Промышленный Ethernet — подробная информация

  • Ethernet, изначально созданный в 1970 годах в исследовательском центре Пало-Альто (PARC) компании Xerox, превратился в самую распространенную в мире сетевую систему. За прошедшие десятилетия огромное количество изменений и добавлений в стандартах позволили использовать Ethernet в тех областях, где и не предполагали его разработчики.

    Одна из таких областей — промышленный Ethernet. Производители и организации по стандартизации приспособили лежащий в основе Ethernet физический уровень для создания множества технологий, среди которых PROFINET, Ethernet/IP (промышленный протокол), EtherCAT и Modbus-TCP — все они оптимизированы для устройств промышленной автоматики.

    Пределы тестирования для конечных конфигураций кабелей

    Рисунок 1. На экране DSX CableAnalyzer™ отображаются предельные условия тестирования для различных конечных конфигураций кабелей, в том числе E1, E2 и E3.

    Стандарты кабельных систем и разъемы

    Все системы на основе промышленного Ethernet работают по кабелям типа медная «витая пара» или по волоконно-оптическим кабелям, аналогично «обычному» Ethernet, за исключением некоторых изменений, диктуемых производственной средой. Международная организация стандартизации (ISO) и Ассоциация телекоммуникационной промышленности (TIA) разработали ряд спецификаций, определяющих возможные окружающие условия на производственных объектах. Они известны как механические, проникающие, климатические/химические и электромагнитные (MICE) спецификации. Разным уровням MICE соответствуют разные степени жесткости условий эксплуатации, например, MICE 1 определяет типичные условия офисной среды, MICE описывает чуть более жесткие условия окружающей среды, а MICE  — тяжелые промышленные условия.23

    Под каждый уровень производители разработали специальные кабельные системы и разъемы. Например, кабели, которые продолжают работать после раздавливания, воздействия высокой температуры, погружения в жидкость или воздействия едких веществ. В большинстве своем для этого применяется соответствующая кабельная оплетка, а электрические характеристики остаются неизменными и у MICE 1, и у MICE .3 Однако в требованиях к электромагнитным свойствам существует одно заметное различие. Оно касается специальных требований к поперечным потерям на преобразование (TCL) для E1, E2 и E3. Данная спецификация измеряет способность кабеля противостоять наводкам от внешних электросигналов, создаваемых, например, сварочными аппаратами, регулируемыми электроприводами и источниками высокого напряжения.

    Особое внимание уделено разъемам, так как через них могут проникать загрязняющие вещества. Один из способов — облачить стандартный 8-контактный модульный разъем (RJ-45) в герметичный навинчивающийся патрон. Преимущество такого разъема состоит в совместимости с большинством «обычных» Ethernet-устройств и кабельных систем. Разъем «M12» был разработан под более сложные условия, в которых возможно механическое воздействие и вибрации. Он представляет собой небольшой круглый разъем со стопорным винтом, который может вмещать в себя две или четыре пары (M12-D и M12-X соответственно). В общепринятой конфигурации промышленных кабельных систем с одной стороны кабеля находится модульный 8-контактный разъем, а с другой — разъем M12.

    Проблемы кабельных систем

    Результаты прохождения теста для соединения TIA 1005 Category 6A с предельными условиями E2

    Рисунок 2. Кабельный анализатор DSX CableAnalyzer показывает на экране результаты прохождения теста для соединения TIA 1005 Category 6A с предельными условиями E2.

    Более половины проблем промышленного Ethernet связаны с кабельной инфраструктурой. Некоторые из них выявляются сразу же в процессе ввода в эксплуатацию, а другие проявляют себя в виде неисправностей телекоммуникационной системы только в случае каких-то изменений в окружающей среде. Ethernet — надежная технология, позволяющая поддерживать связь даже в жестких условиях, однако изменение этих условий впоследствии может привести к проблемам передачи данных или к полному отказу телекоммуникационной системы. Ниже перечислены самые распространенные проблемы, связанные с кабельной инфраструктурой.

    Соединение

    Основное требование, которое предъявляется к кабельным системам, заключается в том, что контакты на одном конце кабеля должны правильным образом соединяться с контактами на другом конце. Любые ошибочные подключения или обрывы в кабельной системе приведут к проблемам со связью, которые трудно диагностировать. Еще одна менее очевидная проблема с организацией кабелей называется «разделение пар». При этом контакты с обеих сторон подключены правильно, но пары неправильно соединены между собой. Это может вызывать перебои в работе или отказы, которые также трудно диагностировать.

