Przemysłowe sieci Ethernet

Ethernet każdy zna, ale jego implementacje w systemach wymagających synchronizacji danych i ich niezawodnej transmisji w czasie rzeczywistym to względnie nowy obszar zastosowań rozwijający się dopiero od kilku lat.

Popularność zastosowań Ethernetu w systemach przemysłowych w ostatnich latach szybko rośnie i stopniowo wypiera on inne architektury sieci wykorzystywane dotąd w systemach do kontroli, monitoringu i sterowania procesami produkcyjnymi. Jak wynika z badań przeprowadzonych w 2008 r. przez Control Engineering (www.controleng.com), aż 95% firm już wykorzystuje infrastrukturę Ethernet TCP/IP w swoich systemach, podczas gdy nieco ponad rok wcześniej przyznawało się do tego tylko 73% ankietowanych przedsiębiorstw.

Przemysłowy Ethernet (Industrial Ethernet określany czasem jako Production Ethernet) to w ogólności wersja najpopularniejszego systemu sieciowego dopasowana do wymagań systemów sterowania, kontroli i automatyzacji stosowanych w różnych gałęziach przemysłu. Należy oczywiście pamiętać, że standard Ethernet nie został zaprojektowany do takich zastosowań i przez wiele lat w przemyśle dominowały specjalizowane rozwiązania firmowe. Ale zalety Ethernetu, takie jak niska cena komponentów sieci, a także względnie łatwa możliwość integracji systemów i ich współpracy z zewnętrznymi aplikacjami, powodują, że staje się on najbardziej rozpowszechnionym standardem również w przemyśle.

Zalety i wady przemysłowych sieci Ethernet

Przemysłowe sieci Ethernet

EtherNet przemysłowy a model osi

W porównaniu z systemami wykorzystującymi łącza szeregowe RS-232 lub RS-485 zaletami Ethernetu jest większa przepustowość i zasięg, możliwość wdrażania standardowych, a więc z reguły względnie tanich elementów sieciowych, takich jak okablowanie miedziane czy światłowodowe, routery, przełączniki, bezprzewodowe stacje dostępowe itp., a także możliwość tworzenia elastycznej architektury połączeń peer-to-peer.

Niestety Industrial Ethernet ma też wady, z których chyba największą jest brak jednolitego standardu. Na rynku jest co najmniej kilkanaście różnych protokołów stosowanych w systemach przemysłowych jako uzupełnienie i rozszerzenie Ethernetu, a podejmowane kilka lat temu próby opracowania jednolitego standardu, jak dotąd, nie przyniosły rezultatu. Jednak w zastosowaniach przemysłowych odpowiedni standard jest bardzo istotny. Należy pamiętać, że sieć do wymiany informacji i przekazywania sygnałów kontrolnych i sterujących pracuje w innych niż biurowe warunkach - często w pobliżu urządzeń generujących pola elektromagnetyczne o dużym natężeniu (np. silniki, przełączniki elektromechaniczne), a także w środowiskach o wysokiej wilgotności, temperaturze, w obecności agresywnych środków chemicznych itp. Dlatego też zarówno przemysłowa sieć Ethernet, jak i urządzenia ją obsługujące muszą spełniać zupełnie inne wymagania, niż standardowy sprzęt przeznaczony dla biur lub centrów danych.

Wśród wad można również wymienić potencjalne problemy z transmisją w czasie rzeczywistym, których może przysporzyć nieprzystosowany do jej obsługi protokół TCP. Bardziej skomplikowany, a więc trudniejszy w obsłudze niż w wypadku transmisji szeregowej RS, jest też stos TCP/IP.

Należy także zauważyć, że w przemysłowych systemach do kontroli i sterowania typowa wielkość przesyłanych pakietów informacji wynosi 1 - 8 bajtów. Natomiast standardowe ramki Fast Ethernet mają rozmiar 80 bajtów, a ramki Gigabit Ethernet - 512 bajtów, co powoduje, że teoretyczny wzrost dostępnego pasma przepustowości może okazać się iluzoryczny.

Podstawowe modele implementacji

Specjalizowane protokoły przemysłowe rozszerzają funkcje i wprowadzają do standardu Ethernet modyfikacje, które mają zwiększyć praktyczną, a nie tylko teoretyczną przepustowość sieci, zminimalizować opóźnienia transmisji do wymaganego poziomu, a także zapobiec utracie przesyłanych pakietów, co nie stwarza zasadniczego problemu w systemach biurowych, ale jest niedopuszczalne w przypadku infrastruktury służącej do kontroli i sterowania procesami przemysłowymi.

Wśród kilkunastu otwartych lub firmowych protokołów najczęściej wykorzystywanych w sieciach przemysłowych można wymienić: Modbus, Profibus, CANopen, DeviceNet, Fondation Fieldbus i inne, z których 10 najbardziej popularnych przedstawiamy dalej. Z reguły Ethernet jest stosowany jako protokół w 2. warstwie łącza (link-layer), a wymienione wyżej protokoły pracują w 7. warstwie aplikacyjnej (application-layer) według modelu OSI.

Trzy podstawowe modele architektury umożliwiającej zastosowanie Ethernetu w systemach przemysłowych przedstawiono na rysunku str. 55.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200