Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Výkonné a spolehlivé komponenty pro sítě průmyslového Ethernetu

S nástupem sítí průmyslového Ethernetu v automatizaci vyvstala důležitá otázka výbě­ru dostatečně výkonných a spolehlivých síťových komponent, které lze provozovat v ná­ročném prostředí průmyslových provozů. Společnost Siemens se dlouhodobě věnuje vývoji komponent pro průmyslové komunikační sítě. Výsledkem tohoto úsilí je optimali­zovaná skupina výrobků Scalance (Scalable Perfomance), jež naplňuje konkrétní potře­by zákazníků. Článek přináší základní informace především o přepínačích průmyslové­ho Ethernetu skupiny Scalance X.
 
S použitím komponent skupiny Scalance lze díky jejich rozmanitosti realizovat jed­notné, flexibilní a výkonné komunikační sítě průmyslového Ethernetu pro nejširší použi­tí. Ve strukturovaných komunikačních sítích strojů a výrobních celků i při komplexní in­tegraci technologického zařízení do celopod­nikové informační sítě se uplatní přepínače průmyslového Ethernetu skupiny Scalance X. Rádiová zařízení skupiny Scalance W nabíze­jí flexibilnější uspořádání a jednodušší údržbu – obsluha se k zařízení připojuje jednoduše bezdrátově. S bezpečnostními moduly řady Scalance S lze propojit průmyslové a kan­celářské sítě i spravovat automatizační síť na dálku přes internet, a to v souladu s uzná­vanými pravidly informační bezpečnosti prů­myslových komunikačních sítí. Další výklad je pro velkou šíři celé problematiky omezen na popis přepínačů skupiny Scalance X.
 

Charakteristika přepínačů skupiny Scalance X

 
Přes rozmanitost automatizačních úloh je jasně patrný jeden základní trend, kterým je neustálý růst požadavků na výkonnost a spo­lehlivost (disponibilitu, dostupnost) přísluš­ných komunikačních sítí. Podporovat je tře­ba zejména liniové, hvězdicové a redundantní kruhové struktury sítí. V sítích průmyslového Ethernetu podle standardu IEEE 802.3 (Ether­net) jsou kladeny velmi vysoké požadavky na výkonnost a kvalitu provedení použitých komponent. Všem kladeným požadavkům vy­hovuje protokol Profinet – otevřený standard průmyslového Ethernetu umožňující připoje­ným účastníkům komunikovat v reálném čase.
 
Ethernetové přepínače (switch) skupiny Scalance jsou určeny k použití v průmyslo­vých provozech. Tomu je přizpůsobeno i je­jich provedení s kvalitními a robustními kry­ty omezujícími působení okolního prostředí. Některé z modulů jsou navíc provedeny s kry­tím IP65/67, takže je lze provozovat i mimo rozváděče. Klíčovými vlastnostmi modulů skupiny Scalance jsou vysoký stupeň elek­tromagnetické kompatibility, široký rozsah pracovních teplot a použití kvalitních kon­strukčních prvků.
 
Systém rychlé a kvalitní montáže kabelů Fast Connect (FC) umožňuje zhotovit me­talické konektory (RJ45 i M12) a nově též optické (BFOC i SC, mnohovidové vlák­no 62,5/200/230 μm) spoje přímo na místě instalace (obr. 1). Systém FC se skládá ze speciálních kabelů, nástrojů na odstraňová­ní izolace a příslušných robustních konek­torů FC. Ty společně se speciálními lemy okolo jednotlivých portů přepínačů Scalan­ce vytvářejí velmi pevné spojení. Systém FC nejen zkracuje dobu potřebnou ke zhotove­ní kabeláže, ale navíc, díky kvalitnímu stí­nění, zvyšuje odolnost spoje proti elektro­magnetickému rušení. Systém FC v prove­dení pro optické kabely rovněž velmi spoří náklady na montáž.
 
Přepínače Scalance se montují na nosnou lištu DIN, na lištu systémů Simatic S7-300 nebo přímo na stěnu. Unikátní je systém vý­měny přepínačů Scalance v případě poru­chy. Přepínače s možností správy lze vybavit speciálním paměťovým médiem C-plug pro uchování konfigurace. Při poruše stávajícího přepínače se jeho náhrada zkonfiguruje snad­ným přenesením paměťového média C-plug. Doba odstávky zařízení se tak zkracuje na mi­nimum a samotnou výměnu modulu zvládne i obsluha bez zvláštního zaškolení.
 
