Průmyslový Ethernet III: Fyzické provedení sítě Ethernet

Průmyslový Ethernet III: Fyzické provedení sítě Ethernet

komunikační systémy
Průmyslový Ethernet III:
Fyzické provedení sítě Ethernet
František Zezulka, Ondřej Hynčica
Třetí díl seriálu o průmyslovém Ethernetu pojednává o fyzickém provedení sítě
Ethernet. Porovnává její současné řešení pro kancelářské použití s ethernetovou
technikou pro použití v průmyslu. Zabývá
se dopadem topologie sítě na spolehlivost
přenosu a na schopnost práce v reálném
čase. Vysvětluje funkci jednotlivých komponent sítě, zejména rozbočovačů a přepínačů, a zabývá se pojmy jako autonegotiation, autosensing a autocrossing a významem těchto vlastností pro fungování sítě
Ethernet se zřetelem na průmyslové varianty Ethernetu. Závěrem jsou uvedeny
informace o konektorech a kabelech pro
průmyslový Ethernet.
1. Úvod
V pořadí třetí díl seriálu o průmyslovém
Ethernetu je věnován fyzickým vlastnostem
této techniky se zaměřením především na
ty varianty fyzických komponent sítě, které
jsou již používány v průmyslových úlohách.
Jak bylo uvedeno v úvodním dílu seriálu [5]
zabývajícím se historií Ethernetu, používá se
Ethernet pro průmyslové účely již od poloviny 80. let minulého století. Svá „dětská léta“
má tedy již dávno za sebou i fyzické provedení používaných komponent. Naproti tomu
však až na konci 90. let a zejména po roce
2000 nastal další posun směrem k úspěšnému použití v průmyslu, který vyvolal potřebu systematicky řešit průmyslové provedení komponent ethernetových sítí. Tento díl
si klade za úkol vybavit čtenáře základními
informacemi o Ethernetu, co se týče topologie vhodné pro sítě průmyslového Ethernetu,
fyzická rozhraní, konektory, kabely, rozbočovače a přepínače. Východiskem je postup projektanta při navrhování počítačové sítě.
2. Projektování sítí Ethernet
2.1 Návrh počítačové sítě
Fyzické provedení sítě Ethernet úzce souvisí s projektováním a uváděním do chodu
počítačových sítí jako takových. Jako každá počítačová síť prochází i síť typu průmyslového Ethernetu ve svém životě etapou přípravnou a vyhodnocovací, realizační a provozní. Tento díl seriálu podporuje především
první z nich.
Náplní přípravné etapy jsou úvahy a vy­
hodnocování prováděné s cílem vybrat me­
40
todu a prostředky k její realizaci vyhovující
danému účelu. V případě Ethernetu je tato
etapa zjednodušena, neboť jde o techniku
velmi rozšířenou jak v kancelářských, tak
v poslední době postupně i v průmyslových
V současnosti jsou k dispozici komponenty sítě Ethernet v široké škále provedení i cen.
Jde především o rozbočovače (hub) a přepínače (switch) pro průmyslové ethernetové sítě
dostupné v krytí vyžadovaném v těžkých provozních podmínkách průmyslu.
Tyto produkty se ovšem svým
pracovní stanice
provedením i cenou ostře liší od
komponent určených pro kancelářský Ethernet. Po technické
stránce je jiné především napájení (24 V DC pro průmyslové provedení a 230 V AC pro kancepřepínač
lářské sítě). Dále platí, že v průmyslovém prostředí se koncová
přepínač
přepínač
přepínač
zařízení musí obejít bez ventilátorů, pracují v nepřetržitém
režimu a zpravidla při vyšších
teplotách a musí být mechanicky
uzpůsobena k montáži na nosnou
lištu. Dále musí vykazovat velmi
krátkou přístupovou dobu, malou
programovatelné automaty (PLC)
časovou nejistotu (jitter) a někObr. 1. Liniová topologie (sběrnice, bus, daisy-chain)
teré další parametry, které jsou
v kancelářských sítích podružné.
