Всё, что нужно знать об EtherNet/IP и IIoT

Сегодня вы можете замечать всё меньше Ethernet-устройств в быту — беспроводные сети становятся всё более популярными. Тем не менее Ethernet по-прежнему остаётся неотъемлемой частью повседневной жизни: будь то основное интернет-подключение или подключение Smart TV. В промышленной среде Ethernet представляет собой качественный шаг вперёд в развитии технологий. EtherNet/IP включает хорошо знакомое обозначение «IP» — то самое, которое используется при подключении к интернету. В данном контексте, однако, «IP» означает Industrial Protocol — продуманную адаптацию Ethernet для промышленных применений.

Полевые приборы могут подключаться по Ethernet с использованием кабелей и разъёмов, внешне похожих на те, что применяются в быту. Разумеется, для промышленной среды требуются более надёжные исполнения, способные выдерживать жёсткие условия эксплуатации, однако сам принцип остаётся тем же. Иными словами, вы уже многое понимаете о том, как работают эти «новые» промышленные Ethernet-устройства. Теперь, когда мы убедились, насколько эта технология на самом деле знакома, перейдём к особенностям, которые отличают её от привычных решений.

В 1990-х годах небольшая команда в компании ControlNet International Ltd. начала разработку технологии, которая впоследствии получила название EtherNet/IP. К 2000 году стало ясно, что для дальнейшего развития проекта необходима дополнительная поддержка. В то время краудфандинг ещё не был возможен, поэтому разработчики пошли по традиционному пути.

Они установили партнёрство с Ассоциацией поставщиков Open DeviceNet (Open DeviceNet Vendors Association, ODVA— объединением производителей средств автоматизации, основанным в 1995 году. ODVA согласилась принять участие в совместной разработке EtherNet/IP. В 2009 году первоначальные разработчики полностью передали ответственность за протокол ODVA и её участникам. Сегодня ODVA поддерживает и продвигает Common Industrial Protocol (CIP™) и связанные с ним технологии, включая ControlNet®, CompoNet® и DeviceNet®.

Помимо развития протоколов, ODVA обеспечивает совместимость решений различных производителей и систем — одну из самых сложных задач в промышленной автоматизации. Организация также выступает за использование стандартных коммерчески доступных компонентов (COTS) и немодифицированных интернет- и Ethernet-технологий, что упрощает интеграцию и внедрение.

Основанный на CIP и соответствующий модели взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI), а также стандартному стеку TCP/UDP, EtherNet/IP представляет собой гибкую Ethernet-сеть высшего класса и открытый стандарт МЭК (IEC). Он позволяет объединять в одной сети полевые датчики, контроллеры и системы управления.

Масштаб внедрения технологии очень широк, поэтому в таких сетях также применяются силовые системы управления (двигатели, приводы, устройства плавного пуска и т. п.) и дискретные системы управления в области функциональной безопасности (модули ввода-вывода безопасности, роботы и т. д.). Возможности здесь по-настоящему широки: к сети также могут подключаться IP-камеры, Wi-Fi и IP-телефоны. Все эти возможности наглядно показывают, что EtherNet/IP более чем готов к расширению в рамках IIoT.

Вместо подробного описания всего стандарта перечислим основные моменты, которые необходимо знать:

• IEEE 802.3 — стандарт Ethernet, включая протокол точной синхронизации времени (Precision Time Protocol, PTP, IEEE 1588)
• IEC — Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission), стандарт IEC 61158
• ODVA — Единый промышленный протокол (Common Industrial Protocol, CIP)
• IETF — Рабочая группа по инженерии интернета (Internet Engineering Task Force), стандарт интернет-протокола (Internet Protocol, IP)

Кроме того, EtherNet/IP добавляет единый промышленный протокол (Common Industrial Protocol, CIP) на сеансовый уровень, при этом также следует протокольной модели взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI). Посмотрите на схему:

Наконец, существует множество способов организации связи. Физический уровень поддерживает беспроводную передачу данных, медные кабели, оптоволокно и другие среды. Уровень канала данных, в свою очередь, допускает различные стандарты в зависимости от физической среды — например, IEEE 802.3 (оптоволокно), IEEE 802.3 или IEEE 802.1 (медь), а также IEEE 802.11 (Wi-Fi).

Даже новая технология усовершенствованного физического уровня (Advanced Physical Layer, Ethernet-APL) использует всего два проводника — одновременно для питания и передачи данных — и может применяться даже во взрывоопасных зонах!

Технология Ethernet прошла серьёзную эволюцию — от скорости 10 Мбит/с, шинной/древовидной топологии и полудуплексного режима к 100 Мбит/с и 1 Гбит/с, полнодуплексной передаче и звездообразной топологии на базе коммутаторов и маршрутизаторов. Эта эволюция позволила Ethernet-сетям поддерживать критически важные промышленные системы.

EtherNet/IP представляет собой активную инфраструктуру, в которой сетевые сегменты используют соединения «точка-точка» в звездообразной топологии. Основой этой топологии является взаимосвязь коммутаторов второго и третьего уровней (уровень 2 и уровень 3). Такие коммутаторы поддерживают большое количество узлов с соединением «точка-точка».

Сеть EtherNet/IP также поддерживает линейные топологии и кольцевые топологии с устойчивостью к одиночному отказу. Для этого используются встроенные коммутаторы и технология кольца на уровне приборов (Device Level Ring, DLR). Эти альтернативные топологии можно комбинировать для оптимизации прокладки кабелей и структуры коммуникаций.

Хотя можно было бы подробно углубиться в технические детали сети EtherNet/IP, мы ограничимся кратким и чётким изложением, сведя ключевые темы к трём вопросам. Ответы на них дадут хорошую основу для более глубокого понимания этой сети.

EtherNet/IP — это протокол на базе Ethernet, использующий стандартный стек TCP/IP. Но что это означает на практике? TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей) обеспечивает надёжную, но относительно медленную передачу данных в виде одноадресных пакетов или кадров. Например, электронная почта и веб-серфинг используют TCP-соединения; в промышленной среде TCP особенно ценен для передачи диагностических данных, тогда как UDP применяется для передачи данных ввода/вывода (I/O) в системах автоматизации и управления.

UDP (User Datagram Protocol — протокол пользовательских датаграмм) обеспечивает значительно более высокую скорость передачи данных, однако не гарантирует, что переданные данные достигнут получателя.  При этом используются одноадресные, многоадресные и широковещательные пакеты или кадры — например, при потоковой передаче музыки или видео.

Да. EtherNet/IP — это промышленный коммуникационный протокол на базе Ethernet, разработанный с учётом совместного функционирования с другими приложениями TCP/IP. Ниже приведены примеры TCP/IP-приложений, которые широко используются на рынке:

• HTTP (Hypertext Transfer Protocol) — протокол передачи гипертекста
• SNMP (Simple Network Management Protocol) — простой протокол сетевого управления
• Modbus/TCP
• OPC UA

Сеть состоит из ключевых элементов, обеспечивающих обмен данными между устройствами и системой управления. В EtherNet/IP определены три класса, которые описывают компоненты сети и способы их использования.

• Сканер: класс сканера циклически сопоставляет входные и выходные переменные сети в соответствии с заданным временем обновления. Примеры: программируемые логические контроллеры (ПЛК) и контроллеры
• Обмен сообщениями: класс обмена сообщениями поддерживает явный обмен сообщениями вместо передачи данных ввода/вывода в реальном времени. Примеры: диагностика, инструменты конфигурации сети, системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) и человеко-машинные интерфейсы (HMI)
• Адаптер: класс адаптера предоставляет специфические для конкретного устройства функции в приборах со встроенным протоколом EtherNet/IP. Примеры: датчики, клапаны, шлюзы.

EtherNet/IP — это цифровая коммуникационная технология, расширяющая возможности интеграции и использования данных. Следуя концепции NAMUR NOA, вы можете напрямую извлекать информацию из своей сети с помощью пограничного устройства и передавать её в различные облачные сервисы. Например, экосистема IIoT Netilion от Endress+Hauser сегодня поддерживает устройства EtherNet/IP несколькими способами: их можно использовать в сервисах аналитики, библиотеки, мониторинга состояния и оценки ценности, а сторонние устройства — в сервисах аналитики и библиотеки. Эти сервисы обогащают данные, предоставляя нужную информацию независимо от места вашего нахождения. Каждый сервис предлагает конкретные преимущества для повседневных задач.

Сервисы IIoT — это простой способ получить релевантные аналитические данные с полевых приборов. Они обеспечивают удобную и безопасную интеграцию с облаком и позволяют сделать шаг вперёд в развитии отрасли, выйти на новый уровень технического обслуживания, повысить эффективность производства и многое другое.