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

Кузьмин Ю. Б. 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 (неопр.). Дата обращения: 27 июня 2009. Архивировано 5 февраля 2008 года.
↑ EPSG: News & Events (неопр.). Дата обращения: 14 апреля 2022. Архивировано 25 ноября 2019 года.