Ethernet là một công nghệ truyền dữ liệu cho các mạng có dây và là tiêu chuẩn để truyền các gói dữ liệu trong mạng gia đình hoặc văn phòng cục bộ (LAN, Mạng cục bộ).
Trong một mạng như vậy, tất cả các thiết bị điện tử được kết nối như máy tính, máy in và máy chủ có thể giao tiếp với nhau qua cáp LAN.
Dữ liệu được gửi và nhận qua Ethernet. Ethernet không hoạt động không dây như WLAN mà chỉ hoạt động bằng dây. Trong các môi trường công nghiệp có mạng lưới, Ethernet có dây cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn đáng kể và độ ổn định truyền đáng tin cậy hơn so với mạng thay thế qua WLAN (Mạng cục bộ không dây).
Nhóm làm việc của Mỹ IEEE (Viện Kỹ sư Điện và Điện tử) đã định nghĩa và chuẩn hóa giao thức mạng Ethernet và cấu trúc các gói của nó với đặc tả IEEE 802.3.
Ethernet công nghiệp là sự kế thừa của Ethernet mạng LAN văn phòng thông thường và chủ yếu được sử dụng để truyền dữ liệu trong sản xuất công nghiệp. Có những lý do chính đáng cho điều này: nó cung cấp cơ sở hạ tầng mạng liền mạch trong thời gian thực. Các lĩnh vực ứng dụng rất đa dạng, từ cấp trường và cấp điều khiển đến cấp quản lý công ty (Hệ thống điều hành sản xuất [MES] để điều phối đơn hàng và Hoạch định nguồn lực doanh nghiệp [ERP] để lập kế hoạch vật liệu).
Công nghệ Ethernet công nghiệp cũng cung cấp một không gian địa chỉ rất lớn. Địa chỉ IPV6 cho phép triển khai các mạng với số lượng nút gần như không giới hạn. Lượng lớn dữ liệu có thể được truyền đồng thời ở tốc độ cao lên đến 40 Gbit/s qua cáp đồng. Điều này cũng áp dụng cho truyền thông dữ liệu qua khoảng cách dài: so với cáp đồng, cáp quang có thể bắc cầu khoảng cách lên đến 80 km. Các mạng có thể dễ dàng mở rộng và phân đoạn bằng cách sử dụng bộ chuyển mạch và bộ định tuyến.
Fieldbus là hệ thống bus được sử dụng ở cấp độ trường để kết nối các cảm biến và bộ truyền động để trao đổi thông tin với máy tính điều khiển. Fieldbus có nguồn gốc từ công nghệ sản xuất và vẫn chủ yếu được sử dụng ở đó.
Khi nói đến tự động hóa, các quy trình giao tiếp thường diễn ra trên nhiều cấp độ. Ethernet công nghiệp được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp ở những nơi mà các chức năng của Fieldbus không còn đủ nữa. Rốt cuộc, những lợi thế của Ethernet công nghiệp là:
- Khả năng kết nối mạng trên nhiều cấp độ của kim tự tháp tự động hóa
- Truyền dữ liệu nhanh hơn đáng kể
- Cải thiện đặc tính thời gian thực
- Hiệu suất kỹ thuật cao hơn
- Truyền khối lượng dữ liệu lớn hơn
- Tích hợp các giao thức an toàn
Với mạng LAN không dây, dữ liệu được truyền không dây trong một mạng bằng công nghệ không dây. Các giải pháp không dây thông minh cũng ngày càng trở nên phổ biến trong lĩnh vực công nghiệp. Kết quả là một trường vô tuyến phức tạp, được thiết kế linh hoạt. Có thể truyền dữ liệu giữa mạng không dây và mạng có dây, nghĩa là WLAN và Ethernet có thể giao tiếp với nhau.
- Kết nối các đối tượng di động trong mạng với các đối tượng cố định
- Kết nối với các đối tượng quay như băng chuyền hoặc cần cẩu
- Xây dựng cầu không dây qua ranh giới tòa nhà hoặc mặt nước
- Giao tiếp với các đối tượng khó tiếp cận
- Sóng vô tuyến bị nhiễu xạ tại các chướng ngại vật
- Sóng vô tuyến bị phản xạ bởi các chướng ngại vật
- Sóng vô tuyến có thể bị suy giảm khi truyền qua
- Sóng vô tuyến có thể bị chặn và khai thác mà không được phép
Việc sử dụng giải pháp có dây vẫn mang lại những lợi thế lớn nhất trong sản xuất công nghiệp. Cáp là một phương tiện độc quyền, nhất quán với các đặc tính truyền dẫn cố định, và để xác định rõ ràng các bên tham gia mạng. Bất kỳ ai sử dụng Ethernet làm công nghệ truyền dữ liệu đều có thể sử dụng cáp đồng hoặc cáp quang để phân phối các gói dữ liệu.
