Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Scalance – nová generace komponent pro průmyslové sítě Ethernet

číslo 4/2006

Scalance – nová generace komponent pro průmyslové sítě Ethernet

Společně s rozšiřujícím se používáním průmyslového Ethernetu v automatizaci nabývá na důležitosti i otázka výběru odolných a spolehlivých síťových komponent vhodných pro průmyslové prostředí. Proto společnost Siemens věnuje velkou pozornost vývoji prvků pro průmyslové komunikační sítě. Výsledkem je optimalizovaná řada produktů Scalance (scalable performance).

Široká nabídka produktů této řady umožňuje realizovat jednotné, flexibilní, bezpečné a výkonné komunikační sítě založené na průmyslovém Ethernetu. Pod označením Scalance X se skrývá odstupňovaná škála přepínačů (switch). Scalance W nabízí spolehlivé řešení bezdrátové komunikace a moduly Scalance S zabezpečují komunikaci a zajišťují ochranu proti přetížení sítě.

Všechny komponenty spadající do uvedených skupin jsou určeny pro použití v průmyslových podmínkách a tomu je přizpůsobeno jejich provedení. Velkou odolnost proti vnějším vlivům zaručuje jejich robustní kovový kryt. Moduly Scalance jsou k dispozici i v provedení se stupněm krytí IP65/67, a proto spolehlivě fungují i mimo rozváděč. Samozřejmostí je široký rozsah pracovních teplot. Výhody přináší unikátní montážní systém Fast Connect (FC), skládající se z kabelů, nástrojů pro odstraňování izolace kabelů, speciálních lemů okolo portů modulů Scalance, robustních konektorů a dalších propojovacích prvků. Tento systém redukuje dobu potřebnou pro instalaci sítě a zvyšuje odolnost proti elektromagnetickému rušení, mechanickému namáhání a agresivnímu prostředí. Prvky řady Scalance mohou být montovány na standardní lištu DIN, na lištu používanou pro systémy Simatic S7-300 či přímo na zeď nebo jinou plochu. Jsou-li moduly se správou vybaveny paměťovým médiem C-plug, na němž jsou uložena konfigurační data, nemusí se při výměně modulu znovu konfigurovat, pouze se C-plug z vyměňovaného modulu přesune do nového.

Přepínače pro sítě Ethernet

Přepínání (switching) výrazně redukuje zatížení sítě. Skupina Scalance X (obr. 1) obsahuje kompaktní i modulární průmyslové přepínače, přepínače se správou i bez možnosti správy. Novinkou je přepínač Scalance X-005, levný produkt s pěti elektrickými porty a diagnostikou pomocí LED, který nachází uplatnění zejména v méně rozsáhlých průmyslových komunikačních sítích.

Obr. 1.

Obr. 1. Vybraní zástupci skupiny přepínačů Scalance X

Kompaktní přepínače Scalance X-100
Kompaktní přepínače bez správy Scalance X-100 mají redundantní napájecí vstupy a až osm portů, přičemž některé přepínače této řady obsahují elektrické i optické porty. Nic tedy nebrání použití kompaktních modulů Scalance X-100 pro realizaci přechodu mezi elektrickou a optickou sítí. Pro diagnostiku jsou určeny svítivé diody, navíc výpadek redundantního napájení či přerušení datového spojení na některém z portů je indikován vybavením signalizačního kontaktu.

Přepínače se správou Scalance X-200
Se zástupci řady přepínačů se správou Scalance X-200 lze snadno vytvořit síť s topologií typu sběrnice, hvězda, strom i kruh (kruhová redundance s dobou rekonfigurace kratší než 300 ms). Přepínače Scalance X-200 fungují s elektrickými i optickými přenosovými médii. Použijí-li se SM optická vlákna, lze mezi dvěma přepínači překlenout vzdálenost až 26 km. Správa přepínačů se vykonává prostřednictvím webového rozhraní s využitím standardního internetového prohlížeče nebo pomocí příkazového řádku (CLI). Propracovaný systém diagnostiky dovoluje při výskytu stanovených událostí (např. výpadek redundantního napájení, přerušení datového spojení, restart atd.) informovat zodpovědnou osobu několika způsoby: odesláním e-mailu, pomocí SNMP se SNMP OPC serverem, zápisem do tabulky událostí (je dostupná přes webové rozhraní), vybavením signalizačního kontaktu či rozsvícením LED. Jedinečnou vlastností je navíc možnost zahrnout přepínače do projektu v softwaru Step 7. S využitím diagnostiky sítě Profinet lze potom přímo v prostředí Step 7 monitorovat zvolené události a konfigurovat je. Dále je k dispozici zrcadlení portů, které je užitečné pro analýzu datové komunikace, diagnostika kabelů, jež odhalí a alokuje přerušení či zkratování vodičů kabelu, tabulka se statistikou zpracovaných rámců, údaje o stavu jednotlivých portů atd.

Modulární přepínače se správou Scalance X-400
Modulární přepínače se správou Scalance X-400 jsou vhodné pro sítě s libovolnou topologií. Navíc podporují gigabitový Ethernet i Fast Ethernet a použití metalických i optických přenosových médií. Integrace standardů známých z kancelářských komunikačních sítí poskytuje možnost jednoduchého propojení automatizačních sítí s kancelářskými sítěmi. Uživatel si sám ze základní jednotky a modulů sestaví přepínač vyhovující jeho požadavkům v maximální konfiguraci s 26 porty. S těmito přepínači dosáhne vysoké dostupnosti sítě. Přepínače fungují v sítích s kruhovou topologií, mají redundantní napájení a jednotlivé moduly lze vyměnit za provozu. Součástí dodávky je paměťové médium C-plug, na které se nahrávají konfigurační data. I zde jsou k dispozici stejné možnosti diagnostiky jako u řady Scalance X-200. Uveďme si další vlastnosti přepínačů Scalance X-400. Podpora sítí VLAN a protokolu GVRP představuje pro uživatele prostředek pro snížení zatížení komunikační sítě a zabezpečení komunikace. Pomocí protokolů IGMP a GMRP lze rovněž zvýšit propustnost sítě optimalizací přenosu vícesměrových paketů (multicast). Protokoly rapid spanning tree a spanning tree zabraňují vzniku smyček v přepínané síti při existenci více komunikačních cest mezi stanicemi a přesměrují komunikaci při výpadku některé z cest. Protokol SNTP je určen pro synchronizaci času. Nově se s přepínači Scalance X-400 objevuje i možnost práce na síťové vrstvě 3 (směrování – routing).

Bezdrátová komunikace

Doposud hrály v průmyslu hlavní roli komunikační sítě využívající metalická či optická přenosová média. Použití bezdrátového přenosu v automatizaci jistě přináší nové možnosti, je ovšem třeba, aby bezdrátová spojení byla spolehlivá a byla chráněna proti neautorizovanému přístupu. Použití v průmyslu navíc vyžaduje komponenty odolné proti vlivům průmyslového prostředí. Všechny tyto požadavky splňují produkty pro bezdrátovou komunikaci Scalance W (obr. 2). Přestože standard WLAN IEEE 802.11 nabízí určité možnosti, v mnoha případech je pro průmyslové použití nedostačující. Proto je bezdrátová komunikace s prvky Scalance W založena na IWLAN (Industrial Wireless LAN), což je rozšířená verze standardu IEEE 802.11 určená pro použití v průmyslu. Současné komponenty využívající WLAN mohou fungovat v jedné síti společně s komponentami založenými na IWLAN. IWLAN prokazuje své přednosti zejména v aplikacích, kde uživatel vyžaduje bezdrátovou komunikaci v reálném čase. Typickým příkladem použití IWLAN je automatické řízení vozíků.

Obr. 2.

Obr. 2. Scalance W – robustní, spolehlivé a zabezpečené řešení bezdrátové komunikace

Industrial Wireless LAN – IWLAN
Popišme si, o co je IWLAN obohacena oproti WLAN. V první řadě IWLAN skýtá dvě možnosti pro řešení komunikace v reálném čase: iQoS (Industrial Quality of Service) a iPCF (Industrial Point Coordinated Function). Funkci iQoS podporují všechna zařízení skupiny Scalance W a může být použita s libovolnými klienty WLAN. Jde o garanci potřebné kapacity přenosového pásma pro zvolené klienty. Je-li komunikace s jedním z kritických klientů ohrožena např. přenosem nějakého souboru, funkce iQoS přenos souboru omezí. Naproti tomu funkce iPCF může být využita pouze s přístupovými body a klienty, které jsou k tomu přizpůsobeny. Podstatou funkce je to, že přístupový bod cyklicky dotazuje jednotlivé klienty. Mimo jiné tak lze dosáhnout velice krátkých dob (méně než 50 ms) potřebných na roaming (přesměrování komunikace klientského zařízení na jiný přístupový bod). Proto jsou produkty skupiny Scalance W, které umožňují použití iPCF, označeny zkratkou RR (Rapid Roaming). Mechanismus iPCF je doporučen pro bezdrátovou komunikaci v reálném čase se standardem Profinet, kdy se dosahuje dob cyklu až v jednotkách milisekund. Není-li možné spojit jednotlivé přístupové body kabely, mohou mezi sebou komunikovat bezdrátově systém (Wireless Distribution System). Dalším z rozšíření je diverzita antén – použitím dvou antén lze dosáhnout spolehlivějšího bezdrátového spojení. Při příjmu se využívá ta z antén, která má v danou chvíli lepší podmínky pro příjem signálu, při vysílání se po nastaveném počtu neúspěšných pokusů o vysílání první anténou začne vysílat druhou. Významným faktorem ovlivňujícím spolehlivost systému je sledování bezdrátového spojení. Je důležité, aby řídicí systém prostřednictvím přístupového bodu získal informaci např. o tom, že některé z mobilních zařízení bylo přemístěno mimo dosah bezdrátové sítě. Pro monitorování bezdrátového spojení poskytuje IWLAN dvě metody: Link Check a IP-Alive. Při použití metody Link Check jsou v době, kdy mezi síťovými uzly neprobíhá komunikace, cyklicky vysílány rámce pro zjištění přítomnosti daného uzlu v síti. IP-Alive pasivně monitoruje komunikaci vybraných uzlů. Je-li zjištěna chyba, lze ji s produkty Scalance W indikovat několika způsoby: rozsvícením LED, zápisem událostí do paměťového bufferu (log file), odesláním e-mailu či pomocí SNMP. Dalším obohacením je vynucený roaming – ztratí-li přístupový bod spojení s nadřazenou komunikační sítí, ukončí komunikaci se zařízeními v dané buňce a ta potom přesměrují komunikaci na jiný dostupný přístupový bod. Funkce Storm threshold omezuje komunikaci multicast/broadcast na zvolenou mez. Dalšího zvýšení spolehlivosti bezdrátové sítě lze dosáhnout vytvořením redundantních spojení s využitím přístupových bodů opatřených dvěma rádiovými rozhraními nebo pomocí protokolu Spanning tree.

