Ethernet przemysłowy

W artykule przedstawiamy podstawy doboru odpowiednich podzespołów i rozwiązań układowych, co powinno być pomocne dla osób projektujących oraz integrujących systemy sieciowe w przemyśle.

Różnorodność powstałych systemów przemysłowego Ethernetu może zadziwiać. W okresie, gdy pojawiła się koncepcja przemysłowej wersji Ethernetu, większość firm, które skupiały się dotąd na produkcji własnych, zamkniętych systemów sieciowych podjęła działania mające na celu wypromowanie nowych standardów. Stało się tak, gdyż przeniesienie Ethernetu do hal fabrycznych nie mogło się obyć bez wprowadzenia zmian przystosowujących go do specyficznych wymagań systemów kontroli procesów technologicznych. Ponieważ modyfikacje te mogły zostać przeprowadzone na wiele sposobów, firmy zajęły się opracowaniem takich standardów Ethernetu, które mogłyby być najlepiej wypromowane na rynku, a jednocześnie były jak najbardziej zgodne z oferowanymi przez koncern rozwiązaniami sieciowymi.

Dlaczego Ethernet?

Rys. 1. Wykorzystanie sieci Ethernet w zakłądzie przemysłowym

Głównymi zaletami, dla których warto wdrażać Ethernet przemysłowy, są jego kompatybilność, efektywność, uniwersalność i elastyczność konfiguracji, a także minimalizacja kosztów. Dzięki zastosowaniu odpowiednich bram możliwe jest także dołączenie do sieci urządzeń wyprodukowanych przez różnych producentów, a przystosowanych do pracy z konkretnymi standardami sieci polowych.

Ethernet jak żaden inny standard sieci przemysłowych oferuje możliwość podłączenia wielu tysięcy urządzeń za pomocą tej samej sieci. Co prawda aby tego dokonać należy podzielić tak dużą grupę urządzeń na podgrupy logiczne (podsieci), co znacząco nie zmniejsza ich możliwości komunikacyjnych.

Ethernet oferuje także nieporównywalnie większe, stale rosnące prędkości transferu, jednocześnie stając się coraz tańszym w utrzymaniu. Oprócz standardowego dziś Ethernetu 100Base-TX pozwalającego na transfer 100Mbitów na sekundę, niewiele droższe są rozwiązania oparte na technologii gigabitowej.

Gdyby poszukać dalej, okaże się, że dostępne są już transfery rzędy 10Gb/s i większe, choć w tym przypadku różnica w cenie może okazać się już znacząca. Szybko przenoszone na grunt przemysłowy są rozwiązania dostępne także już w komputerach stacjonarnych, takie jak równoległe łączenie dwóch (lub więcej) jednakowych łączy ethernetowych w celu podwojenia prędkości przesyłu. Technika ta nazywa się Port Trunking, a jej przemysłowe implementacje zezwalają na zrównoleglenie nawet czterech łączy i sprawne działanie systemu w razie awarii niektórych z nich.

Spośród różnych mechanizmów zwiększających wydajność transmisji sieciowej należy wymienić filtrowanie pakietów dokonywane przez switche, czyli urządzenia łączące poszczególne podsieci. Dzięki temu, pomimo że wszystkie urządzenia mogą być równorzędnie podpięte za pomocą tego samego medium, przesyłane dane pojawiać będą się tylko na tych łączach, które są częścią najkrótszej trasy od nadawcy do odbiorcy. W tej samej chwili, w innej części sieci może odbywać się komunikacja pomiędzy innymi parami urządzeń – także z maksymalną prędkością.

Kolejną pozytywną cechą Ethernetu jest możliwość komunikowania się za pomocą różnych protokołów, korzystając z tych samych łączy. Warstwowa struktura modelu transmisji danych pozwala na enkapsulację protokołów. Nie ma konieczności, aby każde z urządzeń miało zaimplementowaną obsługę wszystkich wykorzystywanych formatów danych.

Wystarczy, że informacje przesyłane poprzez TCP lub UDP dotrą do docelowego urządzenia odbiorczego, które następnie przetworzy je zgodnie ze znanym sobie protokołem obsługi danych. Warto dodać, że ponieważ każde urządzenie podłączone do sieci musi być w stanie obsługiwać dwa wspomniane protokoły, które w zupełności wystarczają do przesyłania informacji w ramach całej sieci, nie ma potrzeby tworzenia programów służących jako translatory danych z jednego standardu komunikacji na drugi.

Ethernet jest wreszcie tani w instalacji i w utrzymaniu. Decydując się na zastąpienie nim wszelkich innych zakładowych sieci, praktycznie znika problem szkolenia osób personelu, które w przeciwnym razie musiałyby orientować się w diagnostyce każdego z zastosowanych standardów. Nie ma również problemu związanego z szeregowym łączeniem ze sobą urządzeń, które w razie awarii jednego z nich powodowało zatrzymanie komunikacji w całej sieci.

Instalując Ethernet można dokonać wyboru co do topologii tworzonej sieci, tak by zminimalizować koszty instalacji lub zwiększyć niezawodność poprzez wprowadzenie redundancji. Typowo w sieciach tego typu korzysta się z topologii gwiazdy, ale poprzez odpowiednie zestawienie koncentratorów można uzyskać np. topologię drzewa a nawet pierścienia.

Ponadto większość dostępnych na rynku urządzeń będących elementami łączącymi sieć pozwala na pracę z wieloma szybkościami transmisji. Oznacza to, że w przeciwieństwie do wielu innych systemów sieci, prędkość przesyłu danych nie jest ograniczana przez najwolniejsze z podłączonych urządzeń, a jedynie do minimalnej prędkości urządzeń przełączających znajdujących się na trasie pomiędzy komunikującymi się urządzeniami.

Takie rozwiązanie problemu wstecznej kompatybilności kolejnych generacji sieci pozwala na wygodną, stopniową rozbudowę infrastruktury, bez obawy o utratę funkcjonalności instalowanych elementów.