Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Návrh ethernetové sítě odolné proti poruchám

Představte si, že stojíte před úkolem sestavit kriticky důležitou síť Ethernet, která propojuje programovatelné automaty (PLC) se správcovským systémem. Nejslabším a nejzranitelnějším místem takového systému není PLC, ale samotné ethernetové spojení. Pro zajištění spolehlivé sítě fungující i v případě poruch jednotlivých prvků je třeba vhodně navrhnout redundanci sítě. Otázkou je, který typ redundance je nejvhodnější pro danou síť a jak ji zajistit.
 

Nejvyšší stupeň redundance

Běžnou metodou zajištění síťové redundance je vytvoření dvou fyzicky oddělených, paralelně fungujících ethernetových sítí (obr. 1). Každé zařízení je připojeno současně do obou sítí. Vznikne-li porucha na jedné ze sítí, komunikace systému není narušena, protože je zajištěna druhou funkční sítí.
 
Tento koncept „dvojité sítě“ je přehledný, ale jeho implementace je komplikovaná. Každé připojené zařízení musí být schopno spravovat dvě oddělená síťová připojení a zajistit mezi nimi hladké a okamžité přepnutí. Obvykle je k tomu třeba použít speciální protokoly a upravit software.
 
S připojením PLC do dvou oddělených sítí jsou spojeny další komplikace. Často nejsou PLC vybaveny ani jedním ethernetovým portem, natož dvěma. Pokud není možný přechod na jiný vhodně vybavený PLC, je nutné použít speciální sériový server se dvěma síťovými porty. Tento typ sériových serverů umožňuje připojit jakýkoliv PLC, jednotky RTU nebo podobná zařízení s komunikací RS-485 do dvou ethernetových sítí.
 
Sériové servery, které nabízí firma Moxa, poskytují další funkce určené pro redundantní ethernetové sítě, jako jsou speciální operační módy, dvě adresy MAC a PC ovladače zajišťující automatické přepínání mezi sítěmi.
 

Efektivní řešení s velkou redundancí

Realizace „dvojitých sítí“, které mají nejvyšší úroveň spolehlivosti, a to zejména tehdy, jsou-li zdvojena i koncová zařízení, je poměrně nákladná. Náklady na síťové vedení mohou být až dvojnásobné a další investice jsou obvykle třeba na přizpůsobení softwarových úloh. Jiným způsobem zajištění redundance je kruhová architektura sítě, která má překvapivě velkou odolnost proti poruchám (obr. 2). Kterákoliv síťová cesta může být přerušena bez narušení vzájemné komunikace všech zařízení v síti.
 
Připojení PLC do kruhové sítě je mnohem jednodušší než do dvojité sítě, protože je nutný pouze jeden síťový port. PLC s integrovaným síťovým portem nebo modulem může být rovnou připojen k ethernetovému přepínači v kruhové síti.
 
Jestliže PLC komunikuje po lince RS-485, stačí k jeho připojení na ethernetový přepínač standardní server pro sériová zařízení.
 
Dokonce je možné vynechat ethernetový přepínač úplně a použít sériový server Moxa s integrovanou podporou redundantního kruhového Ethernetu.
 
Výhodou tohoto řešení jsou výrazně nižší náklady, přehlednost systému a malé požadavky na prostor a dobu potřebnou k realizaci komunikační sítě. Přestože toto řešení nezahrnuje redundanci síťových prvků a koncových zařízení, v mnoha situacích jde o přijatelný kompromis.
 

Redundantní komunikační sítě v praxi

Podívejme se, jak mohou být tyto přístupy využity v praxi.
 
První příklad: v rozvodné stanici je počítač určený pro správu a monitorování několika jednotek RTU. Je zřejmé, že je třeba zálohovat jak počítač, tak i samotnou síť. To znamená, že je vhodné použít dva monitorovací počítače a dvě nezávislé sítě.
 
Jednotky RTU budou připojeny ke speciálním sériovým serverům se dvěma ethernetovými porty. Sériový server se připojí do obou sítí a bude vyžadovat zvláštní nastavení pro komunikaci oběma sítěmi. Jedna porucha kteréhokoliv počítače, síťového kabelu nebo ethernetového přepínače nezpůsobí narušení komunikace systému.
 
Druhým příkladem je komunikace v osobním vlaku, v jehož jednotlivých vagonech jsou instalovány jednoduché systémy pro sběr dat, které monitorují teplotu v oddílu pro cestující a další parametry. Pro zvýšení spolehlivosti při minimálním nárůstu nákladů je možné použít sériové servery s integrovanou podporou kruhové sítě. Každý systém pro sběr dat je připojen k sériovému serveru a ty jsou navzájem propojeny ethernetovou sítí v kruhové topologii. Celý systém zůstává funkční i s poruchou některého ze síťových propojů.
 

Shrnutí

Existuje mnoho účinných metod, jak zajistit zvýšenou odolnost komunikačních sítí proti poruchám. Kompletní redundance všech zařízení i síťových cest zajistí nejvyšší odolnost systému proti poruchám, ale znamená to také složitou konfiguraci sítě a nejvyšší náklady na její realizaci. Jednodušší alternativu představuje použití sítě s kruhovou topologií, která poskytuje odolnost sítě proti jedné poruše na síťových spojích. Druhé řešení se vyznačuje větší efektivitou, protože při mnohem menších nákladech a složitosti zabezpečuje nejzranitelnější části sítě, kterými jsou právě kabelové spoje. To, který přístup zvolit, závisí na požadavcích dané úlohy.
 
Redundantní sériové servery Moxa a prvky pro průmyslový Ethernet je možné zakoupit u společnosti ELVAC IPC s. r. o. Podrobnější informace lze také získat na internetových stránkách www.moxa.cz.
 
Ing. Michal Kahánek,
ELVAC IPC s. r. o.
 
Obr. 1. Velká redundance se dvěma nezávislými sítěmi
Obr. 2. Efektivní řešení redundance s kruhovou topologií sítě