Obr. 3.

Obr. 3. Scalance S – moduly pro zabezpečení komunikace a ochranu před přetížením sítě

Prvky Scalance W
Přístupové body a klientské moduly společnosti Siemens s označením Scalance W jsou ideálními prvky pro realizaci průmyslových bezdrátových sítí na bázi IWLAN. Pracují na frekvencích 2,4 nebo 5 GHz s rychlostí přenosu dat až 54 Mb/s (802.11 b/g, 802.11 a, nově i 802.11 h). Zabezpečení proti neoprávněnému přístupu je vyřešeno použitím mechanismů WPA a AES, WEP a Radius. Jednotky se konfigurují prostřednictvím webového rozhraní nebo příkazového řádku (CLI). Konfiguraci usnadňují připravení průvodci (wizards), takže ji bez problémů zvládne i uživatel, který není specialistou na bezdrátovou komunikaci. Do modulů Scalance W700 může být vsunuto paměťové médium C-plug, v němž jsou uložena konfigurační data. Siemens dodává několik typů přístupových bodů s jedním nebo dvěma rádiovými rozhraními i body s již zmíněnou funkcí rapid roaming. Tři typy klientských modulů jsou určeny k připojení zařízení do bezdrátové sítě. Nechybí ani potřebné příslušenství – různé antény pro komunikaci až na kilometrové vzdálenosti, kabel Rcoax, vyzařující definované rádiové pole, jenž je použitelný místo antény (typicky např. v tunelech, výtahových šachtách, na dopravnících apod.), napájecí zdroje a komunikační karta CP 7515 pro připojení Field PG a notebooků do bezdrátové sítě. Zařízením zasluhujícím zvláštní pozornost je IWLAN/PB Link PN IO pro realizaci přímého přechodu mezi IWLAN a sítí Profibus. V brzké době bude připraven i software Sinema E pro návrh bezdrátových sítí.

Zabezpečení komunikace

V automatizaci nabývá na důležitosti integrace výrobních zařízení do jednotné komunikační sítě, která je propojena s kancelářskou sítí či připojena k internetu. Nutným důsledkem je, že průmyslové komunikační sítě jsou vystaveny podobným nebezpečím jako kancelářské sítě, tedy útokům hackerů, virů, wormů apod. Koncepty zabezpečení používané v současné době jsou určeny pro kancelářské aplikace, vyžadují administraci a speciální znalosti a většinou nejsou vhodné pro použití v průmyslu. Proto Siemens nabízí speciální řešení pro ochranu průmyslových komunikačních sítí. Komponenty Scalance S zajistí ochranu před špionáží a manipulací s daty, přetížením komunikační sítě a chybnou adresací. Uživatel nemusí být expertem na metody zabezpečení informačních systémů, aby zvládl konfiguraci a administraci modulů Scalance S. Při jejich použití nemusí měnit strukturu již existující sítě. Moduly fungují jako firewall a lze je použít pro vytváření virtuálních privátních sítí (VPN).

Závěr

Moduly Scalance úspěšně fungují v mnoha aplikacích po celém světě a jsou nedílnou součástí koncepce plně integrované automatizace (Totally Integrated Automation škály produktů a systémů pro všechna odvětví automatizace. Potřebuje-li uživatel vytvořit průmyslovou komunikační síť založenou na metalických či optických přenosových médiích nebo bezdrátovou síť, produkty skupiny Scalance poskytují ideální řešení. Pro moduly Scalance plně platí heslo spojené se všemi produkty ze skupiny Simatic net: „Navrženo pro průmysl„.

Ing. Jakub Vojanec,
Siemens, s. r. o.

Siemens, s. r. o.
divize Automatizace a pohony
Evropská 33a
160 00 Praha 6
tel: 233 032 411
http://www.siemens.cz/ad