SEK | EUR | USD

Använd industriellt Ethernet som robust och deterministiskt alternativ till standard-Ethernet

By Bill Giovino

Contributed By Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Ethernet är den vanligaste standarden för fasta lokala nätverk (LAN) och wide area-nät (WAN). Kommunikation enligt Ethernet-standard kan verka vara mycket ”direkt”, men egentligen finns det inga garantier för att datapaket som skickas i nätverket kommer fram till destinationsporten inom en fast tidsram.

Den här ”icke-determinismen” kan vara ett problem i industriella tillämpningar där fördröjda meddelanden kan orsaka avbrott i produktionslinjen eller risk för personskador. För att uppnå determinism kan en modifierad ”industriell” version av Ethernet användas.

I den här artikeln beskriver vi viktiga aspekter av industriellt Ethernet och tittar närmare på två av Delta Electronics Ethernet-switchar, som kan ligga till grund för att deterministiskt industriellt Ethernet-nätverk.

Behovet av determinism hos Ethernet

Ethernet är en fysisk nätverksstandard som definierar vilka fysiska kablar och kontakter som ska användas för att överföra datapaket i ett fast nätverk. I standard-Ethernet används TCP/IP-protokollen för att definiera hur data överförs mellan de enheter som är anslutna till nätverket. Men även i ett lokalt nätverk är TCP/IP icke-deterministiskt och kan därmed orsaka fördröjningar på upp till hundratals millisekunder. Det är inte godtagbart i de industriella lokala nätverk som många automationssystem är anslutna till. En förutsättning för att sådana system ska fungera är att datapaketen, dvs. meddelandena, kommer fram inom ett visst tidsfönster och att svarstiderna är så korta som 10 ms eller – i extrema fall – kortare än 1 ms.

Profinet är ett annat vanligt Ethernet-ramformat (även kallat kommunikationsprotokoll) som används i industriella nätverk. Profinet utvecklades som ett enklare alternativ till TCP/IP. Profinet RT, realtidsversionen av Profinet, prioriterar data så att de viktigaste processtyrningsmeddelandena kan levereras inom snävare tidsramar. Mindre tidsberoende statusmeddelanden prioriteras ned. Men Profibus RT är ändå inte deterministiskt. För att tillhandahålla determinism utvecklades även en isokron version av Profinet RT (Profinet IRT).

I Profinet IRT uppnås determinism med hjälp av överlappande schemalagda tidsluckor på nätverkets bandbredd: En tidslucka används för IRT-informationen och den andra tidsluckan används för RT- och IP-data. På så sätt kan enheterna i IRT-tidsluckan klockas för att ta emot data deterministiskt.

Det är viktigt att notera att om ett industriellt Ethernet-nätverk baseras på ett deterministiskt kommunikationsprotokoll som Profinet IRT, så måste alla enheter som är anslutna till nätverket vara Profinet IRT-kompatibla. Typiska TCP/IP-enheter, såsom IP-kameror och maskinvarubrandväggar, fungerar därmed inte i nätverket. Det här ger ett extra säkerhetsskikt, eftersom det inte går att använda otillåtna enheter i nätverket.

Övergång från Ethernet-hubbar till robusta switchar

En Ethernet-hubb har samma funktion som en signalförstärkare, vilket innebär att den inte är deterministisk i sig. Datapaket som tas emot från en port vidarebefordras till alla andra portar i hubbens nätverk, så om 25 portar är anslutna till en hubb och port 3 skickar datapaket avsedda för port 22, skickar hubben datapaketen till alla portar i stället för endast port 22. Alla portar som är anslutna till hubben delar samma bandbredd, vilket innebär att nya enheter som ansluts till hubben också börjar ”konkurrera” om den befintliga bandbredden. Det ökar risken för kollisioner och paketfördröjningar, vilket gör det omöjligt att uppnå determinism. I ett sådant system kan hubben endast skicka ett meddelande åt gången. Om data måste skickas från en annan port, måste den porten vänta tills nätverket är ”ledigt”. Därför är Ethernet-hubbar inte deterministiska.

En Ethernet-nätverksswitch däremot, är en intelligent enhet. Den lagrar samtliga anslutna enheters unika MAC-adress (media access control) i en intern MAC-adresstabell, vanligen i ett höghastighets-RAM. Eftersom switchen känner till MAC-adressen för varje enhet (som är ansluten till switchen), kan den vidarebefordra datapaketen endast till de portar som paketen är avsedda för. Om port 3 skickar datapaket till port 22, skickar switchen datapaketen endast till port 22.

En switch kan hantera flera överföringar samtidigt, dvs. att port 3 kan skicka data till port 22 samtidigt som port 4 skickar datapaket till port 7. Därmed elimineras risken för kollisioner, vilket kan inträffa när Ethernet-hubbar används. Samtidigt förbättras nätverkets övergripande hastighet, effektivitet och genomflöde. Eftersom den enda fördröjningen är switchens kända omkopplingshastighet (anges i switchens datablad), måste nätverksswitchar användas när man ska bygga ett deterministiskt Ethernet-nätverk.

