Ethernet er en datatransmissionsteknologi til kabelbaserede netværk og er standarden til transmission af datapakker i lokale hjemme- eller kontornetværk (LAN, Local Area Network).
Inden for et sådant netværk kan alle tilsluttede elektroniske enheder som f.eks. computere, printere og servere kommunikere med hinanden via LAN-kabler.
Data sendes og modtages via Ethernet. Ethernet fungerer ikke trådløst som WLAN, men er i stedet udelukkende kabelbaseret. I netværksbaserede industrielle miljøer tilbyder kabelbaseret Ethernet en betydeligt højere datatransmissionshastighed og pålidelig transmissionsstabilitet end alternativ netværk via WLAN (Wireless Local Area Network).
Den amerikanske arbejdsgruppe IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) har defineret og standardiseret Ethernet-netværksprotokollen og strukturen af dens pakker med IEEE-specifikationen 802.3.
Betydningen af Ethernet
Ethernet-standarden begyndte i 1970'erne. Dengang var det dog kun muligt med en meget lav transmissionshastighed. I løbet af de sidste par årtier har datatransmissionsteknologien udviklet sig støt, så der nu kan opnås hastigheder på op til 10.000 Mbit/s eller 10 Gbit/s. Dette kaldes også Gigabit Ethernet.
Med fremkomsten af Industri 4.0 og Tingenes Internet var tiden kommet til at videreudvikle mulighederne for datatransmission. Dette nye økonomiske miljø krævede IT-systemer fra bygnings- og kontornetværk til at blive fusioneret med industrielle maskinnetværk. Dette ændrede typen af kommunikation og dermed kravene til datatransmission.
Det blev hurtigt klart, at egenskaberne ved det klassiske Ethernet til bygningsinstallationer ikke længere var tilstrækkelige til industrielle miljøer.
Hvad betyder "Ethernet" egentlig?
Ether
Et antikt græsk ord afledt af teorien om æter, der betyder "himlen". I tidligere århundreder blev det antaget, at æteren var et medium, hvorigennem elektromagnetiske bølger blev udbredt i rummet.
Net
Hvad er hvad: Ethernet vs. industrielt Ethernet
Industrielt Ethernet er efterfølgeren til konventionelt kontorbaseret LAN Ethernet og bruges primært til datakommunikation i industriel produktion. Der er gode grunde til dette: Det tilbyder en problemfri netværksinfrastruktur i realtid. Anvendelsesområderne er forskellige, fra feltniveau og kontrolniveau til virksomhedsledelsesniveau (Manufacturing Execution System [MES] til ordrekoordinering og Enterprise Resource Planning [ERP] til materialeplanlægning).
Industriel Ethernet-teknologi tilbyder også et meget stort adresseområde. IPV6-adressering gør det muligt at oprette netværk med et stort set ubegrænset antal noder. Store mængder data kan transmitteres samtidig med høje hastigheder på op til 40 Gbit/s via kobber. Dette gælder også datakommunikation over lange afstande: sammenlignet med kobberkabler kan fiberoptiske kabler overvinde afstande på op til 80 km. Netværk kan nemt udvides og segmenteres ved hjælp af switche og routere.
Fordelene ved industriel Ethernet sammenlignet med Fieldbus-teknologi
Fieldbusser er bussystemer, der anvendes på feltniveau til at forbinde sensorer og aktuatorer til at udveksle oplysninger med en kontrolcomputer. Fieldbusser stammer fra produktionsteknologi. De bruges stadig primært der.
Når det drejer sig om automatisering, finder kommunikationsprocesser normalt sted på tværs af flere niveauer. Industrielt Ethernet anvendes i industriel automatisering, hvor Fieldbussernes funktioner ikke længere er tilstrækkelige. Fordelene ved Industrial Ethernet er trods alt:
- Mulighed for netværk på tværs af flere niveauer i automatiseringspyramiden
- Mærkbart hurtigere datatransmission
- Forbedrede realtidsegenskaber
- Større teknisk ydeevne
- Transmission af større datamængder
- Integration af sikkerhedsprotokoller
Forbindelse til trådløse netværk er mulig
Med trådløst LAN transmitteres data trådløst inden for et netværk ved hjælp af trådløs teknologi. Intelligente trådløse løsninger bliver også stadig mere populære i den industrielle sektor. Resultatet er et komplekst, dynamisk designet radiofelt.
Det er muligt at transmittere data mellem trådløse og kabelbaserede netværk, hvilket betyder, at WLAN og Ethernet kan kommunikere med hinanden.
Fordele ved trådløs teknologi
- Forbindelse af deltagere i det mobile netværk med stationære deltagere
- Forbindelse til roterende deltagere som f.eks. karuseller eller kraner
- Konstruktion af trådløse broer på tværs af bygningsgrænser eller vand
- Kommunikation med deltagere, der er vanskelige at få adgang til
Ulemper ved trådløs teknologi
- Radiobølger diffrakteres ved forhindringer
- Radiobølger afspejles af forhindringer
- Radiobølger kan dæmpes, når de passerer igennem
- Radiobølger kan aflyttes og udnyttes uden tilladelse
Når trådløs ikke er mulig
Brugen af en kabelbaseret løsning byder stadig på de største fordele i industriel produktion. Kablet er et eksklusivt, ensartet medium med faste transmissionsegenskaber og til klart at identificere netværksdeltagerne. Enhver, der bruger Ethernet som datatransmissionsteknologi, kan bruge kobberkabler eller fiberoptiske kabler til at distribuere datapakker.
Simpel netværkskommunikation via Ethernet-protokolstandarder
En protokol eller netværksprotokol er et standardiseret sæt regler for udveksling af data, dvs. en type netværkssprog. Dette bruges til kommunikation mellem computere og enheder. Standardiserede protokoller er også kendt som protokolstandarder.
Få mere at vide om de vigtigste protokolstandarder for Ethernet-teknologi nedenfor:
PROFINET er den førende åbne industrielle Ethernet-standard i Europa for alle områder inden for industriel automatiseringsteknologi. Denne type kommunikationssystem gør det muligt at udveksle data i realtid mellem styreenheder og feltenheder ved hjælp af industriel Ethernet. PROFINET er efterfølgeren til PROFIBUS, en Fieldbus-protokolstandard, der er standardiseret af brugerorganisationen PROFIBUS & PROFINET International (PI). LAPP spiller en aktiv rolle i den videre udvikling af PROFINET.
RT (Real Time)-varianten af PROFINET gør det muligt for styreenheder og feltenheder at kommunikere i realtid. Der skal ikke stilles yderligere krav til netværkskomponenterne for at gøre dette. Cyklustiderne for udveksling af data uden urets synkronisering er ca. 10 millisekunder. RT-varianten bruges f.eks. i eksterne I/O-systemer.
Når det drejer sig om specielle anvendelser, der kræver ursynkronisering, f.eks. synkronisering af servodrev, er det vigtigt at bruge isokron kommunikation mellem styreenheden og feltenheden, som leveret af IRT (Isochronous Real Time) variant af PROFINET. IRT-netværk stiller yderligere krav til hardware, og standard Ethernet-switche er ikke længere tilladt. Cyklustiderne til udveksling af data er mindre end 1 millisekund.
EtherNET/IP er et industrielt bussystem til brug i kontrol- og automatiseringssystemer, og det anvendes i stigende grad i Amerika.
EtherNET/IP fungerer ved hjælp af standard Ethernet-hardware og bruger transportprotokollerne TCP/IP og UDP. Den bruger også anvendelsesprotokollen CIP (Common Industrial Protocol), som udgør anvendelseslaget i netværket. En af de vigtigste fordele ved denne åbne industristandard er, at det er nemt at integrere eksisterende feltudstyr med en seriel RS-grænseflade. Kommunikationstjenesterne forsyner automatiseringsanvendelsen med cykliske og tidskritiske data fra feltniveauet.
Da sådanne netværk dog "kun" er i stand til at opnå cyklustider på omkring 10 ms, er kommunikationsstandarden imidlertid ikke i sig selv egnet til at håndtere de krævende realtidskrav til isokronisk servodrift (< 1 ms). For anvendelser, der kræver ursynkronisering, blev protokollen derfor udvidet til at omfatte MotionSync og CIPSync.
EtherNET/IP vedligeholdes og videreudvikles af Open DeviceNet Vendor Association (ODVA). LAPP er medlem af ODVA og spiller en aktiv rolle i videreudviklingen af EtherNET/IP-systemet.
I Asien er CC-Link IE den førende Ethernet-baserede efterfølger til CC-Link Fieldbus-systemet. I industrielle anvendelser, hvor CC-Link når sine grænser som et Fieldbus-system, bruges den mere kraftfulde CC-Link Industrial Ethernet-variant til at administrere betydeligt større mængder data. Denne standard for højhastighedsdatatransmission, der tilbyder Gbit-ydeevne, leverer realtidsprotokoller og kan i øjeblikket forbinde op til 120 enheder i et netværk. CC-Link IE fås i versioner som CC-Link IE Field (til udveksling af data på feltniveau), CC-Link IE Control (til udveksling af data på controllerniveau), CC-Link IE Safety (til sammenkobling af sikkerhedscontrollere for sikker kommunikation) og CC-Link IE Field Motion (til synkronisering af servodrev).
LAPP er medlem af brugerorganisationen CLPA (CC-Link Partner Association) og spiller en aktiv rolle i den videre udvikling af standarden. Mange af de komponenter, der tilbydes nedenfor, er certificeret i henhold til CLPA-specifikationer.
EtherCAT er en udbredt protokol til Industrial Ethernet og garanterer højhastigheds Ethernet. Betegnelsen står for Ethernet for Control Automation Technology og anses for at være særligt hurtigt Ethernet med hensyn til gennemstrømningshastigheder og realtidskapacitet.
Til kommunikation bruger EtherCAT standard Ethernet-rammer, datapakker, der kan behandles. Disse datapakker består af en Ethernet-overskrift, et EtherCAT-overskrift, 1 til 15 EtherCAT-datagrammer og en testmekanisme til at opdage bitfejl.
Styringen leveres af et kommunikationssystem med en master og en eller flere slaver. Masteren sender TARGET-betingelserne til slaverne, som returnerer den faktiske tilstand. Det er f.eks. muligt at overføre kontrolanvisninger og besvare spørgsmål om en maskines aktuelle tilstand.
Master opretter EtherCAT-diagrammer ud fra de erhvervede data og sender disse til de tilsluttede slaver. Som tidligere nævnt er det, der gør EtherCAT speciel, dens hastighed. Dette opnås på følgende måde: Mens datapakkerne stadig kører gennem slaverne, tager hver slave kun de TARGET-betingelser fra diagrammet, der gælder for den, og indsætter sin AKTUELLE betingelse direkte. Eventuelle data, der ikke er beregnet til den pågældende slave, behandles ikke og videresendes med det samme. Selv med et stort antal tilsluttede slaver er kommunikationstiden meget hurtig, da gennemløbsforsinkelsen pr. slave kun er nogle få nanosekunder.
TSN-standarden til effektiv kontrol af kritiske data i realtid
TSN, kort for Time-Sensitive Networking, beskriver en måde at styre og prioritere datastrømme i Ethernet-netværk på. Ethernet TSN er imidlertid ikke en uafhængig kommunikationsprotokol, men snarere et sæt standarder, der definerer protokollernes funktioner. Disse funktionsdefinitioner kan derefter bruges af forskellige protokoller som f.eks. PROFINET.
Formålet med at udvikle TSN-standarderne er at forene informationsteknologi og industriteknik på en intelligent måde. For at gøre dette kræver det datatransmission fra kritiske anvendelser i realtid, f.eks. signaloptagelse af en sikkerhedsrelevant komponent.
Ved at definere og udvide eksisterende Ethernet-standarder opnår TSN konvergens mellem IT og de tilsluttede maskiner og enheder. Ved effektivt at styre kritiske data i realtid og dataintensive anvendelser kan Ethernet-netværket implementeres via et enkelt fælles Ethernet-kabel.