Ethernet is een gegevensoverdrachtstechniek voor kabelgebonden netwerken en de norm voor de overdracht van datapakketten in lokale thuis- of kantoornetwerken (LAN, Local Area Network).
Binnen een dergelijk netwerk kunnen alle aangesloten elektronische apparaten zoals computers, printers en servers via LAN-kabels met elkaar communiceren.
Gegevens worden via Ethernet verzonden en ontvangen. Ethernet functioneert niet draadloos zoals WLAN, maar alleen bekabeld. In vernetwerkte industriële omgevingen biedt kabelgebonden ethernet ten opzichte van de alternatieve vernetwerking via wifi (Wireless Local Area Network) een duidelijk verhoogde gegevensoverdrachtssnelheid en een betrouwbare overdrachtsstabiliteit.
De Amerikaanse werkgroep IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) heeft het ethernetnetwerkprotocol en de opbouw van de pakketten met de IEEE-specificatie 802.3 gedefinieerd en gestandaardiseerd.
De relevantie van ethernet
Het begin van de ethernetstandaard ligt in de jaren 70. Toen was echter slechts een zeer lage overdrachtssnelheid mogelijk. In de afgelopen decennia is de technologie voor gegevensoverdracht voortdurend verder ontwikkeld zodat tegenwoordig snelheden van tot max. 10.000 Mbit/sec resp. 10 Gbit/sec kunnen worden bereikt. Dan is er ook sprake van zogenaamd Gigabit-Ethernet.
Toen Industrie 4.0 en het Internet of Things opkwamen, was het moment gekomen om de mogelijkheden voor gegevensoverdracht verder te ontwikkelen. Deze nieuwe economische omgeving eiste dat informatiesystemen van gebouw- en kantoornetwerken met de industriële machine-netwerken smelten. Dat veranderde de aard van de communicatie en daarmee de eisen aan de gegevensoverdracht.
Snel bleek dat de eigenschappen van het klassieke ethernet uit het gebied van de gebouwbedrading voor industriële omgevingen niet meer toereikend waren.
Wat betekent "Ethernet" eigenlijk?
ether = ether
Uit de ethertheorie afgeleid oud Grieks woord dat "hemel" betekent. In vroeger eeuwen werd aangenomen dat ether een medium was waardoor elektromagnetische golven zich in de ruimte voortplanten.
net = internet
Wat is wat: ethernet versus Industrial-Ethernet
Industrial Ethernet is de opvolger van het conventionele LAN-Ethernet uit het kantoor en wordt primair voor de datacommunicatie in de industriële productie gebruikt. Dat heeft ook goede redenen: het biedt een naadloze netwerkinfrastructuur en dat in realtime. De toepassingsgebieden zijn divers en lopen inmiddels van het veldniveau via het besturingsniveau tot aan het bedrijfsleidingsniveau (Manufacturing Execution System [MES] voor de ordercoördinatie en Enterprise Ressource Planning [ERP] voor de materiaalplanning).
Industriële Ethernet-technologie beslaat een zeer grote adresruimte. Met IPV6-adressering kunnen netwerken met bijna onbeperkt aantal deelnemers worden gerealiseerd. Grote gegevenshoeveelheden kunnen gelijktijdig met hoge snelheden van tot max. 40 Gbit/s via koper worden overgedragen. Dit geldt eveneens voor de datacommunicatie over grote afstanden: met optische vezelkabels kunnen in vergelijking met koperen geleiders afstanden tot max. 80 km worden overbrugd. Via switches en routers kunnen netwerken eenvoudig worden uitgebreid en gesegmenteerd.
Voordelen van het industriële ethernet ten opzichte van de veldbustechnologie
Veldbussen zijn bussystemen die op veldniveau worden gebruikt om sensoren en actuators voor de informatie-uitwisseling met een besturingscomputer te verbinden. De oorsprong van veldbussen ligt in de productietechniek. Daar worden ze nog steeds voorrang gegeven.
Als het gaat om automatisering, vinden communicatieprocessen meestal plaats op verschillende niveaus. Industrial Ethernet wordt in de industriële automatisering altijd gebruikt wanneer de functionaliteit van de veldbussen niet meer toereikend is. Want de voordelen van het Industrial Ethernet zijn:
- vernetwerkingsmogelijkheid via meerdere niveaus van de automatiseringspiramide
- aanzienlijk snellere gegevensoverdracht
- betere realtime eigenschappen
- hogere technische prestaties
- overdracht van grotere gegevenshoeveelheden
- integratie van veiligheidsprotocollen
Verbinding met draadloze netwerken mogelijk
Bij het draadloze LAN worden gegevens binnen een netwerk draadloos overgedragen met behulp van draadloze technologie. Intelligente draadloze oplossingen vinden ook steeds vaker hun weg naar de industriële sector. Het resultaat is een complex, dynamisch vormgegeven radioveld.
