Ip и ethernet отличие

Обновлено: 06.07.2024

В чем разница между Ethernet , TCP и IP в простых (простых абстрактных) терминах?

Пожалуйста, не копируйте из Википедии .

Кто-то (приложение) пишет письмо и кладет его в конверт. Другой человек (NIC) смотрит на адрес на конверте, кладет его в трубку, закрывает, помещает в правую дверь, чтобы приблизить к месту назначения, затем нажимает кнопку.

Трубка переносится к другой двери, где кто-то (маршрутизатор) открывает трубку, считывает адрес, помещает его обратно в трубку и отправляет через другую дверь.

В конце концов он прибывает в пункт назначения, где сетевой адаптер с другой стороны забирает его и передает его приложению.

Это, конечно, огромное упрощение того, что на самом деле происходит, но это довольно приличная основа для начала.

Любой из них используется в слое. Ethernet на уровне 2, IP на уровне 3 и TCP на уровне 4 (номера уровней основаны на модели OSI).

У каждого из них есть обязанность доставки пакетов от одного до другого:

Ethernet : от одного прыжка к другому (прыжок означает напрямую подключенное устройство)

IP: от одного конца к другому (удаленное устройство или подключенное устройство)

TCP: от одного процесса к другому (процесс выполняется на двух концах)

Значительно упрощен и потенциально неточен. ;) tcp (протокол управления передачей) и ip (интернет-протокол) являются программными протоколами. Они работают на разных уровнях сетевого стека. Ethernet является средой, которую он передает по сравнению с вещами, такими как Token Ring, оптоволокно и т.д., Описывающими физический уровень стека.

Ethernet

TCP

Физический (уровень 1): своего рода физический (электрический, электромагнитный, оптический) метод и стандарт сигнализации. Почти всегда обрабатываются в аппаратных средствах. Сильно средний и скорость зависит.

Ethernet (уровень 2): использует MAC-адреса для идентификации узлов - "протокольные единицы данных" называются кадрами. Этот уровень не имеет понятия межсетевого взаимодействия. Он отправляет кадр в пункт назначения, предполагая, что он может выбросить через среду и что он туда доберется.

UDP (уровень 3.1ish): По сути, IP-пакет расширен, чтобы на нем закреплено понятие "порт". Порты позволяют вам обращаться к разным слушателям на одном и том же хосте - так что более одной программы на хосте может использовать все эти замечательные вещи, а среда может использоваться более эффективно.

TCP (уровень 4): использует порты, чтобы позволить нескольким отправителям / прослушивателям в дополнение к IP-адресам идентифицировать узлы - "протокольные единицы данных" называются сегментами. Этот уровень реализует «сервисы, ориентированные на соединение» и дает все гарантии, которых нет у IP. IP-пакеты могут поступать не по порядку или не приходить вообще. TCP отслеживает пакеты, используя схему управления окнами, и пытается удостовериться, что получатель действительно получил все свои данные.

В прошлой публикации мы рассказали о том, как работают шины и протоколы в промышленной автоматизации. В этот раз сфокусируемся на современных рабочих решениях: посмотрим, какие протоколы используются в системах по всему миру. Рассмотрим технологии немецких компаний Beckhoff и Siemens, австрийской B&R, американской Rockwell Automation и русской Fastwel. А также изучим универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN.

В конце статьи будет сравнительная таблица с характеристиками протоколов EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP и ModbusTCP.

Мы не включали в обзор протоколы PRP, HSR, OPC UA и другие, т.к. по ним на Хабре уже есть отличные статьи наших коллег-инженеров, которые занимаются разработкой систем промавтоматики. Например, «Протоколы «бесшовного» резервирования PRP и HSR» и «Шлюзы промышленных протоколов обмена на Linux. Собери сам».