Giao thức hoặc giao thức mạng là một tập hợp các quy tắc được tiêu chuẩn hóa để trao đổi dữ liệu, tức là một loại ngôn ngữ mạng. Điều này được sử dụng để liên lạc giữa các máy tính và thiết bị. Các giao thức được tiêu chuẩn hóa còn được gọi là tiêu chuẩn giao thức.
PROFINET là tiêu chuẩn Ethernet công nghiệp mở hàng đầu ở Châu Âu cho tất cả các lĩnh vực công nghệ tự động hóa công nghiệp. Hệ thống truyền thông này cho phép trao đổi dữ liệu theo thời gian thực giữa các thiết bị điều khiển và thiết bị trường sử dụng Ethernet công nghiệp. PROFINET là phiên bản kế nhiệm của PROFIBUS, một tiêu chuẩn giao thức Fieldbus được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức người dùng PROFIBUS & PROFINET International (PI). LAPP đang đóng vai trò tích cực trong việc phát triển PROFINET.
Biến thể RT (Real Time) của PROFINET cho phép các thiết bị điều khiển và thiết bị trường giao tiếp trong thời gian thực. Không cần đặt thêm yêu cầu nào đối với các thành phần mạng để làm như vậy. Thời gian chu kỳ để trao đổi dữ liệu mà không có bất kỳ đồng bộ hóa xung nhịp nào là khoảng 10 mili giây. Biến thể RT được sử dụng trong các hệ thống I/O từ xa, chẳng hạn.
Khi nói đến các ứng dụng đặc biệt yêu cầu đồng bộ hóa xung nhịp, ví dụ: đồng bộ hóa các bộ truyền động servo, điều cần thiết là phải sử dụng giao tiếp đẳng thời giữa thiết bị điều khiển và thiết bị trường, như được cung cấp bởi biến thể IRT (Isochronous Real Time) của PROFINET. Mạng IRT đặt thêm yêu cầu về phần cứng và các bộ chuyển mạch Ethernet tiêu chuẩn không còn được phép. Thời gian chu kỳ để trao đổi dữ liệu nhỏ hơn 1 mili giây.
EtherNET/IP là một hệ thống bus công nghiệp được sử dụng trong các hệ thống điều khiển và tự động hóa, và đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn ở khu vực Châu Mỹ.
EtherNET/IP hoạt động bằng cách sử dụng phần cứng Ethernet tiêu chuẩn và sử dụng các giao thức vận chuyển TCP/IP và UDP. Nó cũng sử dụng giao thức ứng dụng CIP (Common Industrial Protocol), tạo nên lớp ứng dụng trong mạng. Một ưu điểm chính do tiêu chuẩn công nghiệp mở này cung cấp là dễ dàng tích hợp các thiết bị trường hiện có với giao diện RS nối tiếp. Các dịch vụ truyền thông cung cấp cho ứng dụng tự động hóa dữ liệu tuần hoàn và có tính thời gian từ cấp trường.
Tuy nhiên, vì các mạng như vậy chỉ có thể đạt được thời gian chu kỳ "chỉ" khoảng 10 ms, tiêu chuẩn truyền thông này không phù hợp để xử lý các yêu cầu thời gian thực khắt khe của hoạt động servo đồng bộ (< 1 ms). Đối với các ứng dụng yêu cầu đồng bộ hóa xung nhịp, giao thức này đã được mở rộng để bao gồm MotionSync và CIPSync.
EtherNET/IP được duy trì và phát triển bởi Hiệp hội nhà cung cấp thiết bị mở (ODVA). LAPP là thành viên của ODVA và đóng vai trò tích cực trong việc phát triển hệ thống EtherNET/IP.
