Ethernet jest technologią transmisji danych do sieci przewodowych i jest standardem do transmisji pakietów danych w lokalnych sieciach domowych lub biurowych (LAN).
W ramach takiej sieci wszystkie połączone urządzenia elektroniczne, takie jak komputery, drukarki i serwery mogą komunikować się ze sobą za pomocą kabli LAN.
Dane są wysyłane i odbierane przez Ethernet. Ethernet nie działa bezprzewodowo jak WLAN, lecz działa wyłącznie po kablu. W sieciowych środowiskach przemysłowych przewodowy Ethernet oferuje znacznie wyższą szybkość transmisji danych i niezawodną stabilność transmisji niż alternatywna sieć za pośrednictwem sieci WLAN (bezprzewodowa sieć lokalna).
Amerykańska grupa robocza IEEE (Instytut Inżynierów Elektrycznych i Elektronicznych) zdefiniowała i znormalizowała protokół sieci Ethernet i strukturę jego pakietów zgodnie ze specyfikacją IEEE 802.3.
Znaczenie Ethernetu
Standard Ethernetu powstał w latach 70. Jednak w tamtych czasach możliwa była tylko bardzo niska szybkość transmisji. W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci technologia transmisji danych stale się rozwijała, dzięki czemu teraz można osiągnąć prędkości do 10 000 Mbit/s lub 10 Gbit/s . Jest to również nazywane Gigabit Ethernet.
Wraz z pojawieniem się Przemysłu 4.0 i Internetu Rzeczy nadszedł czas na dalszy rozwój możliwości transmisji danych. To nowe środowisko gospodarcze wymagało systemów IT z budynków i sieci biurowych, aby połączyć się z siecią maszyn przemysłowych. Zmieniło to sposób komunikacji, a tym samym wymagania w zakresie transmisji danych.
Szybko stało się jasne, że właściwości klasycznego Ethernetu z okablowania budynków nie są już wystarczające do zastosowania w środowiskach przemysłowych.
Co tak naprawdę oznacza „Ethernet”?
Eter
Starożytne greckie słowo pochodzące od teorii eteru, co oznacza "niebo". W poprzednich stuleciach zakładano, że eter jest medium, przez którą fale elektromagnetyczne rozprzestrzeniają się w przestrzeni.
Net
Co jest czym: Ethernet kontra Ethernet przemysłowy
Przemysłowy Ethernet jest następcą konwencjonalnego biurowego Ethernetu LAN i jest wykorzystywany przede wszystkim do komunikacji danych w produkcji przemysłowej. Jest na to dobry powód: oferuje bezproblemową infrastrukturę sieciową w czasie rzeczywistym. Obszary zastosowania są zróżnicowane, począwszy od poziomu pola i poziomu kontroli do poziomu zarządzania przedsiębiorstwem (Producing Execution System [MES] dla koordynacji zamówień i Enterprise Resource Planning [ERP] dla planowania materiałów).
Technologia Ethernetu Przemysłowego oferuje również bardzo dużą przestrzeń adresową. Adresowanie IPV6 umożliwia realizację sieci o praktycznie nieograniczonej liczbie węzłów. Duże ilości danych mogą być jednocześnie przesyłane z dużą prędkością do 40 Gbit/s za pośrednictwem miedzi. Dotyczy to również komunikacji danych na duże odległości: w porównaniu z kablami miedzianymi, kable światłowodowe mogą osiągać odległości do 80 km. Sieci można łatwo rozbudowywać i segmentować za pomocą przełączników i routerów.
Zalety Ethernetu Przemysłowego w porównaniu z technologią Fieldbus
Fieldbus to systemy magistrali stosowane na poziomie pola do połączenia czujników i elementów wykonawczych w celu wymiany informacji z komputerem sterowniczym. Magistrale polowe pochodzące z technologii produkcyjnej. Wciąż są one tam wykorzystywane przede wszystkim.
Jeśli chodzi o automatyzację, procesy komunikacyjne zazwyczaj odbywają się na kilku poziomach. Przemysłowy Ethernet jest stosowany w automatyce przemysłowej wszędzie tam, gdzie funkcje Fieldbus nie są już wystarczające. W końcu zalety Ethernetu Przemysłowego to:
- Możliwość sieciowania na wielu poziomach piramidy automatyzacji
- Znacznie szybsza transmisja danych
- Ulepszone właściwości w czasie rzeczywistym
- Większa wydajność techniczna
- Przekazywanie większych ilości danych
- Integracja protokołów bezpieczeństwa
Możliwe połączenie z siecią bezprzewodową
W bezprzewodowej sieci LAN dane są przesyłane bezprzewodowo w ramach sieci przy użyciu technologii bezprzewodowej. Inteligentne rozwiązania bezprzewodowe stają się również coraz bardziej popularne w sektorze przemysłowym. Rezultatem jest złożone, dynamicznie zaprojektowane pole radiowe. Istnieje możliwość przesyłania danych między sieciami bezprzewodowymi i przewodowymi, co oznacza, że WLAN i Ethernet mogą komunikować się ze sobą.
