Ethernet покоряет бездорожье

В отличие от информационных систем офисного назначения, в области систем управления технологическим процессом существует множество сетевых протоколов и кабельных систем. Стремление пользователей к экономии средств вынуждает разработчиков приступить к наведению порядка.

В области решений по созданию информационной сетевой инфраструктуры современного предприятия в настоящее время царит полный хаос. В практику внедрено большое количество систем управления на базе полевой шины — как стандартизованные решения Lightbus, Profibus, Sercox, CAN-open, Control-Net, так и многочисленные частные разработки. Наличие множества различных подходов позволяет достаточно эффективно решать нестандартные задачи, однако с экономической точки зрения создаваемые на их основе системы оставляют желать много лучшего. Причина заключается во все возрастающей степени децентрализации сложных технологических процессов современного промышленного предприятия. В свою очередь, это приводит к увеличению объемов передаваемой информации самого разнообразного назначения. Там, где раньше можно было вполне обойтись простой сетью, сегодня нужна сложная промышленная локальная сеть. Стоимость ее построения и эксплуатации резко возрастает. Наилучший выход — воспользоваться прочно утвердившимися в офисной среде Ethernet и IP с кабельной проводкой Категорий 5—7 в качестве физической инфраструктуры. Реализация такого подхода потребует значительных усилий, прежде всего по осуществлению перехода к этой связке технологий от частных решений на основе полевых шин, а также по адаптации решений физического уровня для работы в жестких условиях промышленного предприятия.

РАБОТА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

В отличие от офисных сетей большинство промышленных приложений должно функционировать в реальном времени. Одновременно отдельные ветви сложных процессов должны быть очень точно синхронизированы.

Что касается сетевых протоколов, то в промышленности более предпочтительно применение детерминированных способов доступа наподобие передачи маркера, как в практически исчезнувшем из офисной среды интерфейсе Тoken Ring. Это может быть реализовано в виде решений Delegated Token, Bus Master и аналогичных им. Случайный способ доступа к среде передачи (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD), изначально используемый в Ethernet, не обеспечивает гарантированного времени реакции. Этот протокол применяется и в современных вариантах Ethernet, правда, в нынешнем оборудовании его недостатки компенсируются за счет коммутации и полнодуплексного режима передачи информации. Единственное исключение составляет совсем новый 10-гигабитный Ethernet, он был изначально рассчитан на работу с приложениями реального времени.

Тем не менее построение даже полностью коммутируемой сети не дает автоматически 100-процентную гарантию достижения необходимых некоторым приложениям временных характеристик. При высокой нагрузке производительность коммутаторов может оказаться недостаточной, вследствие чего возможны неконтролируемые флуктуации задержек сигнала. В приложениях промышленного назначения объем поступающих данных чаще всего постоянен, так как процесс производства предполагает наличие заранее заданных и точно известных циклов. В силу этого коммутатор можно подобрать таким образом, чтобы задержки в обработке данных не наступали никогда. Современные сетевые устройства стандарта Ethernet позволяют создавать структуры, которые удовлетворяют требованиям большинства приложений по обеспечению функционирования в реальном времени.

Естественно, что даже при оптимальном планировании сети и расположении коммутаторов такое функционирование возможно лишь с определенными ограничениями. Если конкретное приложение реализует цикл в течение нескольких миллисекунд, а величина вариации задержки не должна выходить за пределы единиц микросекунд, то технические средства сети Ethernet требуют определенной предварительной доработки. Подобная работа была выполнена специалистами компаний B&R, Lenze и Hirschmann Electronics совместно с учеными Высшей технической школы Winerthur из Цюриха. Полученные ими результаты могут быть использованы при построении систем управления такими сложными производственными комплексами, как станки, промышленные роботы, упаковочные линии и полиграфические машины.

Речь идет о базирующемся на Ethernet методе для тех случаев, когда требуется, чтобы задержка и ее вариация не выходили за жестко определенные границы. Так, для времени цикла максимум составляет 200 мкс. Величина вариации при использовании нового способа не превышает одной микросекунды, точно такое же время требуется на достижение синхронизации.

Для практической реализации последней функции необходимо привлечь новый протокол IEEE 1588 с прецизионной временной привязкой. Требования по достижению характеристик реального времени реализует изохронный способ временной привязки Powerlink, разработанный компанией B&R. Как представляется, комбинация этих решений станет основой для выработки открытого стандарта по высокоточной передаче данных в сети Ethernet с соблюдением требования работы в реальном времени.

ТРЕБОВАНИЯ

К промышленным сетям Ethernet предъявляется и ряд других требований, отсутствующих в сетях офисного назначения, для соблюдения которых в цехах применяются специализированные шинные системы. Так, например, системы промышленного назначения должны сохранять свою работоспособность в жестких условиях окружающей среды: пыль, высокая влажность, наличие в воздухе агрессивных веществ, механические нагрузки, вибрации, экстремальные температуры с большими скоростями их изменения, сильные возмущающие электромагнитные поля или высокие разности потенциалов между различными точками производственного цеха. Немаловажное значение для промышленных сетей играют габаритные размеры и форм-фактор, а также простота интеграции в производственное оборудование (с помощью монтажной шины).

IAONA

Свой четырехлетний юбилей вскоре отметит альянс промышленной автоматизации на базе открытых сетей (Industrial Automation Open Networking Alliance, IAONA), основное предназначение которого заключается в адаптации технических решений Ethernet и IP для выполнения перечисленных выше требований. Если говорить более конкретно, то IAONA решает три основные задачи: достижение характеристик реального времени, создание промышленной кабельной проводки и системные аспекты (IP-адресация, диагностика и т. д.).

В настоящее время в состав профессионального альянса IAONA входит 25 предприятий.

ЛЕГКИЕ И ТЯЖЕЛЫЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Согласно классификации IAONA, сети промышленного назначения делятся на категории Light Duty (для устанавливаемых в распределительные шкафы компонентов) и Heavy Duty (незащищенная установка непосредственно на станке).

Оборудование Light Duty не выдвигает каких-либо особых требований в отношении устойчивости к воздействию пыли, грязи и влажности. Защита от проникновения твердых частиц в этом оборудовании должна соответствовать требованиям европейских норм для класса IP20 (EN 60529 предусматривает защиту от проникновения твердых частиц размеров 12,5 мм).

К оборудованию Heavy Duty выдвигаются требования защиты по классу IP67. Компоненты Heavy Duty полностью герметичны и даже переносят кратковременное погружение в воду без отрицательных для себя последствий. Кроме того, они должны сохранять работоспособность при значительно более высокой влажности воздуха, чем та, на которую рассчитано оборудование класса Light Duty, а также функционировать при экстремальных температурах от -20 до +65?С.

По ударным и вибрационным параметрам обе разновидности оборудования идентичны. В частности, оборудование должно сохранять работоспособность при воздействии вибрации с ускорением 5g и частотой от 10 до 150 Гц.

ШТЕКЕРНЫЙ РАЗЪЕМ

Жесткие условия окружающей среды, в которой эксплуатируется оборудование промышленного Ethernet, выдвигает особые требования к штекерным соединителям. В устройствах Heavy Duty давно используемые в промышленности разъемы M12 конкурируют с привычным для офисных приложений штекерным разъемом RJ-45. В оборудовании Light Duty разъем RJ-45 занял прочное место.

Обычная конструкция RJ-45 не позволяет добиться степени защиты IP67. В настоящее время в стадии обсуждения находятся следующие варианты: вилки разъема RJ-45 в корпусе с уровнем защиты IP67, штекер М12 в четырех- и восьмиполюсном исполнении, а также гибридный штекер. Четырехконтактный штекер типа М12 вскоре будет принят в качестве стандартного соединителя Ethernet для промышленного применения. В своих прогнозах эксперты, однако, исходят из того, что в самое ближайшее время удастся создать конструкцию RJ-45, которая будет соответствовать классу защиты IP67.

