Sieciowe urządzenia komunikacyjne. Ethernet jako powszechnie uznany standard komunikacji zapewnia szybki rozwój rynku

Ethernet stał się siecią, która znacznie wykroczyła od strony aplikacyjnej poza wąsko sprecyzowany obszar przemysłu, pojawiając się w elektronice konsumenckiej i aplikacjach domowych, systemach kontroli dostępu i monitoringu obiektów, w urządzeniach pomiarowych, transporcie szynowym i wielu innych obszarach. Zaawansowane prace prowadzone są nawet w zakresie implementacji Ethernetu w motoryzacji, co przekonuje, że można traktować go jako duży i ciągle szybko rozwijający się rynek.

Głównymi zaletami, dla których warto wdrażać Ethernet, są jego kompatybilność, efektywność, uniwersalność i elastyczność konfiguracji, a także minimalizacja kosztów. Dzięki zastosowaniu odpowiednich bram możliwe jest także dołączenie do sieci urządzeń wyprodukowanych przez różnych producentów, łączenie sieci bazujących na kablach miedzianych z optycznymi i bezprzewodowymi. Ethernet jak żaden inny standard sieci przemysłowych oferuje możliwość podłączenia wielu tysięcy urządzeń za pomocą tej samej sieci.

Co prawda, aby tego dokonać, należy podzielić tak dużą grupę urządzeń na podgrupy logiczne (podsieci), ale znacząco nie zmniejsza to ich możliwości komunikacyjnych. Ethernet oferuje także nieporównywalnie większe, stale rosnące prędkości transferu, jednocześnie stając się coraz tańszym w utrzymaniu. Sieci o szybkości gigabitowej są niewiele droższe od poprzednich generacji.

Ethernet jest tani w instalacji i w utrzymaniu oraz praktycznie bezproblemowy. Decydując się na zastąpienie nim wszelkich innych zakładowych sieci, można praktycznie pozbyć się problemu szkolenia osób personelu, które w przeciwnym razie musiałyby orientować się w diagnostyce każdego z zastosowanych standardów. Nie ma również problemu związanego z szeregowym łączeniem ze sobą urządzeń, które w razie awarii jednego z nich powodowało zatrzymanie komunikacji w całej sieci.

Instalując Ethernet, można dokonać wyboru co do topologii tworzonej sieci, tak by zminimalizować koszty instalacji lub zwiększyć niezawodność poprzez redundancję. Typowo w sieciach tego typu korzysta się z topologii gwiazdy, ale poprzez odpowiednie zestawienie koncentratorów można uzyskać np. topologię pierścienia. Ponadto większość dostępnych na rynku urządzeń będących elementami łączącymi sieć pozwala na pracę z wieloma szybkościami transmisji.

Oznacza to, że w przeciwieństwie do wielu innych systemów sieci, prędkość przesyłu danych nie jest ograniczana przez najwolniejsze z podłączonych urządzeń, a jedynie do minimalnej prędkości urządzeń przełączających znajdujących się na trasie pomiędzy komunikującymi się urządzeniami. Takie rozwiązanie problemu wstecznej kompatybilności kolejnych generacji sieci pozwala na wygodną, stopniową rozbudowę infrastruktury, bez obawy o utratę funkcjonalności instalowanych elementów.

Zarządzanie, PoE, mikrokontrolery

Rys. 1. Zestawienie wzrostów i spadków obrotów w ujęciu rocznym zanotowane przez krajowych dostawców sprzętu sieciowego w latach 2011-2013

Poza uniwersalnością i możliwościami komunikacyjnymi urządzenia infrastrukturalne, za pomocą których buduje się sieci, dają wiele różnych mechanizmów zwiększających wydajność transmisji sieciowej, pozwalających na zarządzania urządzeniami i samą komunikacją, jak filtrowanie pakietów, kontrolę dostępu, ograniczenia maksymalne na szybkość transmisji, stworzenie logicznej wydzielonej sieci prywatnej oraz na implementację usług komunikacji głosowej i wideo.

Możliwość zarządzania urządzeniami w sieci przemysłowej ma decydujące znaczenie w rozwiązywaniu potencjalnych problemów i jest kluczowa w tym, aby Ethernet był szeroko akceptowany w dużych i odpowiedzialnych systemach o skali przedsiębiorstwa. Kamieniem milowym w rozwoju było też pojawienie się na rynku możliwości zasilania urządzeń poprzez kabel sieciowy, czyli powstanie standardu PoE (Power over Ethernet). Uwolnienie się od dodatkowych kabli, dziesiątek różnych zasilaczy nierzadko o wątpliwej jakości i trwałości, jakie dodawane są do "drobnych" urządzeń końcowych, skierowało rozwój rynku w stronę systemów monitoringu, kontroli dostępu, wideotelefonów i podobnych.

Upraszcza to okablowanie sieci i zmniejsza koszty jej budowy oraz eksploatacji. Ponadto pozwala monitorować zużycie energii w poszczególnych węzłach oraz w razie potrzeby zdalnie restartować lub wyłączać poszczególne urządzenia. Pojawienie się nowej wersji PoE, w którym dostępna moc dla urządzenia końcowego jest jeszcze większa (PoE+), w większym stopniu wspomaga ten kierunek rozwoju rynku.

Ethernet towarzyszy coraz częściej urządzeniom "niewielkim" zarówno pod względem wymiarów, jak też możliwości i wymagań komunikacyjnych. W zasadzie każdy producent mikrokontrolerów ma w ofercie co najmniej jeden model z interfejsem ethernetowym. Dlatego nie jest niczym dziwnym, że sieci takie można znaleźć w małych sterownikach, czujnikach, rejestratorach, sprzęcie pomiarowym i podobnych. Na rynku są też dziesiątki gotowych modułów komunikacyjnych, pozwalających dodać komunikację do istniejącego rozwiązania, dzięki czemu złącze ethernetowe można dzisiaj znaleźć wszędzie.

Urządzenia komunikacyjne

Rys. 2. Zestawienie opinii na temat tego, jaka była sytuacja na rynku w końcu 2013 roku. W odpowiedziach dominowały opinie, że był to okres dobry lub nawet bardzo dobry

Korzystanie z możliwości sieci bazujących na Ethernecie jako medium komunikacyjnym wymaga stworzenia infrastruktury komunikacyjnej, do której poza okablowaniem (miedź, światłowód) wykorzystuje się przede wszystkim przełączniki (switche) i routery sieciowe, które tworzą fizyczną podwalinę sieci. Dotyczy to przede wszystkim urządzeń do sieci Ethernet, w tym obejmujących zarówno wersje niezarządzalne, jak też urządzenia zarządzalne o różnej liczbie portów i funkcji.

Te ostatnie odpowiedzialne są m.in. za możliwość pracy w pierścieniu, funkcje związane z przesyłem danych (np. QoS) oraz grupowaniem portów. Są one uzupełniane przez sprzęt bezprzewodowy, gdyż sieci, przemysłowe i te pracujące w mniej odpowiedzialnych zastosowaniach, mają charakter mieszany i są uzupełniane komunikacją bezprzewodową. Ze względu na częste występowanie zaburzeń elektromagnetycznych oraz konieczność transmisji danych na większe odległości w przemyśle chętnie stosuje się sieci światłowodowe, stąd też popularność urządzeń z tego typu interfejsami oraz z portami uniwersalnymi, których funkcjonalność określa zastosowany moduł.

Trendem rozwojowym jest w przypadku omawianych urządzeń rosnące obecnie wykorzystanie sieci gigabitowych, a w przyszłości - spodziewana popularyzacja rozwiązań 10 Gb/s. Wraz ze wzrostem powszechności Ethernetu praktycznie nieodzowne w przypadku modernizacji maszyn oraz rozbudowy istniejących linii technologicznych są konwertery sieciowe (konwertery mediów, mediakonwertery, urządzenia typu gateway).

Są to przede wszystkim urządzenia z interfejsami do sieci szeregowych i innych przetwarzające komunikaty na standard ethernetowy, moduły służące do zmiany medium transmisyjnego - w szczególności Ethernetu miedzianego na światłowodowy oraz moduły wykorzystujące transmisję bezprzewodową. Do produktów stanowiących ofertę dostawców produktów sieciowych należą też serwery portów oraz karty sieciowe. Często są to wersje wieloportowe, co pozwala na komunikację z wieloma innymi urządzeniami przy zastosowaniu jednej karty instalowanej przykładowo w komputerze przemysłowym.

Moduły we-wy - oddzielna kategoria

Rys. 3. Zbiorcze zestawienie opinii na temat stopnia konkurencji na rynku, aktualnych tendencji w koniunkturze oraz sytuacji na rynku na początku 2014 roku

Osobą grupę stanowią moduły we-wy, które pod względem popularności przyrównać można do switchy przemysłowych, ale inne są jednak ich zastosowania. Pozwalają one na podłączenie wielu sygnałów/urządzeń i komunikację z tymi ostatnimi z wykorzystaniem jednego połączenia sieciowego. Podzespoły dostępne są w różnych wykonaniach - zarówno z wejściami i wyjściami cyfrowymi, jak też analogowymi, przeznaczonymi do podłączania określonych czujników, liczników, napędów, itd.

Podzespoły takie mogą występować przy tym w wersjach kompaktowych, tj. o określonej liczbie punktów - np. 8, 16 oraz modułowych. Wersje kompaktowe oferowane są również w wykonaniach o wysokim stopniu ochrony, co pozwala na ich instalację bezpośrednio na maszynach. Moduły we-wy pierwotnie były elementami sterowników modułowych rozszerzającymi liczbę ich interfejsów, z czasem zaczęto je też stosować również jako urządzenia zdalne, samodzielne. W przypadku interfejsu do podłączania systemu nadrzędnego dostępne są różne standardy, w tym bazujące zarówno na Ethernecie, jak też sieciach polowych.

Serwery portów

Rys. 4. Struktura obrotów krajowych dostawców sieciowych urządzeń komunikacyjnych. Tylko mniej więcej co dziesiąta firma wymieniona w tabeli 2 ma sprzedaż roczną przekraczającą 5 mln zł

W zakresie urządzeń komunikacyjnych jedną z większych części rynku tworzą serwery portów, wyposażone we własny komputer zapewniający możliwość programowania i ustawiania parametrów. Ogromna część dostępnych na rynku urządzeń pozwala na dodanie komunikacji przez Ethernet do sprzętu z portami RS232/422/485 (serial-to-ethernet i na odwrót). Są one potrzebne do sterowania i zarządzania urządzeniem przez sieć oraz wydłużenia niewielkiego zasięgu RS-a.

Dzięki odpowiednim sterownikom, z punktu widzenia oprogramowania, takie przedłużenie może być przezroczyste dla danych i aplikacji soft ware’owej. Nierzadko jeden serwer portów obsługuje kilka łączy RS, a po stronie Ethernetu obsługiwane są sieci z protokołem Modbus. Serwery portów poza portami szeregowymi mają też wyprowadzone zwykłe linie IO, pozwalając na realizację tradycyjnych układów sterowania.

Oprócz wersji kablowych dostępne są urządzenia z interfejsem WLAN. Ich funkcjonalność jest podobna jak opisanych wyżej, z tym że łącze ethernetowe realizowane jest bezprzewodowo, ze wszystkimi popularnymi usługami związanymi z komunikacją za pomocą protokołu TCP/IP.