switch ser um dispositivo que permite uma interação confiável e, o mais importante, rápida entre componentes e nós de uma rede industrial.
Switch – a solução ideal para uma rede industrial
Um switch industrial, ou switch, é o principal dispositivo usado para construir uma rede industrial. Por que uma mudança? Afinal, existem outros dispositivos de rede, por exemplo, um hub (hub) ou um roteador (roteador). É tudo uma questão de velocidade e funcionalidade. O dispositivo mais rápido listado é o hub; há algum tempo esse tipo de dispositivo era muito popular devido ao seu baixo preço. Na verdade, um hub é um repetidor multiporta; ele opera no nível físico de acordo com o modelo de rede OSI e retransmite os dados recebidos para todas as portas conectadas.
Por um lado, este esquema permite atrasos mínimos na rede, mas por outro lado, a carga na rede aumenta, uma vez que a transmissão com esta implementação acaba por ser transmitida. Isso geralmente levava a uma queda acentuada no desempenho da rede. Um roteador, por sua vez, é um dispositivo que opera em nível de rede segundo o modelo OSI e possui funcionalidades muito ricas que permitem a construção de rotas de transmissão de tráfego. Tal funcionalidade exige maior desempenho do dispositivo, uma vez que o pacote de informações é analisado a partir do cabeçalho do 3º nível do modelo OSI e superior. Como resultado, os atrasos tornam-se maiores, uma vez que a implementação nos roteadores é, na maioria dos casos, software, o preço é naturalmente mais alto e essa funcionalidade é exigida no nível do núcleo da rede.
Como resultado, switches de diversos níveis e funcionalidades tornaram-se os mais difundidos nas redes Ethernet industriais. Um switch é um dispositivo mais inteligente que um hub e mais rápido que um roteador porque opera na camada de enlace de acordo com o modelo OSI. O tráfego é distribuído de forma clara e enviado diretamente ao destinatário, o que elimina cargas desnecessárias nos equipamentos de rede, permitindo que outros segmentos não processem dados que não lhes são destinados. Isto é conseguido analisando os endereços MAC do remetente e do destino contidos em cada quadro de dados transmitido. Essa mudança permite obter atrasos mínimos na distribuição do tráfego, mantendo um nível de preço aceitável.
Em sua memória, o switch contém uma tabela (tabela CAM), que indica a correspondência entre o endereço MAC do host e a porta física do switch, o que reduz justamente a carga na rede, já que o switch sabe exatamente qual porta para encaminhar o pacote de dados. Porém, vale considerar que quando o switch é ligado ou reiniciado, ele opera em modo treinamento, pois a tabela de correspondência fica vazia. Neste modo, os dados que chegam ao switch são enviados para todas as outras portas, e o switch analisa e insere o endereço MAC do remetente na tabela. Com o tempo, o tráfego é localizado à medida que o switch compila uma tabela completa de mapeamento de endereços MAC para todas as portas.
Agora, muitos fabricantes de equipamentos de rede para redes industriais oferecem switches como dispositivos para garantir a interação entre os nós da rede. O portfólio inclui switches de diversas funcionalidades, via de regra, existem switches não gerenciados, gerenciados e de nível L3. E se os switches L3 são usados como uma alternativa aos roteadores no nível do núcleo da rede e apenas questões altamente especializadas estão associadas à sua escolha, então a escolha entre um switch gerenciado e não gerenciado se resume à definição correta das tarefas que o dispositivo de rede deve resolver. A seguir, veremos as diferenças básicas entre switches gerenciados e não gerenciados.
Switches gerenciados e não gerenciados
Switches gerenciados e não gerenciados são, na verdade, dois dispositivos diferentes que operam no nível L2 do modelo OSI. Um switch não gerenciado é projetado para distribuir automaticamente a velocidade e o tráfego transmitido de maneira uniforme entre todos os participantes da rede. Esta é a solução ideal para redes com um pequeno número de dispositivos finais; as vantagens incluem:
- garantindo alto rendimento da rede Ethernet;
- tempo de resposta curto;
- Fácil de controlar;
- disponibilidade de funcionalidade adicional para gerenciamento de fluxo de dados.
