Ethernet je technologie přenosu dat pro kabelové sítě a je standardem pro přenos datových paketů v místních domácích nebo kancelářských sítích (LAN, Local Area Network).
V rámci takové sítě mohou všechna připojená elektronická zařízení, jako jsou počítače, tiskárny a servery navzájem komunikovat prostřednictvím kabelů LAN.
Data jsou tedy přes ethernet odesílána i přijímána. Ethernet nefunguje bezdrátově jako WiFi, nýbrž pouze kabelově. V síťovém průmyslovém prostředí nabízí kabelový ethernet výrazně vyšší rychlost přenosu dat a spolehlivou stabilitu přenosu než alternativní síťování přes bezdrátový WLAN (Wireless Local Area Network).
Americká profesní organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) definovala a standardizovala síťový protokol Ethernet a strukturu jeho paketů ve standardu IEEE 802.3.
Význam ethernetu
Standard Ethernetu začal v 70. letech minulého století. Tehdy však byla možná pouze velmi nízká přenosová rychlost. Během posledních několika desetiletí se technologie přenosu dat neustále vyvíjela, takže dnes je možné dosáhnout rychlostí až 10 000 Mbit/s, resp. 10 Gbit/s. Toto je také označováno jako Gigabit Ethernet.
S příchodem Průmyslu 4.0 a internetu věcí přišel čas dále rozvíjet možnosti přenosu dat. Toto nové ekonomické prostředí vyžadovalo, aby se IT systémy ze sítí budov a kanceláří sloučily se sítěmi průmyslových strojů. To změnilo druh komunikace a tím i požadavky na přenos dat.
Rychle se ukázalo, že vlastnosti klasického ethernetu z kabeláže budov již nejsou pro průmyslová prostředí dostatečné.
Co vlastně znamená „Ethernet“?
Ether
Starověké řecké slovo odvozené od „ether teorie“, což znamená „nebe“. V minulých stoletích se předpokládalo, že éter je médium, skrze které se ve vesmíru šíří elektromagnetické vlny.
Net
Co je co: ethernet vs. průmyslový ethernet
Průmyslový ethernet je nástupcem běžného kancelářského LAN ethernetu a používá se především pro datovou komunikaci v průmyslové výrobě. Existují pro to dobré důvody: nabízí bezproblémovou síťovou infrastrukturu v reálném čase. Oblasti použití jsou rozmanité, od provozní úrovně a kontrolní úrovně až po úroveň řízení společnosti (Systém realizace výroby (MES) pro koordinaci objednávek a plánování zdrojů podniku (ERP) pro plánování materiálů).
Technologie průmyslového ethernetu nabízí také velmi velký adresový prostor. IPV6 adresování umožňuje realizaci sítí s prakticky neomezeným počtem uzlů. Současně lze přes měď vysokou rychlostí až 40 Gbit/s přenášet velká množství dat. To platí také pro datovou komunikaci na dlouhé vzdálenosti: ve srovnání s měděnými kabely dokáží optické kabely překlenout vzdálenost až 80 km. Sítě lze snadno rozšiřovat a segmentovat pomocí switchů a směrovačů.
Výhody průmyslového ethernetu ve srovnání s technologií provozní sběrnice
Provozní sběrnice jsou sběrnicové systémy používané na provozní úrovni k propojení snímačů a akčních členů pro výměnu informací s řídicím počítačem. Provozní sběrnice pocházející z výrobní technologie. A tam se taky stále primárně používají.
Pokud jde o automatizaci, komunikační procesy obvykle probíhají na několika úrovních. Průmyslový ethernet se používá v průmyslové automatizaci všude tam, kde již funkce provozních sběrnic nejsou dostatečné. Koneckonců, výhody průmyslového ethernetu jsou:
- možnost propojení více úrovní automatizační pyramidy
- výrazně rychlejší přenos dat
- vylepšené vlastnosti v reálném čase
- větší technická výkonnost
- přenos větších objemů dat
- integrace bezpečnostních protokolů
Možné připojení k bezdrátovým sítím
S bezdrátovou sítí LAN se data v síti přenáší bezdrátově pomocí bezdrátové techniky. V průmyslovém sektoru se také stávají stále oblíbenějšími inteligentní bezdrátová řešení. Výsledkem je složité, dynamicky navržené rádiové pole.
