Специфика сетей Industrial Ethernet. Отличительные характеристики оборудования. Большая пропускная способность и скорость передачи данных. Определение отказоустойчивости, температурного режима. Резервирование связей в промышленных сетях Ethernet.
Для воплощения этой идеи и потребовалась серьезная адаптация Ethernet, особенно в плане поддержки реального времени, так же для применения в промышленности пришлось разрабатывать на основе Ethernet специальные прикладные протоколы. Industrial Ethernet (промышленный Ethernet) - стандартизованный (IEEE 802.3 и 802.11) вариант Ethernet для применения в промышленности. Industrial Ethernet обычно используется для обмена данными между программируемыми контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса, обмена данных между контроллерами, подключения к контроллерам удаленного оборудования (датчиков и исполнительных устройств) Хотя спецификации на промышленные кабельные системы продолжают эволюционировать, многие производители, имеющие опыт выпуска кабелей и коннекторов для агрессивных сред, уже поставляют свои продукты на рынок решений Industrial Ethernet. Системы Industrial Ethernet будут состоять из герметизированных и негерметизированных распределенных блоков управления и модулей ввода-вывода, расположенных на автоматизированных производственных участках.Внедрение Industrial Ethernet-технологий позволит полностью автоматизировать промышленные процессы и контролировать их работу, оперативно реагируя на любые изменения.
Введение
промышленный ethernet сеть
Ethernet и TCP/IP уже давно и успешно завоевали мир офисной автоматизации, и в последнее время мы видим практически массовое наступление на распределенные системы управления производством. В качестве основной идеи выступает предложение использовать так называемое "бесшовное" соединение всех уровней классической пирамиды автоматизации: от уровня автоматизации технологических процессов до уровня управления предприятием. Сети на базе этой технологии привлекают низкой стоимостью и простотой реализации. Для воплощения этой идеи и потребовалась серьезная адаптация Ethernet, особенно в плане поддержки реального времени, так же для применения в промышленности пришлось разрабатывать на основе Ethernet специальные прикладные протоколы.
Как мы знаем - Ethernet (от лат. aether - эфир) - это одна из самых распространенных технологий пакетной передачи данных.
Родился Ethernet 22 мая 1973 г. ,когда Роберт Меткалф и Дэвид Боггс опубликовали описание экспериментальной сети, построенной ими в Исследовательском центре Xerox. Строилась сеть на толстом коаксиальном кабеле и обеспечивала скорость передачи данных 2,94 Мбит/с. Новая технология получила имя Ethernet (эфирная сеть), в честь радиосети Гавайского университета ALOHA, в которой был использован схожий механизм разделения среды передачи (радиоэфира).
А к концу 70-х годов под технологию была подведена солидная теоретическая база. Так в феврале 1980 года фирма Xerox, совместно с DEC и Intel, представила разработку IEEE, которая спустя три года утвердила ее в качестве стандарта IEEE 802.3.
Industrial Ethernet (промышленный Ethernet) был разработан и стандартизирован для применения в сфере промышленности. И постепенно Industrial Ethernet начиная с конца 90-х гг., постепенно вытеснял или дополнял унаследованные протоколы полевых шин, такие как Modbus или Profibus, используемые в задачах управления и автоматизации заменяя собой коммуникационные потребности последних.
Industrial Ethernet (промышленный Ethernet) - стандартизованный (IEEE 802.3 и 802.11) вариант Ethernet для применения в промышленности. Industrial Ethernet обычно используется для обмена данными между программируемыми контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса, обмена данных между контроллерами, подключения к контроллерам удаленного оборудования (датчиков и исполнительных устройств)
1. Специфика сетей Industrial Ethernet
Хотя спецификации на промышленные кабельные системы продолжают эволюционировать, многие производители, имеющие опыт выпуска кабелей и коннекторов для агрессивных сред, уже поставляют свои продукты на рынок решений Industrial Ethernet. Industrial Ethernet - это сеть для заводских цехов или других сред с тяжелыми условиями эксплуатации оборудования. С ее помощью легко связывать компьютеры между собой, поскольку Ethernet-инфраструктура наверняка уже существует в офисе предприятия. Однако в отличие от офисных инфраструктур к кабелям и коннекторам Industrial Ethernet предъявляются повышенные требования.
