Ethernet to nie Internet; Ethernet to nie fieldbus; Ethernet nie jest systemem sterowania. Ethernet to standard sieciowy. Kropka.
Elementy Ethernetu
Sieć oparta na Ethernecie może mieć do 1024 węzłów, setki kabli oraz wiele kombinacji urządzeń do zarządzania siecią. Urządzenia do zarządzania siecią obejmują:
-
huby (koncentratory) albo repeatery (wzmacniaki)
-
mosty (bridges)
-
rutery
-
switche (przełączniki)
Różnica pomiędzy tymi urządzeniami polega na protokole, z którym dane urządzenie ma współpracować (patrz: „Ethernet, OSI i TCP/IP”).
Huby — koncentratory sieciowe
Terminy hub (koncentrator) lub repeater można w zasadzie stosować zamiennie. Hub po prostu przekazuje dane, nie interpretuje ani nie sortuje komunikatów, które przez niego przechodzą. Huby obejmują cały zasięg sieci poprzez wzmacnianie sygnału, łączą razem w jedną sieć segmenty sieci lokalnej (LAN – Local Area Network) oraz umożliwiają konwersję pomiędzy różnymi rodzajami okablowania, np. z nieekranowanej skrętki dwużyłowej (UTP – Unshielded Twisted-Pair) do światłowodu.
|
MAC Media Access Control (MAC) to protokół pracuj ący na poziomie warstwy łącza danych, używany do zarządzania dostępem stacji do kanału komunikacyjnego. Adres MAC jest przyporządkowany do interfejsu stacji, identyfikuje daną stację w sieci. W Ethernecie jest to 48-bitowy adres stacji. Adres MAC jest tym samym, co adres fizyczny. |
Ponieważ huby służą do regenerowania sygnałów bez ich filtrowania czy przekierowywania, w żaden sposób nie zabezpieczają sieci. Niektóre najprostsze huby stanowią zaledwie nieco więcej niż proste bufory elektryczne, z dodatkiem nieznacznego filtrowania zakłóceń. Z kolei inne mają ograniczone możliwości przechowywania i przekazywania sygnałów.
Huby pracują tylko w warstwie fizycznej (warstwa 1). Nie mają adresów MAC (Media Access Address) czy IP (Internet Protocol). Mimo że łączą węzły ethernetowe, wszystkie węzły mają taką samą szerokość pasma przenoszenia. Oznacza to, że jeśli do sieci zostanie dodana większa liczba węzłów, wszystkie one będą korzystać z ograniczonego pasma transmisji.
|
Protokół
Protokół to zestaw zasad określających, w jaki sposób powinny się komunikować urządzenia. Zadania protokołów to:
|
Jednak podstawową przyczyną, że huby nie są niezawodne w halach produkcyjnych, jest to, iż przekazują one pakiety danych równocześnie do wszystkich węzłów, co nieuchronnie prowadzi do kolizji w transmisji danych. Ponieważ kolizje w transmisji danych powodują w sieci opóźnienia związane z propagacją sygnału, których czas trwania jest trudny do ustalenia, huby nie nadają się do aplikacji sterujących, w których czas transmisji pakietu danych powinien być krótszy od 100 ms.
Mosty — bridges
Mosty łączą oddzielne sieci, pracują w warstwie fizycznej (warstwa 1) oraz w warstwie łącza danych (warstwa 2) i zarządzają ruchem danych pomiędzy sieciami tego samego typu, na przykład pomiędzy sieciami Ethernet. Przykładowo dział księgowości i dział techniczny mogą pracować na osobnych sieciach, które mogą zostać połączone mostem. Mosty wykonują również konwersję protokołów pomiędzy podobnymi sieciami, np. pomiędzy Modbus i Modbus+.
Mosty różnią się od hubów, ponieważ otwierają i sprawdzają otrzymywane pakiety danych. Większość mostów może uczyć się adresów węzłów, pozwalając jedynie na konieczny ruch danych i decydując o przekazywaniu danych w oparciu o adresy MAC. Kolejną przydatną funkcją mostów jest ich zdolność do pracy w schematach wykrywania błędów, np. CRC (Cyclic Redundancy Check), w celu zapobiegania przedostawaniu się pakietów zawierających błędy do innych sieci. Niektóre „inteligentne” mosty mogą nauczyć się, jakie urządzenia są podłączone z każdej strony i ustalać, które komunikaty przekazywać dalej.
Rutery
Ruter jest podobny do mostu, ponieważ kieruje informacjami. Jednak rutery pracują w warstwie sieci (warstwa 3) i decydują o przekazywaniu danych na podstawie adresów IP, zamiast adresów MAC. Rutery są używane do skomplikowanych połączeń, np. do podłączenia korporacyjnej sieci LAN do Internetu, oraz dzielą duże sieci na podsieci logiczne, np. w zakładach znajdujących się w różnych lokalizacjach, w biurach czy oddziałach.
|
IP Internet Protocol (IP) to warstwa sieci w protokole komunikacyjnym TCP/IP. Zawiera adres sieciowy i pozwala na kierowanie pakietów danych do różnych sieci czy podsieci. Adres IP nie dostarcza kompletnego pakietu danych, ale warstwa transportująca TCP to gwarantuje. Adres IP to adres komputera czy urządzenia podłączonego do sieci TCP/IP. Każdy klient i każdy serwer muszą mieć unikalny adres IP. Stacje robocze klienta albo urządzenia mają stały adres IP lub też adresy IP są zmienne, nadawane w sposób dynamiczny. |
Podczas gdy mosty przesyłają informacje pomiędzy adresami znajdującymi się w jednej sieci, rutery zawierają informacje dotyczące obu sieci oraz adresów znajdujących się w pojedynczej sieci poprzez prowadzenie tabeli adresów IP dla każdego segmentu. Rutery otwierają pakiety danych w celu określenia ich początkowego miejsca i końcowego przeznaczenia i celu. Rutery mogą filtrować pakiety danych odpowiednio do konkretnych aplikacji i użytkowników.
Most może kontrolować pakiety danych w obrębie sieci fabryki. Rutery mogą zarządzać pakietami danych w sieci fabryki oraz ustalać, który pakiet danych powinien zostać wysłany do różnych sieci – łącznie z tymi podłączonymi bezpośrednio do Internetu. Rutery „uczą się” najbardziej wydajnych ścieżek przesyłania pakietów danych do ich miejsca przeznaczenia. Sam Internet składa się z ruterów sterujących ruchem pomiędzy stacjami.
|
Ethernet, OSI i TCP/IP Ethernet to najpowszechniej stosowany standard sieciowy, poniewa ż obsługuje wiele protokołów, a jego koszt jest niski. Jednakże Ethernet nie jest sam w sobie kompletną siecią. Potrzeba jeszcze wyższych protokołów.
Ethernet został opracowany przez Intel, Digital i Xerox (DIX) w roku 1979. Jednak w roku 1978 Międzynarodowa Organizacja ds. Standaryzacji (International Standards Organization — ISO) opracowała już model łączenia systemów otwartych (Open Systems Interconnect Reference Model — OSI/RM), który dzieli funkcje sieci na siedem warstw. Model OSI stanowi szablon używany do porównywania komunikacyjnych standardów sieciowych.
Ethernet stosuje protokół Sterowania transmisją w sieci Internet (Transmission Control Protocol/Internet Protocol — TCP/IP) dla zapewnienia warstw według modelu OSI. Większość sieci nie używa warstw. Na przyk ład Ethernet oraz RS-232 to warstwy fizyczne; warstwa 1 tylko dla RS-232, warstwy 1 oraz 2 dla Ethernetu. TCP/IP to protokół, a nie sieć i używa warstw 3 i 4 niezależnie od tego, czy warstwy 1 i 2 to linia telefoniczna, połączenie bezprzewodowe czy kabel ethernetowy10BASE-T. W obrębie siedmiu warstw modelu OSI dane przemieszczają się z warstwy do warstwy. Ethernet wspiera warstwę fizyczną oraz warstwę łącza danych; przy zastosowaniu protokołu (TCP/IP) wspiera wszystkie siedem warstw modelu OSI. Kilka rodzajów kabli ethernetowych wspiera warstwę fizyczną. |
Przełączniki — switche
Switch jest bardziej skomplikowany niż hub. Zapewnia pełne pasmo przenoszenia oraz przechowywania danych dla każdego węzła lub grupy węzłów. Switch kieruje pakiety danych do właściwego węzła lub portu, zamiast nadawać je równocześnie do każdego węzła, tak jak robią to huby. Zazwyczaj switch pracuje w warstwach 2 i 3.
Ponieważ switche to urządzenia wieloportowe, o szybkich przekaźnikach i wbudowanej inteligencji, mogą pracować zarówno jako mostki, jak i rutery. Switche przyjmują równocześnie wiele pakietów danych i przekazują je do multiplekserów o dużej prędkości lub pomiędzy portami. Switche mogą konwertować Ethernet 10 Mbps (ang. megabits per second) oraz szybki Ethernet. Dzielą duże sieci na kilka mniejszych i mogą dedykować jeden port dla jednego urządzenia.
|
|
|
Fot. 1. Switche ethernetowe, takie jak ten wyposażony w 5 portów, są przeznaczone do wyższych temperatur, są również bardziej wytrzymale na wstrząsy i wibracje, mają przemysłowe obudowy i elastyczne wymogi dotyczące zasilania wejściowego (zdjęcie dzięki uprzejmości Schneider Electric) |
Switch ukierunkowuje albo przełącza pakiety danych pomiędzy portem wejściowym a wyjściowym. Może pracować w trybie półdupleksowym lub pełnodupleksowym. W trybie półdupleksowym port nie może równocześnie otrzymywać i transmitować danych (komunikacja w jednym kierunku). Jeśli switch próbuje realizować komunikację w obu kierunkach, sygnał przychodzący zostaje wykryty jako kolizja. Jednakże tryb pełnodupleksowy pozwala na komunikację w obu kierunkach – co skutecznie podwaja szerokość pasma przenoszenia sieci.
Switche pracujące w pełnym dupleksie nie mają kolizji, co zapewnia deterministyczną pracę dla sieci przemysłowych. Przemysłowy switch ethernetowy zwiększa przepustowość sieci i zapewnia determinizm sieci niezbędny dla przemysłowych aplikacji sterujących, stanowi również najbardziej wydajne kosztowo rozwiązanie dla środowisk przemysłowych (fot. 1).
Okablowanie Ethernetu
Podstawowe rodzaje kabli używane w sieci Ethernet to: kabel koncentryczny, skrętka dwużyłowa i światłowód. W początkowym okresie istnienia Ethernetu stosowano głównie kable koncentryczne. Ponieważ kabel koncentryczny stanowi zamkniętą linię transmisji, na jego końcu trzeba zastosować terminator, aby zapobiec odbiciu fal, które mogłyby powodować problemy w sieci Ethernet. System ten nazywamy zamkniętym, ponieważ zadaniem osłony jest utrzymywanie energii wewnątrz kabla.
|
Nomenklatura kabli IEEE Typowe nazewnictwo IEEE może być skomplikowane, jednakże zapoznanie się z symboliką każ-dej części pozwala zrozumieć stosowaną metodologię nazewnictwa. Pierwszy element to wartość numeryczna (10, 100, 1000), która wskazuje prędkość transmisji w megabitach na sekundę, informująca o prędkości transmisji (Mb/s lub Mbps). Druga wartość informuje nas o rodzaju transmisji BASE = baseband — pasmo podstawowe; BROAD = broadband — pasmo szerokie. Ostatni numer wskazuje długość segmentu, 5 oznacza segment o odległości 500 m od oryginalnego szkieletu. W ostatnich standardach IEEE numery zastępują litery. Na przykład w 10BASE-T — T oznacza nieekranowaną skrętkę dwużyłową; w 100BASE-T4 — T4 oznacza cztery nieekranowane skrętki dwużyłowe. |
Początkowo kable koncentryczne stosowane do sieci Ethernet miały impedancję 50 W i złączkę typu N. Duża średnica kabla sprawiała, że był on sztywny i nieporęczny i pewnie dlatego nazywano go Thicknet (tzw. gruby Ethernet). W roku 1998 opracowano nowszą wersję Ethernetu, z cieńszym i bardziej giętkim kablem 50 W – RG-58A/U, zawierającym przewód linkowy, w jednowarstwowym oplocie ekranującym lub osłonie z folii, i złączkę typu BNC. Ta wersja została nazwana Thinnet (cienki Ethernet) lub Cheapernet (tańszy Ethernet).
Kolejnym standardem Ethernetu stała się kategoria 5 (Cat-5) dwużyłowa skrętka nieekranowana (Unshielded Twisted Pair – UTP), która jest powszechnie stosowana dla Ethernetu 10BASE-T oraz 100BASE-T Ethernet – a w środowiskach biurowych określa się ją według nomenklatury kabli IEEE (patrz: „Ethernet zwykły, szybki i superszybki”). Jednakże UTP nie nadaje się do wielu aplikacji na halach fabrycznych, ponieważ charakteryzuje ją mała wytrzymałość na zrywanie (ok. 25 lb czyli ok. 11,3 kg), nie jest odporna na zgniatanie (mogą ją uszkodzić zwykłe ścięgna), promień zaginania musi być dłuższy niż 2,54 cm, a długość maksymalna wynosi 100 m.
Mniej więcej w tym samym czasie, kiedy standaryzowano kategorię Cat-5, wprowadzono również kategorię 5e, zwaną również ulepszonym Ethernetem lub Ethernetem Gigabitowym. Kabel ten działa, dzieląc sygnał na cztery pary kabli, transmitując po 250 Mbps w każdej parze, co pozwala na pracę w pełnym dupleksie.
|
Ethernet zwykły, szybki i superszybki Ethernet pracuje na różnych rodzajach kabli, z których każdy jest przeznaczony do innego celu:
|
W roku 2002 zaproponowano kategorię 5i jako standard Stowarzyszenia Przemysłu Telekomunikacyjnego i Zrzeszenia Przemysłu Elektronicznego (Telecommunications Industry Association – TIA/Electronic Industries Alliance – EIA). Chodziło o opracowanie wersji Cat-5 dla celów przemysłowych. Jednakże propozycja ta nigdy nie zyskała statusu standardu, ponieważ nie uwzględniała wymogu IP67 dla okablowania ethernetowego, działającego w trudnych środowiskach. IP67 zabezpiecza przed dostaniem się do środka obiektów o wielkości 1,0 mm oraz czasowym zanurzeniem w wodzie.
Ethernet kategorii 6 może przenosić wyższe częstotliwości niż 5e. Ta właściwość sprawia, że najbardziej nadaje się do przemysłu. Ale nie tylko, dzięki swoim właściwościom może być bardziej czuły na zakłócenia elektryczne, generowane przez silniki, spawanie łukowe oraz inne urządzenia typowe dla większości zakładów przemysłowych. Skrętki ekranowane (Shielded Twist Pair – STP) są odporne na zakłócenia elektryczne i w większości zakładów przemysłowych są częściej używane niż skrętki nieekranowane (UTP).
|
|
|
Fot. 2. Większość hal produkcyjnych wymaga podłączenia do Ethernetu, które wytrzyma warunki ekstremalne, takie jak kurz, temperatura, wilgoć czy wibracje lub wstrząsy. Pokazane na zdjęciu złącze RJ-45 to przykład łącza ethernetowego kategorii 5e, IP67 zdjęcie dzięki uprzejmości Siemon Co.) |
Kable światłowodowe przekazują sygnały poprzez szklane włókna, a nośnikiem jest światło. Ze wszystkich trzech typów kabli jest to najlepszy nośnik, ponieważ może osiągać większe prędkości transmisji oraz transmitować dane na dalsze odległości. Kable światłowodowe są droższe niż kable koncentryczne, skrętki nieekranowane i ekranowane, ale nie są czułe na problemy elektryczne, takie jak zakłócenia, zniekształcenia harmoniczne oraz uziemienie – które są typowe dla sieci o wysokich prędkościach.
Standardy ethernetowe określają, że złącze RJ-45 stanowi podstawę dla 10BASE-T oraz 100BASE-T. Jednak podobnie jak w przypadku Cat-5, standardowe złączki RJ-45 nie nadają się do wielu przemysłowych aplikacji, ponieważ nie są odpowiednio wzmocnione, odporne na wodę czy wibracje. Jednakże pojawiły się ostatnio uszczelnione złącza RJ-45 o klasie IP67 (rys. 2). Kilku dostawców oferuje te złącza oraz złącza M-12 klasy IP68 (odporne na długotrwałe zanurzenia), a ostatnio zostały przyjęte jako standard przez Stowarzyszenie Dostawców Otwartych Urządzeń Sieciowych (Open DeviceNet Vendor Association – ODVA).
Nie tak szybko
Instalowanie Ethernetu w środowisku przemysłowym to nie to samo, co podłączanie sieci LAN w biurze. Aby Ethernet pracował na fabrycznej hali, konieczne jest uwzględnienie elementów, takich jak: determinizm, topologia, odporność sprzętu, moc oraz redundancja.
Konfiguracja i prędkość sieci wpływają na determinizm. Środowiska biurowe tolerują okazjonalne kolizje pakietów danych, jak również związane z nimi opóźnienia spowodowane naprawianiem błędów. Osprzęt przemysłowy – a w szczególności systemy sterowania, nie są aż tak „wyrozumiałe”. W zależności od wymagań sieci, należy tak skonfigurować topologie, aby zapewnić deterministyczne działanie, to znaczy takie, które pozwala przewidzieć czas przesyłania danych oraz opóźnień. Switche oraz topologie gwiazdy i pierścienia w zasadzie eliminują kolizje pakietów danych umożliwiając przemysłowe zastosowanie technologii Ethernetu. Na temat topologii oraz redundancji można powiedzieć znacznie więcej, tak dużo, że właściwe przedstawienie tematu wymaga całej serii artykułów.
|
Wskazówki dotyczące kabli ethernetowych
|
Osprzęt stosowany w biurowych sieciach LAN nie jest na tyle wytrzymały, żeby nadawał się do zastosowania w większości aplikacji w halach produkcyjnych. Jednakże dostawcy szybko wprowadzają produkty ethernetowe przeznaczone specjalnie dla środowisk przemysłowych. W porównaniu ze standardowymi produktami ethernetowymi do zastosowań biurowych, oferta przemysłowa jest przeznaczona do pracy w wyższych temperaturach, bardziej odporna na wstrząsy i wibracje, sprzedawana w elastycznych obudowach, nadaje się do montowania na szynach DIN, ma wejście do zasilania przemysłowego – jeśli potrzeba, wyposażone w redundancję, a w niektórych przypadkach posiada certyfikaty do pracy w niebezpiecznych lokalizacjach. Mimo że nie wszystkie aplikacje wymagają wodoodpornych połączeń, uszczelnione złącza RJ-45 oraz M-12 są dostępne.
Redakcja czasopisma INŻYNIERIA I UTRZYMANIE RUCHU dziękuje: Automation Direct; Control Corp., Hirschmann, N-TRON Corp., ODVA, Phoenix Contact Inc., Rockwell Automation oraz Schneider Electric za umożliwienie wykorzystania ich materiałów do przygotowania niniejszego artykułu.