Для начала определим терминологию: Industrial Ethernet = промышленная сеть, Fieldbus = полевая шина. В российской промышленной автоматике случается путаница в терминах, касающихся полевой шины и промышленной сети нижнего уровня. Часто эти термины объединяются в единое расплывчатое понятие «нижний уровень», который именуется и полевой шиной, и шиной нижнего уровня, хотя это может быть и не шина вовсе.

Такая путаница, скорее всего связана с тем, что во многих современных контроллерах соединение модулей ввода-вывода часто реализуется с помощью объединительной панели (англ. backplane) или физической шины. То есть используются некие шинные контакты и соединители, чтобы объединить несколько модулей в единый узел. Но такие узлы, в свою очередь, могут быть соединены между собой как промышленной сетью, так и полевой шиной. В западной терминологии есть четкое разделение: сеть — это сеть, шина — это шина. Первое обозначается термином Industrial Ethernet, второе — Fieldbus. В статье для этих понятий предлагается использоваться термин «промышленная сеть» и термин «полевая шина» соответственно.

Стандарт промышленной сети EtherCAT, разработка компании Beckhoff

Протокол и промышленная сеть EtherCAT — это, пожалуй, один из самых быстродействующих на сегодня способов передачи данных в системах автоматики. Сеть EtherCAT успешно используется в распределенных системах автоматизации, где взаимодействующие узлы разнесены на большое расстояние.

Протокол EtherCAT использует стандартные Ethernet-фреймы для передачи своих телеграмм, поэтому сохраняется совместимость с любым стандартным Ethernet-оборудованием и, по сути, прием и передача данных могут быть организованы на любом Ethernet-контроллере, при наличии соответствующего программного обеспечения.

Спецификация протокола открыта и доступна, но только в рамках ассоциации разработки — EtherCAT Technology Group.

Вот, как работает EtherCAT (зрелище завораживает, как игра Zuma Inca):

Высокая скорость обмена в этом протоколе —а речь может идти о единицах микросекунд— реализована благодаря тому, что разработчики отказались от обмена с помощью телеграмм, посылаемых непосредственно конкретному устройству. Вместо этого в сеть EtherCAT направляется одна телеграмма, адресованная всем устройствам одновременно, каждый из подчиненных узлов сбора и передачи информации (их еще часто называют УСО — устройство связи с объектом) забирает из нее «на лету» те данные, которые предназначались ему, и вставляет в телеграмму данные, который он готов предоставить для обмена. После этого телеграмма отправляется следующему подчиненному узлу, где происходит та же операция. Пройдя все УСО, телеграмма возвращается главному контроллеру, который на основе полученных от подчиненных устройств данных, реализует логику управления, опять же взаимодействуя посредством телеграммы с подчиненными узлами, которые выдают управляющий сигнал на оборудование.

Сеть EtherCAT может иметь любую топологию, но по сути это всегда будет кольцо — из-за использования полнодуплексного режима и двух разъемов Ethernet. Таким образом, телеграмма всегда будет передаваться последовательно каждому устройству на шине.

Кстати, спецификация EtherCAT не содержит ограничений физического уровня 100Base-TX, поэтому реализация протокола возможна на основе гигабитных и оптических линий.

Открытые промышленные сети и стандарты PROFIBUS/NET компании Siemens

Немецкий концерн Siemens давно известен своими программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), которые используется по всему миру.

Обмен данными между узлами автоматизированной системы под управлением оборудования Siemens реализуется как по полевой шине, которая называется PROFIBUS, так и в промышленной сети PROFINET.

Шина PROFIBUS использует специальный двужильный кабель с разъемами DB-9. У Siemens он фиолетовый, но мы на практике встречали и другие :). Для связи нескольких узлов разъем может соединять два кабеля. Также в нем есть переключатель для терминального резистора. Терминальный резистор должен быть включен на концевых устройствах сети, таким образом сообщается, что это первое или последнее устройство, а после него уже ничего нет, только мрак и пустота (все rs485 так работают). Если на промежуточном разъеме включить резистор, то следующий за ним участок будет отключен.

