Что там с промышленной сетью Ethernet?

Серия 18 октября 2018 г./101

Благодаря встроенной надежности, производительности и совместимости стандарт Ethernet стал повсеместно использоваться в качестве протокола связи в системах автоматизации и управления. В этом году промышленный Ethernet занял свою долю рынка традиционных магистральных протоколов, для которых обычно требуется нескольких изолированных кабельных систем.

Для удовлетворения потребностей организаций промышленный Ethernet использует специальные протоколы, инкапсулированные в протоколе Ethernet, чтобы обеспечить отправку и получение нужной информации тогда и там, где она необходима для выполнения конкретной операции. Рассмотрим эти протоколы и то, чем промышленные сети Ethernet отличаются от коммерческих локальных сетей Ethernet.

Большая четверка

Промышленная коммуникация происходит на уровне маршрутизации, уровне контроля и уровне датчика, каждый из которых требует различных уровней передачи информации в реальном времени, обнаружения коллизий и детерминизма (определения маршрута между любыми двумя узлами заранее). Несмотря на то, что существует несколько протоколов Ethernet для поддержки различных требований к коммуникациям на заводе, следует выделить четыре основных протокола: Modbus TCP/IP, EtherCat, Ethernet/IP и Profinet.

TCP/IP Modbus стал первым протоколом промышленного Ethernet. Он по существу представляет собой традиционный канал связи Modbus, который сжимается в протоколе транспортного уровня Ethernet для передачи дискретных данных между устройствами управления. Он использует простую конфигурацию «ведущий-ведомый», в которой ведомый узел не передает данные без запроса из «ведущего» узла, но не считается протоколом реального времени.

EtherCAT — это протокол промышленного Ethernet, который был представлен в 2003 году и который обеспечивает связь в режиме реального времени в конфигурации «ведущий-ведомый» для систем автоматизации. Ключевой характеристикой EtherCAT является возможность всех ведомых узлов в сети извлекать только необходимую информацию из пакетов данных и вставлять данные в пакет в процессе его передачи нисходящим устройствам, что часто называют «передачей на лету».  

Ethernet/IP — это широко используемый протокол промышленного Ethernet прикладного уровня, впервые представленный в 2000 год, который поддерживается Ассоциацией изготовителей устройств для открытых систем (ODVA) и реализуется, в основном, компанией Rockwell Automation. Это единственный протокол промышленного Ethernet, основанный исключительно на стандартах Ethernet и использующий стандартные физический, канальный, сетевой и транспортный уровни Ethernet. Так как протокол использует стандартную коммутацию Ethernet, он может поддерживать неограниченное количество узлов. Однако для предотвращения задержек и поддержки связи в режиме реального времени требуется ограниченный диапазон.

Другой важный протокол (в основном из-за применения в контроллерах Siemens и GE) — это Profinet, протокол прикладного уровня, разработанный Siemens совместно с компаниями-участниками организации пользователей Profibus. По существу он расширяет протокол контроллера ввода-вывода Profibus до Ethernet с помощью специальных коммутаторов, встроенных в устройства.

Характеристики кабельных систем

Кабельная система, которая должна поддерживать такие промышленные сети Ethernet, отличается некоторыми ключевыми аспектами от коммерческой локальной сети Ethernet. Во-первых, скорости промышленного Ethernet намного ниже, чем у гигабитных и более производительных локальных сетей — распространенная скорость промышленного Ethernet составляет приблизительно 100 Мбит/с. Это имеет смысл, поскольку полоса пропускания, необходимая для отправки данных систем управления и автоматизации в промышленной сети, намного меньше, чем полоса пропускания, требуемая для загрузки видео из Youtube.

Поскольку в промышленных средах необходимы кабели и соединения, которые могут выдерживать различные жесткие условия, такие как вибрация, попадание жидкостей, пыль, химикаты и электромагнитные помехи, компоненты промышленной сети имеют более прочную конструкцию, чем те, что используются в офисной локальной сети. Например, с точки зрения производительности может хватить кабеля категории 5 или 5e, но промышленные кабели часто имеют больший диаметр (обычно 22AWG) для работы при более высоких температурах, экранированную конструкцию для предотвращения помех, многожильные проводники для применения гибких и специальных материалов в оболочке, таких как полиуретан, для химической, масляной и абразивной устойчивости. Даже сами проводники могут быть покрыты чем-то для предотвращения коррозии. Из-за этих характеристик стоимость кабелей для промышленного Ethernet намного выше по сравнению с обычными кабелями LAN.

Разъемы, используемые в промышленных сетях Ethernet также должны быть более надежными. Несмотря на то, что такие функции, как герметизация, обеспечивают защиту от пыли и влаги, а в укрепленных разъемах RJ45 для промышленных сред используются материалы, устойчивые к воздействию химических веществ, разъемы M12 намного чаще применяются в промышленных сетях Ethernet благодаря меньшему сечению и 12-миллиметровой фиксирующей резьбе, которая обеспечивает надежное соединение даже при воздействии ударов и вибрации. Кроме того, разъемы M12, как правило, предлагаются с более широким спектром вариантов защиты от проникновения, выдерживают вымывание под высоким давлением и устойчивы к коррозии.

Наиболее распространены прямые и угловые разъемы M12 для различных машинных соединений с 4 и 8 контактами. 4-контактный разъем поддерживает скорость 100 Мбит/с для большинства сценариев использования промышленного Ethernet, в то время как 8-контактный разъем необходим для Gigabit Ethernet, для которого требуются все четыре пары контактов для передачи данных — звучит знакомо? Когда речь идет о PoE, 4-контактный разъем M12 может поддерживать только PoE типа 1 с напряжением постоянного тока, которое передается одновременно с данными по одной и той же паре, а 8-контактный разъем M12 необходим для типа 2 и выше. Кабельные сборки M12-RJ45 также широко распространены: в них только один конец кабеля должен подключаться к оборудованию, на которое воздействуют удары и вибрация.

Поскольку промышленный Ethernet продолжает расширяться и органы стандартизации продолжают разрабатывать стандарты для его поддержки, компания Fluke Networks поможет вам ускорить тестирование и сертификацию этих систем…Другие ресурсы о промышленном Ethernet.

Разъемы, используемые в промышленных сетях Ethernet также должны быть более надежными. Несмотря на то, что такие функции, как герметизация, обеспечивают защиту от пыли и влаги, а в укрепленных разъемах RJ45 для промышленных сред используются материалы, устойчивые к воздействию химических веществ, разъемы M12 намного чаще применяются в промышленных сетях Ethernet благодаря меньшему сечению и 12-миллиметровой фиксирующей резьбе, которая обеспечивает надежное соединение даже при воздействии ударов и вибрации. Кроме того, разъемы M12, как правило, предлагаются с более широким спектром вариантов защиты от проникновения, выдерживают вымывание под высоким давлением и устойчивы к коррозии.

Наиболее распространены прямые и угловые разъемы M12 для различных машинных соединений с 4 и 8 контактами. 4-контактный разъем поддерживает скорость 100 Мбит/с для большинства сценариев использования промышленного Ethernet, в то время как 8-контактный разъем необходим для Gigabit Ethernet, для которого требуются все четыре пары контактов для передачи данных — звучит знакомо? Когда речь идет о PoE, 4-контактный разъем M12 может поддерживать только PoE типа 1 с напряжением постоянного тока, которое передается одновременно с данными по одной и той же паре, а 8-контактный разъем M12 необходим для типа 2 и выше. Кабельные сборки M12-RJ45 также широко распространены: в них только один конец кабеля должен подключаться к оборудованию, на которое воздействуют удары и вибрация.

Поскольку промышленный Ethernet продолжает расширяться и органы стандартизации продолжают разрабатывать стандарты для его поддержки, компания Fluke Networks поможет вам ускорить тестирование и сертификацию этих систем…Другие ресурсы о промышленном Ethernet.

Ознакомьтесь с нашими продуктами

                

                   

Конфигуратор комплекта Versiv

                   

Как вы будете использовать ваш Versiv?