Um switch gerenciado tem um custo mais alto, é usado para grandes redes e tem a capacidade de controlar totalmente o tráfego transmitido, a velocidade e também possui recursos de gerenciamento adicionais. Na verdade, esta é a solução ideal para seções de rede onde são necessárias funcionalidades adicionais para segmentação, redundância, segurança da informação, etc. Ao contrário de um switch não gerenciado, um switch gerenciado deve ser configurado especificando uma série de configurações adicionais e obrigatórias.
Switches não gerenciados são dispositivos plug and play que não requerem configuração complexa ou conhecimento profundo. Eles permitem organizar rapidamente a troca entre equipamentos em uma rede Ethernet sem configurações adicionais. Esses switches permitem que dispositivos Ethernet se comuniquem entre si (como PLCs e IHMs), fornecendo uma conexão à rede e passando informações do remetente para o destino. Eles vêm com configuração fixa e não permitem alterações nas configurações, portanto não há necessidade de priorizar frames ou realizar configurações adicionais.
Os switches não gerenciados são usados principalmente para conectar dispositivos periféricos a ramais de rede ou em uma pequena rede autônoma com vários componentes. Em ambientes industriais, é necessária a utilização de switches adaptados a necessidades específicas.
Os interruptores industriais são desenvolvidos para diversas aplicações industriais, como geração de energia, petróleo e gás, transporte ferroviário e infraestrutura, etc. Eles são projetados especificamente para operar em uma ampla faixa de temperaturas, vibrações e choques e contribuem para a criação de uma rede segura, confiável e econômica.
Interruptores da série Advantech
Interruptores industriais série Advantech são dispositivos básicos e são projetados para organizar rapidamente a interação dos dispositivos criando uma rede Ethernet. Atualmente em série Mais de 25 dispositivos estão incluídos, a tabela abaixo mostra o detalhamento do número do pedido.
Neste caso, os switches podem ser equipados com portas RJ-45 e portas ópticas para transmissão de dados em fibra monomodo e multimodo, a velocidade máxima pode chegar a 1 Gbit/s.
Funcionalidade dos switches em série
A funcionalidade dos switches não gerenciados geralmente não é nada extraordinário. No entanto, vamos descobrir quais funções ainda estão disponíveis nos switches da série Advantech .
Detecção automática do tipo de conexão MDI/MDI-X
Este recurso permite conectar qualquer tipo de dispositivo Ethernet aos switches sem se preocupar com o tipo de cabo: direto ou cruzado.
Normalmente, um cabo “direto” é usado para conectar um adaptador de rede a um equipamento de rede L2 (um hub ou switch). Para conectar dois dispositivos de rede idênticos entre si ou, por exemplo, um adaptador de rede a um roteador, é recomendado usar um cabo cruzado. A presença da função MDI/MDI-X permite utilizar qualquer tipo de cabo com o switch.
Detecção automática do tipo de rede (negociação automática)
Esta função, seguindo MDI/MDI-X, pertence ao Plug and Play e permite determinar automaticamente o tipo de rede e a velocidade de transmissão fornecida pelo padrão Ethernet. Na prática, isso é especialmente importante, uma vez que a rede existente pode utilizar equipamentos com diferentes características de velocidade, de 10 Mbit/s a 1 Gbit/s. A negociação automática facilita muito a vida dos usuários da rede. O próprio dispositivo irá “negociar” a velocidade com sua fronteira “vizinho Ethernet”.
Proteção contra tempestades de transmissão
A proteção contra tempestades de transmissão também é um recurso muito útil para switches. Uma tempestade de transmissão geralmente é causada por loops na rede local ou comportamento incorreto de um dos participantes da rede. Nesses casos, a rede ficará repleta de um grande número de frames inúteis, o que afetará sua velocidade.
O recurso de proteção contra tempestades de transmissão do switch filtra automaticamente os quadros de transmissão. E quando o tráfego de transmissão excede um determinado limite, a rede ainda permanece operacional porque o switch reserva automaticamente largura de banda para transmissão de quadros normais.