Tại châu Á, CC-Link IE là tiêu chuẩn kế nhiệm dựa trên Ethernet hàng đầu cho hệ thống Fieldbus CC-Link. Trong các ứng dụng công nghiệp mà CC-Link đạt đến giới hạn là một hệ thống Fieldbus, biến thể CC-Link Industrial Ethernet mạnh hơn được sử dụng để quản lý khối lượng dữ liệu lớn hơn đáng kể. Tiêu chuẩn này để truyền dữ liệu tốc độ cao cung cấp hiệu suất cấp Gbit, cung cấp các giao thức thời gian thực và hiện có thể kết nối tới 120 thiết bị trong một mạng. CC-Link IE có sẵn các phiên bản bao gồm CC-Link IE Field (để trao đổi dữ liệu ở cấp trường), CC-Link IE Control (để trao đổi dữ liệu ở cấp điều khiển), CC-Link IE Safety (để liên kết các bộ điều khiển an toàn để liên lạc an toàn) và CC-Link IE Field Motion (để đồng bộ hóa các bộ truyền động servo).
LAPP là thành viên của tổ chức người dùng CLPA (Hiệp hội đối tác CC-Link) và đóng vai trò tích cực trong việc phát triển tiêu chuẩn hơn nữa. Nhiều thành phần được cung cấp dưới đây đã được chứng nhận theo thông số kỹ thuật của CLPA.
EtherCAT là một giao thức được sử dụng rộng rãi cho Industrial Ethernet và đảm bảo Ethernet tốc độ cao. Tên gọi này là viết tắt của Ethernet for Control Automation Technology và được coi là Ethernet đặc biệt nhanh về tốc độ truyền tải và khả năng thời gian thực.
Để liên lạc, EtherCAT sử dụng các khung Ethernet tiêu chuẩn, các gói dữ liệu có thể xử lý. Các gói dữ liệu này bao gồm một tiêu đề Ethernet, một tiêu đề EtherCAT, 1 đến 15 biểu đồ dữ liệu EtherCAT và một cơ chế kiểm tra để phát hiện lỗi bit.
Việc điều khiển được cung cấp bởi một hệ thống truyền thông với một master và một hoặc nhiều slave. Master gửi các điều kiện ĐÍCH đến các slave, các slave này trả về điều kiện THỰC TẾ. Ví dụ, có thể truyền các lệnh điều khiển và trả lời các câu hỏi về trạng thái hiện tại của một máy.
Master tạo các biểu đồ EtherCAT từ dữ liệu thu thập được và gửi chúng đến các slave được kết nối. Như đã đề cập trước đó, điều làm cho EtherCAT trở nên đặc biệt là tốc độ của nó. Điều này đạt được như sau: trong khi các gói dữ liệu vẫn đang chạy qua các slave, mỗi slave chỉ lấy các điều kiện ĐÍCH từ biểu đồ áp dụng cho nó và chèn trực tiếp điều kiện THỰC TẾ của nó. Bất kỳ dữ liệu nào không dành cho slave tương ứng đều không được xử lý và được chuyển tiếp ngay lập tức. Ngay cả với số lượng lớn các slave được kết nối, thời gian giao tiếp rất nhanh vì độ trễ thông lượng trên mỗi slave chỉ là vài nano giây.
TSN, viết tắt của Time-Sensitive Networking, mô tả một cách thức kiểm soát và ưu tiên luồng dữ liệu trong mạng Ethernet. Tuy nhiên, Ethernet TSN không phải là một giao thức truyền thông độc lập, mà là một tập hợp các tiêu chuẩn xác định các chức năng của giao thức. Các định nghĩa chức năng này sau đó có thể được sử dụng bởi các giao thức khác nhau như PROFINET.
Mục đích của việc phát triển các tiêu chuẩn TSN là hợp nhất một cách thông minh công nghệ thông tin với kỹ thuật công nghiệp. Để làm được điều này, nó yêu cầu truyền dữ liệu từ các ứng dụng quan trọng trong thời gian thực, chẳng hạn như thu thập tín hiệu của một thành phần liên quan đến an toàn.
Bằng cách xác định và mở rộng các tiêu chuẩn Ethernet hiện có, TSN đạt được sự hội tụ giữa CNTT và các máy móc và thiết bị được kết nối. Bằng cách kiểm soát hiệu quả dữ liệu quan trọng trong thời gian thực và các ứng dụng sử dụng nhiều dữ liệu, mạng Ethernet có thể được triển khai thông qua một cáp Ethernet chung duy nhất.