Уве Нольте
Для сложных условий производства наиболее подходят промышленные компоненты инфраструктуры, которые крепятся на монтажную шину DIN в распределительной коробке. Главная задача промышленной инфраструктуры на базе Ethernet заключается в обеспечении надежного функционирования процессов автоматизации или измерений в реальном времени. Одновременно компоненты должны быть удобны для ведения работ по эксплуатации и техническому обслуживанию. Однако Ethernet не только обеспечивает выполнение функций внутри производственной системы, но и связывает сети, находящиеся на разных уровнях производственной иерархии, позволяя осуществлять сквозной обмен данными между станком и вышестоящими корпоративными процессами. Поэтому, проектируя техническую систему, необходимо принимать во внимание целый ряд параметров: поведение в реальном времени, возможности обслуживания и диагностики, степень интеграции в общую сеть.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
Динамические свойства системы, такие как тактовая частота компьютера или интервал опроса измерительных систем, часто предполагают крайне небольшое время отклика в несколько миллисекунд. Для соединения Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с это не проблема, поскольку при типичной длине передаваемых сообщений задержки составляют, как правило, лишь несколько десятков микросекунд. Однако стандартные службы ИТ, к примеру, передача файлов или обращение к базам данных, конкурируют за доступ к сети с процессами, для которых время реакции является критичным параметром. Этот конфликт легко разрешить посредством приоритетной обработки соответствующих пакетов на коммутаторе. Тем самым гарантируется, что трафик данных с высоким приоритетом, в частности, критически важные данные о процессах, при высокой загруженности сети не будет вытесняться трафиком данных с более низким приоритетом.
В современных протоколах автоматизации, таких как Profinet RT (RealТime), информация о приоритете уже внесена в тег виртуальной локальной сети (Virtual Local Area Network, VLAN) кадра данных Ethernet в соответствии со стандартом IEEE 802.1Q и затем оценивается коммутаторами согласно приоритезации трафика по IEEE 802.1p. При этом, помимо очереди для стандартной коммуникации, сетевые компоненты организуют отдельную очередь для трафика данных с высоким приоритетом (см. Рисунок 1). К сожалению, не все конечные устройства и протоколы приложений, даже когда они используются в критичных ко времени приложениях, поддерживают кадры Ethernet с тегами об их приоритете. Противоположный пример: коммутаторы Smart и Lean Managed Switch из серии Factory Line компании Phoenix Contact позволяют на каждом порту настраивать приоритет для конечных устройств, когда им требуется немедленная обработка данных (прежде всего речь идет о системах управления или сенсорных модулях). При этом команда на исполнение системы управления передается по сети к исполнительному модулю с тегом высокого приоритета. Интерфейс настройки удобен в использовании, а все действия выполняются через интегрированные Web-серверы коммутаторов (см. Таблицу 1).
Помимо пропускной способности и функций реального времени, доступность сетей и оборудования в значительной степени определяется выбранной инфраструктурой. Применение управляемых коммутаторов (Managed Switch) позволяет создавать избыточные и диагностируемые сетевые структуры. Многие пользователи измеряют степень пригодности к промышленному использованию по тому, сколько усилий потребуют монтаж, подключение, введение в эксплуатацию или, при необходимости, замена инфраструктурных компонентов. Если одним коммутатором еще можно управлять с помощью интегрированного сервера Web, то при наличии множества устройств желательно централизованное администрирование.
УДОБНЫЕ В ОБСЛУЖИВАНИИ СЕТИ
Программные инструменты, такие как Config+, предоставляют возможность одновременной параметризации нескольких компонентов. Если для множества коммутаторов требуется задать идентичные параметры, то использование специализированного ассистента позволяет значительно сэкономить время при проектировании: такие параметры, как избыточность каналов передачи данных, прием сообщений SNMP (служба SNMP Trap Receiver) или распознавание топологии, можно задавать сразу для всех коммутаторов в сети.
Однако замена устройств при сервисном обслуживании требует особого подхода: если неуправляемые коммутаторы просты в использовании, то управляемые устройства нуждаются в специфической настройке (в зависимости об области применения). Однако если компоненты инфраструктуры поддерживают заменяемую память для конфигурации, то вводить это оборудование в эксплуатацию и осуществлять замену при сервисном обслуживании можно без настройки каких-либо дополнительных параметров.
ИНТЕГРАЦИЯ В ОБЩУЮ СЕТЬ
Производители промышленного оборудования постоянно сталкиваются с необходимостью распределять IP-адреса конечных устройств таким образом, чтобы все эти IP-адреса интегрировались в общую информационную сеть. Как правило, администратор присваивает машине свободные IP-адреса. Однако индивидуальная настройка каждого конечного устройства Ethernet трудоемка и сопряжена с ошибками. Порой даже требуется изменить программы управления, что противоречит общему стремлению организовать экономичное серийное производство и применять проверенные типовые модули. Если несколько одинаковых машин, которым предстоит вместе работать в одной сети, будут поставляться единственному клиенту, то это повлечет за собой недопустимо высокие накладные расходы на их конфигурацию (см. Рисунок 2).
Элегантное решение этой проблемы предлагает технология преобразования сетевых адресов 1:1 (1:1-NAT), при использовании которой адресные области внутри машины остаются постоянными, а для вышестоящей сети автоматизации они отображаются на желаемую область IP-адресов. Такой результат становится возможным благодаря компонентам инфраструктуры с поддержкой функции 1:1-NAT. Это позволяет в рамках одной сети эксплуатировать несколько систем, занимающих идентичную область IP-адресов, и устраняет необходимость трудоемкой индивидуальной настройки серийных машин. Настройка параметров потребуется лишь для инфраструктурных компонентов третьего уровня. Наиболее выгодное решение — устройства, в которых функция 1:1-NAT порта для каскадирования (Uplink Port) сочетается с функциональностью коммутатора (см. врезку «Коммутаторы NAT серии Factory Line»).
Уве Нольте — инженер Phoenix Contact Electronics.
© ITP Verlag
Рисунок 2. Интеграция одинаковых подсистем в общую сеть.
Коммутаторы NAT серии Factory Line
Коммутаторы NAT FL объединяют функции маршрутизации и коммутации в одном устройстве. Коммутатор FL NAT SMN 8TX (см. Рисунок 3) позволяет снабжать отдельные машины постоянными IP-адресами, которые затем переводятся в требуемые приложению диапазоны IP-адресов вышестоящей корпоративной сети. Технология преобразования сетевых адресов 1:1-NAT отвечает за статичное отображение внутреннего IP-адреса из локальной сети на внешний IP-адрес глобальной сети. В результате внешний хост обращается к внутреннему устройству таким образом, будто они оба находятся в одной подсети.
Коммутатор NAT реализует маршрутизацию и технологию 1:1-NAT на порту глобальной сети (порт для каскадирования). Выступая в качестве стандартных портов коммутации для нижележащей сети, остальные порты обеспечивают быстрый обмен данными внутри машины. Для этой цели служат такие важные функции управления данными, как задание приоритета (качество сервиса), избыточность и зеркалирование портов. Коммутатор FL NAT SMN 8TX можно настраивать и через сервер Web, и по протоколу SNMP. Заменяемый конфигурационный разъем FL MEM Plug призван обес-печивать простое введение в эксплуатацию и замену в случае неполадок.