Recurso de proteção contra tempestades de transmissão em switches não gerenciados habilitado por padrão. Informações detalhadas sobre os valores limite de cada modelo devem ser esclarecidas no site oficial do fabricante.
Relé de falha P
Comecemos com o fato de que a maioria dos modelos da série projetado para uma faixa de tensão de entrada de 12 a 48 V CC. A entrada é duplicada e protegida contra inversão de polaridade, bem como contra sobrecorrente por meio de um fusível com reinicialização automática. Existe um comparador de tensão na entrada, e quando a tensão é aplicada em ambas as entradas, o comparador seleciona automaticamente um valor maior e torna esta entrada a principal. Quando a tensão em uma das entradas falha ou quando seu nível cai abaixo de 12 V, a chave muda automaticamente para o segundo canal e fecha o relé P-Fail. Esta função permite monitorar o estado da rede de alimentação dos switches e sinalizar imediatamente operações anormais.
Indicação de LED
Este recurso permite avaliar a condição do switch inspecionando-o visualmente. Cada porta de dados do switch série possui dois LEDs para exibir a velocidade de transmissão, status da conexão e possível status de colisão. Existem também LEDs que duplicam os relés P-Fail, que são ativados simultaneamente quando um dos circuitos de alimentação é interrompido.
PoE (Power over Ethernet)
Em vários switches não gerenciados da série A função Power-over-Ethernet foi implementada. Ele permite fornecer energia a dispositivos remotos de acordo com os padrões IEEE 802.3af e IEEE 802.3at (PoE+), onde uma linha de transmissão de par trançado de categoria 5e e superior é usada como linha de alimentação. Recomenda-se usar um valor nominal de 53...57 VDC como rede de alimentação para essas chaves para evitar queda de tensão na linha.
Proteção EMI e ESD integrada
Série de interruptores possuem um sistema de filtragem integrado para proteção contra interferência eletromagnética e tensão estática. Através da linha de alimentação, o switch pode fornecer operabilidade durante ruído de impulso de curto prazo com amplitude de até 3000 V DC, bem como durante descargas eletrostáticas em portas RJ-45 de até 4000 V.
Construtivo
Absolutamente todos os interruptores da série possuem uma caixa metálica durável com grau de proteção IP30. Estruturalmente série pode ser feito em duas versões, esta é uma versão para montagem em trilho DIN ou para montagem em rack de 19'. Toda a montagem necessária está incluída no kit. Além disso, os interruptores projetados para serem montados em um trilho DIN podem ser montados em um painel; o suporte é fornecido.
Conclusão
Switches industriais não gerenciáveis são dispositivos adaptados para funcionar especificamente em um ambiente industrial. Eles fornecem interação confiável e rápida entre nós Ethernet e não requerem definições ou configurações adicionais. No momento, um switch não gerenciado é um dispositivo de rede simples e de baixo custo que pode resolver um número bastante grande de tarefas básicas relacionadas à organização de trocas em uma rede Ethernet. Nenhuma configuração é necessária; você só precisa remover o switch da caixa e conectar todos os conectores necessários.
Série de switches não gerenciados Advantech , pertencente à classe de dispositivos descrita, suporta uma ampla gama de funções importantes e necessárias, como detecção automática do tipo de conexão MDI/MDI-X, detecção automática do tipo de rede (autonegociação), proteção contra tempestade de transmissão, PoE, proteção contra interferência eletromagnética e fileiras eletrostáticas, etc. Juntas, todas essas funções permitem que você use para resolver problemas básicos de organização da interação entre a rede e os nós finais.
Exemplo de aplicação
Um dos clientes da Advantech é . Para aprimorar os recursos de comunicação de dados e, ao mesmo tempo, reduzir os custos associados, a CNPC selecionou a solução de monitoramento e controle de campos petrolíferos da Advantech. Os dados são transmitidos através de uma rede celular do campo para o centro de controle. Roteadores foram instalados com interruptores em gabinetes adjacentes aos compartimentos das bombas, proporcionando conectividade de rede para equipamentos de campo, como câmeras, PLCs, RTUs e outros dispositivos.
Literatura
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O autor é funcionário da empresa
Fonte: habr.com