อีเธอร์เน็ตเป็นเทคโนโลยีการส่งข้อมูลสำหรับเครือข่ายแบบใช้สาย และเป็นมาตรฐานสำหรับการส่งแพ็กเกจข้อมูลในเครือข่ายภายในบ้านหรือสำนักงาน (LAN, Local Area Network)
ภายในเครือข่ายดังกล่าว อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมต่อทั้งหมด เช่น คอมพิวเตอร์ เครื่องพิมพ์ และเซิร์ฟเวอร์ สามารถสื่อสารกันได้ผ่านสาย LAN
ข้อมูลจะถูกส่งและรับผ่านอีเธอร์เน็ต อีเธอร์เน็ตไม่ทำงานแบบไร้สายเหมือน WLAN แต่ใช้สายเท่านั้น ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่มีเครือข่าย อีเธอร์เน็ตแบบใช้สายให้อัตราการส่งข้อมูลที่สูงกว่ามากและความเสถียรในการส่งที่เชื่อถือได้มากกว่าการเชื่อมต่อเครือข่ายทางเลือกผ่าน WLAN (Wireless Local Area Network)
กลุ่มทำงาน American IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ได้กำหนดและวางมาตรฐานโปรโตคอลเครือข่ายอีเธอร์เน็ตและโครงสร้างแพ็กเกจด้วยข้อกำหนด IEEE 802.3
อีเธอร์เน็ตสำหรับอุตสาหกรรม (Industrial Ethernet) เป็นรุ่นถัดจากอีเธอร์เน็ต LAN สำนักงานทั่วไป และส่วนใหญ่ใช้สำหรับการสื่อสารข้อมูลในการผลิตภาคอุตสาหกรรม ซึ่งมีเหตุผลที่ดีหลายประการ ได้แก่ มีโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายที่ราบรื่นแบบเรียลไทม์ โดยมีขอบเขตการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ระดับปฏิบัติการ (Field Level) และระดับการควบคุม (Control Level) ไปจนถึงระดับการจัดการองค์กร (Corporate Management Level) (Manufacturing Execution System [MES] สำหรับการประสานงานคำสั่งซื้อ และ Enterprise Resource Planning [ERP] สำหรับการวางแผนวัสดุ)
เทคโนโลยี Industrial Ethernet ยังมีพื้นที่แอดเดรสที่ใหญ่มาก การกำหนดแอดเดรสแบบ IPV6 ช่วยให้สามารถนำเครือข่ายที่มีโหนดจำนวนไม่จำกัดมาใช้งานได้ ข้อมูลจำนวนมากสามารถส่งพร้อมกันด้วยความเร็วสูงถึง 40 Gbit/s ผ่านสายทองแดงได้ นอกจากนี้ยังใช้กับการสื่อสารข้อมูลในระยะไกลด้วย เมื่อเทียบกับสายทองแดงแล้ว สายไฟเบอร์ออปติกสามารถเชื่อมต่อได้ไกลถึง 80 กม. เครือข่ายสามารถขยายและแบ่งส่วนได้อย่างง่ายดายโดยใช้สวิตช์และเราเตอร์
ฟิลด์บัสเป็นระบบบัสที่ใช้ในระดับฟิลด์เพื่อเชื่อมต่อเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์เพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลกับคอมพิวเตอร์ควบคุม ฟิลด์บัสมีต้นกำเนิดในเทคโนโลยีการผลิต และยังคงถูกนำมาใช้เป็นหลักในด้านนี้
ในส่วนของระบบอัตโนมัติ กระบวนการสื่อสารมักจะเกิดขึ้นในหลายระดับ อุตสาหกรรมอีเธอร์เน็ตถูกนำมาใช้ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมในกรณีที่ฟังก์ชันของฟิลด์บัสไม่เพียงพออีกต่อไป ท้ายที่สุดแล้ว ข้อดีของอุตสาหกรรมอีเธอร์เน็ตคือ:
- ความเป็นไปได้ในการเชื่อมต่อเครือข่ายหลายระดับของปิรามิดระบบอัตโนมัติ
- การส่งข้อมูลที่รวดเร็วกว่าอย่างเห็นได้ชัด