Основные различия между промышленными и офисными кабельными системами связаны не с принципами их работы, а с наличием (в промышленных системах) продуктов нового поколения, способных устойчиво функционировать в агрессивных средах, отсутствующих в офисах. Стоит отметить, что средства Industrial Ethernet применяются не только в заводских цехах, но и на нефтедобывающих предприятиях, на открытых площадках, где установлено телекоммуникационное оборудование, в военных системах или магазинах (для подключения торговых терминалов).
Инсталлируя кабельные продукты на разного рода предприятиях, следует учитывать диапазон рабочих температур (экстремальные температуры бывают на нефтедобывающих платформах и в наружных информационных киосках), возможность попадания воды (это особенно характерно для заводов по переработке пищевых продуктов), уровень влажности и наличие вибрации. Средства Industrial Ethernet должны быть достаточно гибкими, чтобы обеспечивать высокоскоростную передачу данных в реальном масштабе времени и возможность управления (посредством приложений для ПК) программируемыми логическими контроллерами и модулями ввода-вывода разных производителей. В отличие от офисных инфраструктур с телекоммуникационными шкафами промышленные кабельные системы переконфигурируются значительно реже и в них не требуется применять модульные коммутационные панели.
Монтажные шкафы и коннекторы должны соответствовать правилам безопасности, принятым ассоциацией NEMA, и строгим спецификациям на разного рода воздействия, механические и окружающей среды. Системы Industrial Ethernet будут состоять из герметизированных и негерметизированных распределенных блоков управления и модулей ввода-вывода, расположенных на автоматизированных производственных участках.
Для существенного снижения общего уровня шумов большое значение имеет ослабление синфазной помехи. Синфазная помеха - это напряжение по отношению к земле, присутствующее на всех проводниках кабеля. Поскольку в промышленных средах существует множество источников наводок, влияние синфазных помех на работу коммуникационных систем является довольно острой проблемой. В обеспечении надежной работы кабеля большую роль играют его внешняя оболочка и защитный экран. В промышленных условиях следует применять всепогодный UTP- или STP-кабель категории 5е (сегодня его называют кабелем категории 5i), соответствующий военным спецификациям, включая спецификацию MIL-C-24640A на водонепроницаемость. Кабель должен иметь полиэтиленовую внешнюю оболочку черного цвета с повышенной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и истиранию. При необходимости кабель может быть армирован.
2. Industrial Ethernet
Оборудование Industrial Ethernet востребовано в нефтегазовой добыче и переработке, транспорте (железные дороги, метро, автомагистрали, морской транспорт), металлургии, горнодобывающей и химической промышленности и др. Успешно реализованы проекты гидроэлектростанций и телекоммуникационных объектов на базе оборудования GARRETTCOM.
Проанализировав специфику каждой отрасли, несложно понять, что продукция Industrial Ethernet должна обладать характеристиками, которых нет у обычного оборудования Ethernet, предназначенного для офисного применения. Удаленное базирование промышленных объектов от пункта управления опорными сетями передачи данных, а также нередко жесткие условия окружающей среды (высокие/низкие температуры, влажность и атмосферное давление, ветренопылевая активность и др.) предъявляют особые требования к оборудованию.
Большая пропускная способность и скорость передачи данных
Объем трафика напрямую зависит от многих факторов: количества архивируемых и визуализируемых технологических параметров, количества серверов и операторских станций, используемых прикладных приложений и т.д. В отличие от полевых сетей жесткого требования детерминированности у обычного оборудования Ethernet нет: неважно, сколько времени займет передача сообщения от одного узла к другому - 100 мс или 700 мс. Главное, чтобы сеть в целом могла справляться с общим объемом трафика за определенное время.
Отказоустойчивость
В случае выхода из строя Industrial Ethernet-коммутатора или обрыва канала система управления способна в кратчайшие сроки (не более 500 мс) локализовать место отказа, выполнить автоматическую перестройку топологии и перенаправить трафик на резервные маршруты.