Кабель PROFIBUS с соединительными разъемами. Источник: VIPA ControlsAmerica

В сети PROFINET используется аналог витой пары, как правило, с разъемами RJ-45, кабель окрашен в зеленый цвет. Если топология PROFIBUS —шина, то топология сети PROFINET может представлять собой что угодно: хоть кольцо, хоть звезду, хоть дерево, хоть все вместе взятое.

Существуют несколько протоколов обмена по шине PROFIBUS и в сети PROFINET.

PROFIBUS DP — реализация этого протокола подразумевает связь с удаленными подчиненными устройствами, в случае с PROFINET этому протоколу соответствует протокол PROFINET IO.
PROFIBUS PA — является по сути тем же PROFIBUS DP, только используется для взрывобезопасных исполнений передачи данных и питания (аналог PROFIBUS DP с другими физическими свойствами). Для PROFINET взрывобезопасного протокола по аналогии с PROFIBUS пока не существует.
PROFIBUS FMS — предназначен для обмена данными с системами других производителей, которые не могут использовать PROFIBUS DP. Аналогом PROFIBUS FMS в сети PROFINET является протокол PROFINET CBA.

Протокол PROFINET IO делится на несколько классов:

PROFINET NRT (без реального времени) — используется в приложениях, где временные параметры не критичны. В нем используется протокол передачи данных Ethernet TCP/IP, а также UDP/IP.
PROFINET RT (реальное время) — тут обмен данными ввода/вывода реализован с помощью фреймов Ethernet, но диагностические данные и данные связи все еще передаются через UDP/IP.
PROFINET IRT (изохронное реальное время) — этот протокол был разработан специально для приложений управления движением и включает в себя изохронную фазу передачи данных.

Что касается реализации протокола жесткого реального времени PROFINET IRT, то для коммуникаций с удаленными устройствами в нем выделяют два канала обмена: изохронный и асинхронный. Изохронный канал с фиксированной по времени длиной цикла обмена использует тактовую синхронизацию и передает критичные ко времени данные, для передачи используются телеграммы второго уровня. Длительность передачи в изохронном канале не превышает 1 миллисекунду.

В асинхронном канале передаются так называемые real-time-данные, которые тоже адресуются посредством MAC-адреса. Дополнительно передается различная диагностическая и вспомогательная информация уже поверх TCP/IP. Ни real-time-данные, ни тем более другая информация, разумеется, не может прерывать изохронный цикл.

Расширенный набор функций PROFINET IO нужен далеко не для каждой системы промышленной автоматики, поэтому этот протокол масштабируют под конкретный проект, с учетом классов соответствия или классов применения (conformance classes): СС-A, CC-B, CC-CC. Классы соответствия позволяют выбрать полевые устройства и магистральные компоненты с минимально необходимой функциональностью.

Источник: PROFINET university lesson

Второй протокол обмена в сети PROFINET — PROFINET CBA — служит для организации промышленной связи между оборудованием различных производителей. Основной производственной единицей в системах СВА является некая сущность, которая называется компонентом. Этот компонент обычно представляет собой совокупность механической, электрической и электронной части устройства или установки, а также соответствующее прикладное программное обеспечение. Для каждого компонента выбирается программный модуль, который содержит полное описание интерфейса данного компонента по требованиям стандарта PROFINET. После чего эти программные модули используются для обмена данными с устройствами.

Протокол Ethernet POWERLINK компании B&R

Протокол Powerlink разработан австрийской компанией B&R в начале 2000-х. Это еще одна реализация протокола реального времени поверх стандарта Ethernet. Спецификация протокола доступна и распространяется свободно.

В технологии Powerlink применяется механизм так называемого смешанного опроса, когда всё взаимодействие между устройствами делится на несколько фаз. Особо критичные данные передаются в изохронной фазе обмена, для которой настраивается требуемое время отклика, остальные данные, будут переданы по мере возможности в асинхронной фазе.

