Ethernet är en dataöverföringsteknik för trådbundna nätverk och är standarden för överföring av datapaket i lokala hem- eller kontorsnätverk (LAN, Local Area Network).
Inom ett sådant nätverk kan alla anslutna elektroniska enheter som datorer, skrivare och servrar kommunicera med varandra via LAN-kablar.
Data skickas och tas emot via Ethernet. Ethernet fungerar inte trådlöst som WLAN, utan är endast kabelanslutet. I nätverksbaserade industriella miljöer erbjuder trådbunden Ethernet en betydligt högre dataöverföringshastighet och tillförlitlig överföringsstabilitet än den alternativa nätverkskopplingen via WLAN (Wireless Local Area Network).
Den amerikanska arbetsgruppen IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) har definierat och standardiserat Ethernet-nätverksprotokollet och strukturen på dess paket med IEEE-specifikationen 802.3.
Betydelsen av Ethernet
Ethernet-standarden började på 1970-talet. Då var dock endast en mycket låg överföringshastighet möjlig. Under de senaste decennierna har dataöverföringstekniken utvecklats stadigt. Nu kan hastigheter på upp till 10 000 Mbit/s eller 10 Gbit/s uppnås. Detta kallas även Gigabit Ethernet.
Med tillkomsten av Industri 4.0 och Sakernas internet var det dags att vidareutveckla möjligheterna till dataöverföring. Den nya ekonomiska miljön krävde att IT-system från byggnader och kontorsnätverk för att gå samman med industriella maskinnätverk. Detta förändrade typen av kommunikation och därmed kraven på dataöverföring.
Det stod snabbt klart att egenskaperna hos det klassiska Ethernet från kabelinstallation i byggnader inte längre var tillräckliga för industriella miljöer.
Vad betyder "Ethernet" egentligen?
Ether
Det antika grekiska ordet härstammar från eterteorin, som betyder "himlen". Under tidigare århundraden antogs att etern var ett medium genom vilket elektromagnetiska vågor spreds i rymden.
Net
Vad är vad: Ethernet vs industriellt Ethernet
Industrial Ethernet är efterträdare till konventionellt office LAN Ethernet och används främst för datakommunikation i industriell produktion. Det finns goda skäl till detta: den erbjuder sömlös nätverksinfrastruktur i realtid. Applikationssområdena varierar, från fältnivå och kontrollnivå till företagsledningsnivå (Manufacturing Execution System [MES] för ordersamordning och Enterprise Resource Planning [ERP] för materialplanering).
Industriell Ethernet-teknik erbjuder också ett mycket stort adressutrymme. IPV6-adressering gör det möjligt att implementera nätverk med ett nästan obegränsat antal noder. Stora mängder data kan överföras samtidigt med höga hastigheter på upp till 40 Gbit/s via koppar. Detta gäller även för datakommunikation över långa avstånd: jämfört med kopparkablar kan fiberoptiska kablar överbrygga avstånd på upp till 80 km. Nätverk kan enkelt utökas och segmenteras med hjälp av switchar och routrar.
Fördelarna med industriellt Ethernet jämfört med fältbussteknik
Fältbussar är bussystem som används på fältnivå för att ansluta givare och aktorer för att utbyta information med en styrdator. Fältbussar har sitt ursprung i produktionstekniken. Där används de främst fortfarande.
När det gäller automatisering sker kommunikationsprocesser vanligtvis på flera nivåer. Industriellt Ethernet används i industriell automation där fältbussarnas funktioner inte längre är tillräckliga. Fördelarna med industriellt Ethernet är trots allt:
- Möjlighet till nätverk över flera nivåer i automationspyramiden
- Betydligt snabbare dataöverföring
- Förbättrade realtidsegenskaper
- Större teknisk prestanda
- Överföring av större datavolymer
- Integrering av säkerhetsprotokoll
Anslutning till trådlösa nätverk möjlig
Med wireless LAN överförs data trådlöst inom ett nätverk med hjälp av trådlös teknik. Intelligenta trådlösa lösningar blir också allt populärare inom industrisektorn. Resultatet är ett komplext, dynamiskt utformat radiofält.