Температурный режим
Оборудование упомянутых выше производителей чаще всего предназначено для работы в широком температурном диапазоне. Для российских условий это очень актуально, поскольку многие объекты расположены в Зауралье и Сибирском регионе, где в зимний период длительное время сохраняется низкая температура, в то время как в летние месяцы она может достигать отметок выше среднего. Что касается промышленных коммутаторов Kyland, большая часть продуктовой линейки может работать в диапазоне от -40 до 85°С. Конструкторы с успехом реализовали на своем оборудовании проект мониторинга на железной дороге в условиях тибетского высокогорья, районе с низкой температурой и сильным ветром. Устройства передачи данных установлены как внутри подвижного состава, так и вблизи железнодорожного полотна под открытым небом.
Защита от ЭМИ
Важным фактором безотказной работы оборудования Industrial Ethernet является возможность эксплуатации в условиях повышенного электромагнитного излучения. Требования для работы в этих условиях приведены в международном стандарте IEC61850. В настоящее время в России практически невозможно использовать оборудование Industrial Ethernet в энергетике и ряде других отраслей без соответствия стандарту МЭК61850 (российский аналог IEC61850). Большинство российских дистрибьюторов предполагают аттестовать продукцию Industrial Ethernet на соответствие требованиям данного стандарта. Все оборудование Kyland Technology Co., Ltd. соответствует требованиям IEC61850 с 2007 года (соответствие МЭК61850 указано в сертификате ГОСТ Р, РОСС CN. AB33. H00173).
Система охлаждения
Важной отличительной чертой оборудования Industrial Ethernet является отсутствие вентиляторов. Известно, что наиболее распространенная причина выхода из строя компьютерного оборудования - это неисправность систем охлаждения. Вышедший из строя вентилятор приводит к нестабильной работе коммутатора и его зависанию. Производители промышленного оборудования используют пассивную систему охлаждения. Алюминиевый корпус коммутаторов Kyland имеет гофрированную поверхность, что позволяет максимально рассеивать выделяющееся тепло.
Резервирование связей в промышленных сетях Ethernet
Резервированию в промышленных сетях Ethernet с коммутаторами посвящена серия стандартов IEEE. Однако первоначально они были предназначены только для исключения замкнутых контуров в сетях, поэтому требования к быстродействию алгоритмов учтены не были. В связи с резким ростом спроса на промышленный Ethernet (рост более 50% в год c 2004 г.) возросли требования ко времени переключения на резерв. Поэтому в 2005 году началась работа над новым стандартом IEC 62439 «High Availability Automation Networks» («Сети промышленной автоматизации с высокой готовностью»), которая была инициирована комиссией IEC по цифровой коммуникации TC65C. Существует несколько методов резервирования промышленного Ethernet: агрегирование линий связи (Link aggregation, trunking) или IEEE 802.3ad - технология объединения нескольких физических каналов в один логический. Это способствует не только значительному увеличению пропускной способности магистральных каналов коммутатор-коммутатор или коммутатор-сервер, но и повышению их надежности. Хотя уже существует стандарт IEEE 802.3ad, многие компании еще используют для своих продуктов патентованные или закрытые технологии;
резервирование на основе протоколов STP и RSTP. Основной проблемой при резервировании сетей Ethernet с коммутаторами является устранение замкнутых логических контуров (петель, циклов). Логические петли не допускаются потому, что при их наличии коммуникационные пакеты могли бы вечно путешествовать по сети, ограничивая ее пропускную способность. При возрастании трафика был бы возможен также отказ в обслуживании изза превышения пропускной способности сети. Кроме того, в таблице MAC-адресов коммутаторов появились бы одни и те же адреса для разных портов. Для исключения логических петель служит стандартизованный алгоритм STP, выполняющий блокировку портов коммутатора, через которые петли замыкаются. После появления промышленного Ethernet оказалось, что алгоритм STP позволяет искусственно вводить в сеть резервные ветви, которые, однако, не создают логических петель благодаря STP алгоритму. При отказе некоторых ветвей протокол STP выбирает новые сетевые маршруты, в которых участвуют зарезервированные ранее связи;
организация в сети физического кольца;
полное резервирование всей сети.
Первые два метода стандартизованы, вторые два являются нестандартными разработками фирм-производителей, и многие из них защищены патентами.
Теперь рассмотрим конкретные конфигурации сетей операторского уровня. На рис. 1 изображена резервированная конфигурация сети верхнего уровня, содержащая оптоволоконное кольцо для организации связи между контроллерами и серверами. Иногда это кольцо дублируется, что придает системе дополнительную отказоустойчивость.
ОСПД АСУ демонстрирует возможность контроля и управления турбинами, включая автоматический запуск/остановку, объединение энергетической системы, изменение скорости, автоматическое управление, обработку и тестирование данных, фиксирование ошибок и автоматическую защиту. Кроме того, показаны другие функции дистанционного управления ветряными турбинами, такие, как мониторинг в реальном времени, информационная статистика, оповещение, контроль скорости вращения и выработки энергии, отсрочка и параметры модификации.
Система состоит из полевого контроллера, центрального контроллера и коммуникационной сети. Ветряные турбины могут быть различного типа, поэтому коммуникации могут размещаться между двумя турбинами, между турбиной и контролирующим центром, а также внутри турбины.
Рисунок 2 Топология сети с резервированием на основе оптоволоконного кольца
3. Требования к сети
Данная ОСПД является типичной системой распределения. Необходимо, чтобы здесь было выстроено кольцо с использованием Industrial Ethernet-коммутаторов. Коммутаторы должны быть защищены от пыли, иметь широкий температурный режим, работать в условиях повышенного ЭМИ и стабильно передавать параметры.
Построение сети
В данной ОСПД применяются коммутаторы Kyland: SICOM3024, SICOM3000, KIEN1005. На базе коммутаторов SICOM3000 реализована отказоустойчивое оптическое кольцо с резервированием. Они располагаются в сети между ветряными турбинами или между турбиной и контрольным центром. Коммутаторы KIEN1005 располагаются внутри турбины. Коммутаторы 3 уровня SICOM3024 установлены в сети центральной диспетчерской и является ядром системы. Мониторинг и управление ОСПД осуществляется с помощью специализированного ПО Kyvision 3.0.
Резервирование неизбежно ведет к возникновению петлевидных участков сети - замкнутых маршрутов. Стандарт Ethernet, строго говоря, не допускает петлевидных топологий, так как это может привести к зацикливанию пакетов, особенно при широковещательной рассылке. Но и из этой ситуации есть выход. Современные коммутаторы, как правило, поддерживают дополнительный протокол (STP, IEEE 802.1d), который позволяет создавать петлевидные маршруты в сетях Ethernet. Например, у Kyland есть кольцевая технология DT-Ring и DT-Ring с поддержкой нескольких оптических колец.
Постоянно анализируя конфигурацию сети, STP автоматически выстраивает древовидную топологию, переводя избыточные коммуникационные линии в резерв. В случае нарушения целостности построенной таким образом сети (обрыв связи, например) STP в считанные секунды включает в работу необходимые резервные линии, восстанавливая древовидную структуры сети. Примечательно то, что этот протокол не требует первичной настройки и работает автоматически. Есть и более мощная разновидность данного протокола (RSTP, IEEE 802.1w), позволяющая снизить время перестройки сети вплоть до нескольких миллисекунд. Протоколы STP и RSTP позволяют создавать произвольное количество избыточных линий связи и являются обязательным функционалом для промышленных коммутаторов, применяемых в резервированных сетях.
Основные цели создания АСУ ТП на ТЭЦ
Обеспечение надежного и эффективного автоматизированного управления всем основным и вспомогательным оборудованием в нормальных, переходных, аварийных режимах работы;
Повышение надежности работы основного технологического и электротехнического оборудования, снижение риска тяжелых аварий;
Обеспечение эксплуатационного персонала достоверной, достаточной и своевременной оперативной информацией о протекании технологических процессов, состоянии тепломеханического и электротехнического оборудования, состоянии технических средств управления, представленной в удобной для восприятия форме;
Обеспечение информацией для анализа, оптимизации работы оборудования и планирования его ремонтов;
Улучшение условий труда эксплуатационного персонала.