Je možné přenášet data mezi bezdrátovými a kabelovými sítěmi, což znamená, že WLAN a Ethernet dokáží navzájem komunikovat.
Výhody bezdrátové technologie
- propojení účastníků mobilních sítí se stacionárními účastníky
- připojení k rotujícím účastníkům, jako jsou karusely nebo jeřáby
- výstavba bezdrátových mostů přes hranice budov nebo přes vodu
- komunikace s těžko přístupnými účastníky
Nevýhody bezdrátové technologie
- rádiové vlny se na překážkách odchylují
- rádiové vlny se od překážek odrážejí
- rádiové vlny mohou být při průchodu utlumeny
- rádiové vlny mohou být zachycovány a využívány bez povolení
Když bezdrátové připojení jednoduše není možné
Použití kabelového řešení v průmyslové výrobě stále přináší největší výhody. Kabel je exkluzivní, stálé médium s pevně danými přenosovými vlastnostmi a umožňuje jasnou identifikaci účastníků sítě. Každý, kdo používá ethernet jako technologii přenosu dat, může k distribuci datových paketů použít měděné nebo optické kabely.
Jednoduchá síťová komunikace přes ethernet protokolové standardy
Protokol nebo síťový protokol je standardizovaný soubor pravidel pro výměnu dat, tj. typ síťového jazyka. Používá se pro komunikaci mezi počítači a zařízeními. Standardizované protokoly jsou také známé jako protokolové standardy.
Další informace o klíčových protokolových standardech pro technologii ethernet naleznete níže:
PROFINET je přední otevřený průmyslový ethernetový standard v Evropě pro všechny oblasti technologie průmyslové automatizace. Tento typ komunikačního systému umožňuje výměnu dat v reálném čase mezi řídicími a provozními zařízeními pomocí průmyslového Ethernetu. PROFINET je nástupcem PROFIBUSu, standardu protokolu provozní sběrnice, který je standardizován organizací uživatelů PROFIBUS & PROFINET International (PI). Společnost LAPP se aktivně podílí na dalším vývoji PROFINETu.
Verze PROFINET RT (Real Time) umožňuje komunikaci mezi řídicími a provozními zařízeními v reálném čase. K tomu není nutné klást na síťové komponenty žádné další požadavky. Doba cyklu při výměně dat bez časové synchronizace je cca 10 milisekund. Varianta RT se používá například ve vzdálených I/O systémech.
Pokud jde o speciální aplikace, které vyžadují synchronizaci hodin, např. synchronizaci servo pohonů, je nezbytné používat isochronickou komunikaci mezi řídicím zařízením a provozním zařízením, jak to umožňuje varianta IRT (Isochronous Real Time) PROFINET. Sítě IRT kladou na hardware další požadavky a standardní Ethernetové switche již nejsou povoleny. Doba cyklu pro výměnu dat je kratší než 1 milisekundy.
„EtherNET/IP“ je průmyslový sběrnicový systém k použití v řídicích a automatizačních systémech, který se stále více používá v americkém regionu.
EtherNET/IP pracuje pomocí standardního ethernetového hardwaru a používá přenosové protokoly TCP/IP a UDP. Využívá také aplikační protokol CIP (Common Industrial Protocol), který v síti tvoří aplikační vrstvu. Jednou z klíčových výhod tohoto otevřeného průmyslového standardu je snadná integrace stávajících provozních zařízení se sériovým RS rozhraním. Komunikační služby poskytují automatizační aplikaci cyklická a časově kritická data z terénu.
Avšak vzhledem k tomu, že tyto sítě jsou schopny dosáhnout doby cyklů „pouze“ kolem 10 ms, komunikační standard není sám o sobě vhodný pro vypořádání se v reálném čase s náročnými požadavky izochronického servo provozu (<1 ms). Pro použití vyžadující synchronizaci hodin byl proto protokol rozšířen tak, aby zahrnoval MotionSync a CIPSync.
EtherNET/IP spravuje a dále rozvíjí sdružení ODVA (Open DeviceNet Vendor Association). Společnost LAPP je členem ODVA a aktivně se podílí na dalším vývoji systému EtherNET/IP.
V Asii je CC-Link IE předním Ethernetovým standardem, který je nástupcem provozního sběrnicového systému CC-Link. V průmyslových aplikacích, kde CC-Link dosahuje svých limitů jako provozní sběrnicový systém, se pro správu podstatně větších objemů dat používá výkonnější varianta CC-Link Industrial Ethernet. Tento standard pro vysokorychlostní přenos dat, který nabízí výkon na úrovni Gbitů, poskytuje protokoly v reálném čase a v současné době může v rámci sítě připojit až 120 zařízení. CC-Link IE je k dispozici ve variantách zahrnujících CC-Link IE Field (pro výměnu dat na provozní úrovni), CC-Link IE Control (pro výměnu dat na úrovni řízení), CC-Link IE Safety (pro propojení bezpečnostních ovládacích prvků pro bezpečnou komunikaci) a CC-Link IE Field Motion (pro synchronizaci servopohonů).
Společnost LAPP je členem organizace uživatelů CLPA (CC-Link Partner Association) a aktivně se podílí na dalším vývoji tohoto standardu. Mnoho z níže nabízených komponent bylo certifikováno v souladu se specifikacemi CLPA.
EtherCAT je široce používaný protokol pro průmyslový ethernet a zaručuje vysokorychlostní ethernet. Označení znamená ethernet pro technologii řídicí automatizace a z hlediska přenosové rychlosti a schopnosti v reálném čase je považován za obzvláště rychlý ethernet.
Pro komunikaci využívá EtherCAT standardní ethernetové rámce, zpracovatelné datové pakety. Tyto datové pakety se skládají z hlavičky ethernet, hlavičky EtherCAT, 1 až 15 datagramů EtherCAT a z testovacího mechanismu pro detekci bitových chyb.
Ovládání je zajištěno komunikačním systémem, který obsahuje hlavní master a jeden nebo více podřízených slave zařízení. Hlavní master pošle podřízeným zařízením slave CÍLOVÉ (TARGET) podmínky, které vrací SKUTEČNÝ (ACTUAL) stav. Například je možné přenášet řídicí pokyny a odpovídat na otázky ohledně aktuálního stavu stroje.
Hlavní master ze získaných dat vytváří diagramy EtherCAT a odesílá je připojeným podřízeným zařízením slave. Jak již bylo zmíněno, EtherCAT vyniká svou rychlostí. Té dosahuje následujícím způsobem: zatímco datové pakety stále běží přes podřízená zařízení slave, každé podřízené zařízení slave bere z diagramu pouze CÍLOVÉ (TARGET) podmínky, které se na něj vztahují, a vkládá přímo svůj SKUTEČNÝ (ACTUAL) stav. Veškerá data, která nejsou určena pro příslušné podřízené zařízení slave, se nezpracovávají a okamžitě se předávají dále. Dokonce i při vysokém počtu připojených podřízených zařízení slave je komunikační doba velmi rychlá, protože zpoždění průchodnosti na podřízené zařízení slave je jen několik nanosekund.
Standard TSN pro efektivní řízení kritických dat v reálném čase
TSN, zkratka pro Time-Sensitive Networking, popisuje způsob, jak řídit a upřednostňovat datové toky v sítích ethernet. Ethernet TSN však není nezávislý komunikační protokol, ale spíše soubor standardů, které definují funkce protokolů. Tyto definice funkce pak mohou být použity různými protokoly, jako je například PROFINET.
Cílem vývoje standardů TSN je inteligentní spojení informačních technologií s průmyslovým inženýrstvím. K tomu je zapotřebí přenos dat z kritických aplikací v reálném čase, jako je například získávání signálu z bezpečnostně důležitého komponentu.
Definováním a rozšiřováním stávajících standardů ethernetu dosahuje TSN konvergence mezi IT a připojenými stroji a zařízeními. Efektivním řízením kritických dat v reálném čase a datově náročných aplikací lze síť ethernet implementovat prostřednictvím jediného běžného ethernetového kabelu.