Industrial Ethernet

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Логотип сети PROFINET – открытого стандарта семейства Industrial Ethernet (IEC 61158)

Industrial Ethernet — название промышленной сети, использующей типовую сеть Ethernet в промышленной среде для автоматизации управления производственными процессами.

Общая информация[править]

Особенностью промышленного варианта сети является применение протоколов, обеспечивающих детерминированность и управление в масштабе реального времени, а также применение сетевого оборудования, предназначенного для работы в условиях электромагнитных помех, повышенной температуры и влажности, механических нагрузок.

Сеть Industrial Ethernet в основном используется для решения следующих задач:

Общие правила передачи данных. Сетевые модели[править]

Модель сети — теоретическое описание принципов работы набора сетевых протоколов, взаимодействующих друг с другом. Модель обычно делится на уровни, причём так, чтобы протоколы вышестоящего уровня использовали бы в том числе и протоколы нижестоящего уровня. Модели бывают как практические (использующиеся в сетях), так и теоретические (показывающие принципы реализации сетевой передачи).

Сетевая модель OSI[править]

Для эффективной работы коммуникационных протоколов Международной организацией по стандартизации (ISO)[1] были разработаны общие правила передачи данных в виде сетевой модели OSI[2] (Open Systems Interconnection Reference Model).

Данная модель определяет элементы, структуры и задачи, необходимые для обмена информацией, и распределяет их по семи уровням, выстроенным иерархически от нижнего до верхнего:

  1. Физический уровень. Самый нижний уровень, непосредственно осуществляющий передачу потока данных посредством электрических сигналов.
  2. Канальный уровень. Решает проблему адресации при передаче информации. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, он упаковывает в кадры, проверяет их на целостность и, если нужно, исправляет ошибки (формирует повторный запрос повреждённого кадра) и отправляет на сетевой уровень.
  3. Сетевой уровень. Обрабатывает маршрутизацию пакетов через логическую адресацию и функции коммутации. Сеть — это среда, к которой можно подключить множество узлов. У каждого узла есть адрес.
  4. Транспортный уровень. Обеспечивает функции и средства передачи последовательностей данных.
  5. Сеансовый уровень. Управляет соединениями между компьютерами. Он устанавливает, управляет, сохраняет и в конечном итоге разрывает соединения между локальным и удаленным приложением.
  6. Уровень представления. Обеспечивает преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных.
  7. Прикладной уровень. Самый верхний уровень, который реализует доставку данных до пользователя. Этот уровень также определяет протоколы для конечных применений.

Каждый уровень выполняет определенные функции коммутационного процесса. Если коммутационной системе не требуются какие-то из этих функций, соответствующие уровни не используются.

Например, протоколы распространённой промышленной сети ProfiBus (англ. Process Field Bus — шина процесса полевого уровня), используют уровни 1, 2 и 7.

Модель OSI[2] является общей рекомендуемой теоретической структурой, призванной обеспечивать единообразное применение всех сетевых протоколов и сервисов. Модель описывает, что необходимо сделать на каждом определённом уровне, но при этом не предписывает конкретные способы выполнения.

Модель TCP/IP[править]

См. также: TCP/IP

Модель TCP/IP — это пакет протоколов, основными из которых являются протоколы TCP и IP, которые и положили название модели.

  • TCP (Transmission Control Protocol) отвечает за обмен данными. Он управляет их отправкой и следит за тем, чтобы они дошли до получателя в целости.
  • IP (Internet Protocol) отвечает за адресацию. Его задача — связывать друг с другом устройства и формировать пакеты данных для их удобной отправки.

Модель TCP/IP разделена на уровни, как и OSI, но отличие двух моделей в количестве уровней. Документами, определяющими сертификацию модели, являются RFC 1122[3] и RFC1123[3]. Эти стандарты описывают четыре уровня модели TCP/IP[4]:

  1. Канальный.
  2. Прикладной.
  3. Транспортный.
  4. Межсетевой.

Функциональное сопоставление уровней в моделях OSI и TCP/IP можно представить следующим образом:

Распределение функций и задач по уровням в моделях OSI и TCP/IP

Принцип работы сети Ethernet[править]

См. также: Ethernet

При использовании Ethernet[5] поток данных разделяется на короткие части, или фреймы (от англ frame — кадр), каждый из которых помимо собственно данных содержит дополнительную информацию об источнике и приемнике данных. Такая структура необходима для того, чтобы сеть корректно принимала и отправляла данные.

Среди важных понятий, связанных с технологией Ethernet, можно привести следующие:

  • среда передачи данных, которая в рамках современного Ethernet представляет собой витую пару или оптоволоконный кабель, к которому подключаются Ethernet-устройства для создания маршрута передачи данных;
  • сегмент — общая среда передачи данных;
  • узлы — устройства, которые подключаются к сегментам.

Стандартные сети Ethernet могут передавать данные со скоростью 10-100 Мбит/с. В качестве протокола передачи данных используется протокол TCP/IP.

Технология Ethernet включает физический и канальный уровни модели взаимодействия открытых систем OSI[6].

Физический уровень включает в себя 3 варианта работы Ethernet, которые зависят от сред передачи данных. Это:

  • коаксиальный кабель
  • витая пара
  • оптоволокно

Канальный, в свою очередь, включил методы доступа, а также протоколы, которые не отличаются для различных сред передачи данных[7].

Особенности сети Industrial Ethernet[править]

Ethernet — самая распространённая сетевая технология, поэтому вполне логично распространение Ethernet в промышленные информационные системы, где он стал со временем вытеснять полевые шины из сферы промышленной автоматизации.

В настоящее время сеть Industrial Ethernet (промышленный Ethernet) применяется для информационного обмена в системах управления промышленным оборудованием, в частности для организации связи между программируемыми контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса[8]. Промышленные условия требуют применения высокого уровня детерминизма (от лат. determinans — определяющий), для достижения которого в промышленном Ethernet, помимо стандартных протоколов Ethernet, используются дополнительные протоколы:

и ряд других, отвечающих требованиям стандартов IEC 61158[9] и IEC 61784[9].

В частности, такие протоколы промышленного Ethernet, как PROFINET и EtherCAT, вносят изменения в стандартный протокол Ethernet, добавляя в него новые алгоритмы сетевого обмена, диагностические функции, методы самокорректировки и функции синхронизации, чтобы не только обеспечить надежность отправки и приема данных технологических процессов, но и гарантировать, что эти данные будут отправлены и приняты именно в тот момент, когда они будут необходимы для выполнения определенных операций[10].

Сетевое промышленное оборудование

Сетевое промышленное оборудование промышленного Ethernet делится на несколько основных видов[11][8]:

  • Коммутаторы. Служат для соединения сетевых устройств в одну сеть в рамках обозначенной территории. Неуправляемые коммутаторы работают по стандартной схеме и не позволяют вносить изменения в схему и логику сети. Управляемые коммутаторы имеют возможность программирования, что позволяет настроить их параметры. Это обеспечивает более высокую гибкость сети, поскольку коммутатор можно контролировать, настраивать локально или удалённо и, соответственно, управлять трафиком сети и доступом к ней.
  • Маршрутизаторы. Используются для объединения нескольких сетей. Маршрутизаторы анализируют данные, отправляемые по сети, изменяют метод упаковки данных и отправляют их в другую сеть или в другой тип сети по определенным маршрутам, которые изначально были запрограммированы оператором сети.
  • Маршрутизирующий коммутатор. Устройство может выполнять функции маршрутизатора и коммутатора. При этом процессы коммутации и маршрутизации логически распределены по сетевому и канальному уровням OSI. Устройство позволяет сетевым администраторам гибко разворачивать маршрутизацию и коммутацию по мере необходимости, используя одно устройство.
  • Медиаконвертеры — это устройства, преобразующие среду распространения сигнала из одного типа в другой. Например, используются для связи между собой медных проводов и оптических кабелей.
  • Промышленные компьютеры. Так называются устройства, имеющие функции обычного компьютера, выполненные в хорошо защищённом корпусе и способные работать в экстремальных климатических условиях. Помимо всего прочего могут служить маршрутизатором, коммутатором и так далее, в зависимости от комплектации. Также в зависимости от комплектации могут иметь большой набор последовательных интерфейсов. Кроме того, некоторые модели имеют возможность использования в качестве устройств передачи данных по беспроводным каналам различного типа.
  • Беспроводные устройства. Данная категория устройств включает в себя промышленные беспроводные точки доступа и промышленные беспроводные маршрутизаторы. Промышленные беспроводные устройства имеют те же отличия от обычных бытовых, что и все остальное промышленное оборудование, а именно: специфическую конструкцию и специализированное программное обеспечение. Это позволяет использовать их в сложных условиях эксплуатации и агрессивных средах.
  • Концентратор SIEMENS для сетей Industrial Ethernet

    Концентратор SIEMENS для сетей Industrial Ethernet

  • Коммутатор для сетей Industrial Ethernet со степенью защиты IP67 и разъёмами серии «М»

    Коммутатор для сетей Industrial Ethernet со степенью защиты IP67 и разъёмами серии «М»

  • Соединение Profinet PN-PN повышенной надёжности

    Соединение Profinet PN-PN повышенной надёжности

  • Устройство беспроводной связи Industrial EtherNet

    Устройство беспроводной связи Industrial EtherNet

Поскольку аппаратная часть сети требует повышенной устойчивости работы в условиях электромагнитных помех, повышенной температуры, механических нагрузок, при необходимости в промышленных сетях применяются и более надежные разъёмы, например, цилиндрические разъёмы серии «М».

Источники[править]

  1. ↑ Международная организация по стандартизации – ИСО. Всероссийская академия внешней торговли. Проверено 17 сентября 2023.
  2. ↑ 2,0 2,1 Open System Interconnection Model (англ.). Проверено 17 сентября 2023.
  3. ↑ 3,0 3,1 R. Braden: Requirements for Internet Hosts -- Application and Support (англ.) (October 1989). Проверено 17 сентября 2023.
  4. ↑ Руководство по стеку протоколов TCP/IP. Проверено 17 сентября 2023.
  5. ↑ Pidgeon Nick. How Ethernet Works (англ.) // HowStuffWorks. — 2000.
  6. ↑ Технология Ethernet — самая популярная для создания компьютерных сетей. Проверено 20 сентября 2023.
  7. ↑ Чанышев Ильдар Компьютерные сети от А до Я: технология Ethernet и коммутаторы. Проверено 20 сентября 2023.
  8. ↑ 8,0 8,1 INDUSTRIAL ETHERNET. Проверено 21 сентября 2023.
  9. ↑ 9,0 9,1 Industrial communication networks - Fieldbus specifications - Part 1: Overview and guidance for the IEC 61158 and IEC 61784 series (англ.). Проверено 17 сентября 2023.
  10. ↑ Пронин Д. А. Industrial Ethernet // Информатизация и системы управления в промышленности : Журнал «ИСУП». — 2009. — № 4.
  11. ↑ Промышленные информационные сети и системы // ООО «Символ-Автоматика».
Znanie.png Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Industrial Ethernet», находящаяся по адресам:

«https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Industrial_Ethernet»

«https://znanierussia.ru/articles/Industrial_Ethernet».

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий.
Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Industrial_Ethernet&oldid=1751093