Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Scalance X-500 – přepinač pro dva světy

Nový typ přepínače pro sítě průmyslového Ethernetu Scalance X-500 nabízí to nejlepší z obou světů – automatizace i IT. Uplatní se současně v prostředích se standardními komunikačními protokoly IT i tam, kde se pracuje s protokoly a parametry specifickými pro průmyslové instalace. Jedním přístrojem lze tudíž splnit jak požadavky specialistů z oblasti IT, tak požadavky v oblasti průmyslových automatizačních systémů. Výkonné průmyslové přepínače řady Scalance X-500 optimálně propojují síť IT s komunikačními sítěmi na jednotlivých výrobních strojích a umožňují maximálně zužitkovat vynaložené investice.

Současná doba klade před výrobní firmy zcela nové výzvy. V celosvětovém měřítku může uspět pouze ten, kdo dokáže se svými produkty pružně reagovat na krátkodobé trendy při současném udržení nejvyšších standardů kvality výroby a zároveň při co nejnižších nákladech na údržbu technologického zařízení. V souvislosti s touto výzvou je ve firmách stále častější vznášen požadavek na propojení komunikačních sítí ve výrobě, včetně automatizačních (řídicích) sítí jednotlivých strojů, s podnikovou, kancelářskou sítí IT. K naplnění potřeb zákazníků společnost Siemens vyvinula novou řadu zcela modulárních přepínačů (switch) pro sítě průmyslového Ethernetu (Industrial Ethernet) Scalance X-500, která překlenuje dosavadní mezeru mezi světy výrobních strojů a IT (obr. 1).

Původně zcela samostatně stojící výrobní stroje jsou v současnosti propojovány, a to až na úroveň řízení podniku. Tímto propojením se z dříve nezávislých automatizačních sítí na strojích a v provozech stávají tzv. konvergentní sítě. V nich se nezřídka střetávají automatizační protokoly a protokoly pro přenos hlasu (VoIP) nebo obrazu dělící se o společný výkon sítě. Tento trend staví projektanty před zcela nové požadavky jak v oblasti automatizačních sítí, tak komunikační sítě obecně. Musí proto vzniknout nové koncepty sítí, které budou brát v úvahu topologie, výkonnost a zabezpečení specifické pro jednotlivé oblasti a které v budoucnu dosavadní oddělené sítě zcela nahra­dí jako celek.

Při budování konvergentních sítí je ovšem třeba od samotného počátku projektování sítě brát v úvahu zcela nové požadavky. Vymezit dříve naprosto zřetelně oddělené světy a jim příslušné oblastí zodpovědnosti není v současnosti tak úplně snadné. Není docela zřejmé, kdo při přerušení výroby bude za síť zodpovědný a jak poskytne podporu.

Specialisté v oboru IT často nejsou dostatečně obeznámeni s principy a způsoby činnosti použitých automatizačních systémů. A stejně tak se jen malá část odborníků na automatizaci vyzná v problematice sítí natolik, aby dokázali najít a odstranit příčinu případné závady v síti.

Z uvedených důvodů je při budování konvergentních sítí nezbytné brzy a důkladně vyjasnit jednotlivé kompetence. Silnou stránkou výkonných přepínačů řady Scalance X-500 je v dané souvislosti právě skutečnost, že jsou koncipovány pro propojování typických automatizačních sítí se sítěmi IT a vyznačují se těmito základními (a z nich dále vyplývající detailními) vlastnostmi:

–   otevřenou a variabilní strukturou, umožňující připojit automatizační systémy; v budoucnu rozšířitelnou,

–   schopností zajistit trvalé spojení mezi úrovní jednotlivých strojů a strojních celků a nadřazených systémů pro řízení výroby či podniku (MES, ERP) při použití standardních komunikačních protokolů,

–   snadným projektováním a účinnými nástroji pro diagnostiku sítí,

–   rychlou a spolehlivou výměnou dat mezi síťovými segmenty,

–   propracovaným konceptem zabezpečení sítě včetně ochrany před neoprávněným přístupem.

Základní vlastnosti

Pro oblast IT ve výrobních firmách představují přepínače Scalance X-500 zařízení nové výkonnostní třídy umožňující budovat moderní jednotné konvergentní komunikační sítě. Základní hardware nabízí pro integraci sítí, segmentů sítí i strojů jako koncových zařízení velkou hustotu zástavby až 52 portů s přenosovými rychlostmi mezi 10 Mb/s a 10 Gb/s v jednom přístroji. Zákazník má naprostou volnost ve výběru modulu fyzického rozhraní (elektrické nebo optické) i napájecího zdroje (jednoduchý nebo redundantní).

Zcela modulární modely Scalance XR552-12M a Scalance XR528-6M, určené k instalaci do rámů rozměrového standardu 19", nabízejí 48, popř. 24 portů s rychlostí 10/100/1 000 Mb/s ve variantách metalických (konektor RJ45 ve standardním i průmyslovém provedení) nebo optických modulů fyzického rozhraní, vždy po čtveřicích portů. U optických portů lze libovolně volit mezi konektory SC-duplex, BFOC nebo SFP/LC ve variantách 1001 000 Mb/s (obr. 2). Samotné moduly fyzického rozhraní lze měnit přímo za provozu (hot-swapping). Přepínač, jako centrální prvek sítě, není tedy nutné znovu spouštět. Na základním modulu přepínače jsou navíc umístněny čtyři volné sloty SFP+, umožňují po zasunutí příslušného modulu fyzického rozhraní realizovat až čtyř linky o rychlosti 10 Gb/s ve funkci významných páteřních propojení. Údaje o konfiguraci přepínače je možné uchovat v modulu C-plug. Nový přepínač lze tudíž, stejně jako ostatní přepínače skupiny Scalance, snadno zkonfigurovat, aniž je nutné použít PC nebo ruční konfigurátor. Nově je variantou modulu C-plug volitelná součást přepínače, tzv. Key Plug, která pracuje obdobně jako modul C-plug, ale navíc dovoluje snadno a cenově výhodně rozšířit existující úroveň funkčních schopností přepínače Layer2 (L2) o funkce na úrovni L3, např. funkci směrování (routing), aniž by bylo nutné měnit samotný hardware. Výsledkem je nemalá úspora finančních prostředků. Přepínač je napájen z napájecích zdrojů typu PS598-1, které lze variabilně instalovat na volné místo v rozváděči. Použít je možné buď jeden napájecí zdroj, nebo dva zdroje zapojené redundantně. Redundantní zapojení zdrojů zvyšuje dostupnost přepínače jako centrální komponenty síťové infrastruktury.

Významného zvýšení dostupnosti síťové infrastruktury, celé sítě i samotných spojení lze dále dosáhnout přenosem dat při použití spolehlivých redundančních struktur, např. přepínání (switching) i na úrovni L3 (L3-switching). Při poruchách se pak síť rychle překonfiguruje bez ztráty dat. Díky podpoře IPv6 je infrastruktura sítě navíc dobře připravena i na budoucí požadavky.

Přepínače řady Scalance X-500 jsou tedy pro své vlastnosti a parametry vhodné jako centrální komponenta potřebná ke strukturování rozsáhlých průmyslových a automatizačních sítí a současně tvořící rozhraní k jejich připojení do podnikových sítí IT.

V současné době se v průmyslu také stále častěji používá napájení síťových zařízení po jediném datovém kabelu – metoda PoE (Power over Ethernet). Zejména v konvergentních sítích lze takto velmi výhodně řešit napájení koncových zařízení – např. IP telefonů, videokamer atd. Protože přepínače řady Scalance X-500 tuto variantu podporují, lze ušetřit nemalé finanční prostředky, které by vyžadovaly jinak nezbytné napájecí kabely.

Diagnostika přepínače

V případě nenadálé události v síti, např. při ztrátě redundance napájení nebo poruše některé důležité komponenty sítě, nesmí tato událost zůstat bez povšimnutí a musí v komunikačním systému vyvolat odpovídající výstražné hlášení. Za tím účelem musí být možné komponenty sítě rychle a účinně konfigurovat a diagnostikovat při použití centrálních nástrojů pro správu zařízení na dálku. K zavedeným a podporovaným metodám patří standardní síťové protokoly, např. SNMP (Simple Network Management Protocol), webový prohlížeč, e-mailový a Syslog server atd. Jednotlivé porty přepínače jsou navíc vybaveny místními světelnými diodami (LED) zobrazujícími aktuální stav portu bez nutnosti připojit PC. Systém hlášení poruch výkonných průmyslových přepínačů musí být dostupný nejen v podobě vnějšího nástroje sledujícího stav sítě, ale i přímo v řídicí jednotce (PLC). Tuto podmínku přepínače řady Scalance X-500, stejně jako ostatní produkty řady Scalance X, splňují formou známého tzv. kontaktu poruchy, jehož sepnutí může PLC vyhodnotit jako chybový stav přepínače přímo ve svém uživatelském programu.

V porovnání se síťovými prvky určenými výhradně pro oblast IT nezapřou ty průmyslové příbuznost a sepětí s automatizačními systémy. Díky tomu může uživatel typického automatizačního systému, charakteristického použitím např. řídicího programu vytvořeného ve vývojovém prostředí Step7 a komunikačního protokolu Profinet, přepínače konfigurovat i diagnostikovat (diagnostika Profinet IO) přímo v aplikačním programu.

Vlastnosti pro IT a výrobní prostředí

Aby bylo možné propojit svět výroby a sítě IT, jsou požadovány zejména velké rychlosti přenosu dat (až 10 Gb/s), velká hustota portů, bez výjimky modulární výstavba síťové komponenty a také velkokapacitní směrování. Jen takto vybavený přepínač pro průmyslový Ethernet umožní realizovat potřebné propojení. Přepínače Scalance X-500 mají požadované vlastnosti (obr. 3).

Virtuální segmentace sítě pomocí podpory VLAN

Při fyzickém srůstání sítí IT s automatizačními sítěmi na jednotlivých strojích vzrůstá počet síťových komponent, které síť zatěžují nadměrným počtem zpráv typu broadcast, tj. vysílaných bez rozlišení všem stanicím v síti. Následkem mohou být poruchy komunikace. Lepším řešením je proto tvorba malých síťových segmentů s malým počtem účastníků při použití virtuálních sítí VLAN. Pro vzájemnou komunikaci mezi segmenty je však potřebná příslušná směrovací funkce, tzv. VLAN-routing. Proto nové výkonné přepínače Scalance X-500 nejen že podporují velký počet virtuálních sítí, ale nabízejí také velký výkon při směrování zpráv.

Dříve samostatné výrobní stroje jsou nově fyzicky propojeny, a to až do sítí IT. Vedle požadavků na velké rychlosti přenosu dat je tudíž třeba brát vážně i požadavky na zabezpečení datové komunikace. Je nutné zamezit nedovolenému přístupu jak k síťovým komponentám, tak i ke koncovým uzlům sítě. Jako řešení se nabízí použití funkce řízeného přístupu (Access Control, metody MAC i IP adresace) nebo zabezpečení jednotlivých portů s použitím mechanismu podle IEEE 802.1x, tzv. Radius server, kdy je koncový uzel ověřován pomocí autentizačních údajů.

Nesmí docházet ani k útokům zevnitř. Proto může být zabezpečena i veškerá komunikace s přepínačem (HTTPS, SSH, SNMPv3).

Široké možnosti využití

Výkonný průmyslový hardware nových přepínačů řady Scalance X-500 lze využít nejen v samotných automatizačních sítích ve výrobních podnicích, ale také v dalších odvětvích průmyslu, jako např. při těžbě surovin, v logistice a v dopravě. Všechny tyto obory vyžadují velmi spolehlivou průmyslovou komunikační infrastrukturu, mnohdy pracující ve velmi nepříznivých podmínkách – v chladu či horku, při silném elektromagnetickém rušení či silných vibracích. Nové průmyslové přepínače byly primárně vyvinuty a jsou uzpůsobeny právě pro tento způsob využití.

Další informace lze získat na www.siemens.cz/scalance nebo také při návštěvě stánku společnosti Siemens na veletrhu Amper 2012 v Brně ve dnech 20. až 23. března 2012.

Ing. Vladimír Ševčík, Siemens, s. r. o.

Obr. 1. Ethernetové přepínače řady Scalance X-500 nabízejí k propojení automatizačních sítí a sítí IT v modulárním uspořádání až 52 portů různých typů ve skupinách po čtyřech

Obr. 2. Modulární přepínače Scalance X-500 s širokým výběrem portů (model Scalance XR552-12M, až 52 portů)

Obr. 3. Redundantní síťová struktura s páteřní sítí 10 Gb/s s přepínači typu Scalance XR-500