Rūpniecisko tīklu topoloģiju kļūmes: līnijas, zvaigznes, gredzena un koka topoloģiju kļūmes Schneider Modicon un Phoenix Contact sistēmās

Kāpēc tīkla topoloģijas zināšanas ir ļoti svarīgas rūpniecisko procesu nepārtrauktai darbībai?

Katram rūpnieciskajam tīklam ir sava uzbūve, un katrai uzbūvei ir raksturīgs savs atteices modelis. Tomēr lielākā daļa inženieru šos modeļus apgūst tikai bojājuma laikā. Es tos apguvu grūtā veidā uz pudeļu pildīšanas līnijas. Schneider Modicon M580 PLC ar Modbus RTU savienoja trīs Altivar VFD ierīces ķēdē. Viens vaļīgs VFD-2 spailes savienojums pārtrauca saziņu ar VFD-3, kamēr VFD-1 turpināja veiksmīgi veikt aptauju. Līnija apstājās uz četrām stundām, jo neviens neuzticējās topoloģijas shēmai. Tāpēc izpētiet, kā līnijas, zvaigznes, gredzena un koka topoloģijas darbojas atteices gadījumā, pirms atteice skar jūs.

Kādas ir biežākās terminēšanas un garuma problēmas līnijas topoloģijā?

Līnijas topoloģijā ierīces tiek savienotas ķēdē no mezgla pirmā līdz mezglam N. Tā izmanto minimālu kabeļu daudzumu un ir piemērota nelielām, mazāk kritiskām lietojumprogrammām. Tomēr tajā slēpjas riski. Pirmkārt, terminēšanas pretestība. RS-485 Modbus RTU segmentam abos fiziskajos galos nepieciešama 120 omu terminēšana. Profibus DP segmentam nepieciešams tam paredzēts terminators — 220 omi starp pāri ar 390 omu nobīdes rezistoriem, izmantojot atbilstošus kopnes savienotājus, kas ieslēgti tikai pirmajā un pēdējā ierīcē. Turklāt reiz es atradu trīs ieslēgtus terminatorus vienā maģistrālē. Atstarojumi nejauši sabojāja kadrus, un CRC kļūdas pārpludināja M580 izņēmumu žurnālu. Otrkārt, attālums. Modbus RTU maģistrāle ar 9600 bodiem parasti darbojas droši aptuveni līdz 1200 metriem. Palielinot pārraides ātrumu līdz 115 200 bodiem, drošais garums ievērojami samazinās. Visbeidzot, atcerieties atteices asimetriju. Izslēgta ierīce parasti ļauj signālam iziet cauri ķēdei. Īsslēgta spaile pārtrauc visas līnijas darbību.

• 1. darbība: Izstaigājiet fizisko maģistrāli un uz papīra atzīmējiet katras ierīces novietojumu.
• 2. darbība: Pārbaudiet, vai terminēšana ir aktīva tieši abos fiziskajos galos un nekur citur.
• 3. darbība: Izmēriet kopni ar līnijas testeri, pārbaudot nobīdes spriegumu un signāla kvalitāti.
• 4. darbība: Salīdziniet pārraides ātrumu ar kopējo kabeļa garumu un, ja rādītāji ir robežstāvoklī, samaziniet ātrumu.

Kāpēc zvaigznes topoloģija ir pilnībā atkarīga no centrālā slēdža darbspējas?

Zvaigznes topoloģijā visas ierīces ir savienotas ar vienu centrālo slēdzi. Traucējummeklēšana ir vienkārša, un paplašināšana — ērta. Tomēr centrālā ierīce ir viens atteices punkts. Ja slēdzis pārstāj darboties, līdz ar to apstājas visa šūna. Es uzturu rūpnīcu, kur Phoenix Contact FL SWITCH pārvaldāmais slēdzis ir Modbus TCP šūnas centrā un savienots, izmantojot Modbus TCP sakaru moduli. Slēdzis izturēja, taču kādreiz nepareizi konfigurēts ports no viena IO-Scanner pārpludināja tīklu ar multiraides datplūsmu. Visi Modbus TCP klienti dažu sekunžu laikā pārtrauca atbildēt. Turklāt nepārvaldāms slēdzis pat nespēj ziņot par šādu atteici. Tāpēc visur, kur ražošana ir svarīga, izmantojiet pārvaldāmus slēdžus. Iespējojiet IGMP snooping, lai ierobežotu multiraides datplūsmu. Visbeidzot, konfigurējiet portu statistiku un iestatiet trauksmes signālu, ja pieaug kļūdu skaitītāju vērtības — vēl pirms lietotāji to pamana.

• 1. darbība: Ražošanas šūnās aizstājiet nepārvaldāmos slēdžus ar pārvaldāmām ierīcēm.
• 2. darbība: Iespējojiet IGMP snooping un reizi nedēļā pārskatiet portu statistiku.
• 3. darbība: Bloķējiet neizmantotos portus un skaidri iestatiet ātrumu un duplekso režīmu.
• 4. darbība: Katrai kritiskajai šūnai plauktā glabājiet vienu ieprogrammētu rezerves slēdzi, kas nav pieslēgts tīklam.

Kā pareizi konfigurēt redundanci gredzena topoloģijā?

Gredzena topoloģija nodrošina katrai ierīcei divus saziņas ceļus. Normālā darbībā viens ceļš loģiski paliek bloķēts, un gredzens darbojas kā līnija. Kad kabelis pārtrūkst, gredzens atjaunojas, izmantojot alternatīvo ceļu. Tomēr atjaunošana ir pilnībā atkarīga no pareizas konfigurācijas. Phoenix Contact pārvaldāmie slēdži atbalsta MRP — multivides redundances protokolu, kas standartizēts standartā IEC 62439-2. MRP nepieciešams precīzi viens slēdzis, kas konfigurēts kā gredzena pārvaldnieks jeb MRM, bet visi pārējie darbojas kā klienti. Pareizi konfigurēta atjaunošana notiek ātrāk nekā 200 milisekundēs. Schneider Modicon M580 piedāvā arī savu redundanto gredzenu attālinātajiem IO moduļiem. Tāpēc katras nodošanas ekspluatācijā laikā pārbaudiet pārvaldnieka lomu. Reiz es pārbaudīju gredzenu, kur divi dažādi darbuzņēmēji bija konfigurējuši divus pārvaldniekus. Tīkls vairākus mēnešus darbojās labi. Pēc tam viena atvienošanas darbība izraisīja dublētus paketes un pārplūdi, un viss segments kļuva nestabils. Turklāt atcerieties otro gredzenu likumu: pēc pirmā pārtraukuma jums ir līnija bez jebkādas redundances. Novērsiet pārtraukumu nekavējoties.

• 1. darbība: Pārliecinieties, ka katrā gredzena segmentā ir tieši viens MRP pārvaldnieks.
• 2. darbība: Nodošanas ekspluatācijā laikā pārbaudiet gredzenu, tīši atvienojot vienu kabeli.
• 3. darbība: Izmēriet atjaunošanas laiku un salīdziniet to ar jūsu procesa pieļaujamo robežu.
• 4. darbība: Iestatiet trauksmes signālu par gredzena pārkonfigurēšanas notikumiem, lai bojāti kabeļi tiktu salaboti tajā pašā dienā.

Kā novērst apraides vētras hierarhiskā koka topoloģijā?

Koka topoloģijas hierarhijas lieliski mērogojas lielās rūpnīcās. Šūnu slēdži tiek apvienoti zonu slēdžos, bet zonu slēdži nodrošina savienojumu ar rūpnīcas mugurkaulu. Tomēr hierarhija rada atkarības. Ja augstāka līmeņa slēdzis pārstāj darboties, viss, kas atrodas zem tā, kļūst nepieejams. Turklāt viena nevainīga elektroinstalācijas kļūda var paralizēt visu koku. Papildu komutācijas kabelis starp diviem slēdžiem izveido Ethernet cilpu. Apraides kadri cirkulē bezgalīgi, un apraides vētra dažu sekunžu laikā pārslogo katru slēdzi. Esmu redzējis, kā tas paralizē visu iepakošanas cehu. PLC un HMI nejauši zaudēja saziņu, lai gan visa aparatūra šķita darbspējīga. Ja Spanning Tree Protocol reaģē pārāk lēni vai vispār nav konfigurēts, vētra uzvar. Tāpēc hierarhijā iespējojiet ātro spanning tree protokolu un fiziski marķējiet katru augšupsaites kabeli.

• 1. darbība: Iespējojiet RSTP visos hierarhiskajos Phoenix Contact slēdžos ar pareizi iestatītām prioritātēm.
• 2. darbība: Marķējiet un izmantojiet krāsu kodējumu katram augšupsaites kabelim, lai novērstu nejaušu krustenisku savienojumu.
• 3. darbība: Pārraugiet apraides pakešu skaitu katrā portā un iestatiet trauksmes signālu pēkšņa pieauguma gadījumā.
• 4. darbība: Noslēdziet slēdžu telpu un pieprasiet izmaiņu apstiprinājumu jebkādiem komutācijas darbiem.

Secinājumi un ieteikumi rīcībai

Topoloģijas atteices ir projektēšanas kļūmes, kas atklājas visnepiemērotākajā brīdī. Pirmkārt, pārbaudiet katru RS-485 maģistrāli, pārliecinoties par pareizu terminēšanu un pietiekamu garuma rezervi. Otrkārt, standartizējiet pārvaldāmu slēdžu izmantošanu un izlasiet to statistiku, pirms operatori pamana trauksmes signālus. Turklāt nodošanas ekspluatācijā laikā pārbaudiet katru redundanto gredzenu, fiziski izvelkot vienu kabeli. Tomēr nekad neuzskatiet, ka gredzens, kas veiksmīgi izturēja nodošanas pārbaudi, joprojām ir veselīgs — pēc katras slēdža nomaiņas pārbaudiet pārvaldnieka lomu. Tāpēc uzturiet topoloģijas shēmas aktuālas un uzskatiet tās par kontrolētiem dokumentiem. Visbeidzot, kopā ar komandu izmēģiniet šajā rokasgrāmatā aprakstītos atteices scenārijus. Labākais laiks, lai apgūtu gredzena darbību, ir plānots tests, nevis avārija pulksten 3 naktī.

Autors: Xu Jiawei ir rūpnieciskās automatizācijas inženieris ar vairāk nekā 10 gadu pieredzi PLC, DCS un vadības sistēmu jomā.