Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

Průmyslový Ethernet I: Historický úvod

Průmyslový Ethernet I: Historický úvod

František Zezulka, Ondřej Hynčica

Článek je první částí šestidílného seriálu o průmyslovém Ethernetu jako nastupujícím standardu komunikace v průmyslu. V tabulkové podobě zaznamenává vývoj Ethernetu od jednoduchého systému pro propojení počítačů navzájem a s výkonnými periferiemi, přes jeho rozmach rozšířením do místních sítí se stovkami spolu propojených PC až k jeho úspěšnému průniku do oblasti průmyslové automatizace. Tabulky dále obsahují i úplný přehled souvisejících norem a přehled pracovních skupin organizace IEEE věnujících se další standardizaci Ethernetu, včetně jeho průmyslových variant. Z historického přehledu je patrné, že pokusy použít Ethernet pro automatické řízení byly úspěšně realizovány již v průběhu 80. let minulého století, tedy velmi brzy po rozšíření této techniky v místních sítích. V závěru článku jsou pro ilustraci uvedeny příklady historického použití Ethernetu jak při řízení programovatelnými automaty, tak i v distribuovaných řídicích systémech a rovněž důvody současného znovuobjevení Ethernetu oborem průmyslové automatizace.

1. Úvod

Již déle než dvacet let je komunikačním de facto standardem v místních sítích (LAN) sériová komunikační síť Ethernet (dále jen Ethernet). Postavení de facto standardu získala jednak pro své nesporné kvality, jednak pro to, že byla ve správný čas na správném místě, tj. v období překotného vývoje a rozšíření osobních počítačů (PC) byla velmi vhodným prostředkem k jejich propojování do místní sítí. Nebyla produktem komisí mezinárodních standardizačních organizací, a tudíž byla velmi flexibilní a včas k dispozici. Jak je patrné z následujícího přehledu, standardizace na sebe nedala dlouho čekat a de facto standard byl uznán jako standard IEEE i ISO. A to přesto, že nesledoval sedmivrstvý referenční model otevřené komunikace ISO/OSI, zpracovaný a doporučený organizací ISO.

2. Historie Ethernetu

U zrodu Ethernetu stála firma Xerox, která na začátku 70. let dvacátého století potřebovala propojit sériovým mnohobodovým spojem vždy několik počítačů s tiskárnou, svým výrobkem. První varianta Ethernetu umožňovala propojit až 100 účastníků komunikačního procesu na vzdálenost 1 000 m při přenosové rychlosti 3 Mb/s. Následující výzkum, financovaný konsorciem známým jako DIX (firmy Digital Equipment Corporation – DEC, Intel a Xerox), vedl na konci 70. let k dokončení vývoje a začátkem 80. let ke standardizaci Ethernetu jako mezinárodního standardu IEEE 802.3 (následně ISO 8802.3) s přenosovou rychlostí 10 Mb/s na topologii typu sběrnice s použitím „tlustého„ koaxiálním kabelu. V posledních patnácti letech byl učiněn velký pokrok jak ve strukturalizaci kabeláže (sběrnice byla nahrazena stromem), ve zmenšení kolizních domén, tak zejména v nárůstu rychlosti přenosu na 100 Mb/s, dále na 1 Gb/s a nakonec na 10 Gb/s. Přitom je již nyní zřejmé, že rychlost přenosu dále poroste. Historický vývoj standardizace technologie Ethernet je dokumentován v tab. 1 a úplný přehled dosavadních standardů této techniky je uveden v tab. 2. Dále je v tab. 3 seznam pracovních skupin standardizační organizace IEEE věnujících se další standardizaci v oblasti komunikačních sítí [2].

Tab. 1. Historie standardizace Ethernetu

Rok

Událost

1970

první experimentální systém Ethernet (Bob Metcalfe a David Boggs v Xerox Palo Alto Research Center)

1979

začátek standardizace Ethernetu ve spolupráci firem DEC, Intel a Xerox

1980

standard Ethernetu V1.0 (známý jako DIX podle počátečních písmen firem – původců)

1983

standard IEEE 802.3 (metoda přístupu CSMA/CD)

1990

standard IEEE 802.3i 10Base-T: 10Mb/s Ethernet na nestíněném krouceném páru vodičů (UTP), možnost topologie typu hvězda

1995

T standard IEEE 802.3u 100Base: 100Mb/s Ethernet (známý jako Fast Ethernet)

1997

standard IEEE 802.3x Full-Duplex Ethernet

1998

standard IEEE 802.3z 1000Base-X (gigabitový Ethernet)

2002

standard IEEE 802.3ae 10GBase-T (desetigigabitový Ethernet)

Tab. 2. Přehled specifikací Ethernetu

Označení

Charakteristika

802.3

první standard Ethernetu: specifikace metody přístupu k médiu a specifikace fyzické vrstvy (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – CSMA/CD, Access Method and Physical Layer Specifications)

802.3a

10Base2: médium tenký koaxiální kabel (BNC)

802.3b

10Broad36: 10 Mb/s přes kanály kabelová televize

802.3c

10Mb/s opakovače pro 10Base2 a 10Base5

802.3d

optické propojení dvou opakovačů

802.3e

1Base5: 1 Mb/s, médium kroucený pár vodičů, topologie hvězda

802.3i

10Base-T: 10 Mb/s, médium kroucený pár vodičů, topologie hvězda

802.3j

10Base-F: 10 Mb/s, médium optické vlákno

802.3u

100Base-TX (2 páry), 100Base-T4 (4 páry), 100Base-FX (dvě několikavidová optická vlákna): 100Mb/s “Fast Ethernet”

802.3x

úplný duplex a řízení toku (sjednocení s DIX)

802.3z

1000Base-X: 1 Gb/s, médium optické vlákno

802.3ab

1000Base-T: 1 Gb/s, médium kroucený pár vodičů

802.3ae

10GBase, 10 Gb/s, médium optické vlákno

802.3af

napájení po Ethernetu

Tab. 3. Pracovní skupiny organizace IEEE pro oblast standardizace komunikačních sítí [2]

802.1

Higher Layer LAN Protocols Working Group

802.2

Logical Link Control Working Group (neaktivní)

802.3

Ethernet Working Group

802.4

Token Bus Working Group (neaktivní)

802.5

Token Ring Working Group

802.6

Metropolitan Area Network Working Group (neaktivní)

802.7

Broadband TAG (neaktivní)

802.8

Fiber Optic TAG

802.9

Isochronous LAN Working Group

802.10

Security Working Group

802.11

Wireless LAN Working Group

802.12

Demand Priority Working Group

802.13

(třináctka se nepoužívá)

802.14

Cable Modem Working Group

802.15

Wireless Personal Area Network (WPAN) Working Group

802.16

Broadband Wireless Access Working Group

802.17

Resilient Packet Ring Working Group

802.18

Radio Regulatory TAG Regulatory Activities

V současné době je Ethernet používán téměř ve všech místních sítích především k propojení počítačů a sdílených periferií navzájem mezi sebou. K jeho dalšímu šíření přispívá i jeho popularita, která je stále více podporována pozicí Ethernetu v roli fyzického základu internetu – nejvýznamnějšího informačního prostředku současnosti i blízké budoucnosti.

3. Začátky Ethernetu v průmyslu

Již v průběhu druhé poloviny 80. let minulého století však byly učiněny pokusy využít v té době ještě zcela novou metodu k účelům komunikace v průmyslových řídicích systémech. Příkladem může být síť Sinec H1, uvedená v katalogu firmy Siemens AG již v roce 1985. Šlo o síť plně kompatibilní se standardem 802.3, avšak již s robustními mecha­nicky provedenými konektory a s důkladným stíněním koaxiálního kabelu pro propojení programovatelných automatů (PLC) řady Simatic S5 [3]. Již v začátku 90. let tato firma uvedla na trh systém Sinec H1FO, který používal v kombinované topologii koaxiální kabel spolu s optickými kabely pro průmyslové prostředí se silným elektromagnetickým rušením nebo pro překlenutí velkých vzdáleností [4].

Obr. 1.

Obr. 1. Příklad použití ethernetové sítě Sinec H1

Na obr. 1 je uveden příklad využití Ethernetu (Sinec H1) v průmyslových řídicích systémech s topologií typu sběrnice s koaxiálním kabelem jako fyzickým přenosovým médiem [3].

