När man bygger Ethernet-nätverk används olika klasser av switchningsutrustning. Separat är det värt att lyfta fram ohanterade switchar - enkla enheter som gör att du snabbt och effektivt kan organisera driften av ett litet Ethernet-nätverk. Den här artikeln ger en detaljerad översikt över de ohanterade industriella switcharna på ingångsnivå i EKI-2000-serien.
Inledning
Ethernet har länge blivit en integrerad del av alla industriella nätverk. Denna standard, som kom från IT-branschen, gjorde det möjligt att flytta till en kvalitativt ny nivå av nätverksorganisation. Hastigheterna har ökat, tillförlitligheten har ökat och möjligheten till centraliserad hantering av nätverksinfrastrukturen har vuxit fram. Skaparna av dataöverföringsprotokoll var inte tvungna att vänta länge. Nästan alla större industriella protokoll, som Modbus TCP, EtherNet/IP, IEC 60870-5-104, PROFINET, DNP3, etc., använder en identisk eller liknande OSI-modell som bas. Nyttolasten placeras i en ram och sänds över ett Ethernet-nätverk. Nästan alla moderna kontroller, smarta sensorer eller operatörspaneler är utrustade med ett Ethernet-gränssnitt för anslutning till nätverket med samma namn. Detta innebär att i teorin kan ett industriellt nätverk använda standard Ethernet-enheter som kan hittas i ett företags-, kontors- eller till och med hemnätverk. Men i praktiken har det sedan länge bildats en stor klass av enheter som är designade för att fungera specifikt med nätverk som Industrial Ethernet. Det inkluderar nätverksenheter anpassade för att fungera specifikt i en industriell miljö, som säkerställer tillförlitlighet, minimala latensnivåer och även uppfyller olika industriella standarder som krävs av en viss industri. I det här fallet är huvudenheten för "strid" som regel en industriell Ethernet-switch. Detta beror på det faktum att en switch är en enhet som möjliggör pålitlig och, viktigast av allt, snabb interaktion mellan komponenter och noder i ett industriellt nätverk.
Switch – den optimala lösningen för ett industriellt nätverk
En industriell switch, eller switch, är huvudenheten som används för att bygga ett industriellt nätverk. Varför en switch? Det finns trots allt andra nätverksenheter, till exempel en hubb (hub) eller en router (router). Allt handlar om hastighet och funktionalitet. Den snabbaste enheten som listas är navet; för en tid sedan var denna typ av enhet mycket populär på grund av dess låga pris. Faktum är att en hubb är en multiport-repeater, den fungerar på fysisk nivå enligt OSI-nätverksmodellen och vidarebefordrar mottagen data till alla anslutna portar.
Å ena sidan tillåter detta schema minimala förseningar i nätverket, men å andra sidan ökar belastningen på nätverket, eftersom sändningen med denna implementering visar sig sändas. Detta ledde ofta till en kraftig nedgång i nätverksprestanda. En router är i sin tur en enhet som fungerar på nätverksnivå enligt OSI-modellen och har mycket rik funktionalitet som möjliggör konstruktion av trafiköverföringsvägar. Sådan funktionalitet kräver högre enhetsprestanda, eftersom informationspaketet analyseras med början från rubriken på den tredje nivån av OSI-modellen och högre. Som ett resultat blir förseningarna längre, eftersom implementeringen på routrar i de flesta fall är mjukvara, priset är naturligtvis högre och sådan funktionalitet efterfrågas på nätverkets kärnnivå.
Som ett resultat har switchar av varierande nivåer och funktionalitet blivit de mest utbredda i industriella Ethernet-nätverk. En switch är en smartare enhet än en hubb och snabbare än en router eftersom den fungerar i länklagret enligt OSI-modellen. Trafiken distribueras tydligt och skickas direkt till mottagaren, vilket eliminerar onödig belastning på nätverksutrustning, vilket gör att andra segment inte kan behandla data som inte är avsedd för dem. Detta uppnås genom att analysera avsändaren och destinationens MAC-adresser som finns i varje sänd dataram. Denna omställning gör att du kan uppnå minimala förseningar i trafikdistributionen samtidigt som du bibehåller en acceptabel prisnivå.
I sitt minne innehåller switchen en tabell (CAM-tabell), som indikerar överensstämmelsen mellan värdens MAC-adress och switchens fysiska port, vilket exakt minskar belastningen på nätverket, eftersom switchen vet exakt vilken port att vidarebefordra datapaketet till. Det är dock värt att tänka på att när omkopplaren slås på eller startas om, fungerar den i träningsläge, eftersom korrespondenstabellen är tom. I detta läge skickas data som kommer till switchen till alla andra portar, och switchen analyserar och matar in avsändarens MAC-adress i tabellen. Med tiden lokaliseras trafiken när switchen sammanställer en komplett MAC-adressmappningstabell för alla portar.
Nu erbjuder många tillverkare av nätverksutrustning för industriella nätverk switchar som enheter för att säkerställa interaktion mellan nätverksnoder. Portföljen innehåller switchar med olika funktionalitet, som regel finns det ohanterade, hanterade och L3-nivåväxlar. Och om L3-switchar används som ett alternativ till routrar på nätverkets kärnnivå och endast högspecialiserade problem är förknippade med deras val, så kommer valet mellan en hanterad och ohanterad switch till den korrekta definitionen av de uppgifter som nätverksenheten måste lösa. Därefter ska vi titta på de grundläggande skillnaderna mellan hanterade och ohanterade switchar.
Hanterade och ohanterade switchar
Hanterade och ohanterade switchar är faktiskt två olika enheter som fungerar på L2-nivån för OSI-modellen. En ohanterad switch är utformad för att automatiskt fördela hastighet och överförd trafik jämnt över alla nätverksdeltagare. Detta är den optimala lösningen för nätverk med ett litet antal slutenheter; fördelarna inkluderar:
- säkerställa hög genomströmning av Ethernet-nätverket;
- kort svarstid;
- Enkel hantering;
- tillgång till ytterligare funktionalitet för dataflödeskontroll.
En hanterad switch har en högre kostnad, används för stora nätverk och har förmågan att helt kontrollera den överförda trafiken, hastigheten och har även ytterligare hanteringsmöjligheter. I själva verket är detta den optimala lösningen för nätverkssektioner där ytterligare funktionalitet för segmentering, redundans, informationssäkerhet etc. krävs. Till skillnad från en ohanterad switch måste en hanterad switch konfigureras genom att ange ett antal ytterligare och obligatoriska inställningar.
Ohanterade switchar är plug and play-enheter som inte kräver komplex konfiguration eller djupgående kunskap. De låter dig snabbt organisera utbyte mellan utrustning på ett Ethernet-nätverk utan ytterligare inställningar. Dessa switchar tillåter Ethernet-enheter att kommunicera med varandra (såsom PLC:er och HMI), vilket ger en anslutning till nätverket och skickar information till destinationen från avsändaren. De kommer med en fast konfiguration och tillåter inga ändringar av inställningarna, så det finns inget behov av att prioritera ramar eller utföra ytterligare konfigurationer.
Ohanterade switchar används främst för att ansluta kringutrustning till nätverksspor eller i ett litet fristående nätverk med flera komponenter. I industriella miljöer är det nödvändigt att använda strömbrytare skräddarsydda för specifika behov.
Industriella växlar är utvecklade för olika industriella applikationer såsom kraftproduktion, olja och gas, järnvägstransporter och infrastruktur, etc. De är speciellt utformade för att fungera i ett brett spektrum av temperaturer, vibrationer och stötar och bidrar till skapandet av ett kostnadseffektivt och pålitligt säkert nätverk.
Advantech serie strömbrytare
Industribrytare Advantech-serien är enheter på nybörjarnivå och är designade för att snabbt organisera interaktionen mellan enheter genom att skapa ett Ethernet-nätverk. För närvarande i serie Mer än 25 enheter ingår, tabellen nedan visar uppdelningen av ordernumret.
I detta fall kan switcharna utrustas med både RJ-45-portar och optiska portar för dataöverföring över singelmods- och multimodefiber, maxhastigheten kan nå 1 Gbit/s.
Funktionalitet av seriebrytare
Funktionaliteten hos ohanterade switchar är i allmänhet inte något extraordinärt. Men låt oss ta reda på vilka funktioner som fortfarande är tillgängliga på Advantech-seriens switchar .
Automatisk detektering av MDI/MDI-X anslutningstyp
Den här funktionen låter dig ansluta vilken typ av Ethernet-enhet som helst till switcharna utan att behöva oroa dig för kabeltypen: rak eller korsad.
Vanligtvis används en "rakt igenom" kabel för att ansluta en nätverksadapter till L2-nätverksutrustning (en hubb eller switch). För att ansluta två identiska nätverksenheter till varandra eller till exempel en nätverksadapter till en router, rekommenderas att använda en korsad kabel. Närvaron av MDI/MDI-X-funktionen gör att du kan använda vilken typ av kabel som helst med omkopplaren.
Automatisk upptäckt av nätverkstyp (Auto-Negotiation)
Denna funktion, efter MDI/MDI-X, tillhör Plug and Play och låter dig automatiskt bestämma typen av nätverk och överföringshastighet som tillhandahålls av Ethernet-standarden. I praktiken är detta särskilt viktigt, eftersom det befintliga nätverket kan använda utrustning med olika hastighetsegenskaper, från 10 Mbit/s till 1 Gbit/s. Auto-negotiation gör livet mycket enklare för nätverksanvändare. Enheten själv kommer att "förhandla" hastigheten med sin gräns "Ethernet-granne".
Sänd stormskydd
Broadcast stormskydd är också en mycket användbar funktion för switchar. En sändningsstorm orsakas vanligtvis av loopar i det lokala nätverket eller felaktigt beteende hos en av nätverksdeltagarna. I sådana fall kommer nätverket att fyllas med ett stort antal värdelösa ramar, vilket kommer att påverka dess hastighet.
Switchens sändningsstormskydd filtrerar automatiskt bort sändningsramar. Och när sändningstrafiken överstiger ett visst tröskelvärde förblir nätverket fortfarande i drift eftersom switchen automatiskt reserverar bandbredd för överföring av normala ramar.
Sänd stormskyddsfunktion på ohanterade switchar aktiverad som standard. Detaljerad information om tröskelvärden för varje modell måste förtydligas på tillverkarens officiella webbplats.
P-fel relä
Låt oss börja med att de flesta modellerna i serien designad för ett inspänningsområde på 12…48 V DC. Ingången är duplicerad och är skyddad mot polaritetsomkastning, samt mot överström med hjälp av en självåterställande säkring. Det finns en spänningskomparator vid ingången, och när spänning läggs på båda ingångarna, väljer komparatorn automatiskt ett högre värde och gör denna ingång till den huvudsakliga. När spänningen på en av ingångarna faller eller när dess nivå faller under 12 V, växlar strömbrytaren automatiskt till den andra kanalen och stänger P-Feil-reläet. Denna funktion låter dig övervaka tillståndet för switcharnas strömförsörjningsnätverk och omedelbart signalera onormal drift.
LED indikering
Den här funktionen låter dig bedöma omkopplarens tillstånd genom att visuellt inspektera den. Varje dataport i seriens switch har två lysdioder för att visa överföringshastighet, anslutningsstatus och eventuell kollisionsstatus. Det finns även lysdioder som duplicerar P-Fail-reläer, som aktiveras samtidigt när en av strömkretsarna bryts.
PoE (Power-over-Ethernet)
På ett antal ohanterade switchar i serien Power-over-Ethernet-funktionen har implementerats. Den låter dig förse fjärrenheter med ström enligt standarderna IEEE 802.3af och IEEE 802.3at (PoE+), där en tvinnad överföringsledning av kategori 5e och högre används som kraftledning. Det rekommenderas att använda ett nominellt värde på 53...57 VDC som matningsnät för dessa switchar för att undvika spänningsfall på ledningen.
Inbyggt EMI- och ESD-skydd
Switch serie har ett inbyggt filtersystem för att skydda mot elektromagnetiska störningar och statisk spänning. Via kraftledningen kan switchen ge funktion under kortvariga impulsljud med en amplitud på upp till 3000 V DC, samt under elektrostatiska urladdningar på RJ-45-portar upp till 4000 V.
Formfaktor
Absolut alla switchar i serien har ett slitstarkt metallhölje med skyddsgrad IP30. Strukturell serie kan göras i två utföranden, detta är antingen en version för montering på en DIN-skena eller för montering i ett 19'-ställ. All nödvändig montering ingår i satsen. Även omkopplare som är designade för att monteras på en DIN-skena kan monteras på en panel, fästet medföljer.
Slutsats
Industriella ohanterade switchar är enheter anpassade för att fungera specifikt i en industriell miljö. De ger pålitlig och snabb interaktion mellan Ethernet-noder och kräver inga ytterligare inställningar eller konfiguration. För tillfället är en ohanterad switch en enkel nätverksenhet till låg kostnad som kan lösa ett ganska stort antal grundläggande uppgifter relaterade till att organisera utbyte över ett Ethernet-nätverk. Ingen konfiguration krävs, du behöver bara ta bort strömbrytaren från lådan och ansluta alla nödvändiga kontakter.
Advantech Unmanaged Switch Series , som tillhör den beskrivna klassen av enheter, stöder ett brett utbud av viktiga och nödvändiga funktioner, såsom automatisk detektering av MDI/MDI-X-anslutningstyp, automatisk detektering av nätverkstyp (Auto-Negotiation), broadcast storm-skydd, PoE, skydd mot elektromagnetiska störningar och elektrostatiska rangord, etc. Tillsammans låter alla dessa funktioner dig använda att lösa grundläggande problem med att organisera interaktion mellan nätverk och slutnoder.
Applikationsexempel
En av Advantechs kunder är . För att förbättra datakommunikationskapaciteten och samtidigt minska tillhörande kostnader, valde CNPC Advantechs lösning för övervakning och kontroll av oljefält. Data överförs via ett mobilnät från fältet till kontrollcentralen. Routrar installerades med strömbrytare i skåp intill pumpfacken, vilket ger nätverksanslutning för fältutrustning som kameror, PLC:er, RTU:er och andra enheter.
Litteratur
1.
2.
3.
Författaren är anställd i företaget
Källa: will.com