Евгений Петякшев, системный инженер Cisco
Понятие «промышленная автоматика», если заглянуть в Wikipedia, – это общее название разнообразных механических, электрических, пневматических, гидравлических и электронных устройств, которые применяются для автоматизации технологических процессов, дискретных, непрерывных и гибридных производств: ТЭЦ, конвейеров, станков с числовым программным управлением, промышленных роботов, зданий, а также транспортных средств и транспортной инфраструктуры, систем логистики. Это достаточно широкий класс систем, включающий в себя автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), АСУ технического обслуживания и ремонта (АСУТО и Р), системы оперативного диспетчерского управления (АСОДУ), коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) и пр. Существуют и традиционные компоненты – система видеонаблюдения, телефонии. Совместно с производственными задействуются различные ERP-системы (планирования ресурсов предприятия), системы контроля сырья, которые используют в своей работе обратные связи с системами промышленной автоматизации.
Относительно недавно единой средой транспорта между различными компонентами стала сеть Ethernet. Неоспоримыми плюсами ее использования являются широкая распространенность, скорость работы, высокая стандартизованность, наличие хорошо подготовленных специалистов, эксплуатирующих такие сети. Эволюция подходов к построению сетей на примере сетей АСУТП представлена ниже (рис. 1).
Традиционные сети строились с применением последовательных шин между контроллерами и устройствами, выполняющими производственную функцию. Возможности получать информацию для более высокоуровневых систем, например ERP, не было. Вторым этапом развития стало использование сетей на неуправляемых Ethernet-коммутаторах. Из плюсов – получение информации от устройств, выполняющих производственную функцию. Из минусов – невозможность управлять такой сетью и совмещать различные сети смежных систем в рамках одного коммутатора. Для каждой из систем автоматизации строилась отдельная сеть. Третий этап – использование управляемых коммутаторов, маршрутизаторов и других сетевых устройств с применением традиционных технологий сетей Ethernet, которые позволили избежать недостатков второго этапа. На текущий момент все производители систем автоматизации строят системы именно таким образом (в том числе Cisco совместно с компанией Rockwell разработала архитектуру построения промышленных сетей, целью которой является построение высокодоступной, отказоустойчивой, масштабируемой сети промышленного предприятия).
Для примера: чтобы использовать оборудование в кольцевых схемах, когда каждый из коммутаторов объединяется последовательно друг с другом, что является нормой для больших цехов предприятий, необходим протокол восстановления работоспособности сети, обеспечивающий детерминированное миллисекундное время восстановления в случае обрыва кольца. Стоит отметить: кольцевая топология является прямым примером петли в сети Ethernet, которой можно избежать с помощью протокола Spanning Tree (STP). Но возможности STP ограничены количеством устройств в кольце и продолжительностью сходимости, что недопустимо в промышленных сетях, тем более там, где требуется управление устройствами в реальном времени. В связи с тем, что требуется альтернатива STP, каждый производитель сетевого оборудования предлагает в кольцевых схемах использовать альтернативные протоколы. Протоколы восстановления у разных производителей несовместимы. Не стоит ожидать, что после установки в кольцо коммутаторов различных вендоров оно будет работоспособным. Международный союз электросвязи работает над стандартом работы сетей в кольцевых топологиях. На текущий момент это ITU G.8032. Недостатком стандарта пока является работа протокола исключительно на кольцевых схемах; стандарт реализуется только на аппаратном уровне и требует специализированных ASIC’ов.
Существует расширение архитектуры построения индустриальных сетей для технологии Ethernet/IP, которая основывается на открытом стандарте от ассоциации ODVA (Open DeviceNet Vendors Association). Протокол Ethernet/IP добавляет в стандартный Ethernet функции синхронизации, диагностической информации, своевременной доставки данных, что очень важно в работе промышленных систем, например роботов, где требуется четкая синхронизация в последовательности отдельных действий подвижных частей и сервоприводов в процессе выполнения операций производства. Сетевые устройства должны поддерживать функции синхронизации времени, отличные от традиционных, гарантирующих лишь миллисекундную точность. Протокол PTP (Precision Time Protocol), определенный стандартом IEEE 1588, служит для повышения такой точности до наносекунд! Дополнительно от сети требуется полноценная поддержка технологий QoS (Quality Of Service), чтобы высокоприоритетный трафик управления производственными системами обрабатывался без потерь, предпочтительно по отношению к остальному сетевому трафику.
Интеграция Ethernet в контроллеры и устройства, выполняющие промышленные функции, позволила «встроить» туда Ethernet-коммутатор. Наличие такого коммутатора и технологии Ethernet/IP дало возможность организовать подключение устройств без использования центрального коммутатора в виде линейных и кольцевых топологий. Последние называются DLR (Device-Level Ring) сети. Плюсами таких сетей являются простота внедрения, отказоустойчивость по отношению к единичному обрыву кольца, быстрое время восстановления. Для устройств, не поддерживающих Ethernet/IP-технологию, есть возможность использовать EtherNet/IP Copper Tap, EtherNet/IP Fiber Tap, которые содержат три порта, два из которых подключаются к линейной топологии, один – к устройству.
Стоит отметить, что зачастую на производстве работает персонал, в ответственность которого не входит обслуживание сетевого оборудования. В случае выхода последнего из строя очень важно иметь возможность быстрой замены такого устройства. Существуют технологии, позволяющие переносить все настройки и программное обеспечение со сбойного устройства на вновь установленное. Пример – технология Swap Drive, суть которой сводится к тому, что все настройки оборудования хранятся на отдельном надежном хранилище. Если по каким-либо причинам такое устройство выходит из строя, достаточно извлечь из него хранилище и поместить на вновь установленное устройство на замену вышедшего из строя, чтобы полностью восстановить всю конфигурацию. Такую процедуру достаточно оперативно могут выполнить сотрудники, не обладающие квалификацией сетевых специалистов. Совместно с правильным выбранным дизайном, технологиями, простотой эксплуатации, правильным выбором оборудования можно добиться 100%-ной работоспособности промышленных сетей.
Отдельно в архитектуре ставился вопрос о безопасности доступа в такой сети до устройств управления промышленными процессами, поскольку простой систем вследствие событий, связанных с безопасностью (вирусы, атаки, неправильное использование, злоумышленники), может повлечь за собой убытки для производства.
Контроллеры и устройства, выполняющие производственную функцию, подключаются к оборудованию, непосредственно установленному на производстве (рис. 2). Это может быть цех промышленного предприятия, транспорт, в том числе железные дороги, шахты, энергетика, помещения с перепадами температуры, влажности и прочие места, изначально не приспособленные для того, чтобы туда устанавливалось сложное сетевое оборудование. На такое сетевое оборудование накладываются определенные ограничения по конструктиву, возможностям эксплуатации и надежности. Оборудование должно проходить индустриальную сертификацию. Выбор оборудования для применения в тех или иных условиях должен основываться не только на его функционале, но и на сертификатах соответствия тем или иным стандартам. Из обычных требований можно выделить следующие: по конструктиву зачастую выбирается дизайн корпуса, который позволяет монтироваться на DIN-рейку; оборудование не должно содержать в корпусе отверстий для вентиляции, как и активных элементов вентиляции, чтобы в него не попадали пыль, влага; корпус и порты должны быть выполнены с использованием материалов, обладающих коррозионной стойкостью; оборудование должно иметь возможность электропитания от постоянного источника напряжения. Следует правильно выбирать сертификаты оборудования, подтверждающие его работоспособность в тех или иных условиях эксплуатации в зависимости от типа отрасли. Например, при эксплуатации сетевых устройств на промышленном предприятии необходимо обращать внимание на сертификаты, подтверждающие тестирование работоспособности в средах с высокими электромагнитными помехами, вибрациями, влажностью, расширенным диапазоном рабочих температур (EN/IEC 61000-6-2, EN/IEC 61000-6-4, EN/IEC 61326).
В случае использования на железнодорожных составах оборудование должно иметь сертификаты электротехники подвижных составов (EN50155, EN50121-3-2, EN50121-4).
В сети современного промышленного предприятия широко используют беспроводные сети, что позволяет избежать прокладки лишних кабелей и иметь доступ к сети там, где по тем или иным причинам невозможно организовать проводной доступ. Кроме того, обеспечивается возможность применять различные мобильные устройства. Так как беспроводная сеть обладает расширенным функционалом, на ее основе можно организовать системы телеметрии промышленных подвижных аггрегатов. Хороший пример – сеть телеметрии и определения координат грузовиков в карьере с открытой добычей на большой территории, построенная с учетом возможностей беспроводной сети передавать данные в реальном времени и достаточно точно позиционировать грузовики на интерактивной карте карьера. Постоянный контроль износа агрегатов дорогостоящих карьерных грузовиков позволяет существенно сократить количество аварийных ситуаций и процедур технического обслуживания, что в конечном итоге ведет к значительной экономии финансовых ресурсов.
В настоящее время широкое распространение получают системы удаленного управления средствами производства. Например, оператор экскаватора, получая видеоинформацию по сети, в том числе по беспроводной, имеет возможность удаленно манипулировать экскаватором с установленной системой управления. Сеть используется как транспорт и обратная связь. Это позволяет сократить количество рабочих смен и инцидентов на производстве, связанных со здоровьем людей.
Для использования на производстве к беспроводному оборудованию помимо требований и стандартов по исполнению (отсутствие внешних отверстий и активной вентиляции, требования к корпусу, влагостойкости и пр., перечисленное в рамках сетевых устройств для предприятий) добавляется требование к использованию беспроводного оборудования повышенной мощности. Если оборудование эксплуатируется вне помещений, необходимо получить разрешение на использование частот в ГКРЧ (Государственная комиссия по радиочастотам).
Современный подход к промышленной сети, на наш взгляд, предполагает ее мультисервисность – в целях повышения прибыльности предприятия и эффективности работы сотрудников. Для этого помимо систем автоматизации в сеть интегрируются системы мобильности, системы видео, в том числе видеонаблюдения, видеоконференций, системы удаленного управления и контроля. В связи с особенностями условий эксплуатации к сетевому оборудованию предъявляются дополнительные требования по функционалу, надежности и безопасности. Во избежание проблем, связанных с надежностью, отказоустойчивостью не только отдельных компонентов, но и системы в целом, следует корректно выбирать архитектуру построения промышленных сетей.