Podobně byl Ethernet využit v roli systémové sběrnice v některých distribuovaných řídicích systémech (DCS), jako byl např. systém PLS 80E firmy Eckard.

V té době však byly vynakládány velké prostředky na vývoj průmyslových sítí, a tak se v následujících deseti až patnácti letech, do roku 2002 až 2003, staly základním komunikačním prostředkem pro průmyslovou automatizaci průmyslové sběrnice (fieldbus) a nižší komunikační prostředky (Device Bus, Sensor/Actuator Bus) [1]. Důvodem byla skutečnost, že na rozdíl od průmyslových komunikačních sběrnic, vyvíjených přímo a jen pro komunikaci v průmyslovém prostředí a s ohledem na práci v reálném čase a bezpečnost přenosu, Ethernet byl původně určen pro jiná prostředí a nebyl konstruován pro práci v reálném čase. Při existenci a značném rozšíření a dobré dostupnosti průmyslových sběrnic nebyl důvod v širší míře používat nedostatečně robustní metodu, která ve své původní podobě nesplňovala zmíněné požadavky kategoricky kladené v oblasti průmyslového řízení. Nehledě k tomu, že rozhraní pro Ethernet v průmyslovém provedení bylo v té době velmi drahé. Nic na tom nezměnila ani skutečnost, že v kancelářských sítích byl postupně nahrazen koaxiální kabel krouceným nestíněným párem vodičů a plošně se rozšířily rozbočovače (hub) a přepínače (switch). Tato změna přišla v roce 1990, kdy levná a mnohem flexibilnější technika 10Base-T nahradila v kancelářských řešeních původní techniku v provedení podle standardu 802.3. Nová technika umožnila využívat levnější osmižilový telefonní kabel pro výkonný přenos rychlostí 10 Mb/s. S tím přišel i americký standard pro telefonní přípojky – konektor RJ45. Vše zatím jen pro oblast budov a kancelářské požadavky na provedení podle normy pro strukturovanou kabeláž budov ISO/IEC 11801 (evropská norma EN 50173). Avšak až produkty označované jako ITP (Industrial Twisted Pair) splňovaly požadavky kladené na použití v průmyslovém prostředí.

Téma průmyslového Ethernetu v časopise Automa

V prvním čísle ročníku 2007 přináší časopis Automa první ze seriálu článků věnovaných významnému fenoménu současné průmyslové automatizace, totiž průmyslovému Ethernetu. V šesti článcích, které postupně vyjdou v roce 2007, bude pojednáno o historii, současném stavu a perspektivách Ethernetu, nejrozšířenějšího komunikačního standardu místních počítačových sítí z pohledu průmyslové automatizace. Předmětem zájmu bude vývoj této metody od jednoduchého systému pro propojení několika počítačů mezi sebou a s výkonnými periferiemi, přes její široké uplatnění v místních sítích při propojování stovek PC navzájem mezi sebou až k jejímu úspěšnému průniku do oblasti průmyslové automatizační a řídicí techniky.

V jednotlivých článcích, koncipovaných tak, aby každý z nich mohl stát sám o sobě a přitom všechny dohromady pokrývaly celou uvedenou problematiku, budou postupně probrány historický vývoj, principy otevřené komunikace podle modelu ISO/OSI, nové topologie a řešení fyzického spojení, rozdíly mezi použitím v kancelářích a v průmyslovém prostředí a nové mechanismy pro posílení vlastností Ethernetu potřebných k práci v reálném čase a k zajištění jeho funkční bezpečnosti spolu s mechanismy zabezpečujícími Ethernet před neautorizovanými zásahy jak zevnitř, tak zvenčí. Jeden z článků bude věnován retrospektivě současných úspěšných variant průmyslového Ethernetu.