De gegevensoverdracht tussen draadloze en kabelgebonden netwerken is mogelijk; wifi en ethernet kunnen dus met elkaar communiceren.
Voordelen van de draadloze technologie
- Verbinding van mobiele netwerkdeelnemers met stationaire deelnemers
- Aansluiting op roterende deelnemers zoals carrousels of kranen
- Bouw van draadloze bruggen over bouwgrenzen of waterlichamen
- Communicatie met moeilijk toegankelijke deelnemers
Nadelen van de draadloze technologie
- Radiogolven worden bij obstakels afgebogen
- Radiogolven worden gereflecteerd op obstakels
- Radiogolven kunnen bij het doorlopen verzwakt worden
- Radiogolven kunnen onrechtmatig worden vastgehouden en gebruikt
Als het zonder kabel gewoon niet gaat
Het gebruik van een kabelgebonden oplossing heeft in de industriële productie nog steeds de grootste voordelen. De kabel dient als exclusief, constant medium met vaste overdrachtseigenschappen, ook om de deelnemers aan het netwerk duidelijk te herkennen. Wie ethernet als gegevensoverdrachtstechniek gebruikt, kan koperen kabels of optische vezelkabels gebruiken voor de verdeling van datapakketten.
Eenvoudige netwerkcommunicatie via ethernet protocolnormen
Een protocol of netwerkprotocol is een gestandaardiseerde regelset voor de uitwisseling van gegevens, dus een soort netwerktaal. Deze is bestemd voor de communicatie tussen computers en apparaten. Gestandaardiseerde protocollen worden ook protocolnorm genoemd.
Informeer u hieronder over de essentiële protocolnormen voor de ethernettechnologie:
PROFINET is de in Europa toonaangevende, open Industrial Ethernet-standard op alle gebieden van de industriële automatiseringstechniek. Dit soort communicatiesysteem maakt de gegevensuitwisseling met Industrial Ethernet tussen besturings- en veldapparaten in realtime mogelijk. PROFINET is de opvolger van PROFIBUS, een veldbus-protocolnorm die door de gebruikersorganisatie PROFIBUS & PROFINET International (PI) wordt gestandaardiseerd. LAPP neemt actief deel aan de verdere ontwikkeling van PROFINET.
De realtime communicatie tussen besturings- en veldapparaten kan met PROFINET via RT (Real Time) worden bereikt. Hiervoor zijn geen bijkomende eisen aan de netwerkcomponenten nodig. De cyclustijden van de gegevensuitwisseling zonder torsiesynchronisatie bedragen ca. 10 milliseconden. De RT-variant wordt bijvoorbeeld gebruikt voor remote I/O-systemen.
Voor speciale toepassingen die isochron moeten functioneren, bijvoorbeeld de synchronisatie van servoaandrijvingen, is isochrone communicatie met PROFINET via IRT (Isochronous Real Time) tussen besturings- en veldapparaten onmisbaar. In het IRT-netwerk zijn extra hardware-eisen nodig en standaard ethernetswitches zijn niet meer toegestaan. De cyclustijden van de gegevensuitwisseling bedragen minder dan 1 milliseconde.
EtherNET/IP is een industrieel bussysteem voor de toepassing in besturings- en automatiseringssystemen, dat in toenemende mate toepassing vindt in de Amerikaanse ruimte.
EtherNET/IP functioneert met standaardethernethardware, maakt gebruik van de transportprotocollen TCP/IP en UDP en het toepassingsprotocol CIP (Common Industrial Protocol), dat in het netwerk de toepassingslaag vormt. Een wezenlijk voordeel van de open industrienorm is de eenvoudige integratie van bestaande veldapparaten met een seriële RS-interface. De communicatiediensten voorzien de automatiseringstoepassing van cyclische en tijdkritische gegevens uit het veldniveau.
Omdat in een dergelijk netwerk echter "slechts" cyclustijden van ongeveer 10 ms kunnen worden bereikt, is de communicatiestandaard niet gemakkelijk geschikt voor de zware realtime vereisten in isochrone servobediening (< 1 ms). Voor tachtsynchroon gebruik is het protocol daarom uitgebreid met MotionSync en CIPSync.
EtherNET/IP wordt door de Open DeviceNet Vendor Association (ODVA) onderhouden en verder ontwikkeld. LAPP is lid van de ODVA en actief betrokken bij de verdere ontwikkeling van het EtherNET/IP-systeem.
CC-Link IE Azië's toonaangevendee op het ethernet-gebaseerde opvolgernorm voor het CC-Link veldbussysteem. In industriële toepassingen, waarin CC-Link als veldbussysteem niet meer voldoende is, wordt het krachtiger CC-Link Industrial Ethernet gebruikt voor het overwinnen van aanzienlijk grotere gegevenshoeveelheden. De norm voor hogesnelheidsgegevensoverdracht met Gbit-performance levert realtime protocollen en verbindt momenteel tot max. 120 apparaten binnen een netwerk. CC-Link IE is beschikbaar in de versies CC-Link IE Field (gegevensuitwisseling op veldniveau) en CC-Link IE Control (gegevensuitwisseling op besturingsniveau), CC-Link IE Safety (koppeling van veiligheidsbesturingen voor veilige communicatie) en CC-Link IE Field Motion (voor het synchroniseren van servoaandrijvingen).
LAPP is lid van de gebruikersorganisatie CLPA (CC-Link Partner Association) en werkt actief mee aan de verdere ontwikkeling van de standaard. Veel van de hieronder aangeboden componenten zijn volgens CLPA-specificatie gecertificeerd.rd.
EtherCAT is een wijdverspreid protocol van het Industrial Ethernet en garandeert high-speed Ethernet. De benaming staat voor Ethernet for Control Automation Technology en geldt als bijzonder snel Ethernet met betrekking tot doorvoerpercentages en realtimevermogen.mogen.
Voor de communicatie gebruikt EtherCAT standaard Ethernet-frames, verwerkbare datapakketten. Deze datapakketten bestaan uit een Ethernet-kop, een EtherCAT-kop, 1 tot 15 EtherCAT-datagrammen en een testmechanisme voor het herkennen van bitfouten.
De besturing vindt plaats door een communicatiesysteem met een master en een of meerdere slaves. De master stuurt DOEL-voorwaarden naar de slaves die de IS-voorwaarde terugmelden. Zo kunnen bijvoorbeeld stuurinstructies worden doorgegeven en actuele toestanden van een machine worden beantwoord.
De master maakt van de gewonnen gegevens EtherCAT-diagrammen en stuurt deze op zijn beurt naar de aangesloten slaves. Zoals eerder vermeld, is het bijzondere van EtherCAT de snelheid. Deze wordt op de volgende manier bereikt: nog terwijl de datapakketten door de slaves lopen, neemt elke slave alleen de SOLL-voorwaarden uit het diagram die voor hem gelden en voegt hij zijn IST-voorwaarde direct in. in. Alle gegevens die niet bestemd zijn voor de betreffende slave worden niet verwerkt en onmiddellijk doorgegeven. Zelfs bij een groot aantal verbonden slaves is de communicatietijd zeer snel omdat de doorvoervertraging per slave slechts enkele nanoseconden bedraagt.
TSN-norm voor effectieve besturing van realtime kritische gegevens
TSN, kort voor Time-Sensitive Networking, beschrijft een mogelijkheid voor het besturen en prioriseren van datastromen in Ethernet-netwerken. Ethernet-TSN is echter geen zelfstandig communicatieprotocol, maar een set standaarden die de functies van protocollen definiëren. Deze functiedefinities kunnen dan op hun beurt door verschillende protocollen zoals bijvoorbeeld PROFINET worden gebruikt.
Doel van de ontwikkeling van de TSN-standaarden is de intelligente samensmelting van de informatietechnologie met de industriële bedrijfstechniek. Hiervoor heeft het een gegevensoverdracht nodig van realtime kritische toepassingen zoals bijv. een signaalopname van een veiligheidsrelevant onderdeel.
Door de definitie en uitbreiding van bestaande Ethernet-standaarden realiseert TSN een convergentie tussen de IT en de verbonden machines en apparaten. Door een effectieve besturing van realtime kritische gegevens en data-intensieve toepassingen kan het ethernet-netwerk via een enkele gemeenschappelijke ethernetkabel worden gerealiseerd.