Podívejme se, jaké má v tomto směru projekúlohách. V průmyslu však zatím v převážné míře šlo o použití v úrovních vyšších,
tant možnosti.
než je úroveň bezprostředního řízení (regulace technologických procesů). V současné
2.2 Architektura sítě
době Ethernet v důsledku velkého výkonu
V současnosti se komunikační sítě Ethera stále klesající ceny komponent proniká
net budují s použitím různých topologií. Jsou
(v průmyslovém provedení) i do nižších
to liniová to­pologie, hvězda, kruh, redunúrovní řízení a sběru dat, kde dosud byly
dominantní průmyslové sítě (typu fieldbus
dantní hvězda, zdvojený kruh a kombinoa nižší).
vaná topologie (např. hvězda, linie a kruh).
Z nich jsou principiální liniová
topologie, hvězda, kruh a zdvopracovní stanice
jený kruh [4].
pracovní stanice
Liniová topologie (sběrnice,
bus, daisy-chain) podle obr. 1 již není preferována vzhledem
k tomu, že výpadek libovolpracovní stanice
ného jednotlivého spoje vede
přepínač
k výpadku celé sítě, neboť segment sběrnice se rozpadne na
dvě části, mezi nimiž již ne­
existuje žádné spojení (to se
také označuje jako single point
přepínač
PLC
PLC
of failure). Výsledkem je výpadek komunikačního systému,
což může vést k velkým ekonoPLC
mickým ztrátám.
přepínač
PLC
Topologie hvězda (obr. 2) se
používá mnohem častěji, přestože chyba centrálního prvku
(přepínač) může také vést k sinObr. 2. Topologie hvězda
AUTOMA 6/2007
komunikační systémy
gle point of failure. Tomu lze zabránit jedině
redundancí na úrovni centrálního prvku.
Topologie fyzický kruh (ring) je principiálně ukázána na obr. 3. Jde o redundanci na úrovni spoje podle standardu IEEE
802.1D Spanning Tree. Podle tohoto standardu však dojde k automatické rekonfiguraci sítě v průběhu 45 až 60 s. Takto dlouhá doba je pro mnoho průmyslových úloh
nepřijatelná, neboť při výpadku komunikace na dobu delší než 5 s se jejich řídicí systém zpravidla rozpadá. Rychlejší variantou
této topologie je fyzický kruh se standardem
typu Fast Spanning Tree s povolenou dobou
obnovy komunikace do 1 s. Jde o standard
IEEE 802.1w. Nevýhodou tohoto řešení je,
že při přepnutí mohou nastat tyto nestandardní situace:
– datové pakety mohou být zdvojeny,
– může se změnit pořadí paketů,
– mohou vzniknout smyčky,
– v architektuře Fast Spanning Tree je povoleno maximálně sedm přepínačů v řadě,
– doba na přepnutí není definována a v nepříznivých případech může obnova komunikace trvat opět 45 až 60 s.
Topologie zdvojený kruh (obr. 4) poskytuje
ze všech uvedených principů nejvyšší stupeň
funkční pohotovosti. V této struktuře nedojde k výpadku sítě ani při současném výpadku většího počtu spojů (účastníků). Protože
zatím neexistuje žádný standard pro redundantní provedení komunikačních sítí pro průmyslové účely, někteří výrobci si vyvinuli
vlastní (proprietární) řešení. Jedním z nich je
např. redundantní síť Hiper-Ring firmy Hirschmann, předního výrobce komponent pro
průmyslový Ethernet. Standard Hiper-Ring
zaručuje zotavení sítě do 500 ms i při velkých
vzdálenostech mezi až 50 přepínači.
2.3 Rozbočovač (hub)
Rozbočovač propojuje účastníky připojené v rámci jedné kolizní domény (části sítě,
o kterou se připojení účastnici musí dělit, tj.
segmentu sítě s více než jedním účastníkem).
Rozbočovače pracují ve vrstvě 1 referenčního modelu ISO/OSI (viz např. [6]) a jsou
ve strukturované kabeláži s topologií hvězda jakousi variantou opakovačů (repeater)
používaných v liniové topologii původních
sítí Ethernet s koaxiálním kabelem jako přenosovým médiem. Signál přichází vstupním
portem do rozbočovače od jiného účastníka
sítě (rozbočovač, přepínač) a je upraven (zesílen) a předán na všechny výstupní porty. Proto na něm dochází jen k minimálnímu zpoždění. Naproti tomu rozbočovač není schopen
pakety směrovat do jednotlivých segmentů
sítě, nýbrž je předává vždy do celé domény,
kterou vytváří. Není také schopen odstraňovat poškozené pakety. Prostřednictvím rozbočovače může vždy vysílat jen jeden účastník
přenosu. Projektování sítě s rozbočovači je
proto náročnější a taková síť v ukazateli cena
k výkonu zaostává za sítí s přepínači.
AUTOMA 6/2007
ti. Poté ověří správnost přijatého
paketu podle kontrolního součtu
(CRC) a podle adresy příjemce
paketu (MAC address) směrují pakety jen do toho segmentu,
v němž se adresát zprávy nachápřepínač
zí. Některé přepínače starší generace (tzv. cut through switches)
přepínač
přepínač
přepínač
ukládají jen některé části paketu. U těchto přepínačů je zpráva uložena jen po dobu nutnou
k dekódování adresy. Potom je
paket co nejrychleji předán dál
přes příslušný výstupní port. Tyto
přepínače se již téměř nepoužívají. Pakety jsou na odpovídajíPLC
cí výstupní porty cíleně zasíláObr. 3. Topologie kruh
ny prostřednictvím tabulky adres
každého výstupního portu, v níž jsou adre2.4 Přepínač (switch)
sy zařízení dosažitelných přes tento port.
Jestliže přepínač dostane paket bez známé
2.4.1 Funkce
adresy, funguje jako rozbočovač, tj. pošle ho
Přepínače pracují ve vrstvě 2 (spojové),
na všechny výstupní porty. Jakmile dostane zpětnou zprávu od zařízení, které zaslaný
a to vesměs na principu store-and-forward,
uloží tedy každý přijatý paket ve své paměpaket přijalo, chová se jako učící se zařízepracovní stanice
Vlastnosti rozbočovačů a přepínačů v kostce [3]
Rozbočovač (hub):
– Rozbočovač je komponenta sítě pracující na fyzické vrstvě. Jejím úkolem je regenerovat
a přeposílat datové signály uvnitř jedné kolizní domény.
– Rozbočovače propojují komponenty kolizní domény. Jejich dosah je omezen na dosah kolizní
domény, tj. asi 4 500 m při přenosové rychlosti 10 Mb/s a asi 450 m při rychlosti 100 Mb/s.
– Rozbočovače převádějí přijaté pakety na všechny výstupní porty. Protože v rozbočovači
dochází jen k elektrické regeneraci a rozdělení datových signálů, jsou tak předávány dál
jak korektní, tak nekorektní pakety. Chybné pakety pak dále zatěžují celou síť.
– Protože rozbočovač převádí datové signály na všechny výstupní porty, lze síť diagnostikovat s použitím některého volného portu rozbočovače.
Přepínač (switch):
– Přepínač je komponenta na spojové (druhé) vrstvě podle jednotného modelu komunikace
(ISO/OSI). Je určen k regenerování signálu, k přezkoumání bezchybnosti paketu a k cílenému směrování paketů podle adresy MAC obsažené v paketu na odpovídající port. V síti
vystavěné na přepínačích nejsou ke komunikaci třeba žádné adresy IP (nutné pro vrstvu 3
komunikace, v níž se pakety směrují do dalších segmentů sítě).
– Přepínače propojují dvě i více kolizních domén. Jejich dosah je tedy větší než jedna kolizní doména (jak je tomu u rozbočovačů). Na základě přepínačů naopak lze vybudovat sítě
s dosahem stovek kilometrů. Maximální dosah sítě záleží jen na povoleném maximálním
zpoždění paketu mezi dvěma účastníky přenosu.
– Přepínače filtrují datový provoz podle adres MAC, čímž se dosáhne toho, že místní provoz
sítě zůstane skutečně místní. Přepínače směrují pakety na jednotlivé výstupní porty tak,
že do daného portu jsou směrovány zprávy jen pro účastníky připojeného segmentu sítě.
Za tím účelem se v přepínači automaticky vytváří tabulka adres MAC účastníků sítě.
– Přepínače omezují šíření chybných paketů. Ověřením kontrolního součtu v každém přenášeném paketu zabraňuje přepínač dalšímu šíření chybných paketů. Zabraňuje také rozšíření kolizí na další segmenty sítě.
– Přepínače zpracovávají pakety z různých segmentů sítě současně, tj. paralelně. Díky většímu počtu portů přepínač dynamicky současně ustavuje několik spojů mezi účastníky, popř.
segmenty sítě. Tím se dosahuje významně většího výkonu a rychlosti (datové propustnosti)
sítě. Přepínač ukládá pakety do vnitřní paměti jen tehdy, je-li nutné přenést na jeden výstupní port větší počet paketů. Z paměti jsou pak pakety postupně zasílány na daný port.