Protože základní vlastností přepínačů prů­myslového Ethernetu je funkce směrování paketů, je v porovnání s tradičními sdílený­mi sběrnicemi významně redukováno zatí­žení sítě.
 
Přepínače Scalance X lze rozdělit podle možnosti správy, podle způsobu provedení (kompaktní, modulární) nebo podle velikos­ti sítě, jíž je přepínač součástí.
 
Možnost správy nabízejí až produkty vyš­ších řad. Bez možnosti správy jsou přepína­če Scalance X(B)000, X100 a moduly CSM. Tyto nejjednodušší přepínače nabízejí pouze lokální diagnostiku prostřednictvím světel­ných diod (LED).
 

Scalance X(B)000 a moduly CSM

 
K přepínači Scalance X005 s pěti elektric­kými porty s konektory RJ45 je nově přidá­na řada přepínačů Scalance XB000. Označení XB vyjadřuje tvar krytu (Box). Tyto nejjedno­dušší průmyslové přepínače lze instalovat jen na lištu DIN do rozváděče. Umožňují vytvořit za přijatelnou cenu liniové a hvězdicové sítě pro malé stroje s požadovanou sítí Ethernet jako standardem pro komunikaci. Přepínač typu Scalance XB může mít až osm portů metalických a nebo jeden port optický a čtyři porty metalické, a to v provedení Fast Ether­net nebo nově i s rychlostí 1 Gb/s.
 
Plastové provedení je společné i pro pře­pínače CSM (Compact Switch Module) se čtyřmi elektrickými porty. Přepínače CSM se instalují společně s příslušnými PLC Simatic S7-300 (CSM 377) nebo S7-1200 (CSM 1277), jejichž označení nesou v ná­zvu. Přepínače CSM umožňují cenově vý­hodně znásobit počet portů rozhraní Profi­net integrovaného v příslušné řídicí jednotce. Zbývající tři volné porty lze využít libovolně k připojení operátorských panelů, servisního programovacího přístroje apod.
 

Scalance X100

 
Řada přepínačů Scalance X100 poskytuje větší variabilitu počtu portů. Lze vybrat kom­paktní přepínače s osmi až 24 porty s konek­tory RJ45 nebo kombinaci dvou portů optic­kých a až dvanácti elektrických. Ke zvýšení spolehlivosti je také možné využít redundantní napájení 2× 24 V DC. Novinkou je osmiporto­vý přepínač Scalance X1-08-2PoE, jehož dva porty poskytují možnost napájet koncová zaří­zení po ethernetovém kabelu (technika Power-over-Ethernet – PoE) , IEEE 802.3af.
 

Scalance X200

 
Přepínače řady Scalance X200 a vyšších lze ovládat prostřednictvím webového roz­hraní (např. v prohlížeči Internet Explorer), umožňujícího pohodlně nastavit požadované hodnoty jejich parametrů. Tyto přepínače jsou vhodné k tvorbě liniových, hvězdicových i re­dundantních kruhových struktur s přenosovou rychlostí 10/100 Mb/s. Redundantní kruhová topologie zachovává dostupnost sítě i v pří­padě poruchy. Při poruše jednoho z propojo­vacích kabelů se síť automaticky rekonfigu­ruje a komunikace se obnoví za dobu kratší než 200 ms v případě protokolu MRP (Media Redundancy Protocol), popř. 300 ms v přípa­dě protokolu HSR (High Speed Redundancy), a to až do počtu 50 přepínačů v kruhu.
 
Přepínače se správou nabízejí široké mož­nosti diagnostiky. Uživatel může být infor­mován např. o výpadku redundantního na­pájení či o změně stavu portu elektronickou poštou (e-mail) nebo zprávami typu SNMP traps, dále zápisem do inter­ní tabulky událostí nebo lze s použitím SNMP OPC ser­veru informace použít pro po­třeby vizualizace. Další mož­ností je jednotná diagnostika provozního stavu v prostředí Profinet. Ve vývojovém ná­stroji Step 7 tak lze sledovat zvolené události i topologii sítě. Informaci o stavu přepí­nače může mít i automat Si­matic S7, podobně jako při použití decentrálních periferií ET200 (Profinet IO Device).
 
