Промышленный Ethernet
Промышленный Ethernet (также Industrial Ethernet) — Ethernet для применения в промышленности. Сеть с процедурой доступа CSMA/CD. Industrial Ethernet обычно используется для обмена данными между программируемыми контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса, реже для обмена данными между контроллерами и, незначительно, для подключения к контроллерам удаленного оборудования (датчиков и исполнительных устройств). Широкому применению Ethernet в последних задачах препятствует суть метода CSMA/CD, делающая невозможным гарантию обмена небольшим количеством информации (единицы байт) с высокой частотой (миллисекундные циклы обмена).
В последнее время является одной из самых распространённых промышленных сетей. Широко применяется при автоматизации зданий и в областях, не требующих высокой надёжности.
Протоколы реального времени
Для обеспечения гарантированного времени реакции используют протоколы реального времени:
Эти протоколы в различной степени модифицируют стандартный стек TCP/IP, добавляя в него:
- функции синхронизации
- новые алгоритмы сетевого обмена
- диагностические функции
- методы самокорректировки
Канальный и физический уровни Ethernet при этом остаются неизменными, что позволяет использовать протоколы реального времени в существующих сетях Ethernet с использованием стандартного сетевого оборудования.
Сравнение протоколов
| Последовательная сеть | Ethernet-версия | Протокол | Сеть | Стандарт |
|---|---|---|---|---|
| Modbus-RTU | Modbus-TCP | TCP/IP | IEC 61158 и IEC 61784 | |
| Profibus | PROFINET IO | Isochronous Real Time protocol (IRT), Real Time protocol (RT), Real Time поверх UDP protocol (RTU) | коммутатор, повторитель (роутер) и Wi-Fi, от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с | IEC 61158 и IEC 61784 |
| DeviceNet (CIP); ControlNet (CIP) | EtherNet/IP (CIP)[1] | TCP/IP; UDP/IP | коммутатор, повторитель (роутер) и Wi-Fi, от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с | IEC 61158 и IEC 61784; стандарт ODVA EtherNet/IP[2] |
| Foundation fieldbus H1 | Foundation Fieldbus High Speed Ethernet (HSE) | |||
| CANopen | Ethernet powerlink | Ethernet 100 Мбит/c | от EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group)[3] | |
| EtherCAT | EtherCAT, EtherCAT/UDP | Ethernet 100 Мбит/с | IEC 61158, IEC/PAS 62407, IEC 61784-3, ISO 15745-4 | |
| VARAN (Versatile Automation Random Access Network) | VARAN, TCP/IP, Safety | Ethernet 100 Мбит/с | VARAN-BUS USER GROUP — VNO | |
| SERCOS I / II | SERCOS III | Ethernet 100 Мбит/с | IEC 61491, включён в IEC 61158 | |
| FL-Net (OPCN-2) | UDP/IP | Ethernet 10 Мбит/с | от JEMA (Japan Electrical Manufacturers Association) |
Резервирование каналов и кольцевая топология
Для обеспечения защиты каналов связи от единичного отказа необходимо их резервировать. Резервирование неизбежно ведет к возникновению кольцевых участков сети — замкнутых маршрутов. Стандарт Ethernet предусматривает только древовидную топологию и не допускает кольцевых, так как это приводит к зацикливанию пакетов.
Современные коммутаторы, как правило, поддерживают дополнительный протокол Spanning Tree Protocol (STP, IEEE 802.1d), который позволяет создавать кольцевые маршруты в сетях Ethernet. Постоянно анализируя конфигурацию сети, STP автоматически выстраивает древовидную топологию, переводя избыточные коммуникационные линии в резерв. В случае нарушения целостности построенной таким образом сети (обрыв связи, например), STP в считанные секунды включает в работу необходимые резервные линии, восстанавливая древовидную структуру сети. Этот протокол не требует первичной настройки и работает автоматически.
Более мощная разновидность данного протокола — Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP, IEEE 802.1w), позволяющая снизить время перестройки сети до нескольких миллисекунд. Протоколы STP и RSTP позволяют создавать произвольное количество избыточных линий связи и являются обязательным функционалом для промышленных коммутаторов, применяемых в резервированных сетях.
Отличия от обычного EtherNet
- Стандарты на кабели и разъемы, удовлетворяющие специфическим требованиям промышленности: усиленное экранирование, стойкость к агрессивным средам и т. п.
- Специальные стандарты и устройства для связи с подвижными объектами: гибкие кабели, устройства беспроводной связи
- Дополнение стека протоколов TCP/IP протоколом RFC1006 (ISO Transport Service) обеспечивает регулярную и частую передачу по сети небольших объёмов информации, что характерно для обмена данными между промышленными контроллерами
- С помощью специальных коммутаторов можно организовать кольцевую топологию, которая при обрыве восстанавливает связь, то есть находит новый путь для передачи данных значительно быстрее, чем применяемый в обычных сетях «алгоритм избыточного дерева»
- Использование протокола IEEE 1588 для синхронизации устройств в сети.
Достоинства
- низкая цена
- широкое распространение
Конкуренты
- LonWorks — промышленная сеть для автоматизации зданий
- BACnet — промышленная сеть для автоматизации зданий
- RS-485 — самая простая и дешёвая промышленная сеть
- CAN — промышленная сеть для транспорта и станочной автоматики
- SERCOS III
Статьи
- Типовой проект автоматизации технологических процессов на базе технологии Industrial Ethernet. Журнал «Промышленные АСУ и контроллеры» № 1 2005 г.
Примечания
- «IP» здесь означает «Industrial Protocol»
- Архивированная копия (недоступная ссылка). Дата обращения: 27 июня 2009. Архивировано 5 февраля 2008 года.
- EPSG: News & Events
Ссылки
- Ассоциация — Промышленный Ethernet (англ.)
- Ethernet как Real-Time Technology (англ.)
- Руководство по тестированию и диагностике сетей Industrial Ethernet (недоступная ссылка) (англ.)