Zalety technologii bezprzewodowej
- Połączenie uczestników sieci komórkowej z uczestnikami stacjonarnymi
- Połączenie z obracającymi się uczestnikami, takimi jak karuzele lub żurawie
- Budowa mostów bezprzewodowych przekraczających granice budynku lub wody
- Komunikacja z trudno dostępnymi uczestnikami
Wady technologii bezprzewodowej
- Fale radiowe ulegają dyfrakcji na przeszkodach
- Fale radiowe są odbijane przez przeszkody
- Fale radiowe mogą być tłumione podczas przechodzenia przez przeszkody
- Fale radiowe mogą być przechwytywane i wykorzystywane bez zezwolenia
Kiedy sieć bezprzewodowa jest po prostu niemożliwa
Zastosowanie rozwiązania przewodowego wciąż ma największe zalety w produkcji przemysłowej. Kabel jest pewnym, spójnym nośnikiem o stałych właściwościach transmisji i umożliwiającym wyraźną identyfikację uczestników sieci. Każdy, kto używa Ethernetu jako technologii transmisji danych, może używać przewodów miedzianych lub światłowodowych do dystrybucji pakietów danych.
Prosta komunikacja sieciowa przez standardy protokołów Ethernet
Protokół lub protokół sieciowy jest znormalizowanym zestawem zasad wymiany danych, czyli rodzajem języka sieciowego. Służy do komunikacji między komputerami i urządzeniami. Znormalizowane protokoły są również znane jako standardy protokołów.
Dowiedz się więcej o kluczowych standardach protokołów dla technologii Ethernet poniżej:
PROFINET jest wiodącym europejskim standardem przemysłowego sieci Ethernet dla wszystkich obszarów technologii automatyki przemysłowej. Tego typu systemy komunikacji umożliwiają wymianę danych w czasie rzeczywistym między urządzeniami sterowniczymi a urządzeniami polowymi przy użyciu przemysłowego Ethernetu. PROFINET jest następcą PROFIBUS, standardowego protokołu Fieldbus, który jest standaryzowany przez organizację użytkowników PROFIBUS & PROFINET International (PI). LAPP odgrywa aktywną rolę w dalszym rozwoju PROFINET.
Wariant RT (Real Time) w sieci PROFINET umożliwia komunikację w czasie rzeczywistym pomiędzy urządzeniami sterowniczymi a urządzeniami polowymi. W tym celu nie trzeba nakładać żadnych dodatkowych wymagań na składniki sieci. Czasy cykli wymiany danych bez synchronizacji zegara wynoszą ok. 10 milisekund. Wariant RT stosowany jest przykładowo w zdalnych systemach I/O.
W przypadku specjalnych zastosowań wymagających synchronizacji zegara, np. synchronizacji serwonapędów, konieczne jest stosowanie izochronicznej komunikacji pomiędzy urządzeniem sterowniczym a urządzeniem polowym, jak to zapewnia wariant IRT (Isochronous Real Time) w sieci PROFINET. Sieci IRT nakładają dodatkowe wymagania na sprzęt, a standardowe przełączniki Ethernet nie są już dozwolone. Czasy cyklu wymiany danych są krótsze niż 1 milisekundę.
„EtherNET/IP” to system magistrali przemysłowej do stosowania w systemach sterowania i automatyki, coraz częściej stosowany w regionie amerykańskim.
EtherNET/IP korzysta ze standardowego sprzętu Ethernet i wykorzystuje protokoły transportowe TCP/IP i UDP. Korzysta także z protokołu aplikacyjnego CIP (Common Industrial Protocol), który stanowi warstwę aplikacyjną w sieci. Kluczową zaletą tego otwartego standardu przemysłowego jest łatwa integracja istniejących urządzeń polowych z seryjnym interfejsem RS. Usługi komunikacyjne dostarczają do aplikacji automatyzacji cyklicznych i krytycznych danych z poziomu pola.
Ponieważ jednak takie sieci są w stanie osiągnąć czasy cykli „tylko” około 10 ms, standard komunikacyjny sam w sobie nie nadaje się do radzenia sobie z wymagającymi wymaganiami czasu rzeczywistego pracy serwonapędów izochronicznych (<1 ms). W przypadku zastosowań wymagających synchronizacji zegara, protokół został rozszerzony o MotionSync i CIPSync.