- คุณสมบัติเรียลไทม์ที่ดีขึ้น
- ประสิทธิภาพทางเทคนิคที่มากขึ้น
- การส่งข้อมูลในปริมาณที่มากขึ้น
- การรวมโปรโตคอลความปลอดภัย
ด้วย LAN ไร้สาย ข้อมูลจะถูกส่งผ่าน ระบบไร้สาย ภายในเครือข่ายโดยใช้ เทคโนโลยีไร้สาย โซลูชั่นไร้สายอัจฉริยะกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในภาคอุตสาหกรรมเช่นกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือการออกแบบคลื่นวิทยุที่ซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงได้ สามารถส่งข้อมูลระหว่างเครือข่ายไร้สายและเครือข่ายแบบมีสายได้ ซึ่งหมายความว่า WLAN และอีเธอร์เน็ตสามารถสื่อสารกันได้
- การเชื่อมต่อผู้เข้าร่วมเครือข่ายมือถือกับผู้เข้าร่วมแบบอยู่กับที่
- การเชื่อมต่อกับผู้เข้าร่วมที่หมุนได้ เช่น ม้าหมุน หรือเครน
- การสร้างสะพานไร้สายข้ามขอบเขตอาคารหรือแหล่งน้ำ
- การสื่อสารกับผู้เข้าร่วมที่เข้าถึงได้ยาก
- คลื่นวิทยุจะเลี้ยวเบนเมื่อเจอสิ่งกีดขวาง
- คลื่นวิทยุจะสะท้อนเมื่อเจอสิ่งกีดขวาง
- คลื่นวิทยุอาจอ่อนลงเมื่อทะลุผ่าน
- คลื่นวิทยุสามารถถูกดักจับและนำไปใช้ประโยชน์โดยไม่ได้รับอนุญาตได้
การใช้โซลูชันแบบใช้สายยังคงมีข้อดีที่สำคัญที่สุดในการผลิตภาคอุตสาหกรรม สายเคเบิลเป็นสื่อเฉพาะที่สอดคล้องกันซึ่งมีคุณสมบัติการส่งข้อมูลที่แน่นอน และเพื่อระบุผู้เข้าร่วมเครือข่ายได้อย่างชัดเจน ใครก็ตามที่ใช้ Ethernet เป็นเทคโนโลยีการส่งข้อมูลสามารถใช้สายทองแดงหรือสายใยแก้วนำแสงเพื่อกระจายแพ็คเกจข้อมูลได้
โปรโตคอลหรือเกณฑ์วิธีของเครือข่าย คือชุดของกฎระเบียบมาตรฐานสำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูล หรืออีกนัยหนึ่งคือภาษาของเครือข่าย ซึ่งใช้สำหรับการสื่อสารระหว่างคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ต่าง ๆ โปรโตคอลที่เป็นมาตรฐานยังเรียกอีกอย่างหนึ่งว่ามาตรฐานเกณฑ์วิธี
PROFINET เป็นมาตรฐาน Ethernet แบบเปิดชั้นนำในยุโรปสำหรับระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมทุกประเภท ระบบการสื่อสารประเภทนี้ช่วยให้สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบเรียลไทม์ระหว่างอุปกรณ์ควบคุมและอุปกรณ์ภาคสนามโดยใช้ Industrial Ethernet PROFINET เป็นรุ่นต่อจาก PROFIBUS ซึ่งเป็นมาตรฐานโปรโตคอล Fieldbus ที่กำหนดโดยองค์กรผู้ใช้งาน PROFIBUS & PROFINET International (PI) LAPP มีบทบาทอย่างแข็งขันในการพัฒนา PROFINET ต่อไป
PROFINET รุ่น RT (Real Time) ช่วยให้อุปกรณ์ควบคุมและอุปกรณ์ภาคสนามสามารถสื่อสารกันได้แบบเรียลไทม์ ไม่จำเป็นต้องมีข้อกำหนดเพิ่มเติมสำหรับส่วนประกอบเครือข่ายในการทำเช่นนั้น รอบเวลาสำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลโดยไม่มีการซิงโครไนซ์นาฬิกาจะอยู่ที่ประมาณ 10 มิลลิวินาที โดยรุ่น RT ใช้ในระบบ I/O ระยะไกล เป็นต้น
สำหรับแอปพลิเคชันพิเศษที่ต้องใช้การซิงโครไนซ์นาฬิกา เช่น การซิงโครไนซ์เซอร์โวไดรฟ์ จำเป็นต้องใช้การสื่อสารแบบ Isochronous ระหว่างอุปกรณ์ควบคุมและอุปกรณ์ภาคสนาม ซึ่ง PROFINET รุ่น IRT (Isochronous Real Time) เป็นผู้จัดหาให้ เครือข่าย IRT มีข้อกำหนดเพิ่มเติมสำหรับฮาร์ดแวร์ และไม่อนุญาตให้ใช้สวิตช์ Ethernet มาตรฐานอีกต่อไป รอบเวลาสำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลน้อยกว่า 1 มิลลิวินาที
EtherNet/IP เป็นระบบบัสอุตสาหกรรมที่ใช้ในระบบควบคุมและระบบอัตโนมัติ ซึ่งกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในภูมิภาคอเมริกา
EtherNet/IP ทำงานโดยใช้อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์อีเทอร์เน็ตมาตรฐานและใช้โปรโตคอลการขนส่ง TCP/IP และ UDP นอกจากนี้ยังใช้โปรโตคอลแอปพลิเคชัน CIP (Common Industrial Protocol) ซึ่งเป็นชั้นแอปพลิเคชันในเครือข่าย ข้อได้เปรียบที่สำคัญประการหนึ่งที่มาตรฐานอุตสาหกรรมแบบเปิดนี้มีให้คือสามารถรวมอุปกรณ์ฟิลด์ที่มีอยู่กับอินเทอร์เฟซ RS แบบอนุกรมได้อย่างง่ายดาย บริการสื่อสารจะจัดหาข้อมูลแบบวนรอบและข้อมูลที่สำคัญต่อเวลาจากระดับฟิลด์ให้กับแอปพลิเคชันระบบอัตโนมัติ
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเครือข่ายดังกล่าวสามารถทำรอบเวลาได้ "เพียง" ประมาณ 10 มิลลิวินาที มาตรฐานการสื่อสารจึงไม่เหมาะสำหรับการจัดการความต้องการแบบเรียลไทม์ที่สูงของการทำงานของเซอร์โวแบบไอโซโครนัส (< 1 มิลลิวินาที) สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการซิงโครไนซ์นาฬิกา โปรโตคอลจึงได้รับการขยายให้รวม MotionSync และ CIPSync
EtherNet/IP ได้รับการบำรุงรักษาและพัฒนาเพิ่มเติมโดย Open DeviceNet Vendor Association (ODVA) LAPP เป็นสมาชิกของ ODVA และมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเพิ่มเติมระบบ EtherNet/IP
ในเอเชีย CC-Link IE เป็นมาตรฐานที่ใช้ Ethernet ซึ่งเป็นมาตรฐานสืบทอดจากระบบ CC-Link Fieldbus โดยในงานอุตสาหกรรมที่ CC-Link มีข้อจำกัดในฐานะระบบ Fieldbus จะมีการใช้ CC-Link Industrial Ethernet ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเพื่อจัดการข้อมูลจำนวนมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ มาตรฐานนี้สำหรับการส่งข้อมูลความเร็วสูงที่ให้ประสิทธิภาพระดับ Gbit ให้โปรโตคอลแบบเรียลไทม์และปัจจุบันสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ได้สูงสุด 120 เครื่องภายในเครือข่าย CC-Link IE มีให้เลือกหลายเวอร์ชัน ได้แก่ CC-Link IE Field (สำหรับแลกเปลี่ยนข้อมูลระดับ Field), CC-Link IE Control (สำหรับแลกเปลี่ยนข้อมูลระดับ Control), CC-Link IE Safety (สำหรับเชื่อมโยงตัวควบคุมความปลอดภัยเพื่อการสื่อสารที่ปลอดภัย) และ CC-Link IE Field Motion (สำหรับการซิงโครไนซ์เซอร์โวไดรฟ์)
LAPP เป็นสมาชิกขององค์กรผู้ใช้งาน CLPA (CC-Link Partner Association) และมีบทบาทสำคัญในการพัฒนามาตรฐานต่อไป ส่วนประกอบหลายอย่างที่นำเสนอไว้ด้านล่างนี้ได้รับการรับรองตามข้อกำหนดของ CLPA
EtherCAT เป็นโปรโตคอลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับ Industrial Ethernet และรับประกันความเร็วสูงของ Ethernet โดยชื่อย่อมาจาก Ethernet for Control Automation Technology และถือเป็น Ethernet ที่รวดเร็วเป็นพิเศษในแง่ของอัตราความเร็วในการส่งข้อมูลและความสามารถในการทำงานแบบเรียลไทม์
สำหรับการสื่อสาร EtherCAT ใช้เฟรม Ethernet มาตรฐาน ซึ่งเป็นชุดข้อมูลที่สามารถประมวลผลได้ ชุดข้อมูลเหล่านี้ประกอบด้วยส่วนหัว Ethernet ส่วนหัว EtherCAT ชุดข้อมูล EtherCAT 1 ถึง 15 ชุด และกลไกการทดสอบสำหรับการตรวจจับข้อผิดพลาดบิต
การควบคุมจะดำเนินการโดยระบบสื่อสารที่มีมาสเตอร์และสเลฟหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น มาสเตอร์จะส่งเงื่อนไขเป้าหมาย (TARGET conditions) ไปยังสเลฟ ซึ่งจะส่งกลับเงื่อนไขจริง (ACTUAL condition) ตัวอย่างเช่น สามารถส่งคำสั่งควบคุมและตอบคำถามเกี่ยวกับสถานะปัจจุบันของเครื่องจักรได้
มาสเตอร์จะสร้างไดอะแกรม EtherCAT จากข้อมูลที่ได้รับและส่งไปยังสเลฟที่เชื่อมต่ออยู่ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ สิ่งที่ทำให้ EtherCAT พิเศษคือความเร็ว ซึ่งทำได้ดังนี้: ในขณะที่ชุดข้อมูลยังคงไหลผ่านสเลฟ สเลฟแต่ละตัวจะรับเฉพาะเงื่อนไขเป้าหมายจากไดอะแกรมที่เกี่ยวข้องกับตนเองและแทรกเงื่อนไขจริงของตนเองโดยตรง ข้อมูลใดๆ ที่ไม่ได้มีไว้สำหรับสเลฟนั้นจะไม่ถูกประมวลผลและจะถูกส่งต่อไปทันที แม้จะมีสเลฟที่เชื่อมต่ออยู่จำนวนมาก เวลาในการสื่อสารก็ยังคงเร็วมาก เนื่องจากความล่าช้าในการส่งข้อมูลผ่านสเลฟแต่ละตัวเพียงไม่กี่นาโนวินาทีเท่านั้น
TSN หรือชื่อเต็มคือ Time-Sensitive Networking อธิบายถึงวิธีการควบคุมและจัดลำดับความสำคัญของกระแสข้อมูลในเครือข่ายอีเทอร์เน็ต อย่างไรก็ตาม อีเทอร์เน็ต TSN ไม่ใช่โปรโตคอลการสื่อสารอิสระ แต่เป็นชุดของมาตรฐานที่กำหนดฟังก์ชันของโปรโตคอล ซึ่งคำจำกัดความของฟังก์ชันเหล่านี้สามารถนำไปใช้โดยโปรโตคอลต่างๆ เช่น PROFINET ได้
จุดมุ่งหมายของการพัฒนามาตรฐาน TSN คือการผสานรวมเทคโนโลยีสารสนเทศเข้ากับวิศวกรรมอุตสาหการอย่างชาญฉลาด ในการดำเนินการนี้ จำเป็นต้องมีการส่งข้อมูลจากแอปพลิเคชันที่สำคัญต่อเวลาจริง เช่น การรับสัญญาณของส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย
ด้วยการกำหนดและขยายมาตรฐานอีเทอร์เน็ตที่มีอยู่ TSN ทำให้เกิดการบรรจบกันระหว่าง IT และเครื่องจักรและอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ โดยการควบคุมข้อมูลที่สำคัญต่อเวลาจริงและแอปพลิเคชันที่ต้องใช้ข้อมูลจำนวนมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ เครือข่ายอีเทอร์เน็ตสามารถนำไปใช้ผ่านสายเคเบิลอีเทอร์เน็ตทั่วไปเพียงเส้นเดียว
