Промышленные информационные сети и системы

Введение

Уже достаточно давно человек осознал, что доверяя механизму изготовления продукции, он экономит время, силы и уменьшает себестоимость изделия. И именно информационные технологии активизируют и эффективно используют информационные ресурсы общества (научные знания, открытия, изобретения, технологии, передовой опыт), что позволяет получить существенную экономию других видов ресурсов – сырья, энергии, полезных ископаемых, материалов и оборудования, людских ресурсов.

Что же такое информационные технологии? Это процессы, использующие совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (нового информационного продукта). Результатом развития технологии автоматизированной обработки и обмена информацией и одной из основных технических реализаций информационных систем явились информационные сети (ИС).

Каждое успешное предприятие постоянно сталкивается с расширением производства, а для повышения эффективности и автоматизации производства требуется создание внутренней телекоммуникационной (информационной) инфраструктуры – локальных вычислительных сетей (ЛВС).

Достаточно быстрое и агрессивное развитие ЛВС привело к тому, что различные предприятия решили интегрировать их в своё производство. Результатом явилось создание общей системы АСУ ТП (Автоматизированная система управления технологическим процессом), выполняющей функции дистанционного контроля и управления предприятием. Так, например, компания Volkswagen одной из первых создала локальную сеть между цехом сборки и складом с комплектующими материалами, что повысило эффективность трудоемких процессов. И в процессе создания этой сети появилось первое устройство промышленного Ethernet'а.

Так зародились предпосылки на создание и развитие специализированного сетевого оборудования работающего в сложных эксплуатационных условиях промышленного предприятия.

Что такое промышленные информационные системы и сети (ПрИС)?

Для ПрИС есть множество определений. Например, одно из них. ПрИС — это общая инфраструктура предприятия на базе информационных и сетевых технологий и однородных аппаратно-программных средств, в том числе встраиваемых, с возможностью работы в промышленных, энергетических, транспортных и нежилых объектах, обеспечивая функции передачи цифровых данных, включая видеоизображение, голос и т.п. Говоря проще, всё интеллектуальное оборудование, способное передавать информацию, для простоты использования объединяют в общую сеть (систему), с возможностью её настройки, управления и мониторинга. При этом следует помнить, что промышленные информационные системы отличаются от обычных систем в основном типом используемого оборудования, о чем пойдет речь ниже.

История развития

Внедрение Ethernet в промышленность произошло не сразу и, соответственно, не сразу появилось понятие Industrial Ethernet (IE). Первые системы автоматического управления строились на основе полевых шин. Более 30 лет различные компании, работающие над оборудованием для автоматизации, создавали свои полевые шины для связи оборудования. Это требовало уйму денег и времени. В середине 80-ых годов в Международной Электротехнической Комиссии началась разработка стандарта промышленной сети, который окончательно не утверждён до сих пор. Сегодня основным стандартом, описывающим IE, является IEC 61158.

Ethernet — самая распространённая сетевая технология, поэтому вполне логично распространение Ethernet в промышленные информационные системы, где он стал со временем вытеснять полевые шины с рынка промышленной автоматизации.

В таблице показано процентное соотношение использования различного оборудования в разные года, с момента создания сетевых технологий. Через дробь указано процентное значение в мире и в России.


Промышленное оборудование Офисное оборудование Полевые шины Сервисы
Данные Видео Голос АСУТП
1981 год 0% 1%/0% 99%/0% 0% 0% 0% 100%
1994 год 8%/0% 20%/5% 72%/95% 20% 5% 10% 65%
2002 год 45%/15% 25%/20% 30%/65% 35% 10% 15% 40%
2009 год 75%/35% 15%/20% 10%/45% 35% 15% 15% 35%

Проблемы и их решения

Прогресс не стоит не месте. И со временем сетевые инженеры начали сталкиваться с задачами, которые не могли быть решены при создании информационных систем с использованием обычного коммуникационного оборудования, предназначенного для офисного применения. Так были разработаны требования к промышленному сетевому оборудованию:

  • Высокое время наработки на отказ
  • Защита от пыли и влаги
  • Наличие резервируемого питания
  • Ударопрочность
  • Устойчивость к вибрации
  • Защита данных
  • Отсутствие движущихся частей
  • Поддержка протоколов резервирования
  • Наличие сигнального реле
  • Соответствие стандартам
  • Защита от ЭМИ

Принимая во внимание эти требования, все особенности промышленного оборудования можно разделить на три части: конструктивные особенности (аппаратная часть), технологические особенности (программная часть) и специфические сертификаты.

За прошедшие 15-20 лет появилось достаточное количество компаний, которые производят оборудование, соответствующие этим требованиям. Кроме того некоторые фирмы, производящие обычное офисное сетевое оборудование, расширили своё производство в направлении промышленного сетевого оборудования.

Описание основного оборудования

Значение слова "промышленный" в словосочетании "промышленный Ethernet" понимается в достаточно широком смысле. Подразумевается любое не-офисное применение, как то: энергетические предприятия (как генерирующие, так и передающие электроэнергию), нефтяные компании (добывающие и транспортирующие), транспортные магистрали и мосты, заводы, фабрики и т.д. То есть области с агрессивными средами, неподходящими для обычного "офисного" оборудования и/или нуждающееся в дополнительной надёжности.

Сетевое промышленное оборудование делится на несколько основных видов:

Коммутаторы

Коммутаторы служат для соединения сетевых устройств в одну сеть в рамках обозначенной территории.

Неуправляемые коммутаторы

Неуправляемые коммутаторы работают по стандартной схеме и не позволяют вносить изменения в схему и логику сети.

Управляемые коммутаторы

Управляемый коммутатор имеет возможность программирования, что позволяет настроить его параметры, что обеспечивает более высокую гибкость сети, поскольку коммутатор можно контролировать, настраивать локально или удалённо и, соответственно, управлять трафиком сети и доступом к ней.

Маршрутизаторы

Используются для объединения нескольких сетей. Маршрутизаторы анализируют данные, отправляемые по сети, изменяют метод упаковки данных и отправляют их в другую сеть или в другой тип сети по определенным маршрутам, которые изначально были запрограммированы оператором сети.

Маршрутизирующие коммутаторы

Маршрутизирующий коммутатор – это некий компромисс между маршрутизатором и коммутатором, когда от первого оставлены только основные функции, а пакеты обрабатываются в одном модуле. При этом процессы коммутации и маршрутизации логически распределены по уровням, т.е. сетевому и канальному (см. информацию по моделям OSI: https://ru.wikipedia.org/wiki/Cетевая_модель_OSI). Маршрутизирующий коммутатор позволяет при маршрутизации достичь уровня производительности и стоимости, прежде доступных только коммутаторам уровня 2. Он обеспечивает интегрированную обработку уровней 2 и 3, позволяя сетевым администраторам гибко разворачивать маршрутизацию и коммутацию по мере необходимости, используя одно устройство.

Медиаконвертеры

Медиаконвертер (другое название: преобразователь среды) – это устройство, преобразующее среду распространения сигнала из одного типа в другой. Чаще всего средой распространения сигнала являются медные провода и оптические кабели. Также средой распространения сигнала называют воздушную среду, хотя она таковой и не является, поскольку воздух не принимает непосредственного участия в распространении сигнала электромагнитных волн высокой частоты.

Промышленные компьютеры

Так называются устройства, имеющие функции обычного компьютера, которые способны обрабатывать и хранить информацию. Обычно хорошо защищённым корпусом, способны работать в экстремальных климатических условиях. Могут служить маршрутизатором, коммутатором и т. д., в зависимости от комплектации. Также в зависимости от комплектации могут иметь большой набор последовательных интерфейсов, выходы для видео и аудио. Кроме того некоторые модели имеют возможность использовать в качестве среды передачи данных беспроводные каналы различного типа.

Беспроводные устройства

Данная категория устройств включает в себя промышленные беспроводные точки доступа и промышленные беспроводные маршрутизаторы. Беспроводная точка доступа (англ. Wireless Access Point, WAP) — это беспроводная базовая станция, предназначенная для обеспечения беспроводного доступа к уже существующей сети (беспроводной или проводной) или создания новой беспроводной сети. Беспроводные маршрутизаторы совмещают в себе беспроводную точку доступа и роутер (маршрутизатор), что делает их оптимальными устройствами для организации различных сетей передачи данных. Промышленные беспроводные устройства имеют те же отличия от обычных бытовых, что и все остальное промышленное оборудование, а именно: спецефическую конструкцию и специализированное ПО. Что позволяет использовать их в сложных условиях эксплуатации и агрессивных средах. При этом в зависимости от требований они могут использовать совершенно различные типы среды передачи данных: WiFi, 3G, LTE и т.д.

Заключение

Итак, можно констатировать, что рынок промышленных сетей сформировался: существует большое предложение сетевых технологий, огромен спектр готовых изделий, постоянно ведутся работы по стандартизации как в рамках национальных, так и международных комитетов по стандартизации.

При выборе коммуникационной технологии можно руководствоваться количественными параметрами (объем передаваемых полезных данных, максимальная длина шины, допустимое число узлов на шине, помехозащищенность и др.), ценовым критерием (затраты в расчете на один узел), популярностью, эффективностью решения задачи, простотой конфигурирования и т. д. При этом улучшение одного параметра может привести к ухудшению другого. Поэтому при выборе того или иного протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности.