Ethernet przemysłowy vs. komercyjny

Wszyscy wiemy, że Ethernet to de facto protokół komunikacyjny warstwy fizycznej do transmisji danych pomiędzy urządzeniami w sieci lokalnej lub rozległej (WAN). Z biegiem lat ewoluował, aby zapewnić wyższy poziom wydajności przy jednoczesnym zachowaniu kompatybilności wstecznej, niezawodności i stosunkowo niskich kosztów, dlatego też cieszy się niesłabnącą popularnością.

Ostatnio mogliście również usłyszeć słowo Ethernet użyte w kontekście „Ethernetu komercyjnego” i „Ethernetu przemysłowego”. Podczas gdy oba terminy nadal uważane są za Ethernet, wykorzystując ramki do wysyłania informacji do i z urządzeń poprzez adresy MAC, nie są one dokładnie tożsame – począwszy od tego, jak wysyłają i odbierają informacje, wdrażają topologie, a także w kwestii komponentów i rozważań testowych.

Przyjrzyjmy się głównym różnicom pomiędzy tymi dwiema technikami.

Czas i determinizm

Standardowy komercyjny Ethernet z natury nie jest przystosowany do pracy w czasie rzeczywistym, ponieważ używa technologii CSMA/CD, protokołu wielodostępu CSMA z badaniem stanu kanału i wykrywaniem kolizji (ang. Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection). To właśnie ta technologia umożliwia wykrywanie sieci i adresu docelowego (CSMA) oraz zapewnia zdolność urządzenia do rozpoznania, że próbowało ono przesyłać informacje w tym samym czasie, co inne urządzenie (CD). W przypadku wykrycia kolizji, transmisja zostaje przerwana i jest nadawana ponownie, gdy zajdzie taka możliwość. Innymi słowy, czas potrzebny na dotarcie danego pakietu do miejsca przeznaczenia nie może być określony, co oznacza, że nie jest deterministyczny.

Chociaż funkcja wykrywania kolizji umożliwia efektywne przesyłanie informacji przedsiębiorstwa, powoduje jednak niewielkie opóźnienie, które może wynosić nawet kilkaset milisekund. Nie jest to coś, co tak naprawdę zauważamy lub czym się przejmujemy w środowisku przedsiębiorstw komercyjnych. Jednak w środowisku przemysłowym nawet najmniejsze opóźnienie jest nie do zaakceptowania, ponieważ systemy automatyki i sterowania funkcjonują w oparciu o to, czy informacje docierają dokładnie w miejsce i w czasie, kiedy są wymagane. Dlatego też komunikacja na poziomie urządzeń w środowisku przemysłowym od dawna opiera się na protokołach takich jak Profibus i Modbus, które oferują transmisję wrażliwą na czas i determinizm.

Na szczęście grupie zadaniowej IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) udało się rozwiązać ten problem dzięki nowym mechanizmom i algorytmom priorytetyzacji wykorzystującym synchronizację czasu. W rezultacie powstał zestaw deterministycznych, działających w czasie rzeczywistym standardów Ethernet do przesyłania informacji o krytycznym znaczeniu dla czasu w warstwie łącza danych, idealny nawet dla najbardziej wymagających aplikacji sterowania ruchem. W skrócie, TSN jest tym, co wnosi do sieci Ethernet wymagania klasy przemysłowej.

Potencjalne warianty topologii

Podczas gdy komercyjne sieci Ethernet są prawie zawsze skonfigurowane w topologii gwiazdy, przemysłowy Ethernet często zawiera kombinację topologii gwiazdy, pierścienia i magistrali, aby dopasować się do różnych zastosowań. Topologie magistrali, określane w zastosowaniach przemysłowych jako wielopunktowe (multi-drop) lub wielosegmentowe (multi-segment), są powszechne tam, gdzie istnieje potrzeba współdzielenia wspólnego łącza przez wiele węzłów. Dlatego też nowy jednoparowy Ethernet 10BASE-T1L pozwala na zastosowanie do 10 złączy w linii.

Ponadto, podczas gdy hierarchiczna topologia gwiazdy jest idealna dla komercyjnego Ethernetu, przemysłowy Ethernet wymaga jeszcze lepszej redundancji i eliminacji pojedynczych punktów podatności na awarię. W tym celu przemysłowy Ethernet zaadaptował hybrydowe topologie typu gwiazda-pierścień, które minimalizują czas przestoju w cyklach produkcyjnych dzięki zerowemu przełączaniu w tryb pracy awaryjnej. Nowe protokoły takie jak HSR (High-availability Seamless Redundancy) zdefiniowane w IEC 62439-3 mają na celu osiągnięcie zerowego czasu odzyskiwania w pierścieniu poprzez wysyłanie każdego pakietu w obu kierunkach w tym samym czasie tak, że węzeł odbierający akceptuje pierwszy pakiet i ignoruje drugi.

Większa ochrona komponentów

Złącza stosowane w Ethernecie przemysłowym różnią się również tym, że muszą być odporne na trudniejsze czynniki mechaniczne, ryzyko wnikania, ekstremalne temperatury, wpływ chemikaliów i zakłócenia elektromagnetyczne. Dlatego często korzysta się ze złączy gwintowanych M12 i M8, ponieważ są one znacznie bardziej trwałe i lepiej zaprojektowane do obsługi bieżących wibracji w porównaniu ze złączami RJ-45 stosowanymi w przypadku komercyjnego Ethernetu. Kable również muszą być odporne na trudniejsze warunki środowiskowe, dlatego stosuje się w nich materiały zewnętrzne o większej wytrzymałości na rozciąganie i odporności chemicznej, a także większą liczbę splotów zapewniającą elastyczność. Zarówno złącza jak i kable muszą spełniać bardziej rygorystyczne parametry M.I.C.E. stosowane do klasyfikacji komponentów w sieci przemysłowej, gdzie M oznacza parametry mechaniczne (giętkość, wibracje), I – wnikanie (wilgoć), C – klimatyczne (temperatura), E – elektromagnetyczne (hałas). Standardy MICE mają zastosowanie do każdego protokołu Ethernetu przemysłowego, w tym EtherNet/IP, ProfiNET, EtherCAT, Modbus-TCP i innych.

Różnią się nie tylko kable i złącza. Same przełączniki Ethernet muszą być również odporne na szersze zakresy temperatur, wstrząsy, wibracje, itp. i są często umieszczane w stalowych obudowach przemysłowych z mocowaniem na szynie DIN. Wymagają one również najwyższej niezawodności i redundancji. Podczas gdy przełącznik Ethernet klasy komercyjnej ma zazwyczaj jedno źródło zasilania, przemysłowe przełączniki Ethernet prawie zawsze mają redundantne zasilanie.

Unikalne testowanie i rozwiązywanie problemów

Ponad połowa problemów z przemysłową siecią Ethernet może być związana z okablowaniem, a trudniejsze warunki przemysłowe mogą odgrywać pewną rolę i wymagać zmiany w zakresie tego, na co należy zwrócić uwagę podczas testowania i rozwiązywania problemów. Na przykład, kable przemysłowego Ethernetu mogą doświadczać problemów z ciągłością spowodowanych zginaniem, wibracjami, korozją i zmianami temperatury. Podczas gdy test ciągłości wskaże otwarte połączenia, znalezienie słabego połączenia wymaga pomiaru rezystancji każdego przewodu. Można to zrobić poprzez sprawdzenie niezrównoważenia rezystancji prądu stałego za pomocą testera serii DSX CableAnalyzer™ firmy Fluke Networks, który analizuje różnicę w rezystancji pomiędzy każdym przewodem w parze. Jeśli jest zbyt wysoki, może to oznaczać słabe połączenie.

Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) – „E” w M.I.C.E. – mogą również uszkodzić pakiety przemysłowego Ethernetu. Aby określić, czy kabel jest podatny na zakłócenia EMI, analizator DSX CableAnalyzer przeprowadza pomiary straty konwersji poprzecznej (TCL) oraz pomiary straty konwersji poprzecznej o wyrównanym poziomie (ELTCTL), które są ujęte w normach TIA i ISO M.I.C.E. Podczas testowania w testerze można wybrać limity zgodne z normami M.I.C.E., aby dopasować poziom „E” środowiska – E1 dla komercyjnych środowisk biurowych, E3 dla środowisk w pobliżu silnych źródeł EMI i E2 dla ciągów kablowych pomiędzy strefami E1 i E3.

Oczywiście, podczas testowania należy również upewnić się, że Twój tester posiada odpowiedni interfejs i konfigurację testową. We wdrożeniach przemysłowych często spotyka się kable zakończone złączami typu M12 w konfiguracji punkt-punkt bez połączeń krosowych lub połączeń wzajemnych, co zasadniczo czyni je długim kablem krosowym. Jako że testowanie kanałów nie obejmuje wydajności wtyczek na obu końcach, na mocy norm ISO/IEC dodano limity testu end-to-end (E2E) do normy 11801-3, który może być przeprowadzony przy użyciu adapterów DSX M12D lub M12X dostępnych z serią testerów DSX CableAnalyzer. Często zdarza się, że niektóre z tych połączeń punkt-punkt są zakończone złączem M12 na jednym końcu i wtyczką RJ45 na drugim. W tym przypadku potrzebny będzie adapter M12 na jednym końcu i adapter Patch Cord na drugim, ponieważ tego właśnie używa się do testowania wydajności wtyczki RJ45 zakończonej polem.

Dowiedz się więcej:

Czy technologia Power over Ethernet jest bezpieczna?

Jaka jest różnica między normami dedykowanymi dla kanałów transmisyjnych i dla komponentów?

Treść oparta na materiałach ze strony producenta www.flukenetworks.com