Co to jest switch przemysłowy i jak działa?

Co to jest switch i co to jest switch przemysłowy?

Switch z angielskiego oznacza „przełącznik”, co od razu kojarzy się z przełącznikiem do sterowania oświetleniem lub przyciskiem do zmiany stanu jakiegoś sygnału.

Switche przemysłowe działają bardzo podobnie, jednak ich działanie dotyczy sieci komputerowej/przemysłowej. Ich zadaniem jest właśnie przełączenie sygnału.

W switchach przemysłowych funkcja przełączania jest realizowana pomiędzy segmentami sieci komputerowej, a także pomiędzy wbudowanymi portami.

Historycznie, poprzednikiem switcha był koncentrator hub, który przesyłał pakiety do wszystkich portów jednocześnie, przez co łącze było przeciążone przez nadmiar informacji.

Switch pozwala w sposób płynny i bezkolizyjny przesyłać informacje z jednego portu do innego bez ingerencji w połączenia pozostałych portów. Jest to cecha, która zrewolucjonizowała sieci komputerowe. Aby lepiej zrozumieć zasadę działania, przyjrzyjmy się rysunkowi poniżej.

Gdy komputer A chce wysłać wiadomość do komputera B, switch bezpośrednio kieruje wiadomość do wybranego komputera. Nie wysyła tej wiadomości do wszystkich komputerów w sieci. W tym samym momencie komputery C i D mogą bez przeszkód wymieniać między sobą informacje.

Switche sieciowe posiadają porty LAN, do których przypisywany jest adres podłączonego urządzenia. Co jakiś czas urządzenie jest odpytywane o adres tak, aby w razie jakiejś zmiany switch zmienił w swojej pamięci dane o urządzeniu na danym porcie. Dzięki temu informacje zawsze kierowane są do odpowiedniego portu.

Czym się różni switch standardowy od przemysłowego?

Są trzy główne typy switchy. Pierwsza grupa to urządzenia do zastosowań domowych, do których zaliczają się switche i routery wykorzystywane do dostarczenia Internetu do wszystkich urządzeń w domu.

Druga grupa to urządzenia komercyjne, do których można zaliczyć switche wykorzystywane w sieciach komputerowych, gdzie potrzeba jest dostarczenia sygnału do większej ilości komputerów.

Trzecia grupa to switche przemysłowe. Wyróżnia je realizowanie funkcjonalności wspierających działanie procesów produkcyjnych, a także odporność na niekorzystne warunki otoczenia.

Switche przemysłowe wyróżniają się obudową, często aluminiową lub metalową, z radiatorem. Zadaniem takiej obudowy – oprócz podstawowej ochrony przed uszkodzeniami – jest również możliwość odprowadzenia ciepła do otoczenia. Takie chłodzenie pasywne zwiększa niezawodność urządzeń.

Dodatkowo podpięcie takiej obudowy do uziemienia zwiększy bezpieczeństwo użytkowników, a także zmniejszy zakłócenia pochodzące od sąsiednich urządzeń elektrycznych.

Innym atutem urządzeń przemysłowych jest przystosowane ich do montażu na szynę DIN. Ułatwia to montaż w szafie elektrycznej blisko połączonych ze switchem urządzeń.

Switche przemysłowe muszą być także odporne na szerszy zakres temperatur. Często są to temperatury od nawet -50^oC do powyżej 100^oC. Urządzenia te często narażone są również na wibrację pochodzącą od różnych maszyn.

Ważnym parametrem jest również klasa ochronności IP. W switchach przemysłowych standardem okazuje się odporność na pyły, a także wilgoć.

Innym parametrem jest również wartość napięcia zasilania, a także możliwość zasilania redundantnego. Switche takie mogą być zasilane w bardzo szerokim zakresie, ponieważ mogą pracować już przy napięciu 9 V, natomiast górna granica sięga nawet 60 V. Szczególnie ważne jest napięcie 24 V, z którym można najczęściej spotkać się w instalacjach przemysłowych.

Zasilanie redundantne pozwala podpiąć drugie niezależne źródło zasilania, tak aby w razie awarii jednego z nich móc podtrzymać komunikację. Ostatnią rzeczą, o której warto wspomnieć są wyjścia awaryjne. W zależności od modelu może być ich różna ilość i mogą pełnić różne funkcje. Podpięcie takiego wyjścia do żarówki lub sterownika pozwoli szybko zlokalizować usterkę.

Protokoły obsługiwane przez switche przemysłowe

Switche przemysłowe posiadają porty LAN, które współpracują z siecią Ethernet. Jest to standard, który definiuje sposób komunikacji urządzeń dla połączeń lokalnych (LAN).

To właśnie Ethernet umożliwia komunikację urządzeń w sieci, pozwala na ustandaryzowanie sposobu przesyłania, prowadzenia przewodów, a także gniazd, jakie można zaleźć w sterownikach i switchach.

Podstawą działania tego protokołu jest przesyłanie wiadomości podzielonej na ramki. Każda z nich oprócz części wiadomości posiada również informację o nadawcy, odbiorcy, czasie itp. W przemyśle jednak prócz tych wiadomości potrzeba czegoś więcej, co sprawi, że sieć będzie bardziej niezawodna i każda ramka trafi do odbiorcy w ściśnie określonym czasie.

Potrzeba ta sprawiła, że sieci przemysłowe bazują na Ethernecie, jednak stosuje się specjalne protokoły takie jak PROFINET, EtherCAT, Modbus TCP, Ethernet/IP i inne. Jak widać na załączonym wykresie w 2018 roku to protokoły oparte na Ethernet były wykorzystywane częściej niż te wykorzystujące protokół fieldbus.

Każdy z protokołów, który opiera się na Ethernecie, a więc 52% wszystkich protokołów komunikacyjnych, jest obsługiwany przez przemysłowe switche Ethernetowe. Jednak każdy z nich wyróżnia się innymi właściwościami, a także ma inne mechanizmy kontroli błędów i usprawnienia komunikacji.

Profinet w podstawowej wersji przesyła standardowe ramki. W przypadku, gdy przesyłane są dane, które muszą dotrzeć w określonym czasie, wykorzystywany jest Profinet real time. Jest jeszcze Profinet isochronous real time, który oprócz przesyłu danych na czas, dodatkowo synchronizuje czasJednak do obsługi tego typu funkcji, niezbędne jest zastosowania bardziej zaawansowanego urządzenia.

Protokół EtherCAT wykorzystuje model master-slave i pozwala na przetwarzanie ramki z danymi w locie. Zamiast przesyłać osobno ramkę do każdego urządzenia, wysyła jedną zbiorczą, w której zawarte są informacje do wszystkich urządzeń działających w sieci. Wiadomość wysyłana jest  do pierwszego urządzenia, następnie każde z nich odczytuje dedykowaną dla niego część, a następnie zapisuje swoją odpowiedź i przesyła dalej. Na koniec ramka trafia do nadawcy z odpowiedziami. Pozwala to zmniejszyć ruch w sieci, która pracuje w topologii pierścienia.

Protokół Modbus również opiera się o model master-slave. Urządzenie nadrzędne wysyła zapytanie do urządzeń podrzędnych, jednak tylko adresat je interpretuje i odpowiada. Wiadomość dodatkowo posiada algorytmy wykrywania błędów i błędnych ramek np. poprzez sumę kontrolną.  

Do czego służy switch przemysłowy?

Wszystkie opisane powyżej protokoły i nie tylko, są obsługiwane przez switche przemysłowe. Jednak czy da się utworzyć komunikację między urządzeniami bez wykorzystania switcha? Jest to od strony praktycznej niemożliwe. Bez switcha nie ma podziału portów, a wszystkie urządzenia nadawałyby na jednej linii. Można to porównać do komunikacji tramwajem lub metrem. Komunikacja bez switcha przypomina podróż tramwajem. Jedno skrzyżowanie jest wykorzystywane przez wiele linii. Tramwaj musi na nim czekać i często ustąpić pierwszeństwa. Dodatkowo jest to miejsce, w którym najczęściej występują kolizje.

W komunikacji Ethernet spowodowałoby to ciągłe kolizje ramek, przez co sieć nie mogłaby działać lub działanie byłoby bardzo powolne. Gdy zastosujemy przełącznik, to jakbyśmy  przesiedli się do metra. Każda linia ma swoją trasę i nie przecina się z żadną inną. Informacja jest przekazana bezpośrednio do odbiorcy. Dlatego właśnie w zastosowaniach przemysłowych switch jest niezbędnym urządzeniem do wymiany danych na kilku portach bez kolizji. Switch pozwala także na rozszerzenie sieci lokalnej – oznacza to, że naraz może być podpięte do sieci wiele urządzeń.

Dzięki temu jeden sterownik podłączony do switcha może obsłużyć całą linię produkcyjną, w której poszczególne urządzenia wykonawcze są wpięte do tej samej sieci. Jest to duże uproszczenie w procesie projektowania sieci przemysłowych.

Zaletą stosowania switchy i działania na protokole Ethernet jest łatwość w przesyłaniu ramek z informacjami bezprzewodowo. Coraz więcej switchy jest wyposażona w moduł WiFi. Pozwala to na wymianę informacji na niewielkie odległości. Jedyną wadą takiego przesyłu informacji jest obniżone bezpieczeństwo.

Switche pozwalają również na przesyłanie danych przez sieć publiczną – to sprawia, że dane są narażone na atak ze strony hakerów. Jest możliwe zabezpieczenie transferu danych, np. wykorzystując VPN.

Jeżeli chcesz dowiedzieć się jak rozpoznać nowoczesny switch polecamy artykuł: https://www.astor.com.pl/poradnikautomatyka/jak-rozpoznac-nowoczesny-switch-przemyslowy/

Chcesz nauczyć się konfiguracji switcha zarządzalnego Korenix Jet-Net 4510? Zapraszamy do odwiedzenia naszego darmowego kursu na Poradniku Automatyka.