Каково будущее Ethernet?

Исследовательский центр компании Xerox в Пало Альто (PARC) считается колыбелью множества прорывных компьютерных технологий. Именно первопроходцы-сотрудники PARC разработали графический компьютерный пользовательский интерфейс с управлением мышью, а также технологию лазерной печати. В те ранние дни Роберт Меткалф был одним из тех, кто стоял у истоков. В период написания докторской диссертации в PARC ему дали задание объединить сетью компьютеры компании. И, начиная с 1973 года, инженер-электрик занимался сетевой технологией, которая передавала бы данные по “эфиру” (ether), однако называть его так было не совсем корректно, ведь передача шла по проводу, хоть и способ передачи был позаимствован у радио. Наименование Ethernet тем не менее сохранилось и стало одной из ярчайших историй успеха в мире компьютерных разработок.

С 90-х годов технология Ethernet безоговорочно лидировала в сегменте локальных сетей передачи данных (LAN: Local Area Network – локальная вычислительная сеть). Если во времена Меткалфа данные “ползли” по проводам со скоростями примерно 3 Мбит/с, то сейчас скорости возросли до 10 Гбит/с, а некоторые стандарты при определенных условиях способны передавать 400 Гбит/с. Надзор за соблюдением стандартов сетей Ethernet ведет Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). Эффективность таких сетей доказана офисной эксплуатацией, например, при подключении между собой компьютеров. Подключая сетевой провод к компьютеру, можно не беспокоиться, что с другим компьютером или маршрутизатором обмен данными будет надежным.

Распространение стандартов Ethernet

С промышленными сетями все совсем по-другому. Для них существует более 20 стандартов, и все они по-своему различаются техническими тонкостями, что делает их несовместимыми. Кроме того есть более 50 стандартов промышленных сетевых шин, например, PROFIBUS или CAN BUS, широко применяемых для автоматизации. Между собой они тоже часто не совместимы. Системы на базе шин находят применение на фабриках, т.к. считаются более надежными. Размер передаваемых по ним пакетов меньше, но передачу можно вести в реальном времени. Это важно для технологий с ограниченным временем реакции, например, когда привод должен за несколько микросекунд среагировать на сигнал от датчика. А кроме этого операторы должны быть уверены, что механизм остановится немедленно, если нажать красную кнопку аварийной остановки. До недавнего времени такие возможности в ограниченном виде обеспечивал только Ethernet, хотя IEEE пытался стандартизировать для него функцию передачи в реальном времени. 

Рынок показывает, что будущее промышленных сетей за Ehternet. Доля промышленного Ethernet сейчас растет на 22% в год в сравнении с 6%-ным ростом применения промышленных шин. В 2018 году число эксплуатируемых на заводах систем Ethernet впервые превысит количество шин. Объяснение этому в росте объема сетевой передачи и распространении цифровых технологий в рамках 4-й промышленной революции, ведущей к свертыванию пирамиды автоматизации. Этим термином обозначаются уровни обмена данными на предприятии, где цеховой уровень самый низкий. Над ним располагается уровень управления, затем технологический уровень, операционный уровень, и на вершине — корпоративный уровень с системой ERP, в частности SAP. До недавнего времени, функции были по-разному распределены на этих уровнях, а значит, на них работали различные программы: сигналы датчиков проделывали путь по пирамиде снизу вверх, а планы, наоборот, спускались сверху. Управление производством при таком подходе усложняется и становится менее гибким; мир классической автоматизации не рассчитан на гибкие промышленные модели, где изделия могут производиться партиями от одного.

Пирамида автоматизации - это уровни обмена данными на предприятии, где цеховой уровень самый низкий. Над ним располагается уровень управления, затем технологический уровень, операционный уровень, и на вершине — корпоративный уровень с системой ERP.

Горизонтальные иерархии в промышленных сетях

Когда пирамида автоматизации сворачивается, иерархия исчезает, и обмен данными идет на едином уровне. Все коммуницируют со всеми: системы ERP могут, например, получать прямой доступ к датчикам в цеху, чтобы оценить, как повлияет на исполнение заказа возможная поломка. Такое, однако, возможно, только если на предприятии работает “умная” сеть. И поэтому не удивительно, что Ethernet, возникший для офисных нужд, теперь тоже пробивается в область промышленности и логистики, базируясь, конечно, на более надежных компонентах.

Такие компоненты есть в ассортименте LAPP. Традиционно на рынке преимущество было за компонентами для промышленных шин, однако сейчас клиентам доступно любое оборудование для организации промышленного Ethernet: от кабелей и разъемов до готовых сборок из ассортимента ÖLFLEX® CONNECT. Можно отметить такие кабели как ETHERLINE® PN Cat.6A FC пропускной способностью 10 Гбит/с в диапазоне 500 МГц. Кабель легко и быстро подсоединяется, т.к. его жилы не экранированы, а также отсутствуют центральная крестовина и внутренняя оболочка, что облегчает сборку. Данный кабель сертифицирован для североамериканского рынка. С ним совместимы такие изделия как EPIC® MH, прямоугольный модульный разъем для кабелей питания и передачи данных гигабитного стандарта. Или усиленные коммутаторы ETHERLINE® ACCESS для организации цеховых вычислительных сетей.

“Наша продукция отвечает стандартам многих поставщиков промышленного оборудования и изготавливается точно под поставленные задачи. Поэтому наши изделия подходят для любых общепринятых систем коммуникации,” — подчеркивает Гвидо Эге, Руководитель Отдела управления продукцией и научных разработок LAPP.

Множество кабелей, одна оболочка

В течение многих лет специалисты LAPP следили за рынком промышленного Ethernet. За это время удалось выявить две тенденции, которые в будущем будут набирать влияние. Одна из них — комбинированные кабели, так называемая технология единого кабеля. Внутри одной оболочки таких кабелей, которые обычно используют для подключения сервоприводов, собрано сразу несколько функций, включая обратную связь от датчиков. LAPP изготавливает такие комбинированные кабели для системы приводов с обратной связью Hiperface DSL® Motor-Feedback-System компании Sick или для ACURO®link производства Hengstler. 

Вторая тенденция — уменьшение размеров. Для предыдущих версий Ethernet требовалось две или четыре пары проводов, современный Ethernet по одной паре может передавать до 1 Гбит/с. В этом случае выгода для клиентов в снижении затрат на установку, а также меньшем размере и стоимости системы. Вместе с этим сетевые микросхемы Ethernet легко адаптируются под задачи, т.к. они развивались в автомобильной индустрии. Экономичность, надежность и охват более длинных дистанций из-за меньшей скорости передачи показывают, что Ethernet на одной паре в будущем также займет важное место в промышленности. В то же время клиенты понимают, что линия 10 Гбит/с нужна не для каждого датчика. Хотя через одну пару Ethernet можно передавать до 1 Гбит/с данных, для большинства задач в цеху этого достаточно. Поток информации от подавляющего большинства датчиков мал, а некоторые из них лишь изредка передают сигналы о включении-выключении.

Миниатюризация кабелей

По информации агентства Roland Berger к 2020 году спрос на датчики повысится на 17%, в то время как цены будут снижаться на 8% в год. Таким образом, взлетит спрос на экономичные решения для технологий соединения. Однако, по крайней мере для индустрии однопарные Ethernet сети еще не доступны. Схожие кабели уже используют в своих изделиях производители автомобилей, но на промышленное применение стандартов пока не существует. Над ними трудятся организованные не так давно рабочие группы.

“Первая серийная продукция для однопарных сетей Ethernet будет выпущена через 2-3 года. Разумеется компанией LAPP,” — обещает Гвидо Эге.

По темпам роста Ethernet сейчас стоит на втором месте среди промышленных технологий соединения. Беспроводные стандарты лидируют с показателем роста 32%, даже занимая лишь 6% на рынке. WLAN, Bluetooth или сотовая связь показывают преимущества в гибкости и мобильности, например, при установке датчиков на крупных предприятиях: химические производства или мобильные системы. По зоне охвата, надежности соединения, времени задержки сигнала и энергоэффективности они сильно отстают от проводных технологий. Кабели также более защищены от перехвата или атак хакеров. Принятие новых мобильных стандартов 5G не изменит этот статус.

Гвидо Эге поясняет: “У беспроводных технологий есть ниша, но они не конкурируют с проводными системами, а действуют как дополнение для специальных задач”.