Изначально протокол был реализован поверх физического уровня 100Base-TX, но позже была разработана и гигабитная реализация.

Схематическое представление сети Ethernet POWERLINK с несколькими узлами.

В изохронной фазе опрашивающий контроллер последовательно посылает запрос каждому узлу, от которого необходимо получить критичные данные.

Изохронная фаза выполняется, как уже было сказано, с настраиваемым временем цикла. В асинхронной фазе обмена используется стек протокола IP, контроллер запрашивает некритичные данные у всех узлов, которые посылают ответ по мере получения доступа к передаче в сеть. Соотношение времени между изохронной и асинхронной фазами можно настроить вручную.

Протокол Ethernet/IP компании Rockwell Automation

Протокол EtherNet/IP разработан при активном участии американской компании Rockwell Automation в 2000 году. Он использует стек TCP и UDP IP, и расширяет его для применения в промышленной автоматизации. Вторая часть названия, вопреки расхожему мнению, означает не Internet Protocol, а Industrial Protocol. UDP IP использует коммуникационный стек протокола CIP (Common Interface Protocol), который также используется в сетях ControlNet / DeviceNet и реализуется поверх TCP/IP.

Спецификация EtherNet/IP является общедоступной и распространяется бесплатно. Топология сети Ethernet/IP может быть произвольной и включать в себя кольцо, звезду, дерево или шину.

Для синхронизации времени в распределенных системах EtherNet/IP использует протокол CIPsync, который является расширением коммуникационного протокола CIP.

Для упрощения настройки сети EtherNet/IP большинство стандартных устройств автоматики имеют в комплекте заранее определенные конфигурационные файлы.

Реализация протокола FBUS в компании Fastwel

Долго думали, включать ли в этот список российскую компанию Fastwel с ее отечественной реализацией промышленного протокола FBUS, но потом все же решились написать пару абзацев для лучшего понимания реалий импортозамещения.

Существует две физические реализации FBUS. Одна из них — это шина, в которой протокол FBUS работает поверх стандарта RS485. Кроме этого есть реализация FBUS в промышленной сети Ethernet.

FBUS сложно назвать быстродействующим протоколом, время ответа сильно зависит от количества модулей ввода-вывода на шине и от параметров обмена, обычно оно колеблется в пределах 0,5—10 миллисекунд. Один подчиненный узел FBUS может содержать только 64 модуля ввода-вывода. Для полевой шины длина кабеля не может превышать 1 метр, поэтому о распределенных системах речь не идет. Вернее идет, но только при использовании промышленной сети FBUS поверх TCP/IP, что означает увеличение времени опроса в несколько раз. Для подключения модулей могут использоваться удлинители шины, что позволяет удобно расположить модули в шкафу автоматики.

Контроллер Fastwel с подключенными модулями ввода-вывода. Источник: Control Engineering Россия

Итого: как всё это используется на практике в АСУ ТП

Естественно, видовое разнообразие современных промышленных протоколов передачи данных намного больше, чем мы описали в этой статье. Некоторые привязаны к конкретному производителю, некоторые, напротив, универсальны. При разработке автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) инженер выбирает оптимальные протоколы, с учетом конкретных задач и ограничений (технических и по бюджету).

Если говорить о распространенности того или иного протокола обмена, то можно привести диаграмму компании HMS Networks AB, которая иллюстрирует доли рынка различных технологий обмена в промышленных сетях.

Источник: HMS Networks AB

Как видно на диаграмме, PRONET и PROFIBUS от Siemens занимают лидирующие позиции.

В таблице ниже собраны сводные данные по описанным протоколам обмена. Некоторые параметры, например, производительность выражены абстрактными терминами: высокая /низкая. Числовые эквиваленты можно отыскать в статьях по анализу производительности.

С появлением Ethernet его начали использовать в качестве основного сетевого подключения. Давайте более подробно рассмотрим применение Ethernet в промышленности.