В пользу М12 говорят прежде всего его малые габариты. Hirschmann, исходя именно из этого свойства соединителя, использует штекерный Ethernet-разъем М12 в полевых коммутаторах своего производства. Европейская (CENELEC) и международная (ISO/IEC) организации по стандартизации заинтересованы, в первую очередь из соображений экономического характера, в создании штекерного разъема RJ-45 со степенью защиты IP67. Так, ISO/IEC рекомендовала немецкому комитету по стандартизации DKE подготовить соответствующее предложение. Что касается оптического штекерного соединителя, то специалисты до сих пор не пришли к единому мнению о выборе типа для его реализации с уровнем защиты IP67.

КАБЕЛЬНЫЕ ОБОЛОЧКИ

Наиболее ответственным компонентом кабеля является его оболочка, она должна выдерживать разрушительное влияние внешних факторов в процессе ежедневной эксплуатации. От характеристик этого элемента зависят такие параметры кабеля, как пожарные характеристики, устойчивость к воздействию кислот и различных механических нагрузок. Оболочка обеспечивает также защиту от пыли и влаги и прочих жидкостей, которые могут попасть на нее в условиях промышленного предприятия.

При выборе правильного материала оболочки требуется учитывать особые условия окружающей среды и область применения кабеля. Так, например, поливинилхлорид имеет прекрасные противопожарные свойства и отличается устойчивостью к воздействию масла и агрессивных химических веществ. Его гибкость и рабочий температурный диапазон (от -40 до +105?С) с запасом соответствуют выдвигаемым требованиям. Однако при горении входящие в состав ПВХ галогены выделяют токсичные и коррозионно-опасные газы, которые приводят к удушью. Поэтому этот материал используется преимущественно для прокладки внешних кабельных сетей и подключения подвижных объектов.

Полиамид загорается существенно быстрее, однако при горении удушающие газы не выделяются. Он отличается высокой абразивной прочностью и возможностью применения даже при очень низких температурах (до -60?С), потому и востребован в основном для таких условий эксплуатации. Недостатки материала состоят в его малой гибкости и подверженности воздействию агрессивных химических веществ.

Полиуретан обладает всеми положительными свойствами полиамида и вдобавок к этому очень гибок и устойчив к воздействию агрессивных химических материалов. Однако область его рабочих температур ограничена сравнительно узким диапазоном — от -40 до +85?С. Он используется на подвижных объектах наподобие транспортеров и/или при высоком уровне загрязнения окружающей среды.

К числу популярных в индустриальных применениях материалов относятся также полиэтилен, термопластичный полиолефин и фтористый пропилен. Для решения отдельных частных проблем созданы немало других материалов, но большинству промышленных приложений вполне достаточно шести перечисленных выше. В процессе выбора нужного материала следует придерживаться процедур планирования и реализации системы, которые разработаны IAONA и другими аналогичными объединениями.

В перспективном европейском стандарте на промышленную кабельную проводку (EN 50173-3) предполагается выделить отдельную главу для рассмотрения этих вопросов. Правда, ее положения будут справедливы только в отношении кабельной системы, охватывающей большую площадь. В различных областях часто предъявляются специфические требования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

IP-телефония и Ethernet быстрыми темпами внедряются в область промышленных приложений. Перспективность применения различных промышленных компонентов, отвечающих требованиям стандарта, определяется в первую очередь их стоимостью. Экономия достигается не только за счет уменьшения цены отдельных компонентов, но и благодаря снижению эксплуатационных расходов вследствие использования в решении однородных аппаратных и программных средств. Те же самые утверждения справедливы в отношении обучения специалистов, процедур монтажа и диагностики. Дальнейший успех Ethernet в области промышленного производства обусловливается самой сильной его стороной — прекрасными стоимостными параметрами.

При подготовке статьи использованы материалы компаний BTR, dvt Consulting, проектной технологической группы фраунгоферовского института из Штутгарта, Hirschmann Electronics и Leoni Kabel.

? AWi Verlag