С появлением Ethernet его начали использовать в качестве основного сетевого подключения. Давайте более подробно рассмотрим применение Ethernet в промышленности.
Что такое Ethernet?
Локальная сеть Ethernet (local-area network (LAN)) является основной для связи между нашими компьютерами, маршрутизаторами, принтерами. Он сыграл важную роль в промышленном мире став установленным стандартом подключения интернет вещей IoT.
По данным Cisco, в 2003 году Ethernet составил порядка 85% всех соединений по локальной сети в мире. Промышленный Ethernet отличается от коммерческого тем, что он применяет стандарты Ethernet для управления и эксплуатации производственными сетями.
Появление Ethernet
ALOHAnet была первой беспроводной сетью для передачи данных, к которой подключались несколько компьютерных систем, разделенных в пределах Гавайского университета. Ученые пытались получить независимые узлы передачи данных по радиоканалу для связи друг с другом на основе технологии peer-to-peer без помех. Решением ALOHAnet был множественный доступ с обнаружением коллизий (CSMA/CD). Эта идея вдохновила Боба Меткалфа из Xerox для дальнейших исследований в этой области.
В первые дни существования Ethernet существовало две наиболее распространённые конфигурации: 10Base2 и 10Base5. Скорость передачи данных для обеих конфигураций составляла 10 Мбит при использовании коаксиального кабеля.
Максимально допустимая длина отрезков для 10Base2 составляла 185 футов при использовании коаксиального кабеля RG58, известного также как “Thin Ethernet”. 10Base 5 предлагал более длинные расстояния связи. Тем не менее, для обеспечения соединения требовался толстый коаксиальный кабель, который был тяжелый и трудный в управлении.
С учетом этого непрерывно развивались новые технологии, такие как 10Base-FL, что позволило сетям использовать волоконно-оптические носители и увеличить расстояние передачи данных до 2000 футов. 10Base-T стал популярным вариантом из-за простоты установки и использования недорогой неэкранированной витой пары (unshielded twisted pair UTP) кабеля категории CAT3. Расстояние между компьютерами не должно превышать 100 метров и каждая машина должна иметь стандартный разъем RJ-45. К 90-м годам стало доступно оборудование Ethernet со скоростью передачи до100 Мбит.
Сегодняшний компьютерный стандарт подразумевает, что устройство должно иметь сетевой адаптер реализующий 100Base-TX. Кабели категории 5e UTP (CAT5) также являются стандартными и используются той же длины, что и для 10base-T сетей с длиной до 100 футов или меньше. Сети, которые ранее использовали коаксиальные кабели, сейчас модернизируются под оптоволокно специально для реализации связей «точка к точке» (point-to-point). 100Base-FX использует два оптических волокна для дуплексных точка-точка связей которые достигают 2000 футов. Gigabit Ethernet или 1000 Мбит соединения доступны с использованием витой пары и волоконно-оптических носителей.
Канальный уровень Ethernet
Ethernet определяет слои физического уровня и каналы передачи данных в зависимости от назначения сети. Основным сетевым стандартом стал IEEE 802.3. физический уровень определяет электрические сигналы, метод передачи данных, медиа, типы разъемов и топологию сети. Для передачи данных может быть использовано оптическое волокно или витая пара. Существует четыре различных типа передачи данных с разными скоростями:
Канальный уровень определяет метод доступа к среде. Полудуплексная связь сопряжена в шинной или звездообразной топологиях: 10/100Base-T, 10Base2, 10Base 5 и других. Они используют множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Это позволяет нескольким узлам (компьютерам) иметь равный доступ к сети. Все узлы в сети Ethernet постоянно следят за передачей информации.
Узлы ожидают ответа сети до начала передачи данных. Когда они начинают передачу данных в одно и то же время сигналы перекрывают друг друга, что может привести к повреждению оригиналов. Когда узел обнаруживает, что другое устройство также пытается отправить данные, он определяет коллизию и прекращает передачу данных. Попытка возобновить передачу производится через некоторый интервал. Такой метод передачи данных позволяет просто добавлять или удалять узлы из сети.
После подключения узел начинает получать и передавать информацию по сети. Однако, в конечном итоге это может привести к уменьшению пропускной способности и увеличению числа коллизий. Это делает Ethernet вероятностной сетью. В дуплексных Ethernet сетях со связью точка-точка, таких как 10Base-FL или 100Base-FX, коллизии не являются проблемой. Это связано с тем, что присутствуют только два узла с возможностью раздельной передачи и приема данных. Это позволяет реализовать одновременную передачу и прием информации, что увеличивает скорость передачи в два раза.
Ethernet фрейм определяет формат сообщения данных, передаваемых по сети. Формат сообщения содержит несколько полей информации, в том числе данных, подлежащих передаче. Блок данных определяется как фактические данные, которые будут отправлены, и может содержать от 46 до 1500 байт двоичной информации. Длина блока данных определяется и включается в сообщении в качестве поля для приемника, чтобы определить, какая часть сообщения представляет собой данные.
MAC-адрес является шести байтовым двоичным номером набора, который включает в себя информацию источника и назначения для узлов. MAC-адрес включен в каждое сообщение и передается через сеть, а каждый узел сети Ethernet имеет уникальный MAC-адрес.
Канальный уровень определяет структуру кадра принимаемых или передаваемых сообщений. Коммутаторы, узлы и концентраторы могут очень просто добавляться или извлекаться из сети, а эта технология позволяет легко диагностировать неисправности. Эти факторы сделали Ethernet подключения новым стандартом для сетевых промышленных решений. Функции слоев OSI обозначают, каким образом будет передаваться информация.
В эталонной модели OSI существует семь слоев. Нижние слои (1-4) сосредотачиваются на передачи данных, в то время как 5-7 являются прикладными. Нижний уровень (1) наиболее близок к физической среде, поэтому его называют физическим. Физический и нижний слои канала передачи данных реализованы в аппаратном и программном обеспечении, например кабелях или Ethernet (слой 2).
Слой 3 используется для логической адресации и маршрутизации. Наиболее распространенное применение – использование Интернет протокола (IP). Уровень 4 – транспортный слой, который гарантирует, что данные передаются без ошибок и в правильной последовательности. Он использует протокол управления передачей (Transmission Control Protocol TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol(UDP) для передачи данных. Промышленный Ethernet отличается от коммерческого тем, что он использует все нижние слои, а не только 2.
Верхние слои эталонной модели OSI используются для прикладных задач и, как правило, реализуется только для программного обеспечения. Слой 5 для управления сеансом связи. Он отвечает за контроль набора и синхронизации подключения сеанса (то есть создание и управление сессиями) между сетями и приложениями.
Слой 6 предназначен для использования представления данных. Этот слой представляет данные и тип кодирования, а также определяет используемые символы. Это гарантирует, что данные могут передаваться по сети и между узлами, и что они сжимаются и кодируются. Слой 7 предназначен для прикладного использования. Он используется программным обеспечением для подготовки и интерпретации данных. Это самый верхний слой, наиболее близок к пользователю.
Типы подключения Ethernet и промышленных систем
Протокол TCP/IP, используя Ethernet, дает возможность повышения уровня стандартизации. Исторически сложилось, что сетевые приложения, основанные на критических временных процессах, используют детерминистические сети. При использовании промышленного Ethernet, важно помнить о скорости и устойчивости связи.
Детерминизм — это способность сети для общения в прогнозируемый период. Для систем управления движением это имеет существенное значение, так как передача данных от и к устройству должна осуществляться на регулярной основе. Эти сети основаны на концепции ведущий/ведомый (master/slave) или эстафетной передачи данных.
Использование сетей Ethernet должно контролироваться на уровне не более 10% или они будут иметь недостаточную производительность. Сегментирование сети с помощью маршрутизаторов и коммутаторов минимизирует не желательный сетевой траффик и снижает его потребление. Другой способ подразумевает использование новых протоколов (более высоких уровней) объединяя установление приоритетов и синхронизацию сообщений для оптимизации времени доставки информации.
Результатом этих методов стал переход к использованию Ethernet для промышленного управления на уровне цехов и участков. Ethernet все сильнее внедряется в промышленную среду благодаря низкой стоимости аппаратных средств и простоте установки. Использование мостов и высокоскоростных коммутаторов повышает детерминизм сети. В итоге скорости передачи данных в 1 Гбит, 10 Гбит, 100 Гбит становятся все более распространенными.
Основные типы подключения Ethernet
Modbus TCP/IP
Первый промышленный протокол на основе Ethernet, введенный в 1999 году. Реализован на основании протокола Modbus, который был разработан Modicon в 1979 году.
Преимущества:
- Используются стандартные слои Ethernet: оборудование и транспортный уровень TCP / IP;
- Открытый и относительно простой протокол;
Недостатки:
- Не жесткий протокол реального времени;
Крупнейший поставщик: Schneider Electric.
Технология автоматизации производства: RTPS
EtherCAT
С открытым исходным кодом, на основе IEC 61158 и других аналогичных стандартов. Преимущества:
- Жесткий в режиме реального времени промышленный протокол;
- Эффективная и простая коммуникация;
Недостатки:
- Общее количество используемых устройств ограничено;
- Не предназначен для стандартных TCP/ IP и EtherCAT пакетов;
Крупнейший поставщик: Beckhoff .
Технология автоматизации производства: Общий кадр (Shared Frame)
Ethernet/IP
Расширяет концепцию DeviceNET.
Преимущества:
- Использование транспортных слоев сетей Ethernet (то есть TCP и UDP);
Недостатки:
- Сети могут быть перегружены UDP сообщениями если не правильно выполнены настройки;
Крупнейший поставщик: Rockwell Automation.
Технология автоматизации производства: CIP
Profinet
Прикладной протокол, который расширяет Profibus.
Преимущества:
- Поддерживает как стандартный, так и детерминированный трафик Ethernet;
- Реализует IEEE 1588 и Quality of Service (QoS) для добавления детерминизма;
Недостатки:
- В режиме реального времени и изохронного реального времени управляемый коммутаторами. Рекомендуется QoS;
Крупнейший поставщик: Siemens.
Технология автоматизации производства: PROFINET IO