4. Примеры внедрения
Липецкая ТЭЦ-2
Липецкая ТЭЦ-2 планомерно готовилась к реконструкции, в этой связи в конце 2008 года на ТЭЦ-2 была запущена единая сеть управления на базе оборудования Hirschmann.
Основой Industrial Ethernet сети ТЭЦ-2 является оптическое гигабитное отказоустойчивое кольцо HIPER-Ring, объединяющее все производственные и административные участки ТЭЦ-2,к которому в свою очередь подключались резервированные модульные коммутаторы для связи с уровнем управления.
Industrial Ethernet сеть на базе управляемых коммутаторов Hirschmann обеспечила надежную и бесперебойную работу трех существующих на тот момент энергоблоков, при этом, специалистами ЗАО "В-ЛЮКС" была заложена возможность легкого подключения к данной сети новых энергоблоков и возможность объединения сети ТЭЦ-2 с другими теплоэлектростанциями региона для создания современной электроэнергетической сети единого управления и контроля.
Выбор оборудования Hirschmann стал возможным благодаря лидерству компании в данной области, устойчивости выпускаемого оборудования к Электро-Магнитному Излучению (ЭМИ), стойкости к вибрациям и наличию сертификатов МЭК 61850-3, IEEE 1613.
ЗАО «Интертехэлектро»
Все оборудование системы телемеханики «Элтехника-КП» устанавливается на подстанции и состоит из набора многофункциональных интеллектуальных устройств, каждое из которых располагается внепосредственной близости от источника сигнала, а также из шкафа АСУ, который включает в себя контроллер КП (контролируемого телемеханического пункта) и оборудование для организации канала связи с диспетчерским пунктом (телемеханическим пунктом управления). Каждое многофункциональное интеллектуальное устройство, входящее в систему, содержит свой собственный микропроцессор и самостоятельно способно выполнять возложенные на него функции сбора, первичной обработки и управления, независимо от состояния всей системы телемеханики в целом. Система телемеханики «Элтехника-КП» строится по принципу пространственно-распределенного сбора телемеханических данных и управления, когда все многофункциональные интеллектуальные устройства подстанции своими цифровыми каналами связи соединены со шкафом АСУ. В качестве цифровых каналов связи внутри подстанции чаще всего используется сеть промышленного Ethernet или сеть промышленного интерфейса RS-485 с различными вариантами топологии: «общая шина», «звезда», «кольцо».
В 2010 году в ЗАО «Интертехэлектро» был внедрен промышленный Ethernet MGATE MB3480 (МОХА).
Тобольская ТЭЦ является ключевым поставщиком тепла и электричества для г.Тобольска, единственным производителем и поставщиком технологического пара для
Тобольского нефтехимического комбината. Оборудование: 3 турбины и одна на консервации, 8 энергетических котлов и 3 пиковых водогрейных котла. 100% топливного баланса станции составляет природный газ. Установленная мощность: электрическая - 452 МВТ, тепловая - 2414 Гкал/ч. Ведется установка приключенной турбины, что увеличит электрическую мощность станции еще на 200 МВТ.
Созданная на Тобольской ТЭЦ система релейной защиты масштабируема за счет возможности подключения нескольких терминалов к одному шлюзу. Количество подключаемых и передаваемых интеллектуальным шлюзом сигналов практически не ограничено.Реализованная на объекте система является тиражируемым решением. Сегодня система успешно внедрена на таких объектах энергетики и промышленности как Чебоксарские городские электрические сети, МП Теплосети (г. Чебоксары), Чебоксарская ГЭС, Воронежская ТЭЦ.
Вывод
Основной целью любого производственного предприятия является непрерывная работа и постоянная оптимизация для увеличения производительности и сокращения издержек. Внедрение Industrial Ethernet-технологий позволит полностью автоматизировать промышленные процессы и контролировать их работу, оперативно реагируя на любые изменения. Автоматизированные системы управления на базе промышленного Ethernet - это возможность ускорить работу предприятия, повысить его надежность, безопасность и прибыльность.
