Průmyslový Ethernet

Posléze se začaly prosazovat varianty, které namísto koaxiálních kabelů a topologie „sběrnice" využívají kroucený pár a stromovou topologii a podporují přenosové rychlosti 10, 100 a 1 000 Mb/ s (10BaseT, 100BaseTX, 1000BaseTX). V oblasti LAN již v podstatě vytlačily rozhraní Ethernet využívající koaxiální kabel. Dále je Ethernet základním prostředkem pro účely komunikace v síti Internet. V současné době se lze na mnoha veletrzích, výstavách a v odborné literatuře stále častěji setkat i s pojmem průmyslový Ethernet (Industrial Ethernet).

Podobně jako některá z průmyslových sběrnic propojuje navzájem odloučené jednotky I/O zajišťující sběr dat a přenos řídicích signálů, elektronické systémy hydraulických, pneumatických a elektrických pohonů, programovatelné automaty (PLC), řídicí PC (IPC), systémy CNC, průmyslové
a mobilní roboty, složitější přístroje (analyzátory, kamerové systémy, skenery atd.), periferie osobních počítačů, vestavěné zobrazovací a ovládací displeje a panely, průmyslové regulátory, koncentrátory dat (datalogger) a popř. i jednotlivé snímače a akční členy s vestavěnými ethernetovými rozhraními.
Na rozdíl od běžné „kancelářské" sítě musí průmyslová síť Ethernet nad rámec požadavků kladených na kancelářskou síť splňovat i požadavky na:

• včasné a současné splnění požadavků jednotlivých komponent podílejících se na komunikaci podle předem daných priorit,
• včasné a současné zareagování na výstražná hlášení,
• minimalizaci kolísání doby odezvy (jitter),
• stabilitu hardwaru (ochrana před výpadkem hardwaru),
• stabilitu softwaru (stabilní operační systémy účastníků sítě i velmi stabilní síťový operační systém),
• odolnost proti vibracím, rázům a dalším mechanickým vlivům,
• odolnost proti působení vlhkosti (až do IP67), prachu, olejů a chemikálií,
• přístup ze strany uživatele.

Jako modely komunikace mezi jednotlivými účastníky sítě se vedle běžného modelu klient/server, používaného především pro výměnu dat mezi dvěma entitami (kancelářské sítě), využívají i protokoly nabízející efektivnější výměnu dat mezi více než dvěma účastníky přenosu dat. Jde o protokoly založené na modelech označovaných jako publisher – subscriber a producent – consumer. Objemy dat přenášené v průmyslových sítích se pohybují od jednotlivých bajtů (naměřené hodnoty ze snímačů, řídící údaje pro vestavěné akční členy) až po stovky megabajtů
předávaných mezi zobrazovacími panely a na úrovni řídicích PC.
V důsledku nekoordinovaného vývoje nyní existuje několik více či méně úspěšných, avšak navzájem nekompatibilních realizací průmyslového Ethernetu. Nejznámějšími jsou PROFInet (organizace PNO), Ethernet Powerlink (firma Bernecker & Rainer), Ethercat (organizace Ethercat Technology Group), EtherNet/IP (organizace PNO), Modbus TCP (IEC PAS 62030 – pre-standard) a SERCOS-III. Jejich uplatnění je nyní směrováno především do oblasti řízení rychlých procesů, jako je řízení pohybu a polohy při použití elektrických pohonů, zejména v pružných výrobních celcích, při výrobě automobilů a v další strojírenské výrobě.

PROFInet

Vyvinutý organizací PNO (Profibus Nutzer/User Organization) spolu se Siemensem v roce 2002. Profinet podporuje dva komunikační mechanismy přes Ethernet – standardní a pak vynecháním dvou vrstev – třetí a čtvrté – komunikaci v reálném čase.
Profinet také podporuje architekturu CBA (Component Based Architecture) pro systémy s distribuovanou inteligencí.
Architektura CBA dovoluje snadno a efektivně spravovat i složité distribuované řídicí systémy. Základním prvkem jsou komponentové modely vytvořené na základě specifikace DCOM (Distributed Component Object Model) od firmy Microsoft, sestavené z funkčních bloků, které jsou vzájemně propojeny vazbami.

EtherCAT

EtherCAT je modifikace Ethernetu, vyvinutá firmou Beckhoff v roce 2003, která se zaměřuje na řízení v reálném čase. Využívá prstencovou topologii s využitím principu master/slave. Master (typicky řídicí systém) posílá ethernetové rámce podřízeným jednotkám (slaves – řízené zařízení, PLC, atd.). Aplikační vrstva EtherCATu využívá model definovaný CANopen sběrnicí.

Ethernet Powerlink

Vyvinut rakouskou firmou Bernecker & Rainer (B&R) v roce 2002. Cílem bylo vybudovat na platformě Fast Ethernet velmi rychlou sběrnici s deterministickými odezvami a s minimálním rozptylem časování telegramů. Kromě rychlé cyklické výměny dat musí přitom existovat možnost acyklické komunikace, která však cyklickou nesmí nijak ovlivnit. Další podmínkou bylo umožnit synchronizaci vstupních/výstupních (v/v) dat a parametrů pohonů navzájem mezi sebou i s řídicím systémem. Výsledkem je sběrnice na bázi standardního řešení Fast Ethernet, která představuje optimální platformu pro sběr a rychlou distribuci v/v dat, vzájemnou koordinaci pohonů i pro konvenční výměnu dat a programování systémů pomocí B&R Automation Net.
Nejkratší nastavitelná doba cyklu (perioda) sběrnice je 400 μs, což odpovídá periodě regulátoru polohy digitálních servozesilovačů B&R ACOPOS. V periodě 400 μs může být plně obslouženo až osm, v 500 μs asi 10 a v 1 ms asi 30 zařízení. Protože jsou do sítě začleněna také tzv. pomalá zařízení, je možné i ve 400μs cyklu poslat data většímu počtu zařízení než jen osmi. Rozdíl mezi tzv. rychlým a pomalým zařízením spočívá v tom, že rychlá zařízení mohou vysílat v každém taktu sběrnice, kdežto z pomalých zařízení může v každém taktu posílat data právě jen jedno. Přijímají samozřejmě všechna – jsou-li data pro ně určena. Tak je možné významně zvětšit počet zařízení v síti i při krátké periodě cyklu sběrnice. Při návrhu periody cyklu sběrnice je třeba zohlednit počet rychlých stanic +1 (pomalá stanice). Celkem je v síti přípustných 254 řízených (slave) zařízení a jeden tzv. Slot Communication Network Manager.
Na schématu začlenění protokolů Ethernet Powerlink a B&R Automation Net do komunikačního modelu ISO/OSI je dobře vidět, že Ethernet Powerlink staví na dvou nejnižších vrstvách a nahrazuje druhou dvojici vrstev TCP/UDP a IP. Stejně tak dobře je vidět, že B&R Automation Net může pro komunikaci po Ethernetu používat jak protokol TCP/IP nebo UDP/IP, tak Ethernet Powerlink. Aplikace se k potřebným datům může dostat prostřednictvím B&R Automation Net nebo pomocí rychlé výměny cyklických dat přes Ethernet Powerlink.

Ethernet/IP

Další rozšíření Ethernetu prezentované organizací ODVA (Open DeviceNet Vendor Associaton) ve spolupráci s organizací SIG (Speciál Interest Group) v roce 2002. „IP" znamená „Industrial Protocol". Ethernet/IP používá TCP pro získávání informačních a konfiguračních dat. Pro komunikaci I/O zařízení se používá multicastingu (UDP) a protokolu CIP. Výhodou je zvýšení propustnosti sítě tím, že poskytovatel (producer) posílá data najednou více odběratelům (consumer). Aby multicasting nezatěžoval sítě s přepínači, je třeba implementovat i složitější protokol IGMP.

MODBUS/TCP

MODBUS je otevřený protokol pro vzájemnou komunikaci různých zařízení (PLC, dotykové displeje, I/O rozhraní apod.), který umožňuje přenášet data po různých sítích a sběrnicích (RS-232, RS-485, Ethernet TCP/IP, MODBUS+ atd.). Komunikace funguje na principu předávání datových zpráv mezi klientem a serverem resp. masterem a slavem. Byl vyvinut firmou Shneider Electric původně v roce 1979, modifikace Modbus/TCP založená na Ethernetu pak v roce 1999. Modbus poskytuje komunikaci na principu klient / server.