Przejdź do głównej zawartości

Przejście do szybkości Gigabit: wymagania i przyszłe trendy w sieciach przemysłowych

Marco Reichenbacher

Niezawodna, szybka transmisja danych nie jest już tylko opcją. I przy większej ilości danych niż kiedykolwiek wcześniej, sieci przemysłowe muszą nadążyć za zmieniającymi się wymaganiami dotyczącymi przepustowości.

Wraz z napływem danych z inteligentnych maszyn, kiedyś podzielone światy IT i OT muszą przestrzegać podobnych standardów, aby działać bardziej efektywnie i osiągnąć te wymagania. Z powodu tej nieuniknionej zbieżności IT i OT oraz większego zapotrzebowania na płynną komunikację na wielu podłączonych urządzeniach, sieci będą wymagać coraz większej przepustowości. Nasz wniosek? Pełne sieci gigabitowe to standard przyszłości.

Obecnie potrzebna jest jedno-gigabitowa i 2,5 gigabitowa prędkość, ale wiemy, że prędkości 10 Gigabitów są tuż za rogiem. Podczas gdy obecne i przyszłe prędkości przesyłu danych będą miały wpływ na wiele sektorów, wykorzystamy przemysł motoryzacyjny jako doskonały przykład ilustrujący stopień zmiany, jaki musi nastąpić przy modernizacji sieci automatyzacji.


Wykorzystanie pełnej sieci Gigabit: aktualne i przyszłe wymagania
Pomiędzy rosnącym wykorzystaniem technologii opartych na sieci Ethernet i większą liczbą urządzeń podłączonych do sieci Ethernet ważna jest integracja wszystkich komponentów ze strukturą sieci. Sieci produkcyjne i firmowe muszą być płynnie zintegrowane w ramach tych samych standardów informatycznych i technologii komunikacyjnych. Takie dostosowanie jest podstawą digitalizacji procesów produkcyjnych. Standardy komunikacji bezprzewodowej również odgrywają kluczową rolę w wykorzystaniu potencjału tej integracji.

Aby poradzić sobie z rosnącymi złożonościami, nowoczesne sieci dzielą się na logiczne segmenty (lub warstwy) zorientowane na określone procesy produkcyjne. Dzięki temu są łatwiejsze w zarządzaniu. Hierarchiczny model sieciowy to trójwarstwowy model do projektowania sieci, który dzieli sieci na trzy warstwy: rdzeń, dystrybucję i dostęp. O ile IT zazwyczaj tylko "posiada" sieć Enterprise, mają one coraz większy wpływ na warstwy sieciowe, które zwykle są "własnością" OT.

Na potrzeby tego artykułu (i ze względu na moje doświadczenie w produkcji samochodów) użyjemy przykładu zakładu motoryzacyjnego. Zrozumienie, w jaki sposób trzy warstwy sieciowe są ze sobą powiązane i jak muszą się ze sobą komunikować w obrębie sieci, będzie ilustrować, jak ważne stało się pełne połączenie gigabitowe. W zależności od warstw sieci, których jesteś właścicielem lub na które masz wpływ, możesz przejść do odpowiedniej sekcji, aby przeczytać, jakie wyzwania lub trendy powinny znaleźć się na liście priorytetów w ciągu najbliższych kilku lat.

Rdzeń: kręgosłup komunikacji
Sieć szkieletowa zapewnia szybkie i wysoce redundantne usługi przesyłania. Przenosi pakiety między urządzeniami w warstwie dystrybucji do różnych regionów sieci. Urządzenia używane w warstwie rdzenia, takie jak przełączniki i routery, są zazwyczaj najpotężniejsze i zarządzają połączeniami o najwyższej szybkości. Warstwa Core skupia się na najszybszej i najbardziej niezawodnej transmisji pakietów danych i łączy sieć produkcyjną z siecią firmową.

Główne wymagania dla warstwy sieci bazowej i sposobu ich zmiany obejmują:

Przepustowość dla nadrzędnej sieci
Obecnie istnieje duża różnorodność danych rozprowadzanych w sieci komunikacyjnej. Przykłady obejmują przydziały pracy do maszyn, aktualizacje oprogramowania, dane wideo z systemów wizyjnych i wiele innych. Na tym poziomie komunikacji przepustowość jest bardzo wysoka i będzie nadal rosła wraz z rozwojem fabryk i dodawaniem komponentów do sieci. Przy większej przepustowości zapotrzebowanie na przepustowość dla przełączników na poziomie rdzenia wzrasta do 10 Gbit/s i więcej. Jednak przeskok do sieci 10 Gbit/s jest poważnym zobowiązaniem.
Podczas aktualizacji istnieją bardziej konserwatywne opcje, takie jak wdrożenie nowego standardu 2.5 Gbit/s, zgodnie z IEEE 802.3bz. To mniejsze przejście nadal umożliwia wyższe szybkości transmisji danych bez konieczności dokonywania nowych inwestycji. Ta aktualizacja działa jako pośredni etap przewodowej przepustowości sieci Ethernet na ścieżce do aktualizacji do pełnej sieci gigabitowej.

Niezależnie od tego, czy aktualizacja odbywa się przyrostowo, czy też następuje przeskok do pełnej prędkości gigabitowej, obie opcje stanowią ulepszenie w stosunku do obecnych standardów łączności bezprzewodowej. Łączność bezprzewodowa często opiera się na transferach o przepustowości 1 Gbit/s, co nakłada poważne ograniczenia na sieć.

Wysoka dostępność i redundancja
W dzisiejszych czasach sieci muszą być bardziej dostępne, aby zakłócenia w działaniu konkretnego komponentu nie powodowały niepożądanych przestojów. Większą dostępność można uzyskać dzięki mechanizmom redundancji:
·    MRP (Media Redundancy Protocol) i DLR (Device Level Ring) spełniają określone czasy przełączania
·    PRP (Parallel Redundancy Protocol) i HSR (High-Availability Seamless Redundancy) gwarantują czas transferu wynoszący zero milisekund
·    VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol) pozwala na redundantne połączenie z routera produkcyjnego do nadrzędnej sieci firmowej

W zakładzie samochodowym rozmiar i przepustowość sieci są decydującymi czynnikami przy rozważaniu tych protokołów i mechanizmów. Szybkości i dostępność sieci muszą rosnąć, aby sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym wydajności. W tym przypadku zastosowanie standardów IT, takich jak dynamiczny protokół routingu OSPF (Open-Shortest-Path-First) jest korzystne, szczególnie ze względu na lepszą skalowalność. Inne standardy IT, takie jak MPLS (Multiprotocol Label Switching), oferują rezerwację przepustowości dla różnych usług.
Wysoka dostępność oferowana przez standard TSN (Time-Sensitive Networking) będzie również coraz częściej wykorzystywana w produkcji w przyszłości.

Komunikacja w czasie rzeczywistym
Aby podłączyć programowalne kontrolery logiczne (PLC) do chmury lokalnej, informacje będą musiały być przesyłane w czasie rzeczywistym z poziomu Access (pole) do Core (szkieletu). Jednym ze sposobów umożliwienia przesyłania danych z trudnymi wymaganiami w czasie rzeczywistym i dołączania danych w tle jest technologia TSN, która jest w pełni kompatybilna z obecną siecią Ethernet.

Jeśli dane nie są przesyłane w ten sposób, prawdopodobnie wystąpią zakłócenia. Poparcie standardu TSN zostało wykazane, między innymi, przez wejście wielu znaczących firm automatyki do Grupy Zadaniowej TSN (IEEE 802.1), w tym Belden.

Dystrybucja: Łączenie komórek produkcyjnych z rdzeniem
Warstwa dystrybucja to "inteligentna" warstwa w modelu. W tym miejscu dane są filtrowane i kierowane. Zarządza się tutaj również jakością usług (QoS), oprócz pojedynczych połączeń WAN. Ten poziom sieci łączy każdą komórkę produkcyjną z maszynami w terenie. Poziom dystrybucji podlega znacznym zmianom technologicznym z powodu wirtualizacji mechanizmów kontrolnych aplikacji - procesu wprowadzonego przez przyjęcie nowych standardów Industrie 4.0.

Główne wymagania dotyczące warstwy sieci dystrybucyjnej i sposobu ich zmiany obejmują:

Zwiększenie wymagań przepustowości
Wymagania na tym poziomie dotyczące przepustowości nadal znacznie wzrastają. Wymagania te są napędzane przez te same czynniki, o których mowa powyżej w segmencie Core. Dzisiaj wciąż widzimy wiele sieci 1 Gigabit, ale 10 Gigabitów staje się standardem w hali produkcyjnej.

Elastyczna segmentacja dla ochrony sieci
Łączność komórek produkcyjnych wymaga segmentacji z kilku powodów. Po pierwsze, segmentacja pomaga ograniczyć skutki błędów sieci, awarii i cyberataków. Po drugie, podzielenie na łatwą do zarządzania liczbę uczestników automatyzacji zapewnia większą elastyczność maszyn.
Segmentacja odbywa się w warstwie 2 za pośrednictwem wirtualnych sieci lokalnych (VLAN). Wraz ze wzrostem liczby urządzeń IP w tym segmencie wzrasta również liczba sieci VLAN do łączenia urządzeń. Może to jednak prowadzić do burz transmisyjnych lub innych problemów z zalewaniem sieci. Aby rozwiązać ten problem, routing do warstw dostępu drastycznie zmniejsza wpływ awarii, wykorzystując wszystkie połączenia i tworząc konfigurowalne, dynamiczne środowisko sieciowe.
Bezpieczeństwo zwiększa się również dzięki użyciu zapór z ograniczeniami dostępu. Zwiększają bezpieczeństwo sieci w ogólnej architekturze sieci routingu. Jednak korzystanie z centralnej zapory nie jest wystarczające. Na poziomie komórki produkcyjnej zdecentralizowane podejście do bezpieczeństwa staje się coraz ważniejsze. Proaktywne rozwiązania do nadzoru bezpieczeństwa przemysłowego, które wykrywają anomalie w ruchu danych, pomagają zapewnić większe bezpieczeństwo.


Dostęp: komunikacja na poziomie podstawowym
Ten poziom sieci umożliwia komunikację między komputerami na poziomie podstawowym i pomaga urządzeniom końcowym w komórce produkcyjnej połączyć się ze sobą. Komunikacja na tym poziomie zmienia się znacząco, gdy wdrażane są standardy IIoT.

Główne wymagania dotyczące warstwy sieci dostępu i sposobu ich zmiany obejmują:

Komunikacja w czasie rzeczywistym
Potrzeba komunikacji w czasie rzeczywistym stale rośnie ze względu na rosnące wykorzystanie sieci PROFINET i EtherNet/IP do sterowania i łączenia maszyn. Co więcej, wzajemne połączenie urządzeń obiektowych z wirtualnymi urządzeniami sterującymi musi być obliczane z przesunięciem paradygmatu. Warunkiem tego jest użycie przełączników czasu rzeczywistego, opartych na nowych otwartych procesach standaryzacji, takich jak TSN, i opartych na istniejących protokołach komunikacji Ethernet.

Integracja maszyn z tymi samymi adresami IP
Wraz ze wzrostem rozpowszechnienia Ethernet w maszynach, urządzenia końcowe (takie jak urządzenia I/O w każdej maszynie) mają własne adresy IP. Wąskie gardła adresów IP mogą powstawać w procesie integracji tych maszyn poprzez dostęp do sieci w nadrzędnej sieci dystrybucyjnej. Korzystając z funkcji NAT w przełącznikach warstwy 3 lub firewallach routowanych, można uniknąć indywidualnej regulacji adresu IP, ponieważ translator NAT dokonuje ich translacji automatycznie. Zaletą jest to, że sieci mogą być identycznie ustalone, a następnie łatwiejsze w użyciu dla techników automatyki.

Odporny na trudne warunki
W komórkach produkcyjnych zespołów napędowych i nadwoziowych podzespoły są poddawane surowym warunkom. Od iskier spawalniczych do temperatur do 700 stopni, kable i części elektroniczne mogą łatwo ulec uszkodzeniu. W obszarze napędowym dużą rolę odgrywa odporność na oleje i chemikalia, a także odporność na wstrząsy i wibracje. W warsztacie samochodowym roboty są nawet czyszczone suchym lodem!

Wraz z tendencją do optymalizacji kosztów automatyzacji, napędy przenoszą części - takie jak przełączniki i moduły I/O - bliżej maszyny, co następnie eliminuje szafę sterowniczą. Z tego powodu widzimy większe wykorzystanie komponentów o stopniu ochrony IP65 lub wyższych, a także tych z technologią połączeń M12.

Bezprzerwowa, bezprzewodowa komunikacja
Korzystanie ze zautomatyzowanych pojazdów z kierownicą, wahadłowców magazynowych i zautomatyzowanych wózków widłowych jest coraz bardziej centralnym komponentem w zakresie dostaw materiałów w fabrykach motoryzacyjnych - i technologie te będą ważnym składnikiem przyszłych inicjatyw Industrie 4.0. Pojazdy te umożliwiają odpływ materiału od linii montażowej do elastycznej wyspy produkcyjnej. Bezprzewodowe połączenie LAN o wysokiej dostępności, które zapewnia szeroki zasięg przestrzenny i możliwość korzystania z roamingu bez przerw, jest niezbędne do spełnienia rosnących wymagań.

PRP, w połączeniu z bezprzewodową siecią LAN, oferuje również ciekawe rozwiązania do wyznaczania trendów. Wiele nowych wschodzących obszarów będzie polegać na zastosowaniu bezprzewodowej sieci LAN. Może to obejmować monitorowanie warunków w celu przesyłania sygnałów wideo lub monitorowania linii prasy. W ciągu najbliższych kilku lat spodziewamy się zobaczyć ponad 10 000 interfejsów bezprzewodowych w jednym zakładzie produkcyjnym! Doprowadzi to do dodatkowych wymagań w odniesieniu do skalowalności i przepustowości wykorzystywanej technologii bezprzewodowej.

Czy Twoja przemysłowa sieć produkcyjna jest w stanie zmierzyć się z większą przepustowością? Czy jesteś gotowy na przystosowanie się do prędkości gigabitowych? Na początek, dowiedz się więcej o tym, w jaki sposób technologia TSN pomoże IIoT i Industrie 4.0 w pełni wykorzystać swój potencjał w naszym raporcie: "TSN - Time Sensitive Networking" (w języku angielskim).

Jeśli masz jakiekolwiek pytania, wątpliwości czy uwagi, zapraszamy do kontaktu! Jesteśmy do dyspozycji od poniedziałku do piątku w godz. 8:00 – 16:00.
Tel: +48 32 256 25 33
E-mail: info@pf-electronic.pl

Komentarze

Popularne posty z tego bloga

TSN: Wielki krok naprzód w ewolucji Ethernetu ... i tu już dziś

Dr Oliver Kleineberg
Ethernet od prawie trzydziestu lat służy operatorom sieci i podczas gdy na przestrzeni lat bardzo się rozwinął, to najbardziej „rewolucyjny” skok ewolucyjny pojawia się dokładnie w tej chwili. Nowe ulepszenie technologii nosi nazwę "Time-Sensitive Networking (TSN)". Mimo że jego potężne funkcje zwiększające wartość są nadal sprawdzane (bardzo skutecznie!) w sieciach testowych i demonstracyjnych, operatorzy sieci w rzeczywistości mogą zacząć korzystać z tej technologii od razu.

Lubię myśleć o TSN jako "Ethernet Plus", ponieważ jest to nie tyle "nowy" protokół, co wzmocnienie Ethernetu. TSN stoi na barkach czegoś bardzo skutecznego i udanego, a czyni go jeszcze lepszym.
Połącz odmienne sieci w jedno - z gwarancjami dostawy i pełną interoperacyjnością Kluczową wartością - którą dodaje TSN do zastosowań przemysłowych, jest zdolność do ujednolicania sieci, które były z konieczności oddzielne w przeszłości, dzięki czemu użytkownicy mogą cieszyć…

Wskazówki dotyczące prawidłowego podłączenia kabla VFD

Peter Cox
Ilość napędów o zmiennej częstotliwości we współczesnych obiektach przemysłowych znacznie zwiększyła się w ostatnich latach. Nic dziwnego - regulując prędkość i napięcie silnika, aby sprostać zmieniającemu się w czasie rzeczywistym zapotrzebowaniu procesowemu, VFD pomagają zapewnić cenne korzyści, takie jak zwiększona energooszczędność, dokładniejsza kontrola procesu i mniejsze zużycie kosztownych urządzeń. Niestety, korzystanie z VFD nie zawsze jest tak proste, jak po prostu podłączenie urządzenia do sieci.
Aby dowiedzieć się więcej o zaletach kabla VFD, pobierz nasz bezpłatny raport "The Case for VFD Cable to Achieve System Reliability and Safety".

Podłączenie kabla VFD nie jest tym samym co podłączenie standardowego kabla. Istnieje wiele mylnych informacji i nieporozumień związanych z tym faktem i, świadomie lub nieświadomie, często użytkownicy idą na "skróty" w procesie instalacji. A to może spowodować poważne problemy w Twojej działalności. Oto kilka ws…

Pytania dotyczące wdrażania Industrial IoT? IIC ma odpowiedzi.

Jeff Lund
Industrial Internet Consortium (IIC) to globalna organizacja działająca na rzecz przyspieszenia pomyślnego wdrażania narzędzi Industrial Internet of Things (IIoT) w organizacjach wszelkiego rodzaju. Została założona w marcu 2014 r. na podstawie porozumienia między AT&T, Cisco, General Electric, IBM i Intel i obecnie ma ponad 260 członków zlokalizowanych w 30 krajach, a setki innych, nie będących członkami, korzysta z jego zasobów.
Według organizacji, jej misja polega na "dostarczaniu godnego zaufania IIoT, w którym systemy i urządzenia na świecie są bezpiecznie połączone i kontrolowane, aby zapewnić transformacyjne wyniki". Inny opis stwierdza, że ​​"IIC to otwarta, neutralna ‘piaskownica’, w której przemysł, środowisko akademickie i rząd spotykają się, by współpracować, wprowadzać innowacje i stwarzać odpowiednie warunki." Oba opisy są moim zdaniem bardzo trafne. Korzyści, które zapewnia IIC, są ogromne - organizacja zauważa, że ​​chociaż Internet przem…