Sběr dat (někdy zkráceně označovaný jako DAQ nebo DAS) je proces, při kterém jsou události reálného světa převáděny na strojově čitelné signály. Typicky to zahrnuje měření stavu signálů a jejich průběhů a následné zpracování. Získaná data jsou analyzována a ukládána na počítači pomocí specializovaného softwaru.
Různé typy síťových topologií
Infrastruktura průmyslové ethernetové sítě je složena z aktivních prvků. Převážně se jedná o přepínače. Představte si tuto síť jako systémovou sběrnici, která je sice samostatná, ale trvale připojena k hlavní IT síti. Pro připojení technologických zařízení se používají hvězdicové, stromové, řetězové nebo kruhové topologie sítě. Tyto topologie jsou zobrazeny na následujících schématech:
Obr. 1: Hvězdicová topologie
Obr. 2: Stromová topologie
Obr. 3: Řetězová topologie
Obr. 4: Kruhová topologie
Proč je Ethernet výhodný jako síť pro sběr dat
Ethernetová infrastruktura je dnes z důvodu své všestrannosti široce používána v průmyslových aplikacích při automatizaci, řízení a monitorování. Ethernetová infrastruktura podporuje různé komunikační protokoly, což umožňuje propojení systémů od různých výrobců. Průmyslový Ethernet ale nabízí víc než jen propojení zařízení. Jedná se síť s velkou datovou propustností a možnosti komunikovat na velké vzdálenosti.
Je důležité si uvědomit, že prvky pro průmyslový Ethernet musí být speciálně navrženy pro práci v náročných podmínkách s působením extrémních teplot, velké vlhkosti a vibrací přesahujícími běžné možnosti IT zařízení.
Tradiční sběr dat
Sběr dat v podobě průběhů analogových signálů nebo stavů digitálních signálů byl výrazně vylepšen ethernetovou technologií. V tradičních sítích pro sběr dat musí být použit řídicí systém (PC nebo PLC) pro propojení snímačů a SCADA systémů. Tento druh zapojení označujeme jako centralizovaný.
Sběr dat se sítí Ethernet
Ethernet umožňuje větší decentralizaci systémů a také jejich vzdálené monitorování. Kromě toho může být toto řešení výkonnější, protože celkový výkon může být rozdělen mezi více řídicích systémů a taky je flexibilnější, protože snímače nemusí být připojeny ke konkrétnímu řídicímu systému.
Obr. 5: Srovnání centralizovaného systému a distribuovaného systému s možností vzdáleného monitorování
Řetězová topologie ethernetové sítě je nyní nejpoužívanější topologií v průmyslové automatizaci. V tomto případě jsou kabelové segmenty použity k vzájemnému propojení jednotlivých zařízení.
Výhody ethernetu s řetězovou topologií pro sběr dat
Nejlepším přístupem při stavbě distribuovaných ethernetových systémů pro sběr dat je vytvoření sběrnice se zařízeními s řetězovou topologií. U ethernetu s řetězovou topologií nejsou potřeba žádné externí přepínače. Nutná jsou pouze zařízení s duálním přepínaným ethernetovým portem. Tyto dva porty jsou potřebné pro připojení ke dvěma sousedním zařízením. Tento přístup má dvě výhody:
1. vzdálenost mezi zařízeními může být větší a náklady na provoz jsou nižší
Běžná hvězdicová topologie je rozložena kolem jednoho centrálního bodu. V tomto případě je vzdálenost připojených zařízení, snímačů, eventuelně dalších přepínačů omezena. Mimo složitější diagnostiky je tato topologie náročnější na množství kabelů, výžaduje delší čas pro instalaci a je celkově nákladnější
Obr. 6: Při použití externích přepínačů je vzdálenost zařízení limitovaná a je potřeba mnoho souběžných kabelů.
U řetězové topologie mají jednotlivá zařízení vestavěný ethernetový přepínač. V tomto případě je propojení podstatně jednodušší a je potřeba méně kabelů. Instalační práce jsou levnější a navíc není potřeba kupovat další externí přepínače. Díky absenci externích přepínačů je taky méně případných zdrojů poruch.
Studie ukazují, že u velkých projektů může řetězová topologie ušetřit až 15% nákladu na zřízení a provoz sítě. Maximální délka jednotlivých kabelových segmentů, která je 100m, je téměř vždy dostačující.
Obr. 7: Při použití vestavěných přepínačů je snadnější propojení zařízení s menším množstvím kabelů a prodlužuje sevzdálenost.
2. Úspora místa a menší pravděpodobnost poruchy
Vestavěný ethernetový přepínač může být použit pro připojení dalších síťových zařízení, což je velká výhoda protože rozlehlé technologické sítě obsahují velký počet připojených zařízení, snímačů a přípojek k dalším sítím.
Například rozvaděče pro řízení a monitorování dopravy vyžadují použití přepínače pro připojení síťového I/O zařízení a IP kamery. Velmi často tyto rozvaděče obsahují i řídicí systém tvořený průmyslovým počítačem nebo PLC.
Toto řešení nejen šetří cenné místo v rozvaděči, ale také redukuje počet případných zdrojů poruch díky vyřazení dalších přepínačů. Mimo to je potřeba méně síťových a napájecích kabelů.
Obr. 8: Vestavěné přepínače zmenšují nároky na prostor, což je výhodné zejména u malých distribuovaných rozvaděčů.
Přemostění interního přepínače a jeho omezení
Přemostění ethernetové linky realizované vysokorychlostním relé zajišťuje, aby uplink/downlink porty vestavěného přepínače mohly stále přenášet komunikaci i v případě výpadku napájení zařízení. To znamená, že když některé zařízení v řetězové topologii ztratí napájení, budu moci ostatní zařízení dále komunikovat díky přemostění vestavěného přepínače.
Teoreticky by bylo možné díky přemostění linky vyměnit vadné zařízení bez přerušení komunikace. Ve skutečnosti to ale bohužel není možné, protože propojovací relé je součástí zařízení. To je jedním z omezení přemostění ethernetové linky.
Dalším vážnějším omezením je délka kabelu. Délka ethernetového kabelu je maximálně 100m. Pokud má každá z linek k sousednímu zařízení délku 100m, vznikne po přemostění linka o celkové délce 200m. Ta ale pravděpodobně nebude funkční, protože výrazně překračuje maximální povolenou délku.
Podle poznatků z reálného nasazení je průměrné zpoždění dat na ethernetových přepínačích 20 mikrosekund až 40mikrosekund. U řídicích systémů pracujících v reálném čase by proto neměla být měřicí sběrnice složena z více než 32 uzlů. Ve skutečnosti ale většina ethernetových systémů pro sběr dat není časově kritická (požadavek na odezvu v řádu mikrosekund). Za těchto podmínek není žádné další omezení počtu uzlů v řetězové topologii ethernetové sítě pro sběr dat.
Obr. 9: Přemostění ethernetové linky
Optimální řešení s kruhovou topologií pro primární řízení a řetězovou topologií pro sběr dat
Optimální síť Ethernet pro sběr dat bývá složena z různých síťových topologií. Doporučené řešení Moxa se skládá ze dvou částí. Základní infrastruktura, která zahrnuje SCADA PC a řídicí systémy je připojena přes kruhovou topologii s použitím přepínačů se vzdálenou správou a je navržena pro maximálně spolehlivou komunikaci. Snímače jsou připojeny přes řetězovou topologii, která usnadňuje instalaci a šetří náklady na realizaci a provoz.
Obr. 10: optimální rozdělení sítě na kruhovou topologii pro primární řízení a řetězovou pro sběr dat
Shrnutí
Síť s řetězovou topologií a zařízení, které ji podporují, jsou novým trendem průmyslové automatizace. Kvůli zvyšující se poptávce budou muset výrobci do nových zařízení integrovat ethernetové přepínače, aby vyhověli požadavkům na jednoduchou kabeláž, snadnou údržbu a nízké náklady. Moxa je jedním z výrobců, kteří se k tomuto trendu již připojili a již nabízí za konkurenceschopné ceny zařízení s možností řetězového propojení.
Více informací o zařízeních Moxa pro sběr dat s podporou řetězové topologie.
|