Что такое Ethernet?

Локальная сеть Ethernet (local-area network (LAN)) является основной для связи между нашими компьютерами, маршрутизаторами, принтерами. Он сыграл важную роль в промышленном мире став установленным стандартом подключения интернет вещей IoT.

По данным Cisco, в 2003 году Ethernet составил порядка 85% всех соединений по локальной сети в мире. Промышленный Ethernet отличается от коммерческого тем, что он применяет стандарты Ethernet для управления и эксплуатации производственными сетями.

Появление Ethernet

ALOHAnet была первой беспроводной сетью для передачи данных, к которой подключались несколько компьютерных систем, разделенных в пределах Гавайского университета. Ученые пытались получить независимые узлы передачи данных по радиоканалу для связи друг с другом на основе технологии peer-to-peer без помех. Решением ALOHAnet был множественный доступ с обнаружением коллизий (CSMA/CD). Эта идея вдохновила Боба Меткалфа из Xerox для дальнейших исследований в этой области.

В первые дни существования Ethernet существовало две наиболее распространённые конфигурации: 10Base2 и 10Base5. Скорость передачи данных для обеих конфигураций составляла 10 Мбит при использовании коаксиального кабеля.

Максимально допустимая длина отрезков для 10Base2 составляла 185 футов при использовании коаксиального кабеля RG58, известного также как “Thin Ethernet”. 10Base 5 предлагал более длинные расстояния связи. Тем не менее, для обеспечения соединения требовался толстый коаксиальный кабель, который был тяжелый и трудный в управлении.

С учетом этого непрерывно развивались новые технологии, такие как 10Base-FL, что позволило сетям использовать волоконно-оптические носители и увеличить расстояние передачи данных до 2000 футов. 10Base-T стал популярным вариантом из-за простоты установки и использования недорогой неэкранированной витой пары (unshielded twisted pair UTP) кабеля категории CAT3. Расстояние между компьютерами не должно превышать 100 метров и каждая машина должна иметь стандартный разъем RJ-45. К 90-м годам стало доступно оборудование Ethernet со скоростью передачи до100 Мбит.

Сегодняшний компьютерный стандарт подразумевает, что устройство должно иметь сетевой адаптер реализующий 100Base-TX. Кабели категории 5e UTP (CAT5) также являются стандартными и используются той же длины, что и для 10base-T сетей с длиной до 100 футов или меньше. Сети, которые ранее использовали коаксиальные кабели, сейчас модернизируются под оптоволокно специально для реализации связей «точка к точке» (point-to-point). 100Base-FX использует два оптических волокна для дуплексных точка-точка связей которые достигают 2000 футов. Gigabit Ethernet или 1000 Мбит соединения доступны с использованием витой пары и волоконно-оптических носителей.

Канальный уровень Ethernet

Ethernet определяет слои физического уровня и каналы передачи данных в зависимости от назначения сети. Основным сетевым стандартом стал IEEE 802.3. физический уровень определяет электрические сигналы, метод передачи данных, медиа, типы разъемов и топологию сети. Для передачи данных может быть использовано оптическое волокно или витая пара. Существует четыре различных типа передачи данных с разными скоростями:

Канальный уровень определяет метод доступа к среде. Полудуплексная связь сопряжена в шинной или звездообразной топологиях: 10/100Base-T, 10Base2, 10Base 5 и других. Они используют множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD). Это позволяет нескольким узлам (компьютерам) иметь равный доступ к сети. Все узлы в сети Ethernet постоянно следят за передачей информации.

После подключения узел начинает получать и передавать информацию по сети. Однако, в конечном итоге это может привести к уменьшению пропускной способности и увеличению числа коллизий. Это делает Ethernet вероятностной сетью. В дуплексных Ethernet сетях со связью точка-точка, таких как 10Base-FL или 100Base-FX, коллизии не являются проблемой. Это связано с тем, что присутствуют только два узла с возможностью раздельной передачи и приема данных. Это позволяет реализовать одновременную передачу и прием информации, что увеличивает скорость передачи в два раза.

В эталонной модели OSI существует семь слоев. Нижние слои (1-4) сосредотачиваются на передачи данных, в то время как 5-7 являются прикладными. Нижний уровень (1) наиболее близок к физической среде, поэтому его называют физическим. Физический и нижний слои канала передачи данных реализованы в аппаратном и программном обеспечении, например кабелях или Ethernet (слой 2).

Слой 3 используется для логической адресации и маршрутизации. Наиболее распространенное применение – использование Интернет протокола (IP). Уровень 4 – транспортный слой, который гарантирует, что данные передаются без ошибок и в правильной последовательности. Он использует протокол управления передачей (Transmission Control Protocol TCP) и протокол пользовательских дейтаграмм (User Datagram Protocol(UDP) для передачи данных. Промышленный Ethernet отличается от коммерческого тем, что он использует все нижние слои, а не только 2.

Верхние слои эталонной модели OSI используются для прикладных задач и, как правило, реализуется только для программного обеспечения. Слой 5 для управления сеансом связи. Он отвечает за контроль набора и синхронизации подключения сеанса (то есть создание и управление сессиями) между сетями и приложениями.

Слой 6 предназначен для использования представления данных. Этот слой представляет данные и тип кодирования, а также определяет используемые символы. Это гарантирует, что данные могут передаваться по сети и между узлами, и что они сжимаются и кодируются. Слой 7 предназначен для прикладного использования. Он используется программным обеспечением для подготовки и интерпретации данных. Это самый верхний слой, наиболее близок к пользователю.

Типы подключения Ethernet и промышленных систем

Протокол TCP/IP, используя Ethernet, дает возможность повышения уровня стандартизации. Исторически сложилось, что сетевые приложения, основанные на критических временных процессах, используют детерминистические сети. При использовании промышленного Ethernet, важно помнить о скорости и устойчивости связи.

Результатом этих методов стал переход к использованию Ethernet для промышленного управления на уровне цехов и участков. Ethernet все сильнее внедряется в промышленную среду благодаря низкой стоимости аппаратных средств и простоте установки. Использование мостов и высокоскоростных коммутаторов повышает детерминизм сети. В итоге скорости передачи данных в 1 Гбит, 10 Гбит, 100 Гбит становятся все более распространенными.

Основные типы подключения Ethernet

Modbus TCP/IP

Первый промышленный протокол на основе Ethernet, введенный в 1999 году. Реализован на основании протокола Modbus, который был разработан Modicon в 1979 году.

Используются стандартные слои Ethernet: оборудование и транспортный уровень TCP / IP;
Открытый и относительно простой протокол;

Крупнейший поставщик: Schneider Electric.

Технология автоматизации производства: RTPS

EtherCAT

С открытым исходным кодом, на основе IEC 61158 и других аналогичных стандартов. Преимущества:

При выборе Ethernet-технологии, наилучшим образом подходящей для вашей промышленной системы, вам сначала нужно собрать некоторую базовую информацию, а именно:

Сколько будет точек ввода-вывода?
Какова должна быть скорость передачи данных?
Какой диапазон контроля (количество устройств, контролирующих операции ввода/вывода)?
Какой опыт или знания имеют люди, которые в последующем будут эксплуатировать данное электрооборудование?

Сети должны знать, какие данные передаются и как часто. Это укажет пропускную способность и надежность нужной сети. Кроме того, он может изменить тип Ethernet, который будет использоваться. Например, Ethernet / IP и PROFINET RT предназначены только для систем мягкого реального времени.

Если говорить просто, то протоколы связи гарантируют, что информация будет передана к месту назначения. Пакеты данных могут быть разрушены в случае «столкновения» с другим сигналом, который пытается использовать этот же путь для передачи данных. Имея информацию, которая не «сталкивается» с другими данными, обеспечивая при этом передачу первоочередной информации не прерывая передачу второстепенных данных, является огромной проблемой для большинства протоколов связи.

Существует три подхода к работе реального времени в полевых шинах:

Стандартное программное обеспечение / стандартный Ethernet (S/S): на основе протокола управления передачей / Интернет-протокола (TCP / IP), который является основным языком или протоколом связи, используемым для уровней интернета и интрасети. Механизмы реального времени встроены в верхний уровень. Обратите внимание, что этот подход может иметь ограничения в производительности.
Открытое программное обеспечение / стандартный Ethernet (O / S): можно следовать стандартам, но есть устройства, которые могут иметь свои особенности и не будут совместимы с другими. Стандарт в этой отрасли означает то же, что и в механических системах – разные запчасти не могут подойти к одному механизму. Open Software / Standard Ethernet (O / S) позволяет производителям соблюдать стандарты любыми удобными им способами, но главным условием является реализация совместимости с другими устройствами.
Открытое программное обеспечение / модифицированный Ethernet (O / M): используя новый протокол и некоторое аппаратное обеспечение, этот подход позволяет использовать преимущества существующего Ethernet и гарантирует выполнение жесткого реального времени. Кроме того, программное обеспечение часто является с открытым исходным кодом.

Промышленные интернет вещей (IIoT) и все более автоматизированные производственные линии лишь увеличивают важность коммуникационных и сетевых протоколов.

В этой статье будут рассмотрены некоторые различия в промышленном Ethernet. На рынке существует около 30 типов таких систем, поэтому мы сосредоточимся на основных пяти, которые наиболее часто рекламируются по техническим аспектам, стоимости, стандартизации и стратегическим рыночным соображениям: PROFINET, Ethernet / IP, POWERLINK, EtherCAT и Sercos III.

Ниже приводится краткое описание этих пяти промышленных Ethernet вариантов, и какой подход, компания и функции связаны с каждым из них.

Ethernet/IP

Разработанный Rockwell Automation и Open DeviceNet Vendors Association (ODVA), Ethernet / IP использует синхронный протокол Common Industrial Protocol (CIP). Он придерживается как стандарта синхронизации времени IEEE 1588, так и стандарта Ethernet-TCP / IP.

Чтобы показать, насколько запутанными могут быть протоколы связи, рассмотрим несколько вариантов реализации CIP. Когда CIP используется по сети контроллеров или CAN, он называется DeviceNet. Когда он реализован в выделенной сети, он называется ControlNet. Если он используется через Ethernet, он называется Ethernet / IP. Кроме того, Ethernet / IP может использовать TCP / IP и User Data Protocol/Internet Protocol (UDP/IP). Используя протокол CIP, Ethernet / IP также может использовать различные механизмы связи: циклический опрос, время, многоадресную рассылку, связь точка-точка и многое другое.

UDP / IP отклоняет проверку ошибок, что замедляет время цикла. Например, это не слишком большая проблема, если диагностика и данные конфигурации пропускают несколько пакетов данных. Однако если вы хотите гарантировать доставку приоритетных данных, вам не следует использовать UDP / IP в системах жесткого реального времени.

POWERLINK

Разработанный B & R Automation, но в настоящее время управляемый стандартной группой Ethernet POWERLINK, использует циклический метод синхронизации времени протокола и подход Open Software / Standard Ethernet.

По сути, POWERLINK использует мастер для управления временем сети, которое устанавливает, когда данные отправляются с каждого узла. Этот метод синхронизации времени IEEE 1588 позволяет сохранять высокоточное время в сети. Мастер накладывает временной интервал для отправки данных по механизму множественного доступа с контролем несущей / обнаружения конфликтов (CSMA / CD). CSMA / CD состоит из правил, которые определяют, как долго устройство должно ждать, если есть столкновение. Контроллер опрашивает накопители с выделенным периодом цикла.

EtherCAT

Разработанный Beckhoff Automation, EtherCAT использует метод суммирования и метод Open Software / Modified Ethernet.

При использовании метода суммирования кадра все узлы отправляют одну телеграмму, которая перемещается от узла к узлу вдоль кольца, собирая ответ узлов по пути. Этот метод отличается тем, что телеграмма, которую также можно назвать фреймом, сегментируется и проходит через все узлы. Каждый узел читает данные, адресованные ему, и вставляет ответ на телеграмму (аппаратно). На подчиненном конце процесса используются специализированная интегральная схема (ASIC) или программируемая вентильная матрица (FPGA).

Этот подход может иметь дополнительные затраты. Хотя EtherCAT использует Open Software / Modified Ethernet, EtherCAT Technology Group можно назвать гибридом между ассоциацией и частным партнерством. Несмотря на это, EtherCAT обычно хорошо работает с другими производителями. Нужно просто быть уверенным в наличии поддерживаемых драйверов.

Sercos III

Управляемый Sercos International постоянно развивающийся и гибкий подход, использующий метод суммирования кадров и открытое программное обеспечение модифицированных локальных сетей.

Sercos III работает без концентраторов или коммутаторов, которые сокращают время цикла. Каждая станция имеет ASIC или FPGA. Это может работать лучше для топологии замкнутого кольца или линии (гирляндной цепи). Данные обрабатываются при прохождении через устройство с использованием различных типов телеграмм для разных типов связи. С полнодуплексной системой (две стороны могут общаться одновременно), цепочка срабатывает как кольцо. Кольцо обеспечивает избыточную передачу данных. Кроме того, два коммуникационных порта обеспечивают прямой кросс-трафик. Sercos III обрабатывает данные дважды за такт, а это означает, что устройства могут взаимодействовать друг с другом, не взаимодействуя с блоком «мастер».

PROFINET IRT

PROFINET IRT, разработанный Siemens и входящими в состав организации PROFIBUS, объединяет синхронизированные коммутаторы, которые управляют связью, а опрос обеспечивается с помощью подхода Open Software / Modified Ethernet. Интересно отметить, что PROFINET широко используется в Siemens и GE контроллерах и оборудовании, но практически ни одна компания, кроме упомянутых выше, не поддерживает этот стандарт.

Эволюция локальных сетей

В прошлом году ABB, Bosch Rexroth, B & R, Cisco, General Electric, KUKA, NI, Parker Hannifin, Schneider Electric, SEW-EURODRIVE и TTTech сотрудничали под эгидой Industrial Internet Consortium (IIC) и OPC Foundation (Object Linking and Embedding for Process Control), чтобы принять унифицированную архитектуру OPC через чувствительную ко времени сеть (OPC UA TSN). Группа компаний стремится сделать это единым стандартом для поддержки будущих поколений промышленных сетей.

Продолжение разработки стандартов будет иметь важное значение для развития Ethernet, особенно когда речь идет о безопасности. В игру вступает больше сетей безопасности. Компании теперь внедряют функции безопасности через Ethernet, по сравнению с отдельными системами.

Как и в большинстве случаев, при поиске решения с Ethernet вам необходимо задавать правильные вопросы. Важно знать время цикла, полосу пропускания и точность часов (если вы используете протокол, который их включает), чтобы убедиться, что сеть будет работать на скорости, необходимой для вашего приложения. Узнайте, какие типы архитектур и сетей используют другие компании, поскольку это напрямую влияет на совместимость оборудования.

Некоторые производители предлагают оборудование для пробных испытаний, а другие компании делают сторонние продукты, чтобы помочь подключить изделия, которые могут плохо работать вместе. Например, Anybus является сторонним решением, которое может связываться между любой промышленной шиной, промышленным Ethernet или беспроводной сетью. Это может помочь наладить нормальную связь между оборудованием, которое плохо работает в паре друг с другом, или преодолеть технический разрыв между старыми и новыми машинами.

Читайте также: