Az Ethernet egy vezetékes hálózatokhoz használt adatátviteli technológia, amely a helyi otthoni vagy irodai hálózatokban (LAN, Local Area Network) az adatcsomagok továbbításának szabványos módja.
Egy ilyen hálózaton belül minden csatlakoztatott elektronikus eszköz, például számítógép, nyomtató és szerver kommunikálhat egymással LAN-kábeleken keresztül.
Az adatok küldése és fogadása Etherneten keresztül történik. Az Ethernet nem működik vezeték nélkül, mint a WLAN, hanem csak kábelhez kötötten. A hálózatba kötött ipari környezetekben a vezetékes Ethernet jelentősen megnövelt átviteli sebességet és megbízható átviteli stabilitást kínál a WLAN (Wireless Local Area Network) hálózatba kapcsoláshoz képest.
Az amerikai IEEE munkacsoport (Institute of Electrical and Electronics Engineers) az IEEE 802.3-as előírásával definiálta és szabványosította az Ethernet hálózati protokollt, valamint annak csomagjainak felépítését.
Az Ethernet relevanciája
Az Ethernet-szabvány kezdete a 70-es évekre nyúlik vissza. Ekkor azonban csak nagyon alacsony átviteli sebesség volt lehetséges. Az elmúlt évtizedekben az adatátviteli technológia folyamatosan fejlődött, így manapság akár 10 000 Mbit/s, illetve 10 Gbit/s sebesség is elérhető. Aztán szó van úgynevezett gigabit-Ethernetről is.
Amikor az Ipar 4.0 és a dolgok internete megjelent, eljött az ideje, hogy továbbfejlesszük az adatátvitel lehetőségeit. Ez az új gazdasági környezet megkövetelte, hogy az épület- és irodahálózatok informatikai rendszerei összeolvadjanak az ipari géphálózatokkal. Ez megváltoztatta a kommunikáció módját, és ezáltal az adatátvitelre vonatkozó követelményeket.
Hamar kiderült, hogy az épületek kábelezési területén használt klasszikus Ethernet tulajdonságai ipari környezethez már nem elégségesek.
Mit jelent tulajdonképpen az „Ethernet”?
ether = éter
Az éterelméletből származó ókori görög szó „mennyet” jelent. A korábbi századokban azt feltételezték, hogy az éter olyan közeg, amelynek segítségével az elektromágneses hullámok terjednek a térben.
net = hálózat
Mi micsoda: Ethernet vs. ipari Ethernet
Az ipari Ethernet az irodai hagyományos LAN Ethernet utódja, és elsősorban az ipari termelésben történő adatkommunikációhoz használják. Ennek jó oka is van: zökkenőmentes hálózati infrastruktúrát kínál, mégpedig valós időben. Az alkalmazási területek sokrétűek, és mostantól a terepi szinttől a vezérlőszintig egészen a vállalatvezetési szintig terjednek (a megbízás koordinációjához használt gyártási végrehajtási rendszer [MES] és az anyagtervezéshez használt vállalati erőforrástervezés [ERP]).
Eközben az ipari Ethernet-technológia rendkívül nagy címteret foglal magába. Az IPV6 címzéssel szinte korlátlan résztvevőszámú hálózatok valósíthatók meg. Nagy adatmennyiségek egyidejűleg továbbíthatók réz útján akár 40 Gbit/s sebességgel. Ez a nagy távolságokon történő adatkommunikációra is érvényes: az optikai vezetők segítségével akár 80 km-es távolságok is áthidalhatók a rézvezetőkkel összehasonlítva. Switcheken és routereken keresztül a hálózatok könnyen bővíthetők és szegmentálhatók.
Az ipari Ethernet előnyei a terepibusz-technológiával szemben
A terepi buszok olyan buszrendszerek, amelyeket terepi szinten használnak a szenzorok és aktorok összekapcsolására egy vezérlőszámítógéppel információcsere céljából. A terepi buszok eredete a gyártástechnika. Ott még mindig elsőbbséget élveznek.
Automatizálás során a kommunikációs folyamatok többnyire több szinten zajlanak. Az ipari Ethernetet akkor használják az ipari automatizálásban, amikor a terepi buszok funkciói már nem elégségesek. Ugyanis az ipari Ethernet előnyei a következők:
- Az automatizációs piramis több szintjén keresztül történő hálózatba kapcsolás lehetősége
- Jelentősen gyorsabb adatátvitel
- Jobb valós idejű tulajdonságok
- Nagyobb műszaki teljesítmény
- Nagyobb adatmennyiségek átvitele
- Biztonsági protokollok integrációja
Lehetséges a csatlakozás vezeték nélküli hálózatokhoz
A wireless LAN, segítségével az adatok vezeték nélkül kerülnek szállításra egy hálózaton belül vezeték nélküli technológiával. Az intelligens rádiós megoldások az ipari szektorban is egyre elterjedtebbek. Az eredmény egy összetett, dinamikusan kialakított rádiós mező.
Lehetséges a vezeték nélküli és kábelkötött hálózatok közötti adatátvitel; tehát a WLAN és az Ethernet kommunikálhat egymással.
A vezeték nélküli technológia előnyei
- Mozgó hálózati résztvevők csatlakoztatása helyhez kötött résztvevőkkel
- Csatlakozás forgó résztvevőkhöz, mint pl. karusszelek vagy daruk
- Rádiós hidak építése épülethatárokon vagy vizeken keresztül
- Kommunikáció nehezen hozzáférhető résztvevőkkel
A rádiós technológia hátrányai:
- A rádióhullámokat az akadályok megtörik
- A rádióhullámok az akadályokon visszatükröződnek
- A rádióhullámok áthaladáskor gyengülhetnek
- A rádióhullámok jogosulatlanul elfoghatók és használhatók
Ha kábel nélkül egyszerűen nem megy
A kábelkötegelt megoldás használata még mindig a legnagyobb előnyökkel jár az ipari gyártásban. A kábel kizárólagos, állandó közegként szolgál, fix átviteli tulajdonságokkal, a hálózat résztvevőinek egyértelmű felismeréséhez is. Azok, akik az Ethernetet adatátviteli technológiaként használják, rézvezetékeket vagy optikai kábeleket használhatnak az adatcsomagok továbbítására.
Egyszerű hálózati kommunikáció Ethernet-protokoll szabványokon keresztül
A protokoll vagy hálózati protokoll egy szabványosított szabálykészlet az adatok cseréjéhez, azaz egyfajta hálózati nyelv. Ez a számítógépek és készülékek közötti kommunikációt szolgálja. A szabványosított protokollokat protokollszabványnak is nevezzük.
Az alábbiakban tájékozódjon az Ethernet-technológia lényeges protokollszabványairól:
A PROFINET Európa vezető, nyílt ipari Ethernet-szabványa az ipari automatizálási technika minden területén. Ez a fajta kommunikációs rendszer valós idejű adatcserét tesz lehetővé ipari Ethernettel a vezérlő- és terepi készülékek között. A PROFINET a PROFIBUS, egy terepi busz protokollszabvány utódja, amelyet a PROFIBUS & PROFINET International (PI) felhasználói szervezet szabványosít. A LAPP aktívan részt vesz a PROFINET továbbfejlesztésében.
A vezérlő- és terepi készülékek közötti valós idejű kommunikáció a PROFINET-tel érhető el RT (Real Time) segítségével. Ehhez nincs szükség további követelményekre a hálózati komponensekkel szemben. Az ütemszinkronitás nélküli adatcsere ciklusideje kb. 10 milliszekundum. Az RT változatot például távoli I/O-rendszerekhez használják.
Az olyan speciális alkalmazásokhoz, amelyeknek ütemben szinkron módon kell működniük, pl. a szervohajtások szinkronizálása, elengedhetetlen a vezérlő- és terepi készülékek közötti izokrón kommunikáció a PROFINET-tel az IRT-n (Isochronous Real Time) keresztül. Az IRT-hálózatban további hardverkövetelményekre van szükség, és a szabványos Ethernet-switchek már nem megengedettek. Az adatcsere ciklusideje kevesebb, mint 1 millimásodperc.
Az EtherNET/IP egy ipari buszrendszer vezérlő- és automatizációs rendszerekben történő használatra, amelyet egyre inkább az amerikai térségben alkalmaznak.
Az EtherNet/IP szabványos Ethernet hardverrel működik, és a TCP/IP és az UDP protokollokat használja. A CIP (Common Industrial Protocol) alkalmazási protokollt is használja, amely a hálózat alkalmazási rétegét képezi. A nyílt ipari szabvány lényeges előnye a meglévő terepi eszközök soros RS-interfésszel történő egyszerű beépítése. A kommunikációs szolgáltatások ciklikus és időkritikus adatokkal látják el az automatizációs alkalmazást a terepi szintről.
Mivel azonban egy ilyen hálózatban „csak” kb. 10 ms ciklusidők érhetők el, a kommunikációs szabvány nem alkalmas minden további nélkül az izokrón szervo-üzemeltetés szigorú valós idejű követelményeihez (< 1 ms). Az ütemszinkron alkalmazásokhoz ezért a protokollt MotionSync-re és CIPSync-re bővítették.
Az EtherNET/IP karbantartását és továbbfejlesztését az Open DeviceNet Vendor Association (ODVA) végzi. A LAPP az ODVA tagja, és aktívan részt vesz az EtherNET/IP rendszer továbbfejlesztésében.
A CC-Link IE az ázsiai vezető, a CC-Link terepi buszrendszer Ethernet-alapú utódszabványa. Azokban az ipari alkalmazásokban, ahol a CC-Link mint terepi buszrendszer már nem elegendő, a lényegesen nagyobb adatmennyiségek kezelésére a hatékonyabb CC-Link ipari Ethernetet alkalmazzák. A nagy sebességű adatátvitel Gbit-teljesítményű szabványa valós idejű protokollokat biztosít, és jelenleg akár 120 készüléket is összekapcsol egy hálózaton belül. A CC-Link IE többek között a CC-Link IE Field (terepi szintű adatcsere) és a CC-Link IE Control (vezérlői szintű adatcsere), a CC-Link IE Safety (biztonsági vezérlők összekapcsolása biztonságos kommunikáció esetén) és a CC-Link IE Field Motion (szervohajtások szinkronizálásához) kivitelben érhető el.
A LAPP a CLPA (CC-Link Partner Association) felhasználói szervezet tagja, és aktívan részt vesz a szabvány továbbfejlesztésében. Az alábbiakban kínált komponensek közül sok a CLPA-specifikáció szerint tanúsított.
Az EtherCAT az ipari Ethernet széles körben elterjedt protokollja, és garantálja a nagy sebességű Ethernet-et. A megnevezés az Ethernet for Control Automation Technology-t jelöli, és különösen gyors Ethernet-nek számít az átviteli sebesség és a valós idejű képesség szempontjából.
A kommunikációhoz az EtherCAT standard Ethernet-kereteket, feldolgozható adatcsomagokat használ. Ezek az adatcsomagok egy Ethernet-fejlécből, egy EtherCAT-fejlécből, 1–15 EtherCAT-adatcsomagból és a bithibák felismerésére szolgáló ellenőrző mechanizmusból állnak.
A vezérlés egy mesterrel és egy vagy több szolgával rendelkező kommunikációs rendszerrel történik. A mester PARANCSOLT feltételeket küld a szolgáknak, amelyek a PILLANATNYI állapotot jelentik vissza. Így például vezérlési utasítások továbbíthatók, és válaszolhatnak egy gép pillanatnyi állapotaira.
A mester a megszerzett adatokból EtherCAT-diagramokat készít, és ezeket ismét elküldi a csatlakoztatott szolgáknak. Mint korábban említettük, az EtherCAT különlegessége a sebesség. Ez a következőképpen érhető el: miközben az adatcsomagok áthaladnak a szolgákon, minden szolga csak azokat a PARANCSOLT feltételeket veszi ki a diagramból, amelyek rá vonatkoznak, és közvetlenül beilleszti a TÉNYLEGES feltételét. Minden olyan adat, amelyet nem az adott szolgának szántak, nem kerül feldolgozásra, és azonnal továbbításra kerül. Még nagy számú csatlakoztatott szolga esetén is nagyon gyors a kommunikációs idő, mivel a folyamat késleltetése szolgánként mindössze néhány nanoszekundum.
TSN-szabvány a valós idő szempontjából kritikus adatok hatékony vezérléséhez
A TSN, az időérzékeny hálózatépítés rövidítése az Ethernet-hálózatokban az adatfolyamok vezérlésének és priorizálásának módját írja le. Az Ethernet-TSN azonban nem önálló kommunikációs protokoll, hanem a protokollok funkcióit meghatározó szabványok együttese. Ezeket a funkcionális meghatározásokat ezután különböző protokollok, mint például a PROFINET használhatják.
A TSN-szabványok kifejlesztésének célja az információs technológia és az ipari üzemi technika intelligens összeolvadása. Ehhez valós idejű kritikus alkalmazások, mint pl. egy biztonsági szempontból lényeges alkatrész jelfelvételének adatátvitelére van szükség.
A meglévő Ethernet-szabványok meghatározásával és bővítésével a TSN konvergenciát valósít meg az IT és a csatlakoztatott gépek és készülékek között. A valós idő szempontjából kritikus adatok és adatintenzív alkalmazások hatékony vezérlésének köszönhetően az Ethernet-hálózat egyetlen közös Ethernet-kábel segítségével megvalósítható.