Prostřednictvím webové­ho rozhraní lze dále analyzovat přenosy dat (např. typ, počet a velikost datových rámců) a diagnostikovat kabeláž (např. zjistit a při­bližně lokalizovat přerušení kabelu). Dále je k dispozici zrcadlení portů, které umožňuje podrobněji diagnostikovat využívané porty. Své uplatnění může nalézt i lokální diagnos­tika prostřednictvím světelných diod a sig­nálního kontaktu.
 
Řada Scalance X200 nabízí nejrozmanitější typy kompaktních přepínačů. Vedle základních modulů jsou k dispozici i přepínače v prove­dení PRO s vysokým stupněm krytí IP65/67, určené k instalaci mimo rozváděč. Přepína­če Scalance XF200 naopak najdou uplatnění v malých a mělkých (flat) instalačních skří­ních. Moduly řady Scalance X200 IRT jsou nepostradatelné při redundantním propoje­ní dvou kruhů s protokolem HSR. Toto tzv. standby zapojení má obdobné parametry jako samotná kruhová redundance s použitím pro­tokolu HSR, tzn. že komunikace se obnoví za dobu kratší než 0,3 s. Veškerá komunika­ce je zde obnovena významně rychleji než při použití běžných kancelářských protokolů STP//RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol), které jsou pro průmyslové provozy zcela nevhodné.
 

Scalance X300

 
Pro potřeby automatizačních sítí jsou mo­duly Scalance X200 těmi nejvhodnějšími sta­vebními prvky. Spojování jednotlivých seg­mentů sítě do větších celků s sebou nese nové požadavky na páteřní síť. Jedním z nich může být požadavek na přenosovou rychlost 1 Gb/s. Pro tyto účely jsou k dispozici kompaktní přepínače Scalance X300 se třemi gigabito­vými porty, dostupnými v optickém i elektric­kém provedení. Zbylé porty typu Fast Ether­net lze použít k připojení dalších uzlů sítě.
Vyšší řada znamená také rozšířené mož­nosti správy. Může být např. využito omezení všesměrových rámců limitováním zpráv typu multicast/broadcast, a to manuálně nebo dy­namicky (při použití funkce IGMP snooping).
 
Pro velké páteřní sítě lze doporučit efek­tivnější způsob tvorby domén typu multicast, a to pomocí tzv. virtuálních místních sítí (Vir­tual Local Area Network – VLAN). Jednot­livé virtuální sítě využívají jedinou společ­nou hardwarovou strukturu přepínačů. Porty na přepínačích určují, do které virtuální sítě daný prvek patří. Komunikovat pak lze pou­ze v rámci jedinečné virtuální sítě. Přepínače Scalance X300 lze rovněž použít v redundant­ním kruhovém zapojení. Mohou tak vznikat redundantní kruhové struktury (obr. 4) s pře­nosovou rychlostí 1 Gb/s. Při použití optic­kých portů je možné při padesáti přepínačích komunikovat na vzdálenost až 150 km při mnohovidovém nebo až 1 300 km při jedno­vidovém optickém vláknu. Přepínače lze po­užít i v sítích s protokolem STP/RSTP, vždy je však třeba brát v úvahu, že přepínač může být účastníkem pouze jediného rekonfigurač­ního procesu sítě. Tedy buď s použitím STP//RSTP, nebo průmyslově orientovaných pro­tokolů HSR a nebo MRP.
 

Scalance X(R)-300M

 
Mezi neustále rostoucími požadavky na výkonnost páteřních průmyslových sítí je stále důležitější požadavek na větší rych­lost komunikace. Proto společnost Siemens vyvinula nové modulární přepínače Scalan­ce X(R)-300 M. Modulární stavba vychází z dvouportových tzv. modulů fyzického roz­hraní, které tvoří předěl mezi přepínačem a samotnou fyzickou vrstvou sítě. K dispozici jsou jak moduly fyzického rozhraní pro me­talické kabely s konektory RJ45 s ochranným lemem (CUC) i bez něho (CU), tak i moduly fyzického rozhraní pro optická vlákna s ko­nektory typu BFOC, SC a SFP/LC (obr. 2). Podle typu modulu fyzického rozhraní pro optická vlákna je použitelná přenosová rych­lost 100 Mb/s nebo 1 Gb/s a na typu vlákna (mnohovidové, jednovidové) závisí možný dosah. Zcela převratné je použití zásuvných modulů s konektory typu SFP v kombina­ci s moduly s konektory typu LC. Tímto lze libovolně kombinovat dva různé typy optic­kých modulů s konektory LC v rámci jedno­ho zásuvného modulu modulu SFP.
 
