Industrial Ethernet-protocollen

Ethernet is een veelgebruikte communicatiestandaard voor het snel overbrengen van grote hoeveelheden gegevens tussen apparaten. Zonder Ethernet zou communicatie in de wereld van vandaag niet mogelijk zijn, aangezien de meeste netwerkapparaten de Ethernet-standaard gebruiken.

Bij Ethernet, net als bij andere interfacetechnologieën, worden gegevens verzonden in de vorm van elektrische spanningsveranderingen of lichtsignalen in het geval van glasvezel of via radiogolven in het geval van wifi.

Ethernet is uiterst flexibel en kan in verschillende omgevingen worden gebruikt, van thuisnetwerken tot grote bedrijfsnetwerken. Maar zelfs in de fabrieksautomatisering is de vroegere dominantie van veldbussen nu vervangen door Ethernet.

Ethernet werd al in 1983 gestandaardiseerd in IEEE 802.3 en definieert lagen één en twee van de zeven lagen in het OSI-model. Vereenvoudigd uitgedrukt: Laag één (fysieke laag) zorgt ervoor dat de bits en bytes van punt A bij punt B komen. Deze laag bevat bijvoorbeeld netwerk- en glasvezelkabels en netwerkkaarten. Laag twee (datalink) zorgt voor de foutloze en betrouwbare overdracht van gegevensblokken tussen twee apparaten die via laag één met elkaar verbonden zijn. Deze laag bevat bijvoorbeeld schakelaars en het MAC-adres. Al het andere, zoals de gebruikte protocollen, is te vinden in lagen drie tot zeven van het OSI-model hierboven en wordt niet gespecificeerd in IEEE 802.3 voor Ethernet.

Ethernet en Industrial Ethernet zijn in principe hetzelfde. Het verschil zit hem in het feit dat er robuustere componenten worden gebruikt voor Industrial Ethernet, die voldoen aan de behoeften van de industrie. Deze componenten moeten bijvoorbeeld bestand zijn tegen extreme temperaturen, vochtigheid, trillingen en elektromagnetische storingen. Het fundamentele fysieke werkingsprincipe blijft identiek. Industriële Ethernet-componenten kunnen daarom ook worden gebruikt in 'normale' Ethernetnetwerken.

Een eenvoudig voorbeeld van het verschil tussen Ethernet- en Industrial Ethernet-componenten is de connector. Bij Ethernet wordt meestal een RJ45-connector gebruikt. Dit is ideaal voor thuis- en kantoortoepassingen, maar ongeschikt voor zware industriële omgevingen. Daarom wordt bij Industrial Ethernet een D-gecodeerde M12-connectorgebruikt, die naast een aanzienlijk hogere mechanische belastbaarheid ook een beschermingsgraad tot IP69K kan hebben .

Zodra gegevens moeten worden geleverd en doorgestuurd door een apparaat, is er een interface nodig voor datatransmissie. Apparaten die grote hoeveelheden gegevens genereren of een hoge datatransmissie-snelheden nodig hebben, maken nu gebruik van Ethernet als interface.
Als verdere interface voor datatransmissie heeft IO-Link zich als interface voor kleinere resp. kostengevoeligere apparaten op de markt gevestigd. Als alleen eenvoudige informatie moet worden uitgewisseld, kan ook een digitale I/O of analoge interface worden gebruikt.

Welke speciale uitdagingen stelt de industrie aan Ethernet-communicatie?

In tegenstelling tot gegevensuitwisseling in het dagelijkse kantoorleven, waar soms zeer grote hoeveelheden gegevens worden verzonden en ontvangen, maar een pakketverlies of een vertraging bij het verzenden/ontvangen van deze gegevens wordt geaccepteerd (bijv. als een e-mail met een korte vertraging wordt afgeleverd of een website opnieuw moet worden geladen), is dit niet voldoende in de industriële productieomgeving. Als geregistreerde toestanden of meetgegevens hier te laat of onbetrouwbaar naar de besturing worden verzonden, komt de huidige toestand/meetwaarde in de machine niet meer overeen met de gedetecteerde toestand/meetwaarde en wordt de besturing uitgevoerd met verouderde gegevens.

Welke oplossing is er voor industriële productieomgevingen?

Om Ethernet überhaupt in een industriële omgeving te kunnen gebruiken, is deterministische communicatie vereist. Dit is niet mogelijk met het algemeen gebruikte TCP/IP-protocol, omdat onvoorspelbare tijdsvariaties bij de datatransmissie kunnen optreden in netwerken door vertragingen, jitter, bandbreedteconcurrentie en pakketverliezen. Er zijn speciale industriële Ethernet-protocollen ontwikkeld om dit probleem op te lossen. Deze worden gekenmerkt door korte latentietijden, cyclische communicatie en deterministische reacties.

Wat is determinisme?

In het Ethernetnetwerk is determinisme de voorspelbaarheid en consistentie van de tijden en voorwaarden voor datatransmissie, wat betekent dat gegevenspakketten met voorspelbare tussenpozen worden ontvangen of verzonden en altijd gegarandeerd worden afgeleverd.

Waarvoor zijn Industrial Ethernet-protocollen bedoeld?

Ze bieden cyclische en acyclische communicatie, realtime mogelijkheden, prioritering van gegevensverkeer en robuustheid om te voldoen aan de behoeften van fabrieken en automatiseringssystemen. De opbouw van een dataframe en de betekenis ervan is bovendien nauwkeurig vastgelegd in het protocol en terwijl conventionele TCP/IP-verbindingen gericht zijn op algemene netwerkvereisten en asynchrone en onregelmatige datatransmissies gebruiken, bieden Industrial Ethernet-protocollen een gestandaardiseerde structuur voor datatransmissie, waarbij de opbouw van de gegevens nauwkeurig in een gegevenspakket gedefinieerd is. Hierdoor hebben gebruikers eenvoudig toegang tot verschillende soorten gegevens, zoals parametreergegevens, diagnostische gegevens en invoer-/uitvoergegevens, zonder dat ze zich zorgen hoeven te maken over de ingewikkelde samenstelling van de gegevenspakketten of complexe bewakingsmechanismen. Zonder deze specificatie zouden gebruikers in geautomatiseerde systemen deze processen voor elk apparaat afzonderlijk handmatig op bit- en byteniveau moeten uitvoeren, wat tijdrovend en foutgevoelig zou zijn.

Hoewel alle Industrial Ethernet-protocollen gebaseerd zijn op Ethernet, zijn ze niet compatibel met elkaar. Een PROFINET-apparaat kan daarom bijvoorbeeld niet in een EtherCAT-netwerk worden gebruikt.

Wat is een gateway?

Een gateway wordt gebruikt als een externe 'vertaler' om communicatie mogelijk te maken tussen apparaten die verschillende protocollen of communicatiestandaarden gebruiken.

Met de productserie MA 200 biedt Leuze hier een gateway van RS 232 naar alle gangbare industrial Ethernet-protocollen (PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT), Ethernet TCP/IP en de veldbussen (PROFIBUS DP, DeviceNet, CANopen) aan.

'PROFINET' is een van de meest gebruikte Industrial Ethernet-protocollen ter wereld. De Siemens-besturingen gebruiken het Industrial Ethernet-protocol 'PROFINET'. Alle sensoren met Industrial Ethernet-protocol van Leuze hebben deze interface via 'integrated connectivity' al in het apparaat geïntegreerd en zijn te herkennen aan de productaanduiding x48i. Een aanvullende gateway is hier niet nodig.

Onder andere de besturingssystemen van fabrikanten zoals Allen Bradley / Rockwell en Schneider Electric maken gebruik van het Industrial Ethernet-protocol 'EtherNet/IP'. Veel sensoren van Leuze hebben deze interface via 'integrated connectivity' al in het apparaat geïntegreerd en zijn te herkennen aan de productaanduiding x58i. Een aanvullende gateway is hier niet nodig.

'EtherCAT' is momenteel het snelst groeiende Industrial Ethernet-protocol. Voornamelijk wordt EtherCAT van Beckhoff, maar ook van talloze andere fabrikanten van besturingssystemen gebruikt. Veel sensoren van Leuze hebben deze interface via 'integrated connectivity' al in het apparaat geïntegreerd en zijn te herkennen aan de productaanduiding x38i. Een aanvullende gateway is hier niet nodig