Sieć EtherNET/IP jest utrzymywana i dalej rozwijana przez Open DeviceNet Vendor Association (ODVA). LAPP jest członkiem ODVA i odgrywa aktywną rolę w dalszym rozwoju systemu EtherNET/IP.
W Azji CC-Link IE jest wiodącym opartym na Ethernet standardem następcą systemu CC-Link Fieldbus. W zastosowaniach przemysłowych, w których CC-Link osiąga swoje granice jako system Fieldbus, do zarządzania znacznie większymi ilościami danych stosuje się mocniejszy wariant CC-Link Industrial Ethernet. Ten standard szybkiej transmisji danych oferujący wydajność na poziomie Gbitów zapewnia protokoły w czasie rzeczywistym i może obecnie połączyć do 120 urządzeń w sieci. Dostępne wersje CC-Link IE obejmują CC-Link IE Field (do wymiany danych na poziomie pola), CC-Link IE Control (do wymiany danych na poziomie sterowania), CC-Link IE Safety (do połączenia sterowników bezpieczeństwa dla bezpiecznej komunikacji) i CC-Link IE Field Motion (do synchronizacji serwonapędów).
LAPP jest członkiem organizacji użytkowników CLPA (CC-Link Partner Association) i odgrywa aktywną rolę w dalszym rozwoju standardu. Wiele podzespołów oferowanych poniżej zostało certyfikowanych zgodnie ze specyfikacjami CLPA.
EtherCAT jest powszechnie stosowanym protokołem do Ethernetu Przemysłowego i gwarantuje szybki Ethernet. Oznaczenie to oznacza Ethernet for Control Automation Technology i jest uważane za szczególnie szybki Ethernet pod względem przepustowości i możliwości w czasie rzeczywistym.
Do komunikacji EtherCAT wykorzystuje standardowe ramki Ethernet, przetwarzane pakiety danych. Te pakiety danych składają się z nagłówka Ethernet, nagłówka EtherCAT, 1 do 15 datagramów EtherCAT oraz mechanizmu testowego do wykrywania błędów bitowych.
Sterowanie jest zapewnione przez system komunikacji z masterem i jednym lub kilkoma urządzeniami slave. Master wysyła warunki TARGET do slaves, które zwracają stan ACTUAL. Można na przykład przekazywać instrukcje sterowania i odpowiadać na pytania dotyczące aktualnego stanu maszyny.
Master tworzy schematy EtherCAT na podstawie uzyskanych danych i wysyła je do podłączonych slaves. Jak wspomniano wcześniej, to, co sprawia, że EtherCAT jest wyjątkowy, to jego szybkość. Osiąga się to w następujący sposób: podczas gdy pakiety danych wciąż przechodzą przez slave, każdy slave wyłącznie pobiera warunki TARGET z diagramu, który ma do niego zastosowanie, i bezpośrednio wstawia swoje RZECZYWISTE warunki. Wszelkie dane nieprzeznaczone dla danego slave nie są przetwarzane i są natychmiast przesyłane. Nawet przy dużej liczbie podłączonych slave czas komunikacji jest bardzo szybki, ponieważ opóźnienie przepustowości na slave wynosi zaledwie kilka nanosekund
Standard TSN do skutecznej kontroli danych krytycznych w czasie rzeczywistym
TSN, skrót od Time-Sensitive Networking, opisuje sposób kontrolowania i ustalania priorytetów przepływów danych w sieciach Ethernet. Jednak Ethernet TSN nie jest niezależnym protokołem komunikacyjnym, ale raczej zestawem standardów, które definiują funkcje protokołów. Te definicje funkcji mogą być następnie wykorzystywane przez różne protokoły, takie jak PROFINET.
Celem opracowania standardów TSN jest inteligentne połączenie technologii informacyjnej z inżynierią przemysłową. Wymaga to transmisji danych z aplikacji krytycznych w czasie rzeczywistym, takich jak przechwytywanie sygnałów komponentów związanych z bezpieczeństwem.
Poprzez zdefiniowanie i rozszerzenie istniejących standardów Ethernetu, TSN osiąga konwergencję pomiędzy informatyką a podłączonymi maszynami i urządzeniami. Dzięki skutecznej kontroli krytycznych danych w czasie rzeczywistym i aplikacji wymagających dużego zapotrzebowania na dane, sieć Ethernet może być wdrażana za pośrednictwem jednego powszechnego kabla Ethernet.