Det är möjligt att överföra data mellan trådlösa och trådbundna nätverk, vilket innebär att WLAN och Ethernet kan kommunicera med varandra.
Fördelar med trådlös teknik
- Anslutning av deltagare i mobila nätverk med stationära deltagare
- Anslutning till roterande deltagare som t.ex. karuseller eller kranar
- Konstruktion av trådlösa bryggor över byggnadsgränser eller vatten
- Kommunikation med deltagare som är svåra att komma åt
Nackdelar med trådlös teknik
- Radiovågor diffrakteras vid hinder
- Radiovågor reflekteras av hinder
- Radiovågor kan dämpas vid passage genom dem
- Radiovågor kan avlyssnas och utnyttjas utan tillstånd
När trådlöst helt enkelt inte är möjligt
Användningen av en trådbunden lösning har fortfarande de största fördelarna inom industriell produktion. Kabeln är ett exklusivt, konsekvent medium med fasta överföringsegenskaper, och för att tydligt identifiera nätverksdeltagarna. Den som använder Ethernet som dataöverföringsteknik kan använda kopparkablar eller fiberoptiska kablar för att distribuera datapaket.
Enkel nätverkskommunikation via Ethernet-protokollstandarder
Ett protokoll eller nätverksprotokoll är en standardiserad uppsättning regler för utbyte av data, dvs. ett typ av nätverksspråk. Detta används för kommunikation mellan datorer och enheter. Standardiserade protokoll kallas även protokollstandarder.
Läs mer om de viktigaste protokollstandarderna för Ethernet-teknik nedan:
PROFINET är den ledande öppna industriella Ethernet-standarden i Europa för alla områden inom industriell automationsteknik. Denna typ av kommunikationssystem gör det möjligt att utbyta data i realtid mellan styrenheter och fältenheter med industriellt Ethernet. PROFINET är efterträdaren till PROFIBUS, en fältbussprotokollstandard som är standardiserad av PROFIBUS & PROFINET International (PI) användarorganisation. LAPP spelar en aktiv roll i vidareutvecklingen av PROFINET.
RT-varianten (Real Time) av PROFINET gör det möjligt för styrenheter och fältenheter att kommunicera i realtid. Inga ytterligare krav behöver ställas på nätverkskomponenterna för att göra detta. Cykeltiderna för utbyte av data utan någon klocksynkronisering är ca. 10 millisekunder. RT-varianten används exempelvis i fjärr-I/O-system.
När det gäller speciella applikationer som kräver klocksynkronisering, t.ex. synkronisering av servodrivningar, är det viktigt att använda isokron kommunikation mellan styrenheten och fältenheten, som tillhandahålls av IRT-varianten (Isochronous Real Time) av PROFINET. IRT-nätverk ställer ytterligare krav på hårdvaran och standard Ethernet-switchar är inte längre tillåtna. Cykeltiderna för datautbyte är mindre än 1 millisekund.
EtherNET/IP är ett industriellt bussystem som används i styrsystem och automationssystem. Systemet blir allt vanligare i Nordamerika.
EtherNET/IP fungerar med standard Ethernet-maskinvara och använder transportprotokollen TCP/IP och UDP. Det använder även applikationsprotokollet CIP (Common Industrial Protocol), som utgör applikationslagret i nätverket. En viktig fördel med denna öppna industristandard, är att det är enkelt att integrera befintliga fältenheter med ett seriellt RS-gränssnitt. Kommunikationstjänsterna förser automationsapplikationen med cykliska och tidskritiska data från fältnivån.
Men eftersom sådana nätverk kan uppnå cykeltider på ”endast” runt 10 ms, är kommunikationsstandarden i sig inte lämplig för att hantera de krävande realtidskraven för isokron servodrift (< 1 ms). För applikationer som kräver klocksynkronisering utvidgades därför protokollet till att omfatta MotionSync och CIPSync.
EtherNET/IP underhålls och utvecklas av Open DeviceNet Vendor Association (ODVA). LAPP är medlem av ODVA och deltar aktivt i vidareutvecklingen av EtherNET/IP-systemet.
I Asien är CC-Link IE den ledande Ethernet-baserade efterföljande standarden till CC-Link fältbussystem. I industriella applikationer där CC-Link når sina gränser som fältbussystem, används den mer kraftfulla CC-Link Industrial Ethernet-varianten för att hantera betydligt större datavolymer. Denna standard för höghastighetsdataöverföring som erbjuder prestanda på Gbit-nivå tillhandahåller realtidsprotokoll och kan för närvarande ansluta upp till 120 enheter inom ett nätverk. CC-Link IE finns i versioner inklusive CC-Link IE Field (för utbyte av data på fältnivå), CC-Link IE Control (för utbyte av data på kontrollnivå), CC-Link IE Safety (för säker kommunikation) och CC-Link IE Field Motion (för att synkronisera servodrift).
LAPP är medlem i användarorganisationen CLPA (CC-Link Partner Association) och spelar en aktiv roll i vidareutvecklingen av standarden. Många av de komponenter som erbjuds nedan har certifierats enligt CLPA-specifikationer.
EtherCAT är ett allmänt använt protokoll för industriellt Ethernet och garanterar höghastighets Ethernet. Beteckningen står för Ethernet for Control Automation Technology och anses vara särskilt snabb Ethernet när det gäller genomströmningshastighet och realtidskapacitet.
För kommunikation använder EtherCAT standard Ethernet-ramar, bearbetningsbara datapaket. Dessa datapaket består av ett Ethernet-huvud, ett EtherCAT-huvud, 1 till 15 EtherCAT-datagram och en testmekanism för att upptäcka bitfel.
Styrningen tillhandahålls av ett kommunikationssystem med en master och en eller flera slavar. Mastern skickar MÅL-tillstånd till slavarna, som returnerar ÄR-tillståndet. Det är exempelvis möjligt att överföra styrinstruktioner och svara på frågor om maskinens aktuella tillstånd.
Mastern skapar EtherCAT-diagram från insamlade data och skickar dessa till de anslutna slavarna. Som tidigare nämnt, det som gör EtherCAT speciell är dess hastighet. Detta uppnås på följande sätt: medan datapaketen fortfarande körs genom slavarna, tar varje slav endast de MÅL-tillstånd från diagrammet som gäller för denna slav och infogar sitt ÄR-tillstånd direkt. Eventuella data som inte är avsedda för respektive slav bearbetas inte och vidarebefordras omedelbart. Även med ett stort antal anslutna slavar är kommunikationstiden mycket snabb eftersom fördröjningen av genomströmningen per slav bara är några nanosekunder.
TSN-standard för effektiv kontroll av kritiska data i realtid
TSN, kort för Time-Sensitive Networking, beskriver ett sätt att styra och prioritera dataflöden i Ethernet-nätverk. Ethernet TSN är dock inte ett oberoende kommunikationsprotokoll, utan snarare en uppsättning standarder som definierar protokollens funktioner. Dessa funktionsdefinitioner kan sedan användas av olika protokoll som t.ex. PROFINET.
Målet med att utveckla TSN-standarderna är att på ett intelligent sätt slå samman informationsteknik med industriteknik. För att göra detta krävs dataöverföring från realtidskritiska applikationer, som t.ex. signalinhämtning från en säkerhetsrelevant komponent.
Genom att definiera och utöka befintliga Ethernet-standarder uppnår TSN konvergens mellan IT och de anslutna maskinerna och enheterna. Genom att effektivt styra kritiska realtidsdata samt dataintensiva applikationer, kan Ethernet-nätverket implementeras via en enda vanlig Ethernetkabel.