Брендан О'ДОуД (Brendan O'DOwD)
10BASE-T1L: расширяем возможности получения и анализа данных на границах сети предприятия
Статья опубликована в журнале КиТ №8 2020 г.
Ратификация стандарта IEEE 802.3cg, состоявшаяся в ноябре 2019 года, ознаменовала введение для промышленных систем связи нового и совершенно другого способа подключения устройств, на который больше не будут действовать ограничения устаревших стандартов передачи наподобие токовой петли 4−20 мА или HART (Highway Addressable Remote Transducer).
Введение
Стандарт IEEE 802.3cg, именуемый также 10BASE-T1L, представляет собой физический стандарт промышленного Ethernet и предназначен для обеспечения связи между устройствами, которые выполняют работу «на передовой» (датчики, клапаны, исполнительные механизмы, системы управления), и базой данных промышленного предприятия. Высокая степень взаимодействия информационной среды и оборудования при помощи сети на основе 10BASE-T1L является важным фактором, способствующим внедрению на предприятии наиболее современного подхода к производству, известного как «Индустрия 4.0» (Industry 4.0). Означает ли появление стандарта 802.3cg скорую замену токовой петли 4−20 мА и стандартов HART? Стоит ли готовиться к внедрению10BASE-T1L предприятиям и как это сделать? Какие ключевые факторы будут определять успешность перехода 4−20 мА и HART на 10BASE-T1L? На эти вопросы мы постараемся ответить в данной статье.
Анализ данных. Повышение производительности и эффективности
Внедрение «Индустрии 4.0» в той или иной мере охватывает все современные производственные процессы (рис. 1). В основе данной
концепции лежит желание извлекать максимальную выгоду за счет оперирования большими объемами данных. Целью программного обеспечения, входящего в «Индустрию 4.0», является не только управление предприятием, оптимизация методик работы, обслуживание промышленного оборудования и помещений, но и проведение глубокого анализа собираемых данных, что часто позволяет вскрыть закономерности даже в несопоставимых на первый взгляд наборах данных.
Введение
Стандарт IEEE 802.3cg, именуемый также 10BASE-T1L, представляет собой физический стандарт промышленного Ethernet и предназначен для обеспечения связи между устройствами, которые выполняют работу «на передовой» (датчики, клапаны, исполнительные механизмы, системы управления), и базой данных промышленного предприятия. Высокая степень взаимодействия информационной среды и оборудования при помощи сети на основе 10BASE-T1L является важным фактором, способствующим внедрению на предприятии наиболее современного подхода к производству, известного как «Индустрия 4.0» (Industry 4.0). Означает ли появление стандарта 802.3cg скорую замену токовой петли 4−20 мА и стандартов HART? Стоит ли готовиться к внедрению10BASE-T1L предприятиям и как это сделать? Какие ключевые факторы будут определять успешность перехода 4−20 мА и HART на 10BASE-T1L? На эти вопросы мы постараемся ответить в данной статье.
Анализ данных. Повышение производительности и эффективности
Внедрение «Индустрии 4.0» в той или иной мере охватывает все современные производственные процессы (рис. 1). В основе данной
концепции лежит желание извлекать максимальную выгоду за счет оперирования большими объемами данных. Целью программного обеспечения, входящего в «Индустрию 4.0», является не только управление предприятием, оптимизация методик работы, обслуживание промышленного оборудования и помещений, но и проведение глубокого анализа собираемых данных, что часто позволяет вскрыть закономерности даже в несопоставимых на первый взгляд наборах данных.
Рис. 1. 10BASE-T1L позволяет проводить аналитику удаленных узлов сети предприятия
Чем больше объем данных и количество их типов, которые можно получить с устройств и оборудования на предприятии, тем больше возможностей появляется у программного обеспечения для проведения мониторинга состояния систем и прогнозирования технического обслуживания оборудования. Однако применяемые на текущий момент интерфейсы связи на основе токовой петли 4−20 мА и стандартов HART значительно ограничивают возможности мониторинга из-за низкой пропускной способности. Кроме того, токовые петли 4−20 мА и HART также ограничивают количество энергии, которое может быть подано на конечную точку сети для проведения удаленного мониторинга.