– Protože přepínač směruje pakety na porty podle adres MAC koncových účastníků, není
možné použít volný port k diagnostice sítě. Moderní přepínače mají zdvojený vstupní port,
k němuž lze připojit diagnostický přístroj.
41
komunikační systémy
ní a uloží takto získanou adresu do tabulky
kou výhodou mechanismů autonogotiation a
adres příslušného výstupního portu. Naoautosensing je to, že zajišťují bezproblémopak maže z tabulky portu adresy, na které
vou kompatibilitu s ethernetovými zařízenídelší (stanovenou) dobu nebyl poslán žádmi, která ještě autonegotiation nepodporují.
ný paket. Tak si přepínač udržuje informa2.4.4 Autocrossing
ci o adresách dostupných prostřednictvím
toho kterého portu. Přepínače také odstraKomunikace prostřednictvím kroucené
ňují poškozené pakety, neboť přezkoumávadvoulinky je provedena tak, že signály jdou
jí jejich korektnost. Tím vzrůstá
rychlost přenosu. Tím, že uklápracovní stanice
dá přicházející pakety, je přepínač schopen propojovat segmenty sítí s různou rychlostí přenosu.
Jedním přepínačem lze propojit
např. stanici na jednom segmentu
přepínače
s přenosovou rychlostí 100 Mb/s
v režimu plného duplexu se stanicemi na segmentu s rychlostí 10 Mb/s a polovičním duplexem. Aby bylo možné přepínači
propojovat segmenty sítí s různými pracovními režimy, musí
být porty přepínače schopny
automaticky se do těchto různých režimů přepínat. K tomu
se využívají mechanismy označované jako plný duplex/polovičPLC
ní duplex, autonegotiaton, autosensing a autocrossing.
Obr. 4. Topologie zdvojený kruh
2.4.2 Plný duplex, poloviční duplex
Pracovní režim plný duplex a poloviční duplex má původ v komunikaci mezi
dvěma body realizované buď jako plný
duplex (Full Duplex – FDX), nebo poloviční duplex (Half Duplex – HDX). V režimu
HDX se data v daném okamžiku předávají jednosměrně, v režimu FDX je provoz v síti v daném okamžiku obousměrný.
Plný duplex nemusí být realizován v celé
síti jednotně. Rozdílné režimy v jedné síti
jsou možné a často účelné. Například mezi
serverem a přepínačem je ustaveno spojení typu FDX stejně jako mezi přepínačem
a některými koncovými stanicemi, zatímco
mezi přepínačem a rozbočovačem je ustaveno spojení typu HDX.
2.4.3 Autonegotiaton, autosensing
Výraz Autonegotiaton je označení protokolu, který podporuje automatické přepínání mezi FDX a HDX na portech přepínače s připojením kroucenou dvoulinkou standardu Fast Ethernet (100 Mb/s). Protokol
autonegotiaton umožňuje automaticky ustavit ještě před příchodem prvního paketu pracovní režim přepínače pro danou konfiguraci sítě tak, aby zařízení byla kompatibilní.
Jakmile dva účastníci již začnou komunikovat, je tímto protokolem automaticky nastaven optimální režim přenosu. Tento mechanismus lze i vypnout, je-li třeba zajistit jiné
propojení uzlů. Autosensing je vlastnost koncových zařízení rozpoznat přenosovou rychlost (10 Mb/s nebo 100 Mb/s) na portech
s připojeným kroucenou dvoulinkou a podporovat mechanismus autonegotiation. Vel-
42
od vysílacího portu ethernetového přístroje do
přijímacího portu jiného přístroje. Rozhraní
koncových zařízení je specifikováno na propojení kroucenými páry a propojení konektorů je 1 : 1. Při propojení dvou přepínačů
ne­lze tento způsob použít, protože oba vysílací a oba přijímací porty jednoho přepínače
jsou navzájem propojeny, a proto se pro spojení dvou přepínačů použije jejich propojení
překříženým kabelem. Tato různá propojení jsou v praxi dostatečně barevně odlišena.
Moderní rozhraní pro kroucenou dvoulinku
jsou vybavena automatickými funkcemi. Tyto
funkce rozpoznají, jaký způsob propojení je
třeba pro daná zařízení použít, a odpovídajícím způsobem sama konfigurují daná rozhraní. Instalace sítě a případné záměny propojení
komponent jsou těmito mechanismy výrazně
zjednodušeny.
Z toho, co bylo v této kapitole řečeno,
vyplývá, že v nových instalacích se používají
přepínaná LAN
segment 2
především přepínače, neboť vykazují výrazné funkční schopnosti potřebné pro zavádění i provoz sítí LAN, včetně průmyslových
Ethernetů.
2.5 Porovnání přepínaného a sdíleného
Ethernetu
Názorně jsou přepínaný (tj. s použitím
přepínače – switch) a sdílený (s použití rozbočovače – hub ) Ethernet porovnány na obr. 5 a obr. 6. Zatímco obr. 5 poukazuje na rozdíly
ve fungování obou sítí typu LAN, na obr. 6 jsou porovnány jejich výkony.
Pro zásadní význam zařízení typu rozbočovače a přepínače pro činnost ethernetové sítě jsou jejich hlavní vlastnosti (a tím
i odlišnosti) vedle již uvedeného shrnuty ještě ve zvláštním textu v rámečku na předchozí straně.
3. Fyzické provedení ostatních
komponent průmyslového Ethernetu
3.1 Nejen topologie
Klasickou techniku Ethernetu ovšem po­
souvá směrem k použití v průmyslu nejen
topologie sítě. Aby bylo možné použít Ethernet v průmyslovém prostředí, musí nezbytně
být v průmyslovém provedení nejen rozbočovače a přepínače, ale také další komponenty ethernetových sítí, jmenovitě konektory,
kabely a kabelové trasy.
3.2 Konektory
Průmyslové konektory vhodné pro průmyslový Ethernet používané v současné době
jsou stručně uvedeny v tab. 1.
3.3 Kabely
3.3.1 Třídy odolnosti
Je zřejmé, že průmyslové prostředí klade
na kabely větší požadavky než kancelářské
prostředí na standardní síť Ethernet. Potřebné charakteristiky kabelů pro komunikaci
v průmyslu byly definovány koncem 80. let
minulého století v souvislosti s rozšířením
průmyslových komunikačních sítí. Evropská
sdílená LAN
segment 4
segment 2
rozbočovač
přepínač
segment 1
segment 4
LAN
LAN
segment 3
segment 1
segment 3
Obr. 5. Toky dat v přepínané a sdílené ethernetové síti typu LAN
Tab. 1. Ethernetové konektory do průmyslového prostředí [2]
Typ
M12-4
RJ45-IP67
RRJ45-IP67
Standard
IEC 61076-2-101-A1
IEC 61076-3-106 (varianta 01)
IEC 61076-3-106 (varianta 06)
Podporováno
ODVA, PNO
ODVA, PNO
IDA, Interbus-Club
AUTOMA 6/2007
komunikační systémy
organizace IAONA (Industrial Automation
Open Networking Alliance), která se donedávna zabývala především popularizací, šířením informací, doporučeními a kroky ke standardizaci průmyslového Ethernetu, specifikuje ve své publikaci Planning and Instalation
Guide for Industrial Ethernet [1] dvě třídy
kabelů pro průmyslový Ethernet [2].
pečím výbuchu nesmí tyto datové kabely být
v žádném případě zdrojem iniciace potenciálního výbuchu) a odolnost proti zvýšené
provozní teplotě v blízkosti strojů a dalších
zařízení. Dále musí být tyto kabely extrémně
odolné proti účinkům vibrací strojů a jejich
částí, na nichž jsou upevněny, a tudíž dimenzovány na extrémně velký počet ohybů i na
Tab. 2. Třídy kabelů do průmyslového prostředí a jejich vybrané charakteristiky [2]
Třída
Krytí
Provozní teplota
Rázy
Vibrace
Light Duty
Heavy Duty
IP20 podle IEC 60529, EN 60529
IP67 podle IEC 60529, EN 60529
0 až +55 °C
–20 až +65 °C
15 g/11 ms (IEC 60068-2-27, EN 60068-2-27)
5 g při 10 až 150 Hz (IEC 60068-2-27, EN 60068-2-27, krit. A)
Tab. 3. Metalické kabely podle specifikace IAONA
Určení
Kabely pro instalace
Spojovací kabely
Průřez jádra
AWG 24/1 až AWG 22/1
AWG 26/7 až AWG 24/7
Norma
EN 50288-2-1
EN 50288-2-2
Počet párů
2 nebo 4
Frekvenční rozsah
kategorie 5 (100 MHz)
Průměr kabelu (čtyři páry) 6 až 8,5 mm (Light Duty),
5 až 6 mm (Light Duty),
7 až 9,5 mm (Heavy Duty)
6 až 7 mm (Heavy Duty)
Materiál pláště
nespecifikován
Stínění
společné měděné stínění nebo fólie plus měděné stínění
Maximální délka kabelu
100 m
60 m, popř. 50 m pro spolehlivý přenos
Hořlavost
IEC 60332-1 (jednoduchá zkouška hořlavosti)
Tvorba solí
podle normy IEC 60754-2
působení krutu. Pláště kabelů musí odolávat
kyselinám, zásadám i ropným látkám (oleje,
paliva atd.). Kabely musí být provedeny tak,
aby jejich montáž byla snadná a co nejméně
zatěžovala uživatele. Některé z uvedených
vlastností jsou kvantifikovány v tab. 2.
