15.
Ipari ETEHERNET
15.1. Fejlesztési célok Az ipari rendszerektől elvárt tulajdonságok részben különböznek az irodai rendszerektől. Az irodai rendszerekben általában nem elvárás a kiesés mentes üzem. Azokon a helyeken, ahol magas rendelkezésre állást várunk el, ott sem feltétlenül várjuk el a kiesés mentességet. Egy hálózat számára az évi 1 óra maximális kiesés meglehetősen szigorú (vannak ennél jóval szigorúbb elvárások is) előírás, de ez semmit nem mond arról, hogy ez a kiesés mikor következhet be. Egy ipari technológiánál általában évi több napot is állhat a rendszer (technológia karbantartása), de működő termelő berendezések mellett a hálózat néhányszor 10msec nagyságrendű kiesése is katasztrofális lehet (pl:egy kémiai lepárló torony nem maradhat vezérlés nélkül). Ezeket az elvárásokat korábban a Token-Ring vagy speciális ipari hálózati megoldásokkal fedték le. A vállat irányítási szint ma gyakorlatilag ETHERNET technológiára épül. Szükségessé vált olyan megoldások keresése, melyek lehetővé teszik a közvetlen kapcsolatot a technológiai hálózat és az irodai ETHERNET hálózatok között, megtartva a technológiai hálózatok redundáns tulajdonságait. A meglehetősen változatos kezdeti megoldások közül az „Ipari ETHERNET” vált egyeduralkodóvá. Az ETHERNET keret a mérési adatgyűjtési feladatoknál meglehetősen pazarló, hiszen a hasznos tartalom általában 2-4 bájt keretenként. A rosszabb hatásfokért cserében nem kell átalakítanunk a keretet, ha egy külső ETHERNET hálózatra csatlakozunk. A „pazarló” adatátviteli jellemzőket kompenzálja a nagy sebességű hálózat. Ha szükség van a hálózat kapacitásának jobb kihasználására, akkor a végberendezésen állítunk össze hosszabb adatblokkokat, és ezeket tesszük a hálózatra.
15.2. Elvi megoldás .Az ETHERNET hálózatokban a feszítőfás algoritmusok (IEEE802.1D, Spanning Tree) terjedtek el. Ipari hálózatoknál alkalmazott megoldás az „ETHERNET gyűrű”. Topológiailag valóban gyűrűs hálózatról van szó, de működés szempontjából egy nyitott, hurok mentes kapcsolat jön létre. A fizikai hurok megszakítása valamelyik port kimenetének tiltásával az RSTP (IEEE 802.1W) algoritmus feladata
15.1
ábra. Ipari ETHERNET hibátlan állapotban 247
Pandur Béla: Számítógép hálózatok 2013
15.2.1. Könnyen belátható, hogy a hálózat bármely pontján megszakítva az adatátviteli közeget, átkonfigurálható a rendszer úgy, hogy minden aktív eszköz működhessen tovább. Az átkonfigurálást az RSTP algoritmus vezérli. A konfigurációt nem kell feltétlenül csak a „legjobb útvonalat“ kereső algoritmusra bízni. A prioritások beállításával is van mód az üzemállapotok befolyásolására. A root eszközt általában meghatározzuk a tervezéskor, és a prioritások beállításával tudjuk elérni, hogy az RSTP algoritmus is ezt válassza root -nak.
15.2. ábra. Ipari ETHERNET egy szakadással Az ábrán hálózat átkonfigurálása után az eddig inaktív (piros) szegmensen keresztül van kapcsolat az aktív elemek között. Aktív eszköz meghibásodása esetén az arra csatlakozó készülékek nem érik el a hálózatot. Alternatív útvonalat kell létrehoznunk. 15.2.2 Az eszköz redundancia azt jelenti, hogy aktív eszközöket úgy rendezzük el, hogy meghibásodás esetén is minden végpont működőképes maradjon.
15.3. ábra. Eszköz-redundáns csatlakozás a hálózatra. A PLC két switch-re csatlakozik. Az aktív switch meghibásodása esetén a másik válik aktívvá. 248 Pandur Béla: Számítógép hálózatok 2013
Ha a másodlagos készülék hibásodik meg, akkor csak hibajelzés keletkezik, a működés változatlan marad.
15.4. ábra. Működés egy redundáns aktív elem meghibásodása után. Vegyük észre, hogy az aktív elem meghibásodása megszakította a hurkot is. A hálózat egy média hiba esetén már szétesik. Az aktív eszközök redundanciája mellett tehát célszerű biztosítanunk a médiaredundanciát is. Irodai rendszereknél a szerver oldal redundanciájával legtöbb esetben megelégszenek. A hálózat, és az aktív elemek nem hibatűrőek. Ipari rendszerekben többnyire a média redundanciát valósítják meg. Az aktív elemek redundáns beépítése csak a nagy megbízhatóságot igénylő iparágakban (erőmű, olajipar, repülés) szokásos. A média redundancia egyszerű esetben a kábelezés többszörösét jelenti, de jelentheti azt is, hogy más média típusra kapcsolunk át. Kábeles összeköttetés helyett pl. műholdas kommunikációra. Az ábrán egy ipari ETHERNET hálózat redundáns elemeit és kapcsolatait látjuk.
15.5. ábra. Eszköz és média redundáns hálózat 249 Pandur Béla: Számítógép hálózatok 2013
15.6. Eszköz és média redundáns hálózat média hibákkal Belátható, hogy a rendszer működőképes marad bármely aktív elem hibája esetén is, és többszörös kábelhiba sem okoz működés kiesést. A két hurok egyidejű megszakítása is csak néhány speciális esetben ( a szakaszra csatlakozó aktív elem egyidejű meghibásodásakor) okoz kiesést. A nagy megbízhatóságú hálózatok tervezése a gyakorlatban rendkívüli gondosságot kíván. Sokszor nehéz eldönteni, hogy az alkalmazott megoldásban a redundánsnak hitt rendszer valóban redundáns-e. A valóságban bekövetkező esemény nem egyszerre teszi-e tönkre valamennyi eszközünket. Az összekötő kábelhálózat nem egyszerre sérül-e, mivel azonos útvonalon, esetleg közös kábeltálcán van? Végig kell gondolnunk, hogy a villamos betáp hálózat állapotai hogyan hatnak a rendszerre. Hol okoz kiesést a rendszert érő villámcsapás, túlfeszültség? Mi történjen, ha életvédelmi okokból kapcsol le a hálózat? Mi történjen tűzjelzés esetén, stb…? Üzemben maradhatnak-e a szünetmentes tápok tűz esetén? Az elemek nem csak kétszerezhetők. Többszörös redundancia is építhető a rendszerekbe. A nagy utasszállító repülőgépeknél legalább 3 független BUSZ – rendszer köti össze a részegységeket.
250 Pandur Béla: Számítógép hálózatok 2013
15.3 Topológia A hálózat késleltetése, rekonfigurációs idő, kicsatolás külső ETHERNET hálózatok felé olyan tervezési szempontok, amelyek a topológiát befolyásolják. Pusztán józan megfontolás alapján belátható, hogy egy hálózat rekonfigurációs ideje függ a benne található elemek számától, és nagyobb elemszám több számítási lépést és időt igényel. Ha a hálózat kapcsolata redundáns a külső hálózattal, akkor ott is meg kell határoznunk a prioritásokat. Ha a kapcsolódó külső hálózatban vannak a szerverek, akkor a szerver elérés optimalizálása érdekében célszerű, hogy a szerverek elérése a legkevesebb aktív elemen való áthaladással történjen. Ez a feszítőfa algoritmusok tulajdonságait figyelembe véve azt jelenti, hogy a szervert a gyökér switch-re kell kapcsolnunk . Valójában ki kell kényszerítenünk, hogy a szerver csoport switch-e legyen a gyökér. Ha több szerver csoport van a hálózatban, és a topológia is összetett, akkor érdemes részletes forgalmi tervezést végezni.
15.7. ábra. Egy lehetséges elrendezés (Phoenix Contact modular switch) Az RSTP algoritmus hurokmentessé tette a hálózatot. Letiltotta az 1-4, 2-5, 3-4 útvonalakat. Az ábrán látható, mindent-mindennel összekötő hálózati topológia meglehetősen ritka. Az ipari hálózatokban 10-50 switch nem számít ritkaságnak, ahol a „teljes” topológia nem valósítható meg ésszerű korlátok mellett. A leggyakoribb a gyűrűs elrendezés:
15.8. ábra. Gyűrűs elrendezésű hálózat
251 Pandur Béla: Számítógép hálózatok 2013
Az RSTP algoritmus valahol „elvágja” a gyűrűt, megakadályozva a keretek végtelen körben járását. Ha nagyobb elemszámú a hálózat, akkor több gyűrűt hozunk létre:
15.9. ábra. A gyűrűk redundáns összekapcsolása (Phoenix Contact) A két gyűrű itt redundánsan van összekapcsolva. Ha a gyűrűk közötti kapcsolat nem redundáns, akkor előfordulhat komplett hálózati részek leszakadása egyszeres hiba esetén is. Az ipari megvalósításoknál egy-egy hurok általában a technológia egy meghatározott része, és redundánsan csatoljuk a szerver csoporthoz, vagy a következő folyamatirányítási szinthez.
252 Pandur Béla: Számítógép hálózatok 2013
15.10. ábra. Redundáns root létrehozása a prioritások beállításával. Az egyes kapcsolóknak prioritási számot adhatunk meg. A legmagasabb prioritást a „0” jelenti. A „0” prioritású eszköz lesz a root. A prioritási számnak a legtöbb gyártónál nem lehet tetszőleges értéket megadni, csak meghatározott lépésekben változtatható a prioritási szám. A root tartalékának a következő megadható prioritási számot kell választani (itt 4000). Default érték a példa szerinti hálózatban 32000. A defaultnál magasabb érték megadásával meghatározhatjuk azt a switch-et, aminek a környezetében az algoritmus megszakítja a hurkot. A szerverek felé a csatolás redundáns, mindkét szerver csatlakozik a root-ra és a tartalék rootra is. A két szervert a gyors szinkronizálás érdekében külön is összeköthetjük. Szerver-farm esetén a szervercsoport switch-ére csatlakoznak a hurokból kicsatoló ágak.
15.4 Gyors algoritmusok Ha követelmény a hálózat működésének minél gyorsabb helyreállítása, akkor korlátozhatjuk az elemek számát, és a lehetséges topológiákat is. A szokásos megkötés, hogy max 15 db switch lehet a hálózatban , vagy lehet ugyan maximum 255 db, de csak gyűrű topológiában(turbo ring, turbo chain). Ezekben a speciális esetekben 20msec alatti rekonfigurációs idők érhetők el. A gyártó cégek különböző speciális algoritmusokat dolgoztak ki, de jelentős törekvések vannak közös plattformok alkalmazására. Gyakorlatban a vegyipari rendszerekben, erőművekben (turbina felügyelet) lehet szükség a hálózatkiesés idejének nagyon alacsony értéken tartására.
253 Pandur Béla: Számítógép hálózatok 2013
15.5 VLAN (Virtual Local Area Network) létrehozása Számos esetben van szükség arra, hogy a hálózatban lévő eszközökből logikai csoportokat hozzunk létre. Ugyanakkor arra is szükség lehet, hogy a különböző logikai hálózathoz tartozó eszközök egy portot közösen elérjenek. Pl.: a hálózati eszközök időszinkronját biztosító protokollt (Network Time Protocol) futtató szervert minden eszköznek el kell érni. A gyártmányok nagy része lehetővé teszi, hogy egy switch portot egy vagy több virtuális hálózat részévé tegyünk. Ez nem jelenti azt, hogy a VLAN-ok között kapcsolat jön létre. A VLAN-ok közötti forgalom megvalósításához routerre, vagy hasonló, a 3. rétegben működő eszközre van szükség. Ugyanaz az infrastruktúra egy időben több VLAN-t is kiszolgálhat. A VLAN kezelést a switch–eken aktiválni kell. Alaphelyzetben a VLAN kezelés le van tiltva.
15.6. Fizikai megvalósítás Az ipari hálózatok általában mostoha körülmények között üzemelnek. A főbb környezeti hatások: széles hőmérséklet tartomány; csepegő víz, nyomás alatti víz behatolás; villamos zavarokkal terhelt erősáramú hálózat közelsége; bemeneteken, kimeneteken megjelenő túlfeszültség; villámcsapás, nagy elektromágneses terek hatása (Electromagnetic compatibility) mechanikus behatások (rázás, nagy gyorsulások); működés robbanásveszélyes környezetben; sterilizálás . Stb.. A működőképességen túl elvárjuk az eszközöktől, hogy a helyszínen könnyen diagnosztizálhatók legyenek. A hibás eszközök cseréje után a konfiguráció valamilyen hordozóról betölthető legyen az új eszközbe (kiesési idő csökkentése). A kábelcsatlakozók szerelésénél törekedni kell arra, hogy műhely körülmények között kerüljenek kialakításra. Emellett biztosítani kell, hogy szükség esetén lehetőleg speciális szerszám nélkül, gyorsan tudjunk javítani. A következő ábrák egy tömített, IP67 előírásoknak megfelelő ETHERNET csatlakozó szerszám nélküli szerelését láthatjuk (külső burkolat nélkül,Phoenix Contact):
15.11. ábra. RJ-45 csatlakozó szerelése szerszám nélkül. 254 Pandur Béla: Számítógép hálózatok 2013
15.12. ábra. IP67 tokozású RJ-45 (ETHERNET) és M12 (PROFINET) csatlakozók
255 Pandur Béla: Számítógép hálózatok 2013