    Длина

    Как правило, длина Ethernet-кабелей ограничена 100 метрами. Слишком длинные кабели могут вызывать проблемы двух типов. Во-первых, сигналы становятся слабее по мере распространения по кабелю. Если кабель слишком длинный, то они становятся слишком слабыми, в результате чего могут возникать проблемы на приемном устройстве. Во-вторых, Ethernet предусматривает получение откликов в течение определенного промежутка времени, поэтому задержка, вызванная большой длиной кабеля, может выйти за рамки этого промежутка. Любая из этих ошибок может вызвать неисправности или перебои в работе, которые трудно диагностировать. Например, поскольку потери в кабеле увеличиваются при увеличении температуры, слишком длинный кабель может нормально передавать данные при низких температурах, но при высоких — выходить из строя.

    Перекрестные наводки

    Это величина электромагнитных помех между парами внутри одного кабеля. Например, сигнал, передаваемый по паре «отправки» может создавать помехи для пары «приема». Приемопередатчик может неправильно интерпретировать помехи как входной сигнал и прекратить отправку. Опять же, это может приводить к труднодиагностируемым неисправностям или работе с перебоями. Перекрестные наводки являются важным ограничителем максимальной пропускной способности сетевого кабеля, так как при увеличении частоты сигнала усиливаются и помехи.

    Экран Fluke DSX CableAnalyzer, показывающий непройденный тест уровня E3

    Рисунок 3. Результаты «НЕ ПРОШЕЛ» теста уровня E3 на экране DSX CableAnalyzer. Обратите внимание на TCL.

    Целостность экранирования

    Многие промышленные Ethernet-кабели имеют экранирование, обычно в виде металлической фольги вокруг каждой пары под наружной кабельной оплеткой. Назначение такого экранирования — защита пар от внешних электромагнитных помех (ЭМП), которые могут исходить от высоковольтных или сильноточных устройств, расположенных поблизости от кабеля. ЭМП могут приводить к ошибкам передачи данных по кабелю, которые выражаются в замедлении передачи или полном ее блокировании. Подобные проблемы могут оказаться очень сложными в диагностике, поскольку возникают только в тот момент, когда помехи настолько сильные, что нарушают баланс сигналов, например, во время запуска расположенного рядом электродвигателя или при работе сварочного аппарата. Правильная работа экрана возможна только в том случае, если кабель экранирован по всей длине. Даже небольшой обрыв может нарушить его целостность и привести к значительному ухудшению характеристик экранирования. Поэтому при тестировании необходимо проверять целостность экрана по всей длине кабеля. Это особенно трудный вид измерений, поскольку экран обычно заземлен. Простые замеры величины постоянного тока не дадут результата, если экран заземлен с обоих концов.

    Поперечные потери на преобразование (TCL)

    Это величина «баланса» кабеля, т.е. его способности передавать равные сигналы по обоим проводам пары. Высокий уровень устойчивости кабелей с витыми парами к помехам объясняется разностью между равными, но противоположно направленными сигналами, проходящими по двум проводам в одной паре. Если в кабельной системе нарушается равенство сигналов, внешний шум может внести помехи в сигналы и исказить их до той степени, при которой они перестанут распознаваться приемным устройством. Как уже отмечалось выше, проблемы с ЭМП могут оказаться очень сложными в диагностике и устранении. Для решения этой проблемы органы стандартизации разработали требования к TCL кабелей для сред MICE E1, E2 и E3.

    Важно отметить, что использование сертифицированных производителем кабелей и разъемов, удовлетворяющих вышеприведенным требованиям, строго обязательно для обеспечения бесперебойной работы, но не служит гарантией от возникновения проблем. Иногда даже лучшие производители выпускают некондицию, а неправильный монтаж, что бывает гораздо чаще, способен превратить высококачественные компоненты в плохо работающую систему.

    Тестирование кабелей означает более длительное время бесперебойной работы

    Отображение неисправностей кабельных систем

    Рисунок 4. Кабельный анализатор DSX CableAnalyzer способен находить множество различных неисправностей и отображать их на экране в виде, понятном любому специалисту.

    Организации, имеющие соответствующие инструменты для тестирования кабелей и базовые знания по их использованию, могут с их помощью увеличить время бесперебойной работы тремя способами:

    Быстрое внедрение систем

    Измерение указанных выше параметров до подключения кабеля. Это единственный способ проверить и убедиться, что он соответствует всем требуемым спецификациям и будет работать надлежащим образом.

    Предотвращение внеплановых простоев

    То, что кабель при вводе в эксплуатацию передает данные, еще не гарантирует, что он будет так работать при всех условиях эксплуатации. Изменения среды после монтажа могут приводить к неисправностям. Если кабель успешно прошел тестирование на соответствие указанным выше параметрам, можно не опасаться, что он откажет при воздействии на него этих факторов.

    Сокращение времени на устранение проблем

    Даже прошедший тестирование кабельный сегмент может в какой-то момент дать сбой – например, при случайном порезе, обрыве, оплавлении. В случае отказа сети быстрая диагностика проблемы с кабелем поможет сэкономить значительное количество времени. Вместо того, чтобы тратить часы на замену кабеля в котором, возможно, возникла неисправность, можно за несколько секунд убедиться, что он в порядке, и направить усилия по поиску неисправности на что-то другое. А если кабель не в порядке, средства диагностики в тестере укажут на вероятную причину. Например, зная, что имеется неисправность в разъеме на дальнем конце кабеля, вы потратите несколько минут на замену вышедшего из строя разъема, а не несколько часов на прокладку нового кабеля.

    Подводя итог, тестирование кабелей может ускорить процесс ввода в эксплуатацию и предотвратить возникновение проблем в будущем. Кабельный тестер, находящийся под рукой в нужный момент, может сэкономить часы, которые ушли бы на диагностику и простой оборудования.

    Инструменты тестирования кабелей для промышленного Ethernet

    Инструменты тестирования кабелей можно разделить на две категории: тестеры и устройства для поиска и устранения неисправностей перед развертыванием кабельных систем и сетей.

    Отображаемые сетевые данные, включая порт, имя, VLAN коммутатора и параметры скорости передачи данных

    Рисунок 5. Приборы для проверки кабельных сегментов и сетевых устройств, такие как LinkIQ™, могут отображать сетевые данные, включая порт, имя, VLAN коммутатора и параметры скорости передачи данных.

    Тестеры, используемые перед развертыванием (вводом в эксплуатацию)

    Данные инструменты проверяют все упомянутые выше параметры кабелей, в том числе перекрестные наводки, беспрерывность экранов и TCL. Кабельные анализаторы DSX CableAnalyzer – единственные в своем роде тестеры, которые позволяют измерять все эти параметры, в том числе беспрерывность экранов по всей длине кабельной системы. Тестер выдает итоговый результат типа «ПРОШЕЛ» или «НЕ ПРОШЕЛ» и может формировать отчеты в целях ведения документации. Тестирование с помощью инструмента для сертификации перед вводом в эксплуатацию — единственный способ проверить, соответствует ли кабель всем упомянутым выше необходимым спецификациям, и предотвратить появление проблем в кабельной системе. Данные инструменты также можно применять для диагностики, и не только для поиска кабелей с обрывами, но и для выявления более сложных проблем, таких как наличие воды в кабеле или разъемов, которые не соответствуют спецификации.

    Приборы для проверки кабельных сегментов и сетевых устройств

    Эти инструменты обеспечивают возможность тестирования промышленных Ethernet-кабелей и активных устройств, подключенных к этим кабелям. Они применяются для проверки правильности подключения кабелей (в том числе для проверки на «разделение пар»), измерения их длины и обнаружения места обрыва. Они также могут использоваться для проверки сетевого коммутатора, к которому они подключены, отображая информацию о скорости порта и питании по сети Ethernet, а в некоторых случаях имя, номер порта и VLAN коммутатора. Это может сэкономить много времени, устраняя проблему, связанную с необходимостью в манипуляции и конфигурации кабелей или коммутаторов, что позволит специалистам сосредоточиться на том, где на самом деле находится проблема.

    Бригады, которые не могут позволить себе сертификационные тестеры, все равно могут использовать их в новых проектах, либо арендуя их, либо нанимая подрядчиков для тестирования кабеля перед вводом в эксплуатацию. Низкая стоимость инструментов для проверки кабельных сегментов и сетевых устройств позволяет держать их под рукой на любом объекте, не тратя время в случае неисправности на аренду оборудования или найм подрядчика. Их стоимость с лихвой окупается за счет экономии времени на устранение единичных сетевых отказов.

    Сравнение кабельных тестеров Fluke Networks для промышленного Ethernet

      MicroScanner™ PoE-IE LinkIQ™-IE Серия DSX™
    Основные сферы применения  Устранение неисправностей в сети и диагностика кабелей Устранение неисправностей в сети и диагностика кабелей Монтаж, диагностика кабелей
    Соединение 
    Длина 
    Перекрестные наводки    X
    Целостность экранирования    Базовый Расширенные параметры  
    TCL / уровень «E» по классификации M.I.C.E.     
    Составление отчетов   
    Поиск неисправностей  Базовый  Базовый  Расширенные параметры 
    Тесты сети  Скорость до 10 Гбит/с, питание PoE Скорость до 10 Гбит/с, имя, порт, VLAN коммутатора, питание PoE, мигание светового индикатора порта  
    Поддерживаемые разъемы  RJ45, M12D, M12X и M8D RJ45, M12D, M12X и M8 RJ45, M12D и M12X