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 lub 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 inne 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 liczby 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 są również odporne na wibracje, które mogą pochodzić od różnych maszyn lub urządzeń pracujących w sąsiedztwie. Ważnym parametrem jest również klasa ochronności IP. W switchach przemysłowych standardem jest też odporność na pyły oraz wilgoć.

Ważnym parametrem jest również wartość napięcia zasilania, a także możliwość zasilania redundantnego. Switche przemysłowe mogą być zasilane prądem o bardzo szerokim zakresie napięcia – nawet od 9 V do 60 V. Oczywiście akceptowane 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 ich liczba może być różna i mogą pełnić różne funkcje. Podpięcie takiego wyjścia do lampki sygnalizacyjnej lub bezpośrednio do 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 podzielonych na ramki. Każda ramka zawiera informację o nadawcy, odbiorcy, czasie itp.

W zastosowaniach przemysłowych bardzo ważne jest zapewnienie stuprocentowej niezawodności komunikacji. Musimy mieć pewność, że każda ramka trafi do odbiorcy w ściśnie określonym czasie. Potrzeba ta sprawiła, że w sieciach przemysłowych bazujących na Ethernecie stosowane są specjalne protokoły, takie jak PROFINET, EtherCAT, Modbus TCP, Ethernet/IP i inne.

Wg badań przeprowadzonych przez HMS Networks, w 2023 roku protokoły oparte na Ethernet były wykorzystywane w 68% instalacji.

Każdy z protokołów wykorzystujących Ethernet jest obsługiwany przez przemysłowe switche ethernetowe. Jednak każdy z nich wyróżnia się innymi właściwościami, a także ma inne mechanizmy kontroli błędów i usprawnienia komunikacji.

Dowiedz się więcej o protokole Profinet, przeczytaj artykuł „Profinet – przemysłowy standard komunikacji”

Dowiedz się więcej o protokole EtherCAT, przeczytaj artykuł „Dlaczego w sieciach przemysłowych EtherCAT jest lepszy niż klasyczny Ethernet?”

Do czego służy switch przemysłowy?

Wszystkie wymienione powyżej protokoły 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 brak switcha oznacza 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. Z drugiej strony pewną 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.

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