Například přepínač Scalance X308-2M je pevně osazen čtyřmi elektrickými porty s pře­nosovou rychlostí 10/100/1 000 Mb/s a vložit lze až dva moduly fyzického rozhraní podle vlastního výběru (obr. 3). Až polovina portů tudíž může být optických. Přístroj se umisťuje na lištu DIN nebo přímo na stěnu.
 
Novým trendem je požadavek na instala­ci přepínačů průmyslového Ethernetu do pří­strojových skříní (rack) o rozměru 19". Pro tento účel společnost Siemens vyvinula no­vou řadu zcela modulárních přepínačů Sca­lance XR324-12M, nabízejících až 24 portů s podporou přenosů rychlostí 1 Gb/s na kaž­dém portu. Při současné možnosti libovol­ného výběru až dvanácti modulů fyzického rozhraní lze získat naprosto unikátní uspořá­dání přepínače. Nový přepínač je k dispozici ve čtyřech provedeních: s napájecím napětím 24 V DC nebo 230 V AC, obě varianty mohou mít napájecí konektor buď na čelním panelu, nebo na zadní stěně. Má-li přepínač konek­tor vzadu, je uživatel informován o jeho sta­vu dvěma světelnými diodami na čelním pa­nelu. Podpora redundantního kruhu, redun­dantní funkce standby i podpora virtuální sítě jsou samozřejmostí.
S rozšiřováním oblastí jejího použití se síť Ethernet může setkat i s prostředím s mimo­řádně nepříznivými provozními podmínkami. Pro takové případy společnost Siemens nově nabízí přepínače Scalance X(R)-300EEC (Enhanced Environmental Conditions). Tyto přepínače splňují požadavky normy IEC 61850, jsou odolné proti kondenzaci a vel­mi odolné proti elektromagnetickému ruše­ní. Jsou tak vhodné i pro rozvodny elektric­ké energie, kde je shoda s uvedenou normou požadována. Uplatní se však i v jiných od­větvích průmyslu.
 

Scalance X400

 
Částečnou modularitu založenou na kom­binaci speciálních modulů fyzického rozhra­ní a rozšiřujících modulů nabízejí i přepína­če nejvyšší řady – Scalance X400. Z hlediska funkcí se neliší od řady X300. Přepínač Sca­lance X414-3E jako jediný navíc umožňuje funkci tzv. L3-routing. Díky ní je možné přenášet zprávy mezi dvěma nezávislými segmenty sítě (obr. 4). Přepínač s funkcí směrování (routing) podporuje protokoly OSPF (Open Shor­test Path First) a RIP (Routing Information Protocol) nebo prá­ci v redundantním režimu s pro­tokolem VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol).
 

Závěr

 
Ethernetové přepínače Sie­mens jsou navrženy pro použi­tí v průmyslových provozech. Jsou spolehlivé a výkonné, op­timalizované z hlediska funk­cí i výběru typů. Dostupné jsou kompaktní i modulární verze. Pro každou úlohu tak lze vybrat nejvhodnější přístroj.
 
Pro samotný výběr zaříze­ní s funkcí přepínače je možné nově použít nástroj Switch Se­lection Tool. Volit lze podle ty­pového označení výrobků nebo podle technických požadavků, popř. i podle typu úlohy, pro niž jsou přepínače určeny. K dispo­zici je i pomůcka k porovnání technických parametrů a export objednacích čísel modulů. Zcela nezpochybnitelný je vý­znam nástroje pro rychlý, pohodlný a správ­ný výběr sestavy modulárních přepínačů řady Scalance X(R)-300. Nástroj je k dispozici na adrese www.siemens.cz/net.
 
Ing. Vladimír Ševčík, Siemens, s. r. o.
 
 
Obr. 1. Kabely sestavené s použitím systému rychlé montáže FastConnect (FC)
Obr. 2. Moduly fyzického rozhraní pro nové přepínače řady X(R)-300M
Obr. 3. Nový přepínač Scalance X308-2M
Obr. 4. Příklad uspořádání redundantní kruhové sítě s protokolem HSR