EUR | USD

Industrieel ethernet gebruiken als robuust en deterministisch alternatief voor standaard ethernet

Door Bill Giovino

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Ethernet is de meest gebruikte standaard voor bedrade local area networks (LAN's) en wide area networks (WAN's). Hoewel het vaak lijkt alsof communicatie via ethernet zonder vertraging plaatsvindt, is er in werkelijkheid geen garantie dat over het netwerk verzonden datapakketten binnen een bepaalde vaste periode op hun bestemming aankomen.

Dit niet-determinisme kan in industriële toepassingen problemen opleveren wanneer een vertraagd bericht een productielijn kan laten stilvallen en letsel kan veroorzaken. Er kan een gemodificeerde 'industriële' versie van ethernet worden gebruikt om determinisme te verkrijgen.

In dit artikel worden de belangrijkste elementen van industrieel ethernet besproken en worden twee ethernet switches van Delta Electronics bekeken, die de basis kunnen vormen van een deterministisch industrieel ethernet netwerk.

De noodzaak van een deterministisch ethernet

Ethernet is een standaard voor een fysiek netwerk waarin de fysieke kabels en connectoren worden gedefinieerd waarmee datapakketten over een netwerk worden verzonden. Standaard ethernet maakt gebruik van de TCP/IP-protocolset om te bepalen hoe gegevens tussen apparaten op het netwerk wordt uitgewisseld. Maar, zelfs in een lokaal netwerk, is TCP/IP niet-deterministisch en kan het bovendien vertragingstijden tot wel honderden milliseconden introduceren. Dit is niet acceptabel in industriële netwerken waarin industriële geautomatiseerde systemen worden gekoppeld. Dergelijke systemen zijn vaak afhankelijk van pakketten, of berichten, die binnen een vastgestelde periode aankomen en responsetijden van niet meer dan 10 milliseconden (ms) vereisen, of, in bepaalde extreme gevallen, van minder dan 1 ms.

Profinet is een ander populair ethernet frameformaat (ook wel communicatieprotocol geheten) dat in industriële netwerken wordt gebruikt. Profinet was ontwikkeld als een eenvoudiger alternatief voor TCP/IP. In een realtime versie van Profinet, Profinet RT, kunnen gegevens prioriteit krijgen, zodat besturingsberichten met hoge prioriteit binnen strakke tijdspannen kunnen worden afgeleverd. Minder tijdkritische berichten krijgen dan een lagere prioriteit. Maar Profinet RT is nog altijd niet deterministisch. Er was voor deterministisme tevens een isochrone versie van Profinet ontwikkeld (Profinet IRT).

In Profinet IRT is determinisme mogelijk door vast ingeplande tijdvensters bovenop de netwerkbandbreedte te zetten: IRT gebruikt het ene tijdvenster en RT en IP gebruiken het andere tijdvenster. Op deze manier kunnen apparaten op het IRT-tijdvenster worden gezet om gegevens deterministisch te ontvangen.

Het is belangrijk op te merken dat, als een ethernet-netwerk op een deterministisch communicatieprotocol als Profinet IRT gebaseerd is, alle op het netwerk aangesloten apparaten ook compatibel met Profinet IRT moeten zijn. Dit heeft tot gevolg dat standaard TCP/IP-apparaten als IP-camera's en hardware firewalls niet op het netwerk kunnen functioneren. Dit geeft een beveiligingslaag doordat er geen ongeautoriseerde apparaten op het netwerk aangesloten kunnen zijn.

Van ethernet hubs naar robuuste switches

Een ethernet hub functioneert als een repeater en is daardoor inherent niet-deterministisch. Vanaf één enkele poort ontvangen datapakketten worden naar alle andere op de hub aangesloten poorten doorgezonden. Als er dus op een hub 25 poorten zijn aangesloten, en als poort 3 datapakketten verzendt naar poort 22, dan verzendt de hub deze niet alleen naar poort 2, maar naar alle poorten. En omdat alle op de hub aangesloten poorten dezelfde bandbreedte delen, concurreren al deze poorten met elkaar om die bandbreedte. Hierdoor vergroot de kans op botsingen, waardoor pakketten vertraagd worden en determinisme onmogelijk is. Bovendien kan door deze architectuur een hub maar één bericht tegelijkertijd verzenden. Als een andere poort gegevens moet verzenden, dan moet hij wachten tot het netwerk onbezet is. Daarom zijn ethernet hubs inherent niet-deterministisch.

Een ethernet netwerkswitch is daarentegen een intelligent apparaat. Hierin zijn de unieke media access control (MAC)-adressen van alle aan de switch aangesloten apparaten in een interne MAC-adrestabel opgeslagen, meestal in snel RAM-geheugen. Omdat de switch het MAC-adres van elk aangesloten apparaat kent, kan hij datapakketten alleen naar die poort doorzenden waar de gegevens voor bestemd zijn. Als poort 3 dus datapakketten naar poort 22 verzendt, dan verzendt de switch de datapakketten alleen naar poort 22.

Een switch kan meerdere gelijktijdige datacommunicaties beheren. Zodoende kan poort 3 gegevens naar poort 22 zenden op het zelfde moment dat poort 4 datapakketten naar poort 7 verzendt. Hiermee behoren de botsingen die inherent aan ethernet hubs zijn, tot de verleden tijd en worden tevens de snelheid, efficiëntie en de doorvoer van het hele netwerk verbeterd. Omdat de enige vertraging de bekende schakeltijd van de switch is (volgens de specificaties op het gegevensblad van de switch), zijn netwerkswitches vereist om een deterministisch ethernet netwerk te bouwen.

Een netwerkswitch voegt bovendien een extra beveiligingslaag toe. Omdat een poort alleen die datapakketten ontvangt, die voor hem bedoeld zijn, kan het netwerk niet worden gemonitord door een op één poort aangesloten apparaat.

Switches voor industrieel ethernet zijn bovendien robuuster dan commerciële ethernetswitches. Waar commerciële switches geschikt zijn voor licht gebruik thuis of op kantoor, zijn industriële ethernetswitches bestand tegen de hevigere trillingen, schokken en extreme temperaturen in zware fabrieksomgevingen. Bovendien zijn industriële ethernetswitches ontworpen voor veilig gebruik in de nabijheid van explosieve gassen en zijn ze bestand tegen corrosieve atmosferen.

Ethernet op DIN-rails

Een goed voorbeeld van een industriële ethernetswitch is de 5-poorts Delta Electronics DVS-005W01 (Afbeelding 1) voor montage op DIN-rails.

Afbeelding van een Delta Electronics DVS-005W01 industriële ethernetswitchAfbeelding 1: De Delta Electronics DVS-005W01 industriële ethernetswitch is een robuuste switch die tegen zware industriële omgevingen bestand is. Hij beschikt over 5 ethernetpoorten en heeft een beschermingsklasse IP40. (Afbeelding: Delta Electronics)

Net als elke ethernetswitch verzendt de DVS-005W01 datapakketten alleen naar de poorten waar ze voor bedoeld zijn. Hij ondersteunt 100Base-T transmissiesnelheden tot 100 megabit per seconde (Mb/s). De MAC-adrestabel ondersteunt 1024 adressen en er is een buffergeheugen van 512 kb beschikbaar voor het opslaan van doorgezonden pakketten. Bovendien, waar commerciële switches en hubs één voeding hebben, heeft de DVS-005W01 twee redundante voedingsingangen voor 12 tot 48 volt. Als er dus één voeding wegvalt, dan kan een tweede back-upvoeding eenvoudig in worden geschakeld zonder dat daar extra hardware voor nodig is.

De DVS-005W01 ondersteunt een interne schakelsnelheid van 1 gigabit per seconde (Gbps). Dit is de interne snelheid van de netwerkswitch tijdens het verwerken van inkomende en uitgaande datapakketten. Dit is een belangrijke specificatie voor deterministisch gedrag omdat een hogere schakelsnelheid een kortere vertraging betekent.

Voor complexere industriële netwerken levert Delta Electronics ook nog de DVS-016W01 ethernetswitch met 16 poorten (Afbeelding 2).

Afbeelding van een Delta Electronics DVS-016W01 industriële ethernetswitchAfbeelding 2: De Delta Electronics DVS-016W01 bevat 16 ethernetpoorten en kan op een DIN-rail of aan de muur worden bevestigd. (Afbeelding: Delta Electronics)

De DVS-016W01 heeft MAC-adressentabel voor 8192 adressen en een buffergrootte van 1 Mb. Hij ondersteunt een interne schakelsnelheid van 3,2 Gbps.

De 5- en 16-poorts switches van Delta Electronics zijn beide onbeheerde switches, wat inhoudt dat ze in principe plug-and-play zijn. Als er een netwerkapparaat op een van de poorten wordt aangesloten, dan detecteert de switch automatisch het MAC-adres ervan en slaat dat adres in zijn interne MAC-adressentabel op. Ook wanneer de spanning wordt uit- en aangezet, worden de MAC-adressen automatisch gedetecteerd. Beheerde switches hebben meer mogelijkheden het verkeer per poort te regelen, maar die moeten tijdens het instellen worden geconfigureerd.

Als aanvulling op de switches zijn industriële ethernetkabels beschikbaar met beschermingsgraad IP67 of IP68. Zulke ethernetkabels zijn bijzonder robuust en zijn tegen extreem hoge en lage temperaturen, bijtende oplosmiddelen, onderdompelen in water en andere mishandelingen bestand. Industriële ethernetkabels kunnen ook beter tegen het buigen, verdraaien, uitrekken en stoten zoals dat in fabrieken kan voorkomen.

Conclusie

Toepassingen in de industriële automatisering hebben eisen voor vertraging in de communicatie, determinisme en fysieke robuustheid die veel zwaarder zijn dan waar standaard ethernet aan kan voldoen. Maar we hebben laten zien dat ontwerpers en ingenieurs een industrieel ethernet kunnen leveren met deterministische communicatieprotocollen en goed verkrijgbare switches en kabels.

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.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Bill Giovino

Bill Giovino is een ingenieur in elektronica met een BSEE van de Syracuse University. Hij is een van de weinigen die met succes de overstap maakten van ontwerpingenieur naar ingenieur veldtoepassingen en vervolgens naar technologiemarketing.

Meer dan 25 jaar lang heeft Bill met veel toewijding nieuwe technologieën gepromoot ten overstaan van zowel technisch als niet-technisch publiek voor vele bedrijven, waaronder STMicroelectronics, Intel en Maxim Integrated. Toen hij bij STMicroelectronics actief was, hielp Bill bij de doorbraak van de eerste successen van het bedrijf in de sector van microcontrollers. Bij Infineon stond Bill in voor de eerste toepassingen van het microcontrollerontwerp van het bedrijf in de Amerikaanse autosector. Als marketing consultant voor zijn bedrijf CPU Technologies, hielp Bill vele bedrijven om laag presterende producten op te krikken en er een succesverhaal van te maken.

Bill was een van de eersten die het Internet of Things toepaste. Hij plaatste de eerste volledige TCP/IP-stack op een microcontroller. Bill is trouw aan het motto “Verkoop via opvoeding” en wijst op het toenemende belang van duidelijke, goed geschreven mededelingen om producten online te promoten. Hij is moderator van de populaire LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing Group en spreekt vlot B2E.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key