Ethernet gigabitowy w zastosowaniach przemysłowych

Wiele grup inżynierskich intensywnie pracuje nad rozwojem komunikacji Ethernet z szybkością transmisji rzędu gigabitów na sekundę. Okazuje się jednak, że w praktyce nie zawsze jest to uzasadnione. W artykule zawarto kilka podstawowych wskazówek, które ułatwiają podjęcie decyzji o ewentualnym użyciu szybkich sieci w aplikacjach.

Zakład przemysłowy, który zdecydowałby się na implementację sieci Ethernetu gigabitowego, stanąłby w sytuacji właściciela najszybszego samochodu świata. Wiadomo, że wykorzystanie pełni jego możliwości na normalnych drogach, a nawet autostradach, byłoby raczej utrudnione. Podobnie rzecz ma się z siecią Ethernetu gigabitowego.
Wynika to z faktu, że większość dostępnych na rynku urządzeń systemowych nie jest w stanie w pełni korzystać z szybkich łącz komunikacyjnych. Niekiedy są one 10-krotnie szybsze od tradycyjnych sieci Ethernetu przemysłowego.
W efekcie ekspansja Ethernetu gigabitowego w przemyśle postępowała dotychczas dość wolno. Większość użytkowników nie widziała powodów do zmian i aktualizacji technologicznej swoich systemów.
Powoli jednak obecna sytuacja ulega zmianom. Decyzje o przejściu na Ethernet gigabitowy coraz częściej podejmują na przykład właściciele olbrzymich drukarni, które wymagają szybkiego przesyłu dużych ilości danych.

Równocześnie, wraz z rozwojem technologii napędowych, znaczenia nabiera szybkość transmisji danych w tradycyjnych aplikacjach automatyki. Również w ich przypadku coraz większa rzesza użytkowników rozważa wprowadzenie sieci gigabitowych. Wydaje się więc, że z czasem zaczną one w końcu dominować w aplikacjach sterowania przemysłowego.
Kluczowe pytania 
Zanim zdecydujemy się na sieć Ethernetu gigabitowego, powinniśmy odpowiedzieć sobie na kilka istotnych pytań: 

  • Problemy z połączeniem: jaki osprzęt sieciowy wybrać? Jaki jest najlepszy sposób na połączenie z siecią gigabitową?
  • Instalacja i niezawodność: czy sieci gigabitowe są trudne w instalacji? Czy mogą powstać problemy z interfejsami sieciowymi?
  • Szerokie pasmo przepustowości danych: wiele współczesnych aplikacji nie potrzebuje do komunikacji sieci o większej szybkości transmisji; wciąż wzrasta jednak liczba aplikacji korzystających z coraz większych pakietów danych, które muszą być szybko przesłane między urządzeniami.

Czym jest Ethernet gigabitowy?
Standard Ethernet został opracowany po raz pierwszy w latach 70-ych XX w. przez firmę Xerox. W latach 80-tych zaczął funkcjonować jako standard wymiany danych i odtąd wciąż rosła jego pozycja na rynku sieci komputerowych.
W okresie przed pojawieniem sięsieci gigabitowych szybkość transmisji danych w sieci wzrastała od 10 do 100 Mbit/sek. (Mbps). Sieci te nazywano szybkim Ethernetem (Fast Ethernet). Rodzina sieci Ethernetu gigabitowego opracowana została w celu przekroczenia bariery 1 000 Mbit/sek. Pierwsze standardy takich sieci pojawiły się w roku 1998 (IEEE 802.3z) dla połączeń światłowodowych i w roku 1999 (IEEE 802.3ab) dla miedzianych połączeń UTP. Oba te standardy są dziś bardziej znane jako 1000BASE-X. 
Standard Fast Ethernet okazał się bardzo wydajną technologią, ogólnie zaakceptowaną przez użytkowników. Mogą z niego korzystać niemal wszystkie urządzenia automatyki i teleinformatyki. Choć przyjęto go jako podstawę do tworzenia sieci gigabitowych, można zauważyć kilka istotnych różnic. Na przykład w standardowych kablach sieciowych kategorii 5. znajduje się 8 przewodów (4 pary). W sieciach Ethernet 10baseT (10 Mbps10 Mb/s) i Fast Ethernet 100BaseT (100 Mbps) wykorzystuje się tylko cztery przewody (2 pary), jedną do transmisji danych, a drugą do ich odbioru.
W standardzie Ethernet 10 Mbps pojedynczy bit danych jest kodowany do postaci jednego symbolu, przy użyciu dwóch poziomów napięć. W standardzie Fast Ethernet zastosowano już schemat kodowania 4B/5B MLT-3 z trzema poziomami napięć. Natomiast w sieci gigabitowej 1000Base-T dwa bity danych kodowane są w pojedynczy symbol PAM5, zaś w linii kablowej wykorzystane są wszystkie cztery pary przewodów. I chociaż sieć Ethernetu gigabitowego ma tę samą szybkość transmisji symboli kodowanych – tzw. bodów (125 Mbodów), co sieci standardu Fast Ethernet, uzyskuje wyższą szybkość transmisji danych na poziomie 1 000 Mbps. Stało się to możliwe dzięki jednoczesnej transmisji 8 bitów danych i przy wykorzystaniu 5 poziomów napięć oraz wszystkich dostępnych przewodów w kablu transmisyjnym.
Kwestie zaburzeń i zakłóceń transmisji 
To oczywiste, że wzrost szybkości transmisji danych i stosowanie zaawansowanych, wielopoziomowych schematów ich kodowania zwiększy wymagania dotyczące jakości sieciowych kabli transmisyjnych. Ma to miejsce przede wszystkim ze względu na większe częstotliwości sygnałów i powstające zaburzenia oraz szumy. Tradycyjne kable kategorii 5. tworzone były dla standardów Fast Ethernetu. Dlatego też przy tworzeniu sieci gigabitowych użytkownicy korzystać będą najpewniej z nowszych kabli kategorii 5e lub 6e. Tak, aby uniknąć problemów z interferencją sygnałów. Kable kategorii 5e są wystarczające do budowania sieci gigabitowych, podobnie zresztą jak kable kategorii 6e, które wykorzystać będzie można również w tworzonych standardach sieci 10-gigabitowych. Jednak podstawową kwestią do rozważenia jest zawsze odpowiedź na pytanie: czy stosować kable ekranowane (STP), czy nieekranowane (UTP). 
Podstawową zaletą kabli ekranowanych STP jest odporność na interferencję sygnałów pomiędzy parami w kablu oraz całego kabla na zaburzenia z zewnątrz. Jednak są one droższe i mniej popularne niż kable UTP. Kable UTP są także łatwiejsze w instalacji, jednak w przypadku najnowszych sieci gigabitowych osiągają kres swoich możliwości fizycznych (kategoria 6e i standard sygnału 500 MHz). W przypadku sieci gigabitowych interferencja sygnałów nabiera większego znaczenia, niż to miało miejsce w przypadku sieci Fast Ethernet. Dlatego czynnik ten należy każdorazowo wziąć pod uwagę opracowując architekturę sieci, szczególnie w środowiskach zaszumionych, gdzie występują zewnętrzne sygnały elektryczne itp. Jeżeli tylko to możliwe, warto zastosować jedną z najbezpieczniejszych opcji w takich aplikacjach, czyli światłowodów. Dobrze sprawdzają się zarówno w sieciach Fast, jak też gigabitowego Ethernetu. 
Dla sieci gigabitowych dostępne są cztery standardy realizacji warstwy fizycznej – ze światłowodami oraz trzema opcjami kabli miedzianych. Nie należy jednak ulegać przekonaniu, że zastosowanie światłowodów to doskonałe rozwiązanie na każdą sytuację. Użycie bowiem niektórych rozwiązań światłowodowych działających w sieciach Fast Ethernet nie jest możliwe w przypadku sieci gigabitowych. Dzieje się tak ze względu na efekt rozproszenia wewnętrznego.
Niezależnie od tego, czy sieć będzie realizowana na światłowodach, czy też za pomocą kabli miedzianych, należy zwrócić również uwagę na poprawność wykonania samych czynności instalacyjnych, które mają wpływ na osiągi sieci. Niestaranne wykonanie prostego połączenia kabla kategorii 5e może znacznie zredukować parametry sieci i ograniczyć jej niezawodność. Jeżeli jednak połączenie będzie prawidłowe, kabel tego typu można spokojnie wykorzystać do aplikowania sieci Ethernetu gigabitowego. Powinna ona pracować bez zakłóceń i oczywiście szybciej niż poprzedni standard. Trzeba również sprawdzić, czy proponowane do użycia switche oraz inne elementy infrastruktury sieciowej są przystosowane do obsługi sieci o wyższych szybkościach transmisji danych. Każdy port switcha powinien obsłużyć szybkości 10, 100 i 1 000 Mbps. Są jednak dostępne switche, które zawsze mają zostawiony przynajmniej jeden port z obsługą standardów 10 i 100 Mbps. Na rynku pojawiły się również switche obsługujące jedynie standard 1 000 Mbps. Przed podjęciem decyzji o ich zastosowaniu trzeba mieć jednak świadomość, że niemożliwe będzie ewentualne podpięcie do sieci starszych urządzeń, działających w sieciach Fast Ethernet. 
Całkowita przepustowość 
Dobrą praktyką jest zastosowanie w sieciach gigabitowych switchy z taką liczbą portów, aby możliwe było zwiększenie przepustowości sieci w dwóch kierunkach transmisji do sumarycznego poziomu 2 000 Mbps (1 000 Mbps w każdym kierunku).
Kolejna kwestia to dobre złącza kablowe. Na przykład w aplikacjach przemysłowych, w środowiskach zapylonych, nie można zastosować klasycznych złączek RJ45. Konieczne jest ich dodatkowe zabezpieczenie mechaniczne. W tego typu aplikacjach dobrze jest użyć np. złączek M-12. Standardowo są one oferowane tylko z czterema pinami. Dla sieci gigabitowych konieczne jest więc zastosowanie nowych łączy M-12 z ośmioma pinami.
Standard Ethernetu gigabitowego jest w pełni kompatybilny z większością współczesnych komputerów klasy PC. W znacznym stopniu może przyczynić się do poprawy osiągów i parametrów komunikacji danych w przemysłowych sieciach sterowania. Na przykład w aplikacji składającej się z 20 urządzeń sieć gigabitowa może w znaczący sposób przyczynić się do eliminacji ewentualnych zatorów magistrali poprzez 10-krotną redukcję czasu potrzebnego na przejście pakietów danych przez switche i magistrale. Fakt ten ma szczególne znaczenie w tzw. aplikacjach krytycznych, zwłaszcza tzw. czasu rzeczywistego. 
Ralf Kaptur 
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie