Az Ethernet vezetékes hálózatokhoz kapcsolódó adatátviteli technika, és adatcsomagok továbbításának szabványa a helyi otthoni vagy irodai hálózatokban (LAN, Local Area Network).
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 vezeték nélküli LAN-nál az adatokat egy hálózaton belül vezeték nélkül továbbítják rádiós 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 rádiós 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-protokollszabványokon 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 standard Ethernet-hardverrel működik, a TCP/IP és UDP szállítási protokollokat, valamint a CIP (Common Industrial Protocol) alkalmazási protokollt használja, amely a hálózatban az alkalmazási réteget alkotja. 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.