Z hlediska dlouhodobého použití kabelu
pro průmyslový Ethernet je rozhodující provedení jeho pláště. Plášť musí ochránit jádro
kabelu před prachem, vlhkostí, agresivními kapalinami a předčasným zestárnutím, tj.
obecně zabránit ztrátě požadovaných vlastností jádra. Při volbě nejvhodnějšího provedení a materiálu pláště kabelu musí projektant sítě znát prostředí, v němž bude síť pracovat. V tabulkách zpracovaných organizací
IAONA jsou hodnoceny vybrané materiály
(FRNC, polyethylen, polyuretan a polyvinylchlorid) podle parametrů jako rozsah teplot, odolnost proti ultrafialovému záření, hořlavost, tvorba solí při hoření, odolnost proti
olejům, chemická odolnost, odolnost proti opotřebení otěrem, navlhavost, ohebnost
apod. Pláště z těchto materiálů jsou vhodné
jak pro metalické, tak i pro optické (světlovodné) kabely.
propustnost (Mb/s)
3.3.2 Metalické kabely
V tab. 3 jsou uvedeny doporučené vlastnosti metalických kabelů pro průmyslový Ethernet
podle [1], a to jak kabelů určených pro pevné instalace, tak pohyblivých kabelů určených
k připojení koncových zařízení
Třída Light Duty (IP20) obsahuje komv průmyslových provozech (při200
ponenty, které se musí instalovat do rozvápojovacích). Jde o kabely splňujíděčové skříně. Tato třída odpovídá požadavcí požadavky kladené na kabeláž
kům stupně krytí IP20, tj. zaručuje ochranu
kategorie 5, třída D, s mezní frekvencí 100 MHz, jichž lze dosáhpřed vniknutím pevných předmětů s rozměnout stíněným nebo nestíněným
rem 12,5 mm a větším a neposkytuje žádnou
ochranu před vlhkostí.
krouceným párem vodičů (kabel
Třída Heavy Duty (IP67) odpovídá poža­
typu SUTP, popř. UTP).
100
davkům na stupeň krytí IP67 a umožňuje
V současné době postačuje
použít jí odpovídající komponenty i v nejv průmyslovém prostředí uvetěžších podmínkách průmyslových provozů.
dená nižší rychlost Ethernetu,
40
Vzhledem ke krytí IP67 jsou komponenty
třebaže v kancelářském prostředokonale odolné proti vniknutí vlhkosti (krydí se používá rychlosti až o dva
20
10
tí IP67 znamená provedení zcela prachotěsné
řády vyšší, a to téměř výlučně
4
po kabelu typu SSTP, který je
a odolné proti dočasnému ponoření). Kabe10 Mb/s,
10 Mb/s,
10 Mb/s,
100 Mb/s,
100 Mb/s, 100 Mb/s,
sdílený
přepínaný přepínaný,
sdílený
přepínaný přepínaný,
láž provedená ve třídě Heavy Duty vykazupo párech stíněný. Bez ohledu na
plný duplex
plný duplex
dosud platné doporučení orgaje spolu s odolností proti vlhkosti také odoltyp sítě
nost proti elektromagnetickému rušení (tj.
nizace IAONA bude k dosažení
elektromagnetickou kompatibilitu – EMC),
gigabitových přenosových rychObr. 6. Ideální datová propustnost sítí na bázi přepínaného a sdíleného Ethernetu [3]
jiskrovou bezpečnost (v prostředí s nebezlostí tento typ kabelu v budoucnu nepochybně používán i v průTab. 4. Porovnání vlastností světlovodných a metalických kabelů pro průmyslový Ethernet
myslu. Pro kabel typu SSTP jsou mj. význačné:
Typ kabelu
POF/HCS
Skleněný světloMetalický vodič
vodič
– dvakrát lepší vlastnosti z hlediska EMC,
– cenová výhodnost,
EMC
velmi dobrá
špatná
– délka segmentu sítě až 125 m.
Galvanické oddělení
ano
ne
Riziko iniciace výbuchu
Malá hmotnost
Malý rádius ohybu
Snadná montáž
Velká šířka pásma
Útlum signálu
Ekonomika
AUTOMA 6/2007
ne
ano
ano
ano (nejlepší)
ne
malý
dobrá
ne
ne
ano (nejlepší)
největší
špatná
ano
ne
ano
ano
ano
velký
nejlepší
3.3.3 Světlovodné (optické) kabely
Ke konvenčním světlovodným kabelům
používaným v kancelářském prostředí je pro
účely průmyslového Ethernetu třeba přidat
ještě tyto dvě varianty:
– kabely s umělým světlovodným vláknem
SI-POF 980/1000 (plastové světlovodné
43
komunikační systémy
vlákno s jádrem z polymethylmethakrylátu a polyethylenovým obalem),
– vlákno typu HCS (Hard Clad Silica) v provedení S200/230 (silnovrstvý silikon s jednou plastovou vrstvou a jednou teflonovou
vrstvou),
které jsou obě velmi vhodné do průmyslového prostředí. Vykazují velkou odolnost proti mechanickému namáhání i zvýšené teplotě při relativně bezproblémové manipulaci na
místě samém.
V tab. 4 jsou porovnány vlastnosti metalických a optických kabelů vhodných pro
průmyslovou kabeláž. V případě optických
kabelů z plastu (Polymer Optical Fibre –
POF) a typu HCS lze vycházet ze zkušenosti s těmito kabely, které se prosadily v nepříznivém průmyslovém prostředí na strojích
a výrobních linkách při použití se sběrnicemi
Interbus a Profibus. Jejich jádro má sice poněkud větší průměr, avšak tam, kde dochází
k pravidelnému malému pohybu kabelů vůči
připojeným komponentám, jsou neocenitelné.
Samozřejmě je třeba vzít v úvahu jejich menší dosah a větší měrný útlum po délce. Pro
uvedené sběrnice se POF používá do vzdálenosti 70 m, zatímco pro průmyslový Ethernet jsou uváděna omezení délky segmentu ze
světlovodných kabelů na 50 m při rychlosti
10 Mb/s a 35 m při 100 Mb/s. Kabely s vlákny typu HCS se používají jako prodloužení
POF až do vzdálenosti 300 m.
Zatímco v případě metalických kabelů se
konektory ustálily na M12 a různých variantách RJ45 v provedení až do IP67, u konektorů pro propojení optických kabelů pro průmyslový Ethernet se na návrzích dosud intenzivně pracuje.
4. Závěr
V oblasti strukturované kabeláže se obě
hlavní oblasti použití Ethernetu – tj. kancelářská sféra a průmyslová sféra, postupně spojují dohromady. Je jasné, že požadavky na
strukturovanou kabeláž v oblasti první úrovně
řízení výrobních a zpracovatelských procesů
v průmyslu jsou výrazně vyšší, než vyžadují
vyšší úrovně řízení v hierarchické struktuře
podnikové sítě. Zdá se však, že např. v případě nových typů optických kabelů – POF
a HCS – má průmysl již k dispozici fyzické
médium pro zavedení průmyslového Ethernetu do nejtěžších provozů, a tím k vytvoření
jednotného komunikačního systému na bázi
průmyslového Ethernetu v celé hierarchické
struktuře podnikové sítě od úrovně senzorů
technologických veličin až po úrovně systémů řízení výroby (MES) a podniku (ERP).
Literatura:
[1] Industrial Ethernet. Planning and Instalation
Guide for Industrial Ethernet, Release 3.0.
IAONA e.V., March 2003.
[2]SCHMIDT, T. – HOERCHER, G.: Netzaufbau,
4.2 Kabel. SPS Magazin, 11/2002, s. 36–39.
[3]KASPER M.: Industrielle Netzwerkkomponenten (Switches/Hubs). SPS Magazin, 5+6/2003,
s. 38–41.
[4]SCHRAMM, T.: Netzaufbau, 4.1 Topologie.
SPS Magazin, 11/2002, s. 33–35.
[5]ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový
Ethernet I: Historický úvod. Automa, 2007,
roč. 13, č. 1, s. 41–43.
[6]ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový
Ethernet II: Referenční model ISO/OSI. Automa, 2007, roč. 13, č. 3, s. 86–90.
prof. Ing. František Zezulka, CSc.
([email protected]),
Ing. Ondřej Hynčica
([email protected]),
UAMT FEKT VUT v Brně
Seminář o protokolu LonWorks v Praze
V rámci světového turné vzdělávacích
Druhým přednášejícím na semináři byl
Alan Monahan Ph.D., který představil orgaseminářů a programu ověřování odborné cernizaci LonMark International, její aktivity,
tifikace se v Praze 3. května 2007 uskutečnil
seminář LonMark Sessions (obr. 1). Turné,
postup při certifikaci produktů a také uvejehož evropská část začala v dubnu v Talinu
dl ukázku z praxe: funkci systému založeného na LonWorks. Alan Monahan ve svém
a skončí v říjnu v Curychu, pořádá nezisková organizace LonMark International. Cílem
vystoupení zdůraznil, že posláním LonMark
této akce je propagovat energeticky
hospodárné a otevřené řešení automatizačních systémů založené na standardu ANS/CEA 709.1, který definuje základy protokolu LonWorks. Na
seminář byli pozváni odborníci zabývající se správou budov a nemovitostí, kteří zde byli seznámeni s výhodami otevřených integrovaných systémů
založených na tomto protokolu.
Jedním z největších sponzorů světového turné LonMark Sessions je
firma Schneider Electric. Její představitel Robert Šimčík na semináři
přiblížil, jak se tento protokol uplatňuje v soustavách vytápění, ventilace Obr. 1. Seminář Lonmark Sessions v pražském hotelu
a klimatizace v objektech v ČR. Firma Don Giovanni
Schneider Electric používá pro řízení
International je umožnit snadnou integrav budovách volně programovatelné řídicí podstanice Xenta. Příkladem úspěšného využití
ci systémů různých výrobců do jedné sítě
protokolu LonWorks je řídicí systém v areázaložené na protokolu LonWorks. LonMark
International má být fórem pro výměnu techlu Tipsport Arena v Liberci. Podstanice TAC
nických i obchodních informací. Organizace
Xenta zde řídí vytápění a přípravu teplé užitkové vody pro celý areál, včetně podlahovépořádá akce, na nichž mohou její členové preho vytápění.
zentovat své produkty a služby a také značku
44
LonMark. Členové pracují v šestnácti technických skupinách (Task Group – TG), které
jsou zaměřeny na konkrétní oblasti (automatizace budov, HVAC, zabezpečení, průmysl,
chlazení apod.).
V LonMark International jsou zavedeny
čtyři kategorie členství: sponzor, partner, přidružený člen (associate) a jednotlivec. Podle
kategorie se stanoví jak členský poplatek, tak
i práva členů. Sponzoři reprezentují výrobce, koncové uživatele, návrháře a integrátory
systémů. Jde o podniky s velkým vlivem na
vytváření trhu otevřených interoperabilních
produktů založených na technice LonWorks.
Podílejí se velkou měrou na financování organizace. Všichni sponzoři jsou členy správní
rady LonMark. Partneři zastupují výrobce
certifikovaných produktů, zatímco přidružení
členové zastupují společnosti a organizace,
které nevyrábějí certifikované produkty LonMark, ale používají je nebo je integrují, vyvíjejí a distribuují. Patří sem systémoví integrátoři, distributoři a vývojáři.
Jednotlivci zastupují koncové uživatele,
návrháře zařízení, konzultanty, neziskové
organizace, správní, vzdělávací a výzkumné instituce.
Závěrem semináře byly předvedeny ukázky funkce systému založeného na protokolu
LonWorks v praxi a uveden výpočet návratnosti investic v integrovaných systémech.
(ev)
AUTOMA 6/2007