Przemysłowy Ethernet: gdzie tkwi problem?

Kiedy tajemnicze istoty atakują przemysłowy system automatyki, mamy problem: co dzieje się z naszą siecią? Ponieważ Ethernet staje się standardem w automatyce, pojawiły się dedykowane narzędzia i techniki pomagające w odnalezieniu przyczyn niepoprawnej pracy. Zapoznaj się z radami, posłuchaj, co mówią inni.
Kiedy John Lennon skarżył się w znanej piosence, że ?…to nie jest proste, ty wiesz jak trudne to może być?, nie miał na myśli poszukiwania przyczyn problemów w przemysłowym Ethernecie, ale słowa te dobrze oddają sedno. Ponieważ Ethernet staje się, a w zasadzie już się stał, przemysłowym standardem komunikacyjnym, warto znać narzędzia diagnostyczne, które mogą pomóc w odnalezieniu źródeł problemów.
W ankiecie przeprowadzonej przez Control Engineering pytano czytelników o ich doświadczenia związane z tworzeniem i obsługą przemysłowych sieci komunikacyjnych. Jakich protokołów używają, czysieci są niezawodne i jakich narzędzi diagnostycznych używają, a jakich potrzebują?
? Ponad 80% telefonów do naszej firmy z prośbą o wsparcie dotyczy niemal identycznych problemów związanych z infrastrukturą fizyczną sieci ? twierdzi Mara White, menedżer ds. rozwoju w Fluke Networks.
Marty Jansons, konsultant ds. rozwiązań sieciowych w Siemens Industry, postrzega adresowanie w protokole IP za największe źródło problemów sieciowych. ? Niepoprawność adresów IP albo niewłaściwa konfiguracja powodująca, że w sieci jest wiele urządzeń o tym samym adresie, może przyprawić o ból głowy.
Michael Frayne, menedżer ds. rozwiązań sieciowych w Molex, dzieli problemy infrastruktury sieciowej na trzy główne kategorie:

  • medium (wraz z połączeniami i przejściów-kami),
  • konfiguracja sieci,
  • zepsute i/lub niezgodne urządzenia w sieci.

? Źródła problemów związanych z konfiguracją na linii aplikacja-sieć są zwykle trudniejsze do odnalezienia ? twierdzi Frayne. ? Mogą wymagać użycia zarówno narzędzi analizujących protokół (np. SNMP), poszczególne warstwy sieci oraz same urządzenia.
Hardware czy software? To nie jest proste
? Skąd wiesz, czy poszukiwać źródła błędu w oprogramowaniu, czy w samej infrastrukturze sieci? ? pyta Frayne. ? Problemy z medium, dla przykładu, mogą wymagać zastosowania narzędzia sprawdzającego warstwę fizyczną, aby zmierzyć wartości sygnałów i jego jakość. Narzędzia diagnostyczne protokołu i/lub dedykowane testery urządzeń mogą być wykorzystane do oceny, czy urządzenie nie działa, bo tak steruje nim aplikacja, czy po prostu się zepsuło.
? Prawdopodobnie będziesz musiał użyć kombinacji narzędzi (sprzętowych i programowych) ? podkreśla Jansons. Radzi, aby poszukiwanie źródeł problemu rozpocząć od programu monitorującego sieć, zainstalowanego na dodatkowym komputerze.
? Zaczynasz widzieć zależności panujące w sieci ? stwierdza White. ? Jeżeli jesteś w stanie określić, w której części sieci znajduje się problem i której maszyny dotyczy, to za pomocą testera warstwy fizycznej sieci ustalisz, co jest nie tak.
Narzędzia do konserwacji i diagnostyki sieci są bardzo zróżnicowane: od przenośnych testerów, poprzez urządzenia pracujące na stałe w sieci, po programy na PC, które analizują przepływ danych w poszczególnych protokołach.
Niektóre z nowoczesnych urządzeń diagnostycznych nie potrzebują wykwalifikowanej obsługi z wieloletnim doświadczeniem w zakresie budowy sieci i ramek protokołów komunikacyjnych, ponieważ same analizują kluczowe dane. Taką właściwością cechują się często nawet małe, przenośne urządzenia.
Oznaki problemów
Innym narzędziem diagnostycznym warstwy fizycznej sieci jest reflektometr TDR (ang. time-domain reflectometer ? reflektometr bazujący na pomiarze czasu). Zasada działania reflektometru sieci polega na wysyłaniu sygnałów przez kabel sieciowy i pomiarze powracających odbić, mogących oznaczać zwarcia, rozłączenia, zagięcia kabla, czy po prostu zbyt dużą długość lub niewłaściwy typ kabla.
Reflektometry TDR analizują impedancję medium poprzez pomiar siły odbicia i pozycję, w której odbicie nastąpiło (na podstawie czasu, jaki mija od wysłania wiązki testującej do czasu jej powrotu). Gdy mamy do czynienia na przykład z uszkodzonym kablem, jego impedancja falowa w miejscu uszkodzenia jest inna niż nominalna. Kiedy do tego miejsca dociera impuls elektryczny generowany przez reflektometr, część sygnału odbija się i wraca z powrotem do reflektometru. Im większe uszkodzenie, tym większe odbicie.Im uszkodzenie znajduje się dalej od reflektometru, tym więcej czasu potrzeba, aby odbicie wróciło do urządzenia i mogło być zarejestrowane. Znając czas, nominalną impedancję kabla i prędkość, z jaką sygnał porusza się w kablu, reflektometr może dokładnie wyliczyć miejsce, w którym nastąpiło uszkodzenie.

Bardzo często wymaga się, aby nowa instalacja ethernetowa była w 100% przetestowana i certyfikowana przy pomocy reflektometru. Testery medium dostępne są w wykonaniach przemysłowych, pozwalających sprawdzać kable używane przez wszystkie przemysłowe protokoły komunikacyjne typu Ethernet.
Sieciowe karty o różnych interfejsach
Diagnostyka sieci może być wykonana nie tylko za pomocą przenośnych urządzeń, ale także za pomocą specjalnych kart komunikacyjnych i oprogramowania dostępnego dla komputerów stacjonarnych i przenośnych. ? Zwykle switche ethernetowe mają wbudowane funkcje diagnostyczne, które pozwalają nie tylko odnaleźć problem, ale za pomocą otwartych protokołów ? takich jak SNMP ? również zdiagnozować przyczynę problemu na poziomie konkretnego portu, a nie całego urządzenia ? twierdzi Jansons.
Poszukiwanie źródeł problemu w przemysłowych sieciach ethernetowych jest zadaniem trudnym, które nie może być zwykle sprowadzone do wykonywania tych samych, następujących po sobie kroków. To raczej pomysłowe poszukiwanie przyczyn awarii za pomocą tego, co mamy w walizce. Control Engineering radzi, jakie narzędzia powinny znaleźć się w takiej walizce i kiedy należy je zastosować.
Projekt, praca, naprawa
? Diagnostyka sieci jest jednym z trzech etapów warunkujących pomyślny rozwój przemysłowych sieci. Pierwszy etap obejmuje projekt, instalację oraz wydanie certyfikatu na podstawie testów. Drugi to praca sieci i okresowa kontrola oraz konserwacja. Ostatnim etapem jest naprawa po wystąpieniu awarii ? wtedy wykonuje się zwykle tradycyjną diagnostykę ? tak na łamach Control Engineering stwierdził w 2002 roku Nick Jones z Woodhead Connectivity (obecnie pracujący w firmie Molex).
Zalecenia, które przygotował Steve Zuponcic, menedżer ds. rozwiązań przemysłowych i cywilnych w Rockwell Automation, odnośnie doboru komponentów przemysłowego Ethernetu, zostały już wcześniej zamieszczone na łamach Control Engineering ? warto poszukać w tabeli 10 pozycji, o których należy pamiętać, stosując Ethernet w przemyśle. W tym artykule zamieszczono zestawienie 10 rad, które pozwolą pracować twojej sieci wydajnie i niezawodnie.

10 rad, które pozwolą pracować twojej sieci wydajnie i niezawodnie

  • Wykorzystuj odpowiednie narzędzia i zbieraj dane diagnostyczne
  • Sprawdzaj straty w kablu spowodowane odbiciami
  • Upewnij się, że okablowanie jest suche
  • Weź pod uwagę tłumienie medium
  • Wyższa temperatura może zmniejszać niezawodność
  • Nie zapominaj, że wszelkie przejściówki również wprowadzają tłumienie
  • Sprawdź rezystancję przewodu
  • Sprawdź konektory światłowoduCzyszczenie komponentów sieci wykonuj bardzo ostrożnie
  • Pamiętaj, żeby nie zapomnieć o stratach na etapie projektu sieci

Źródło: ?10 rad Fluke Networks dotyczących diagnostyki sieci,? Control Engineering, Mark T. Hoske, 19.03.2010

Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.
CE