Przemysłowe protokoły Ethernet

Ethernet to szeroko stosowany standard komunikacyjny umożliwiający szybkie przesyłanie dużych ilości danych pomiędzy urządzeniami. Bez Ethernetu komunikacja w dzisiejszym świecie nie byłaby możliwa, ponieważ większość urządzeń sieciowych korzysta ze standardu Ethernet.

W przypadku Ethernetu, podobnie jak w przypadku innych technologii interfejsów, dane są przesyłane w postaci zmian napięcia elektrycznego lub sygnałów świetlnych za pomocą światłowodu lub fal radiowych za pomocą Wi-Fi.

Ethernet jest niezwykle elastyczny i można go stosować w różnych środowiskach, od sieci domowych po duże sieci korporacyjne. Jednak także w automatyzacji fabryk, po wcześniejszej dominacji magistrali polowych, nastąpiła teraz zmiana w kierunku Ethernetu.

Ethernet został ustandaryzowany w standardzie IEEE 802.3 już w 1983 roku i definiuje warstwy pierwszą i drugą z siedmiu warstw modelu OSI. Mówiąc prościej: Warstwa pierwsza (Physical Layer) zapewnia, że ​​bity i bajty przedostają się z punktu A do punktu B. Warstwa ta obejmuje na przykład kable sieciowe i światłowodowe oraz karty sieciowe. Warstwa druga (Data Link) zapewnia bezbłędną i niezawodną transmisję bloków danych pomiędzy dwoma urządzeniami połączonymi w warstwie pierwszej. Na przykład przełączniki i adres MAC są zawarte w tej warstwie. Wszystko inne, na przykład używane protokoły, znajduje się w warstwach od trzeciej do siódmej modelu OSI i nie jest określone w normie IEEE 802.3 dla sieci Ethernet.

Ethernet i Przemysłowy Ethernet są zasadniczo takie same. Różnica polega na tym, że w przypadku Ethernetu Przemysłowego zastosowano bardziej wytrzymałe komponenty, które odpowiadają potrzebom branży. Na przykład komponenty te muszą wytrzymywać ekstremalne temperatury, wilgotność, wibracje i zakłócenia elektromagnetyczne. Fizyczna podstawa funkcjonowania pozostaje taka sama. Komponenty Ethernetu Przemysłowego można zatem stosować także w „normalnych” sieciach Ethernet.

Prostym przykładem różnicy między komponentami Ethernetu i Ethernetu Przemysłowego jest złącze. W przypadku sieci Ethernet zwykle używane jest złącze RJ45. Jest to idealne rozwiązanie do zastosowań domowych i biurowych, ale nie nadaje się do trudnych warunków przemysłowych. Dlatego w Industrial Ethernet stosowane jest złącze M12 z kodowaniem D, które oprócz znacznie większej wytrzymałości mechanicznej może posiadać także stopień ochrony do IP69K.

Gdy dane mają być dostarczane i przekazywane przez urządzenie, wymagany jest interfejs do transmisji danych. Urządzenia generujące duże ilości danych lub wymagające dużych prędkości przesyłania danych opierają się obecnie na sieci Ethernet jako interfejsie.
Jako kolejny interfejs do transmisji danych, IO-Link ugruntował swoją pozycję na rynku jako interfejs dla mniejszych lub bardziej wrażliwych na koszty urządzeń. Jeśli wymiana ma dotyczyć tylko prostych informacji, można zastosować także cyfrowe wejścia/wyjścia lub interfejs analogowy.

Jakie szczególne wyzwania stawia branża przed komunikacją Ethernet?

W przeciwieństwie do wymiany danych w codziennym życiu biurowym, gdzie czasami wysyłane i odbierane są bardzo duże ilości danych, ale akceptowana jest utrata pakietów lub opóźnienie w wysłaniu/odbiorze tych danych (np. w przypadku dostarczenia e-maila z niewielkim opóźnieniem lub nowego strona internetowa) wymaga ładowania), nie jest to wystarczające w środowisku produkcji przemysłowej. Jeżeli zapisane tutaj stany lub dane pomiarowe zostaną przesłane do sterownika zbyt późno lub nierzetelnie, aktualny stan/wartość pomiarowa w maszynie nie odpowiada już wykrytemu stanowi/wartości pomiarowej i kontrola odbywa się na nieaktualnych danych.

Jakie rozwiązanie jest dostępne dla przemysłowych środowisk produkcyjnych?

Aby móc korzystać z Ethernetu w środowisku przemysłowym, wymagana jest komunikacja deterministyczna. Nie jest to możliwe w przypadku typowo używanego protokołu TCP/IP, ponieważ w sieciach mogą wystąpić nieprzewidywalne zmiany czasu podczas transmisji danych z powodu opóźnień, fluktuacji, rywalizacji o przepustowość i utraty pakietów. Aby rozwiązać ten problem, opracowano specjalne protokoły Przemysłowego Ethernetu. Charakteryzują się krótkimi czasami opóźnienia, cykliczną komunikacją i reakcjami deterministycznymi.

Co to jest determinizm?

W sieci Ethernet determinizm to przewidywalność i spójność czasów i warunków transmisji danych, co oznacza, że ​​pakiety danych są odbierane lub wysyłane w przewidywalnych odstępach czasu i zawsze mają gwarancję dostarczenia.

Do czego służą protokoły Ethernetu Przemysłowego?

Zapewniają komunikację cykliczną i acykliczną, możliwość pracy w czasie rzeczywistym, priorytetyzację ruchu i niezawodność, aby sprostać potrzebom fabryk i systemów automatyki. Struktura ramki danych i jej znaczenie są również precyzyjnie określone w protokole i podczas gdy konwencjonalne połączenia TCP/IP są ukierunkowane na ogólne wymagania sieci i wykorzystują asynchroniczne i nieregularne transmisje danych, protokoły Ethernetu przemysłowego oferują znormalizowaną strukturę transmisji danych, w której struktura danych jest dokładnie zdefiniowana w pakiecie danych. Pozwala to użytkownikom na łatwy dostęp do różnych typów danych, takich jak dane parametryzacyjne, dane diagnostyczne oraz dane wejścia/wyjścia, bez konieczności martwienia się o skomplikowane zestawienie pakietów danych lub złożone mechanizmy monitorowania. Bez tej specyfikacji użytkownicy systemów zautomatyzowanych musieliby ręcznie przeprowadzać te procesy indywidualnie dla każdego urządzenia na poziomie bitów i bajtów, co byłoby czasochłonne i podatne na błędy.

Chociaż wszystkie protokoły Ethernetu Przemysłowego opierają się na Ethernecie, nie są one ze sobą kompatybilne. Dlatego urządzenie PROFINET nie może być używane na przykład w sieci EtherCAT

Czym jest Gateway?

Gateway pełni rolę zewnętrznego „tłumacza” umożliwiającego komunikację pomiędzy urządzeniami korzystającymi z różnych protokołów lub standardów komunikacyjnych.

Dzięki serii produktów MA 200 firma Leuze oferuje bramkę RS 232 do wszystkich popularnych protokołów Ethernetu Przemysłowego (PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT), Ethernet TCP/IP, a także magistrali obiektowych (PROFIBUS DP, DeviceNet, CANopen).

„PROFINET” jest jednym z najczęściej używanych protokołów Ethernetu Przemysłowego na całym świecie. Sterowanie firmy Siemens wykorzystuje protokół Ethernetu Przemysłowego „PROFINET”. Wszystkie czujniki z protokołem Ethernetu Przemysłowego firmy Leuze mają ten interfejs już zintegrowany z urządzeniem poprzez „zintegrowaną łączność” i można je rozpoznać po nazwie produktu x48i. Dodatkowy Gateway nie jest tutaj wymagany.

Sterowanie między innymi firm Allen Bradley / Rockwell i Schneider Electric wykorzystuje protokół Przemysłowego Ethernetu „EtherNet/IP”. Wiele czujników Leuze ma już ten interfejs zintegrowany z urządzeniem poprzez „zintegrowaną łączność” i można je rozpoznać po nazwie produktu x58i. Dodatkowy Gateway nie jest tutaj wymagany.

„EtherCAT” jest obecnie najszybciej rozwijającym się protokołem Ethernetu Przemysłowego. EtherCAT jest używany głównie przez firmę Beckhoff, ale także przez wielu innych producentów systemów sterowania. Wiele czujników Leuze ma już ten interfejs zintegrowany z urządzeniem poprzez „zintegrowaną łączność” i można je rozpoznać po nazwie produktu x38i. Dodatkowy Gateway nie jest tutaj wymagany