Таким образом, выигрыш, который можно получить, модернизируя оборудование и перейдя с устаревших токовых петель 4−20 мА и HART на 10BASE-T1, заключается в возможности обработки и получении большего объема данных за меньшее время, а это означает повышение производительности и эффективности. «Умные» предприятия, как правило, редко страдают от незапланированных простоев, тратят меньшее количество энергии на производственные процессы, снижают затраты на амортизацию оборудования за счет его более эффективного использования, а также увеличивают продуктивность работы персонала. Внедрение технологии 10BASE-T1L позволит достичь указанных преимуществ не только в центральной сети предприятия, но и в удаленных уголках, где взаимодействие датчиков, оборудования и других конечных устройств с сетью ранее носило лишь поверхностный характер.
Технология 10BASE-T1L обеспечит рост скорости передачи данных и мощности питания
Сеть 10BASE-T1L, организованная на базе стандарта 802.3cg, обеспечивает:
• Максимальная скорость передачи данных 10 Мбит/с при длине кабеля до 1 км.
• Передаваемая мощность достигает 500 мВт для питания оконечных устройств в искробезопасных приложениях Зоны 0, что позволит работать с гораздо большим количеством сложных оконечных устройств, чем может обеспечить токовая петля от 4 мА до 20 мА или HART. А для неискробезопасных приложений, в зависимости от типа кабеля, передаваемая мощность может быть увеличена до 60 Вт.
• Возможность использования уже существующих витых пар.
• Широкие возможности управления подключенными устройствами, в том числе предоставление диагностических данных и обновление программного обеспечения.
• Собственный IP-адрес для каждого узла сети, что расширяет возможности «Интернета вещей» в пределах всего предприятия. IP-адрес позволяет не только производить мониторинг устройства, но и управлять им удаленно.
• Интеграция в существующую инфраструктуру предприятия.
С аппаратной точки зрения реализация 10BASE-T1L носит достаточно простой характер. Это обусловлено в первую очередь тем, что для связи 10BASE-T1L использует кабель с одной витой парой, причем это может быть даже та же самая пара, которая была задействована ранее при построении сетей на основе токовых петель 4−20 мА и HART. Кроме того, стандарт 802.3cg поддерживает установку во взрывоопасных средах, что снижает аппаратные требования.
Ранние реализации 10BASE-T1L предположительно будут строиться на базе гибридного оборудования, способного поддерживать работу как с применяемыми ранее токовыми петлями 4−20 мА или HART, так и новым уровнем Industrial Ethernet.
От чего зависит успех технологии 10BASE-T1L
Компания Analog Devices, Inc. (ADI) играет важную роль во внедрении технологий «Индустрии 4.0» для многих клиентов. Опыт компании показывает, что успешность внедрения сетей на основе 10BASE-T1L будет определяться двумя основными факторами:
• уровень использования обработанных данных;
• уровень безопасности сети.
Решив проблему развертывания 10BASE-T1L на конкретном предприятии, инженеры могут легко упустить из виду первоначальную причину его реализации. Важно следить, чтобы данные, обрабатываемые в системе, поступали со всех точек, указанных в плане предприятия, а их обработка отвечала первоначально заложенным параметрам.
Из этого следует, что наибольший риск для успеха внедрения 10BASE-T1L связан не с конечным оборудованием, устройствами или инфраструктурой предприятия. Проблема чаще всего возникает на «бэкэнде», когда некорректно предоставляются средства для обработки данных, поступающих от вновь подключенных конечных точек, и их последующее использование (рис. 2).
Таким образом, выигрыш, который можно получить, модернизируя оборудование и перейдя с устаревших токовых петель 4−20 мА и HART на 10BASE-T1, заключается в возможности обработки и получении большего объема данных за меньшее время, а это означает повышение производительности и эффективности. «Умные» предприятия, как правило, редко страдают от незапланированных простоев, тратят меньшее количество энергии на производственные процессы, снижают затраты на амортизацию оборудования за счет его более эффективного использования, а также увеличивают продуктивность работы персонала. Внедрение технологии 10BASE-T1L позволит достичь указанных преимуществ не только в центральной сети предприятия, но и в удаленных уголках, где взаимодействие датчиков, оборудования и других конечных устройств с сетью ранее носило лишь поверхностный характер.
Технология 10BASE-T1L обеспечит рост скорости передачи данных и мощности питания
Сеть 10BASE-T1L, организованная на базе стандарта 802.3cg, обеспечивает:
• Максимальная скорость передачи данных 10 Мбит/с при длине кабеля до 1 км.
• Передаваемая мощность достигает 500 мВт для питания оконечных устройств в искробезопасных приложениях Зоны 0, что позволит работать с гораздо большим количеством сложных оконечных устройств, чем может обеспечить токовая петля от 4 мА до 20 мА или HART. А для неискробезопасных приложений, в зависимости от типа кабеля, передаваемая мощность может быть увеличена до 60 Вт.
• Возможность использования уже существующих витых пар.
• Широкие возможности управления подключенными устройствами, в том числе предоставление диагностических данных и обновление программного обеспечения.
• Собственный IP-адрес для каждого узла сети, что расширяет возможности «Интернета вещей» в пределах всего предприятия. IP-адрес позволяет не только производить мониторинг устройства, но и управлять им удаленно.
• Интеграция в существующую инфраструктуру предприятия.
С аппаратной точки зрения реализация 10BASE-T1L носит достаточно простой характер. Это обусловлено в первую очередь тем, что для связи 10BASE-T1L использует кабель с одной витой парой, причем это может быть даже та же самая пара, которая была задействована ранее при построении сетей на основе токовых петель 4−20 мА и HART. Кроме того, стандарт 802.3cg поддерживает установку во взрывоопасных средах, что снижает аппаратные требования.
Ранние реализации 10BASE-T1L предположительно будут строиться на базе гибридного оборудования, способного поддерживать работу как с применяемыми ранее токовыми петлями 4−20 мА или HART, так и новым уровнем Industrial Ethernet.
От чего зависит успех технологии 10BASE-T1L
Компания Analog Devices, Inc. (ADI) играет важную роль во внедрении технологий «Индустрии 4.0» для многих клиентов. Опыт компании показывает, что успешность внедрения сетей на основе 10BASE-T1L будет определяться двумя основными факторами:
• уровень использования обработанных данных;
• уровень безопасности сети.
Решив проблему развертывания 10BASE-T1L на конкретном предприятии, инженеры могут легко упустить из виду первоначальную причину его реализации. Важно следить, чтобы данные, обрабатываемые в системе, поступали со всех точек, указанных в плане предприятия, а их обработка отвечала первоначально заложенным параметрам.
Из этого следует, что наибольший риск для успеха внедрения 10BASE-T1L связан не с конечным оборудованием, устройствами или инфраструктурой предприятия. Проблема чаще всего возникает на «бэкэнде», когда некорректно предоставляются средства для обработки данных, поступающих от вновь подключенных конечных точек, и их последующее использование (рис. 2).
Рис. 2. 10BASE-T1L позволяет работать с большим объемом данных, получаемых от конечных устройств на уровне предприятия
Как следствие, инженерам, внедряющим сеть 10BASE-T1L на предприятии, необходимо обратить пристальное внимание на следующие вопросы:
• Какой конечный результат планируется получить после обработки данных, поступающих от датчиков и других конечных точек сети?
• Как результаты обработки данных будут интегрированы в систему управления на уровне предприятия? Совместим ли формат данных, получаемых с конечных точек, и формат систем управления или требуется перевод?
• Как результаты обработки данных помогут улучшить процессы, происходящие на предприятии, или систему в целом?
Вторая важная проблема для инженера, занимающегося внедрением 10BASE-T1L, — обеспечение безопасности. Характер угрозы конечным устройствам резко меняется, как только они подключаются к сети 10BASE-T1L. Ранее при подсоединении через токовые петли 4−20 мА отсутствовало комплексное подключение к центральной сети, что значительно снижало риск атаки, однако теперь подключение, обеспечиваемое стандартом 802.3cg, в ходе которого для каждого узла назначается отдельный IP-адрес, делает каждую конечную точку уязвимой для удаленной атаки через сеть предприятия. Так называемый межсетевой экран исчезает, как только предприятие переходит от 4−20 мА или HART к 10BASE-T1L. Все это означает, что и отдельные узлы, и сама сетевая инфраструктура в целом должны быть защищены с помощью специальных технологий, таких как:
• безопасная аутентификация устройств через зашифрованные идентификаторы;
• шифрование данных во время передачи между устройствами;
• брандмауэры, обеспечивающие защиту устройств от доступа со стороны несанкционированных пользователей.
Технология 10BASE-T1L — это еще один шаг к «Индустрии 4.0»
После ратификации стандарта 802.3cg разработка 10BASE-T1Lсовместимых компонентов и оборудования значительно ускорилась. Компания ADI тесно сотрудничает с производителями промышленного оборудования, что позволяет гарантировать, что они в состоянии следовать планам по внедрению систем, поддерживающих сети 10BASE-T1L. Ожидается, что к середине 2021 года на рынок будут выпущены первые продукты компании с поддержкой 10BASE-T1L.
Многолетний опыт ADI в поддержке и внедрении новых технологий позволит клиентам успешно внедрить на предприятия решения 10BASE-T1L. Структура подразделения компании, занимающегося решениями для промышленной автоматизации сочетает направления, ориентированные на все стадии внедрения технологии: разработка, производство, внедрение, поддержка — все это поможет клиенту компании получить именно то решение, которое он хочет. Командный подход, объединяющий технические знания и понимание рынка, позволяет ADI выпускать успешные продукты на протяжении многих десятилетий.
В случае с 10BASE-T1L компания подразумевает обеспечение клиента оборудованием не только для создания физической части интерфейса, но и для обеспечения полного стека связи. Компания также учитывает длительный срок службы решений 10BASE-T1L и гарантирует своим клиентам производство продуктов 10BASE-T1L в течение нескольких десятилетий в соответствии с планом производства.
• Какой конечный результат планируется получить после обработки данных, поступающих от датчиков и других конечных точек сети?
• Как результаты обработки данных будут интегрированы в систему управления на уровне предприятия? Совместим ли формат данных, получаемых с конечных точек, и формат систем управления или требуется перевод?
• Как результаты обработки данных помогут улучшить процессы, происходящие на предприятии, или систему в целом?
Вторая важная проблема для инженера, занимающегося внедрением 10BASE-T1L, — обеспечение безопасности. Характер угрозы конечным устройствам резко меняется, как только они подключаются к сети 10BASE-T1L. Ранее при подсоединении через токовые петли 4−20 мА отсутствовало комплексное подключение к центральной сети, что значительно снижало риск атаки, однако теперь подключение, обеспечиваемое стандартом 802.3cg, в ходе которого для каждого узла назначается отдельный IP-адрес, делает каждую конечную точку уязвимой для удаленной атаки через сеть предприятия. Так называемый межсетевой экран исчезает, как только предприятие переходит от 4−20 мА или HART к 10BASE-T1L. Все это означает, что и отдельные узлы, и сама сетевая инфраструктура в целом должны быть защищены с помощью специальных технологий, таких как:
• безопасная аутентификация устройств через зашифрованные идентификаторы;
• шифрование данных во время передачи между устройствами;
• брандмауэры, обеспечивающие защиту устройств от доступа со стороны несанкционированных пользователей.
Технология 10BASE-T1L — это еще один шаг к «Индустрии 4.0»
После ратификации стандарта 802.3cg разработка 10BASE-T1Lсовместимых компонентов и оборудования значительно ускорилась. Компания ADI тесно сотрудничает с производителями промышленного оборудования, что позволяет гарантировать, что они в состоянии следовать планам по внедрению систем, поддерживающих сети 10BASE-T1L. Ожидается, что к середине 2021 года на рынок будут выпущены первые продукты компании с поддержкой 10BASE-T1L.
Многолетний опыт ADI в поддержке и внедрении новых технологий позволит клиентам успешно внедрить на предприятия решения 10BASE-T1L. Структура подразделения компании, занимающегося решениями для промышленной автоматизации сочетает направления, ориентированные на все стадии внедрения технологии: разработка, производство, внедрение, поддержка — все это поможет клиенту компании получить именно то решение, которое он хочет. Командный подход, объединяющий технические знания и понимание рынка, позволяет ADI выпускать успешные продукты на протяжении многих десятилетий.
В случае с 10BASE-T1L компания подразумевает обеспечение клиента оборудованием не только для создания физической части интерфейса, но и для обеспечения полного стека связи. Компания также учитывает длительный срок службы решений 10BASE-T1L и гарантирует своим клиентам производство продуктов 10BASE-T1L в течение нескольких десятилетий в соответствии с планом производства.
Рис. 3. ADI Chronous, масштабируемый Ethernet, который станет совершенством
Разработка компонентов 10BASE-T1L Analog Devices и другими компаниями позволит производителям промышленного оборудования начать создание новых продуктов с поддержкой промышленного Ethernet уже в ближайшее время (рис. 3). Опираясь на мнение ведущих промышленных предприятий, можно смело утверждать, что уже в скором времени 10BASE-T1L заменит токовые петли 4−20 мА и стандарты HART и ускорит внедрение «Индустрии 4.0».