Autoři i redakce jsou přesvědčeni o tom, že seriál pomůže zájemcům získat přehled o dané problematice a snáze se orientovat v jedné z rychle se vyvíjejících oblastí průmyslové automatizace.

autoři a redakce

4. Obrat ve vztahu k Ethernetu

Zásadní obrat ve vztahu oboru automatizace k Ethernetu přinesl až vývoj nových internetových technik. Výrobci komponent pro průmyslovou automatizaci viděli příležitost využít velmi efektivní způsoby komunikace zaváděné v oblasti IT pro komunikaci v průmyslu bez nutnosti vkládat do vývoje v této oblasti své vlastní prostředky. Následně se proto od konce 90. let dvacátého století stává Ethernet komunikačním prostředkem i v oblasti průmyslové automatizace. Aby bylo možné tento trend kvalifikovaně vyhodnotit, je nutné zevrubně vysvětlit techniku Ethernetu v celém jejím vývoji.

Nejen v povědomí širší technické veřejnosti, ale i mezi odborníky totiž přetrvává mnoho předsudků proti použití Ethernetu pro automatizaci. Je proto nutné hned v úvodu seriálu zdůraznit a dále dokázat dvě velmi důležité skutečnosti.

Především platí, že Ethernet po roce 2000 již ani ve variantě pro kancelářské použití není Ethernetem standardů IEEE 802.3 až 802.3x.

Za druhé je skutečností, že pro automatizaci se bude využívat tzv. průmyslový Ethernet, který již od roku 2000 existuje v několika provedeních a byl vyvíjen tak, aby v maximální možné míře splňoval požadavky kladené na automatizační techniku v průmyslu, tj. především požadavky na práci v reálném čase a požadavky na funkční bezpečnost.

Obr. 1

Obr. 2. Typická architektura sítí průmyslového Ethernetu

Technická veřejnost si pod názvem Ether­net k použití v průmyslu však zatím stále ještě představuje jen sběrnici podle standardu IEEE 802.3, tj. komunikační prostředek s velkou rychlostí přenosu, avšak v kancelářském provedení a s nederministickým přístupem účastníků komunikace k přenosovému médiu, s komplikovanými protokoly TCP a IP pro transportní a síťovou vrstvu s topologií typu sběrnice, maximálně strom, ve strukturované kancelářské architektuře s rozbočovači. Od tohoto modelu se však všechny současné varianty průmyslového Ethernetu výrazně liší ku prospěchu již uvedených automatizačních požadavků. Podívejme se jen na typickou topologii průmyslového Ethernetu na obr. 2. V ní jsou řídicí systémy (PLC) připojeny k ethernetovým přepínačům hvězdicově a přepínače jsou zapojeny ve fyzickém redundantním kruhu; tím významně vzrůstá funkční bezpečnost řídicího systému.

5. Závěr

Součástí historie vývoje Ethernetu, v současné době nejrozšířenější metody sériové komunikace v místních sítích, byly pokusy použít Ethernet pro automatické řízení úspěšně realizovány již v průběhu 80. let dvacátého století, tedy velmi brzy po rozšíření této metody v místních počítačových sítích. Bylo tomu tak pro výhodné vlastnosti tohoto standardu, mezi které patří zejména velká rychlost přenosu, jednoduché připojení, popularita a stále klesající ceny komponent, plynoucí z masového používání uvedené metody v oboru IT a jako páteře internetu. Článek uzavírá výzva k přehodnocení tradičních názorů, podle nichž není Ethernet schopen zajistit bezpečnou a zabezpečenou komunikaci mezi automatizačními systémy při práci v reálném čase. U moderních standardů průmyslového Ethernetu je totiž opak pravdou.

Literatura:
[1] KRIESEL, W. – HEIMBOLD, T. – TEL­SCHOW, D.: Bustechnologien für die Automation. Hueting Verlag, Heidelberg, 1998, ISBN 3-7785-2616-2.
[2] LUEDER, A. – LORENTZ, K.: IAONA Handbook – Industrial Ethernet, 2nd edition. IAONA, April 2005.
[3] Automatisierungsgeraete S5-135 und S5-150U. Katalog 54, Siemens AG, 1985.
[4] Simatic S5, S5-135U and S5-155H Programmable Controllers. Katalog ST 54.1, Siemens AG, 1994.

prof. Ing. František Zezulka, CSc.
(zezulka@feec.vutbr.cz),
Ing. Ondřej Hynčica
(xhynci00@stud.feec.vutbr.cz),
UAMT FEKT VUT v Brně