En nätverksswitch ger också ett extra säkerhetsskikt. Eftersom varje port bara tar emot datapaket som är avsedda för porten, går det inte att övervaka nätverket med en enhet som är ansluten till en port.

Switchar för industriellt Ethernet är dessutom mer robusta än kommersiella Ethernet-switchar. Kommersiella switchar är lämpliga för lättare hem- eller kontorstillämpningar. Switchar för industriellt Ethernet klarar tuffa fabriksmiljöer och vibrationer, stötar och temperaturvariationer. Switchar för industriellt Ethernet är utformade för säker användning i närheten av explosiva gaser och klarar korrosiva miljöer.

Ethernet på DIN-skenor

Ett exempel på en switch för industriellt Ethernet är Delta Electronics 5-ports, DIN-monterade DVS-005W01 (figur 1).

Bild av Delta Electronics DVS-005W01-switch för industriellt EthernetFigur 1: Delta Electronics DVS-005W01-switch för industriellt Ethernet är en robust switch som klarar tuffa industrimiljöer. Den har fem Ethernet-portar och är IP40-klassad. (Bildkälla: Delta Electronics)

Precis som andra Ethernet-switchar överför DVS-005W01 endast datapaket till mottagande portar. Enheten stöder 100Base-T-hastigheter på upp till 100 Mbit/s. MAC-adresstabellen har stöd för 1024 poster, och det finns ett 512 kbit buffertminne för lagring av vidarebefordrade paket. De flesta kommersiella switchar och hubbar har endast en strömförsörjningsport. DVS-005W01 har två 12–48 volts redundanta strömingångar, så vid ett eventuellt strömavbrott kan reservström enkelt kopplas in utan extern maskinvara.

DVS-005W01 har stöd för en intern switchhastighet på 1 Gbit/s, vilket är nätverksswitchens interna hastighet vid hantering av inkommande och utgående datapaket. Är man ute efter determinism är det här en viktig specifikation, eftersom fördröjningen är kortare ju högre switchhastigheten är.

För mer avancerade industriella nätverk, erbjuder Delta Electronics Ethernet-switchen DVS-016W01 som har 16 portar (figur 2).

Bild av Delta Electronics DVS-016W01-switch för industriellt EthernetFigur 2: DVS-016W01 från Delta Electronics har 16 Ethernet-portar och monteras på DIN-skena eller väggfäste. (Bildkälla: Delta Electronics)

DVS-016W01 har en MAC-adresstabell med stöd för 8192 poster och ett paketbuffertminne på 1 Mbit. Enhetens interna switchhastighet är 3,2 Gbit/s.

Både 5-portarsswitchen och 16-portarsswitchen från Delta Electronics är ”oadministrerade”, vilket innebär att man inte behöver göra något mer än att plugga in dem. När en nätverksenhet ansluts till någon av portarna, upptäcks enhetens MAC-adress automatiskt av switchen, som sedan lagrar adressen i sin interna MAC-adresstabell. Automatisk detektering av MAC-adresser utförs också om switchen slås av och sedan på igen. Hos administrerade switchar har varje port flera trafikfunktioner som måste konfigureras vid installationen.

Som komplement till switcharna finns industrikablar för Ethernet med IP67- eller IP68-klassning. Det är robusta kablar som klarar extrema temperaturer, korrosiva ämnen, nedsänkning i vatten och andra tuffa förhållanden. Kablar för industriellt Ethernet är också tåligare mot böj-, drag- och vridkrafter och andra påfrestningar som kablar i industrimiljö kan utsättas för.

Slutsats

Inom industriell automation är kraven på kommunikationsfördröjning, determinism och maskinvarans robusthet mycket högre än vad standard-Ethernet kan erbjuda. Men med hjälp av deterministiska kommunikationsprotokoll, inkopplingsklara switchar och robusta kablar kan utvecklare och linjeoperatörer bygga Ethernet-nät av industrikaliber.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Bill Giovino

Bill Giovino arbetar som elektronikingenjör och har kandidatexamen i elektroteknik från Syracuse University. Han är en av få personer som med framgång har bytt karriär från konstruktör via fältapplikationsingenjör till att arbeta med marknadsföring av teknik.

I mer än 25 år har Bill arbetat med att marknadsföra ny teknik för en publik både med och utan tekniska kunskaper för många företag (bland dem kan nämnas STMicroelectronics, Intel och Maxim Integrated). På STMicroelectronics var Bill en av de drivande personerna i att leda företagets framgångar på den nya branschen för mikrostyrenheter. På Infineon drev Bill konstruktionen av prisvinnande mikrostyrenheter för bilindustrin i USA. I sin roll som marknadsföringskonsult för CPU Technologies har Bill hjälpt många företag att omvandla mindre framgångsrika produkter till framgångshistorier.

Bill var tidig med att använda sakernas internet, bland annat genom att placera den första kompletta TCP/IP-stacken på en mikrostyrenhet. Bill tror mycket på att försäljning ska bedrivas genom utbildning och att det är allt viktigare med tydlig, välskriven kommunikation för att marknadsföra produkter online. Han är moderator för den populära gruppen Linkedin Semiconductor Sales & Marketing och kan allt om B2E.

Om utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer