Industrial Ethernet

Материал из «Знание.Вики»
Логотип сети PROFINET — открытого стандарта семейства Industrial Ethernet (IEC 61158)

Industrial Ethernet — это название промышленной сети, использующей типовую сеть Ethernet в промышленной среде для автоматизации управления производственными процессами. 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, повышенных температуры и влажности, механических нагрузок.

Сеть Industrial Ethernet в основном используется для решения следующих задач:

Общие правила передачи данных. Сетевые модели

Модель сети — теоретическое описание принципов работы набора сетевых протоколов, взаимодействующих друг с другом. Модель может быть многоуровневой, при этом протоколы вышестоящего уровня используют и протоколы нижестоящего уровня. Модели бывают как практические (использующиеся в сетях), так и теоретические (показывающие принципы реализации сетевой передачи).

Сетевая модель OSI

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 иерархическим уровням, 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, упаковываются в кадры, проверяются на целостность, при необходимости, исправляются ошибки (формируется повторный запрос повреждённого кадра), и отправляются на сетевой уровень.
  3. Сетевой уровень. Обрабатывает маршрутизацию пакетов через логическую адресацию и функции коммутации. Сеть — это среда, к которой можно подключить множество узлов с приписанным каждому узлу адресом.
  4. Транспортный уровень. Обеспечивает функции и средства передачи последовательностей данных.
  5. Сеансовый уровень. Управляет соединениями между компьютерами; устанавливает, управляет, сохраняет и в конечном итоге разрывает соединения между локальным и удаленным приложениями.
  6. Уровень представления. Обеспечивает преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных.
  7. Прикладной уровень. Самый верхний уровень, реализующий доставку данных до пользователя, а также определяющий протоколы для конечных применений.

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

Так, 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

См. также: TCP/IP

Модель TCP/IP — это пакет протоколов, основными из которых являются протоколы TCP и IP, положенные в основу названия модели.

  • TCP (Transmission Control Protocol) отвечает за обмен данными. Протокол управляет их отправкой и следит за дохождением 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, как и OSI, многоуровневая, но отличие двух моделей заключается в количестве уровней. Документами, определяющими сертификацию модели, являются стандарты RFC 1122[3] и RFC1123[3], описывающие четыре уровня модели[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

См. также: Ethernet

При использовании сети 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. Подобная структура необходима для корректного приёма и отправки данных сетью.

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

  • среда передачи данных, в рамках современного Ethernet представляющая собой витую пару или оптоволоконный кабель с подключенными Ethernet-устройствами для создания маршрута передачи данных;
  • сегмент — общая среда передачи данных;
  • узлы — устройства, подключаемые 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, зависящие от сред передачи данных, а именно:

  • коаксиальный кабель;
  • витая пара;
  • оптоволокно.

Канальный уровень, в свою очередь, включает в себя методы доступа, а также протоколы, совпадающие для различных сред передачи данных[7].

Особенности сети Industrial Ethernet

Ethernet — самая распространённая сетевая технология, оттого вполне логично распространение технологии в промышленные информационные системы, где она со временем стала 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 отправку и приём этих данных именно в тот момент, когда они становятся необходимыми для выполнения определенных операций[10].

Сетевое промышленное оборудование

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

  • Коммутаторы. Служат для соединения сетевых устройств в единую сеть в рамках обозначенной территории. Неуправляемые коммутаторы работают по стандартной схеме и не позволяют вносить изменения в схему и логику сети, управляемые же коммутаторы обладают возможностью программирования, что позволяет настроить их параметры. Это обеспечивает повышенную 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 отправляемые по сети данные, изменяют метод упаковки данных и отправляют их в другую сеть или в другой тип сети по определенным маршрутам, изначально запрограммированным 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, по мере необходимости, гибко разворачивать маршрутизацию и коммутацию с использованием одного устройства.
  • Медиаконвертеры — это устройства, преобразующие среду распространения сигнала из одного типа в другой. Например, медиаконвертеры используются для связи между собой медных проводов и оптических кабелей.
  • Промышленные компьютеры. Так называются устройства с функциями обычных компьютеров, конструктивно выполненные в хорошо защищённом корпусе и способные работать в экстремальных климатических условиях. Помимо прочего, могут служить маршрутизатором, коммутатором и выполнять иные функции, в зависимости от комплектации. Также в зависимости от комплектации могут располагать большим набором последовательных интерфейсов. Некоторые модели могут использоваться 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 отличаются от обычных бытовых в той же мере, что и всё остальное промышленное оборудование, а именно, специфической конструкцией и специализированным программным обеспечением, что 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 производственных условиях, в промышленных сетях помимо штекеров типа IE FC RJ45[8] применяются и более защищённые соединения, например, цилиндрические разъёмы серии «М».

Примечания

  1. ↑ Международная организация по стандартизации – ИСО. International Organization for Standardisation. Всероссийская академия внешней торговли. Дата обращения: 17 сентября 2023.
  2. ↑ 2,0 2,1 Open System Interconnection Model (англ.). ScienceDirect. Дата обращения: 17 сентября 2023.
  3. ↑ 3,0 3,1 R. Braden: Requirements for Internet Hosts -- Application and Support (англ.). Internet Engineering Task Force (October 1989). Дата обращения: 17 сентября 2023.
  4. ↑ Руководство по стеку протоколов TCP/IP. Академия Selectel. Дата обращения: 17 сентября 2023.
  5. ↑ Pidgeon Nick. How Ethernet Works (англ.) // HowStuffWorks. — 2000. — April.
  6. ↑ Технология Ethernet — самая популярная для создания компьютерных сетей. Мобильная связь и Технологии. Дата обращения: 20 сентября 2023.
  7. ↑ Чанышев Ильдар. Компьютерные сети от А до Я: технология Ethernet и коммутаторы. Библиотека программиста. Дата обращения: 20 сентября 2023.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 INDUSTRIAL ETHERNET. Техника автоматизации Siemens. Дата обращения: 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.). Дата обращения: 17 сентября 2023.
  10. ↑ Пронин Д. А. Industrial Ethernet, или Зачем нужны промышленные сети верхнего уровня // Информатизация и системы управления в промышленности : журнал. — 2009. — № (24).
  11. ↑ Промышленные информационные сети и системы. Компания «Символ-Автоматика». Дата обращения: 23 сентября 2023.

Ссылки

Что такое модель OSI (ЭМВОС)

WLW Checked Off icon.svg Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Industrial_Ethernet&oldid=363535