Industrijski Ethernet je ime koje se koristi u upotrebi Ethernet protokola u industrijskom okruženju, a vezan je za procese automatizacije industrijskih postrojenja. Ethernet posebno veliku popularnost doživljava od kada ga je međunarodna organizacija IEEE standardizovala 1985. godine. Tako je Ethernet postao svetski LAN standard, poznat pod imenom IEEE 802.3. Ubrzo posle toga, usvojen je i od strane Međunarodne organizacije za standardizaciju – ISO (ISO 8802.3 standard).


Umrežavanje industrijskih postrojenja je veoma važna tema kao i potreba koja se neizbežno nameće u modernoj automatizaciji. Po uzoru na mreže u kancelarijskim okruženjima, Ethernet mreže se sada okreću ka industrijskom okruženju i počinju da smenjuju standarde kao što je Profibus. Da bi se uštedelo na troškovima instalacije i da bi se povećala fleksibilnost u umrežavanju, IEEE 802.3af standard je uveo i omogućio zajednički transmisiju kako podataka tako i napajanja kroz mrežu. To znači da je od sada dovoljan običan LAN kabl umesto jednog kabla za transmisiju podataka i jednog za napajanje. PoE (Power Over Ethernet) se može koristiti i kao redudantno napajanje za switch-eve da bi se izbegao zastoj u slučaju otkaza jednog izvora napajanja ili mehaničkog oštećenja kabla za napajanje. PoE se može koristiti u četvorožičnim ili u osmožičnim mrežama. Samo „phantom power“ se može koristiti u četvorožičnim mrežama, dok se kod osmožičnih može koristiti i „phantom“ i „spare-pair power“.
Definisane su dve vrste uređaja:

  • Power over Ethernet PSE (Power Sourcing Equipment) – uređaj se ponaša kao izvor napajanja i snabdeva PoE PD uređaje strujom kroz kabl rezervisan za protok podataka.
  • Power over Ethernet PD (Powered Device) – uređaj se snabdeva strujom od strane PoE PSE uređaja kroz kabl rezervisan za protok podataka.

PSE uređaji su sposobni da testiraju uređaje konektovane u mrežu  da bi se inkompatibilni uređaji zaštitili od oštećenja. Dakle, samo uređaji koji imaju karakteristike zasnovane na standardu IEEE 802.3af su sposobni da primaju struju od PSE uređaja. Naime, princip je taj da se propušta testna struja i posmatra se karakteristična otpornost uređaja ka kojem je struja upućena. Karakteristična otpornost PD uređaja se po standardu IEEE 802.3af mora kretati u opsegu od 19k do 26,5k, a ukoliko se u fazi testiranja utvrdi da je registrovana otpornost izvan tog opsega, tada se konstatuje da nije reč o PD uređaju i taj uređaj neće dobijati napajanje kroz kabl za protok podataka.

Kada PSE detektuje PD uređaj otpočinje proces klasifikacije PD uređaja kako bi se on uvrstio u jednu od pet „power class“ kategorija. Ovo funkcioniše tako što PSE dodeljuje detektovanom PD uređaju (tj. njegovom PI – Power Interface) unapred predefinisani napon a meri se povratna struja koja svojom vrednošću određuje „ power class“ kategoriju.

Firma TIPTEH iz Beograda je jedina u Srbiji ovlašćena da distribuira i daje podršku za proizvode nemačkog proizvođača HIRSCHMANN koji je kao globalni lider u oblasti proizvodnje opreme vezane za industrijski Ethernet prvi započeo razvoj i implementaciju PoE tehnologije, koja je dostupna u sledećim varijantama:
-OCTOPUS IP 67 –  prva PoE  razvodna kutija u IP67 zaštiti
-MACH4000 backbone switch (može imati do 32 PoE porta (max 100W))
-MACH1000 19” switch specijalizovan za funkcionisanje u ekstremno nepovoljnim uslovima
-Modular MICE Switches
-PowerMICE Layer 3 switches
-Compact OpenRail switches

Razmatranje prednosti korišćenja ring struktura u ethernet mrežama

Mreže koje opslužuju industrijsko upravljanje i automatizaciju, zbog važnosti prvilnog funkcionisanja, neosetnjivosti na mehanička i druga oštećenja i smetnje, po pravilu moraju imati topologiju koja se razlikuje od klasične „zvezda“ topologije, gde običan višeportni switch ostvaruje „point-to-point“ link ka ostalim čvorovima u mreži. Za razliku od ovog široko primenjenog principa u kancelarijskom okruženju, u industriji se koristi tzv. RING topologija a glavni razlozi za to su redudantni linkovi za prenos podataka, pojednostavljivanje u projektovanju i implementaciji i ušteda u samom kabliranju.

Funkcionisanje ring ethernet strukture

Za razliku od token-ring mreža, koje su bazirane na IEEE 802.3 standardu, gde svaka stvarna ring struktura prouzrokuje multipliciranje poslatih paketa podataka koji se vrte u beskonačnoj petlji i na taj način degradiraju propusnu moć mreže i njenu efikasnost, proizvođači opreme i davaoci usluga umrežavanja kreirali su sopstvena rešenja koja još uvek ne podležu nekom zajedničkom standardu ali su široko primenjeni zbog prednosti koje uvode u organizaciju mreže. Najstandardniji protokoli u organizaciji RING struktura su Spanning Tree Protocol (STP) koji je definisan standardom IEEE 802.1d i Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) i to su protokoli koji se najviše koriste u kancelarijskim okruženjima, dok je protokol HIPER RING (Hirschmann Performance Redudancy Ring) nemačkog proizvođača HIRSCHMANN, specijalno prilagođen za aplikacije industrijske automatizacije jer pomoću više nivoa redudancije garantuje pravilno i bezbedno funkcionisanje mreže, sa najkraćim vremenom prepoznavanja defekata u mreži.

STP funkcioniše tako što se blokiraju duplicirani linkovi u mreži da bi između bilo koja dva čvora u mreži bio funkcionalan samo jedan link. Sledeća slika ilustruje funkcionisanje STP-a:

Redudanciju u mreži obezbeđuje rezervna putanja koja se automatski aktivira ukoliko se neka od primarnih prekine. Na primeru sa slike postoji ring petlja izmađu linkova 2,3,4 i 5. STP protokol će odmah po prepoznavanju petlje blokirati jedan link, u ovom slučaju link 4. Ako bilo koji od linkova 2,3 ili 5 iznenada prestane da funkcioniše iz bilo kog razloga, protokol će odmah odreagovati aktivacijom prethodno blokiranog linka 4 i mreža će nastaviti nesmetano da radi.

STP kontroliše rad mreže i svakog switch-a ponaosob kroz praćenje regularnosti razmene informacije o statusu mreže. Ova informacija se prenosi u specijalnim data paketima nazvanim Bridge Protocol Data Units (BDUs) identifikovanim Ethernet multicast adresom 01:80:C2:00:00:00.

Protokol izvršava sledeća tri zadatka:
-izbor glavnog „root“ switcha,
-iznalaženje svih mogućih putanja do root switcha i odabir najoptimalnije putanje,
-blokiranje svih ostalih putanja.

Root switch se bira ili manualno ili pomoću jedinstvenog Bridge Identification (BID). BID je grupa unapred dodeljenih rednih brojeva po prioritetima switcheva (od 0 do 65535) zajedno sa MAC adresama. Switch kome je dodeljen najniži nivo prioriteta biće automatski odabran kao root switch i samim tim on će biti prepoznat kao „centar“ mreže. Posle toga će svaki switch ponaosob tražiti sve moguće putanje ka root switchu i odabrati najoptimalniju, a sve ostale putanje će biti blokirane.

Kada je mreža konfigurisana na pomenuti način i prilikom ponovnog puštanja mreže u rad ona ne počinje odmah da radi istim putanjama po inerciji već procesuira niz BDUs da bi proverila topologiju mreže i ,ukoliko je potrebno, da kofiguriše novu topologiju (Listening State). Zatim se, pre nego portovi krenu da šalju pakete podataka, odvija proces učenja izvorišnih (source) adresa od dolazećih paketa i ažurira se Forwarding tabela (Learning State). Sledeći je proces blokiranja putanja koje čine zatvorenu petlju (Blocking State). Kada započne normalno slanje i primanje paketa podataka STP i dalje vrši monitoring pomoću BDUs i na taj način traži zatvorene petlje (Forwarding State). Ukoliko postoji potreba bilo koji port se može manualno blokirati (Disabled State). Sledeća slika ilustruje čitav proces:

Pomenuti STP protokol je Layer 2 protokol i zahteva da ga svi switchevi u mreži podržavaju. Jedan od nedostataka STP protokola može biti tzv. switchover time tj. vreme za koje protokol prepozna prekid linka i aktivira redudantni link. Za aplikacije gde je neophodno da to vreme bude što  kraće koristi se protokol RSTP  po standardu IEEE 802.1w. Protokol koji je u ovoj oblasti najnapredniji je takozvani HIPER RING protokol čija je pouzdanost rada potpuno nezavisna od broja switch-eva u ringu za razliku od RSTP kod koga su pouzdanost rada mreže (tzv. down time) i broj upotrebljenih switcheva usko vezani. Takođe, switchover time se kod HIPER RING-a drastično smanjuje jer protokol funkcioniše tako što se od jednog switcha u ringu šalju watchdog data paketi svakih 100ms u oba smera u mreži i ukoliko se neki od paketa izgubi, mreža tu nepravilnost prepoznaje i automatski aktivira pasivni link:

Ovo je razlog zbog kojeg firme koje su lideri u proizvodnji opreme za opsluživanje industrijskog Etherneta užurbano svoje proizvode prilagođavaju HIPER RING protokolu, a prva kompanija koja je prešla na taj protokol je HIRSCHMANN koja je i autor ovog protokola. Glavni razlog zašto HIPER RING preuzima primat u industriji je taj što je kod STP-a switchover time 30 sekundi, kod RSTP-a 2 sekunde, a kod HIPER RING-a to vreme iznosi najviše 500ms. Ovaj switchover time garantuje kompanija HIRSCHMANN za ukupno do 50 switcheva u mreži. Kolika je ovo prednost ilustruje primer da prilikom primene optičkog vlakna koje može povezati dva switcha do udaljenosti od 90km, a ukoliko je 50 switcheva u mreži, može se obezbediti switchover time od 500ms na mreži koja pokriva 3000km.

Pošto se mreža uglavnom sastoji od nekoliko  autonomnih podsistema, od kojih se svaki zasniva na HIPER RING-u, preporuka je da se napravi HIPER RING struktura i između tih podsistema kao celina da bi se obezbedio još jedan vid redudancije (kao što je prikazano na slici koja sledi):

Još jedan vid povećanja pouzdanosti mreže je redudantna konekcija između svaka dva povezana switch-a koja se naziva „link agregation“. Naime, svaka dva switcha se povezuju sa dva zasebna kabla (bakarna ili fiberoptička) tako da se povećava pouzdanost rada mreže, jer iako se jedan link mehanički ili na bilo koji drugi način ošteti i prestane da bude funkcionalan postoli rezervna konekcija, a ukoliko i ona zataji HIPER RING budi redudantni link koji je prethodno bio u stanju blokade, tako da je na ovaj način postignuta vrhunska bezbednost funkcionalnosti mreže, jer ne postoji samo jedan rezervni put već njih ima više u zavisnosti od topologije mreže i broja podsistema.

HIRSCHMANN-ovi switchevi su već dokazani  u aplikacijama gde su primenjene ring strukture. Ono po čemu se ovaj proizvođač izdvaja je da pored redudantnih linkova koji se mogu obezbediti primenom njihovih layer 2 switcheva, ovi switchevi imaju i redudantna napajanja, prošireni funkcionalni temperaturni opseg, veliku otpornost na elektromagnetne smetnje, kao i veoma robusna kućišta koja mogu biti i u IP67 zaštiti, tako da predstavljaju veoma pouzdano i logično rešenje za rešavanje aplikacija u industrijskim aplikacijama. Takođe je u ponudi i čitava paleta opreme za opsluživanje industrijskog etherneta koja je sertifikovana za finkcionisanje i u eksplozivnim zonama.

Tekst: Mileta Vračar, dipl. inž.


Više informacija: Tipteh d.o.o., Bulevar Zorana Ðinđića 45D, lokal 18, 11070 Novi Beograd, Tel/Fax: 011 31 31 057, 011 30 18 326, 011 30 18 327, http://www. tipteh.rs

Follow me