บทความน่ารู้ : ความแตกต่างระหว่างระบบอีเธอร์เน็ตเชิงพาณิชย์ และเชิงอุตสาหกรรม

เราต่างทราบดีว่า อีเธอร์เน็ตถือเป็นตัวแทนของโปรโตคอลหลักที่ใช้สื่อสารกับกลไกระดับกายภาพในปัจจุบัน คอยสื่อสารข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ภายในเครือข่ายทั้ง LAN และ WAN มีวิวัฒนาการต่อเนื่องยาวนานหลายปีในด้านประสิทธิภาพ ขณะที่ยังรองรับเทคโนโลยีเก่าได้ด้วยไปในตัว ถือเป็นเทคโนโลยีที่มีความเสถียร ลงทุนต่ำ จนไม่น่าแปลกใจที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย

ช่วงที่ผ่านมาในบทความของเรา ท่านน่าจะได้เห็นการพูดถึงอีเธอร์เน็ตในแง่ของ “อีเธอร์เน็ตเชิงพาณิชย์” (Commercial) และ “อีเธอร์เน็ตในอุตสาหกรรม” (Industrial) กันมาบ้าง แม้ทั้งคู่ถือเป็นอีเธอร์เน็ตเหมือนกัน ที่ใช้เฟรมสำหรับรับส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ตามที่อยู่ MAC แต่ทั้งคู่ก็ไม่ได้เหมือนกันเสียทีเดียว ไล่ตั้งแต่กลไกการรับส่งข้อมูล แผนผังเครือข่ายที่ติดตั้ง ไปจนถึงส่วนประกอบและข้อควรพิจารณาในการทดสอบระบบ

ครั้งนี้เรามาเจาะลึกความแตกต่างระหว่างอีเธอร์เน็ตทั้งสองประเภทกัน

เรื่องของเวลาและความแน่นอนในการส่งถึงปลายทาง

อีเธอร์เน็ตมาตรฐานทั่วไปที่ใช้เชิงพาณิชย์นั้นไม่ได้มีความน่าเชื่อถือในการส่งข้อมูลแบบเรียลไทม์ เนื่องจากเป็นกลไกที่เรียกว่า Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) ที่ใช้การตรวจจับที่อยู่ปลายทางบนเครือข่ายด้วยตัวเอง (CSMA) และอาศัยความสามารถของอุปกรณ์ในการตรวจจับว่ามีการส่งข้อมูลในเวลาเดียวกันกับอุปกรณ์อื่นบนเครือข่าย (CD) หรือไม่ ซึ่งถ้าตรวจพบการวิ่งชนกันของเฟรมข้อมูล ระบบก็จะเคลียร์หยุดการรับส่งบนเครือข่ายทั้งหมด เพื่อเปิดให้ส่งข้อมูลอีกครั้งเมื่อทางโล่งแล้ว กล่าวอีกอย่างก็คือ เราไม่สามารถเอาแน่เอานอนกับเวลาที่ส่งแพ๊กเก็ตข้อมูลไปถึงปลายทางได้ หรือกำหนดเวลาแน่นอน (Determinism) ไม่ได้นั่นเอง

แม้เทคนิคตรวจจับการชนกันของเฟรม (Collision Detection) จะใช้ได้ดีในการส่งต่อข้อมูลในองค์กร แต่ก็สร้างดีเลย์เล็กน้อยที่บางครั้งอาจนานถึงระดับหลายร้อยมิลลิวินาที แม้ความล่าช้าดังกล่าวมักไม่สังเกตเห็น หรือไม่ได้รับความสำคัญเท่าไรในสภาพแวดล้อมการทำงานในองค์กรหรือเชิงพาณิชย์ แต่สำหรับระบบในอุตสาหกรรมแล้ว ดีเลย์แม้แต่นิดเดียวก็อาจยอมรับไม่ได้ เนื่องจากระบบอัตโนมัติและระบบควบคุมต่างๆ ต้องอาศัยข้อมูลที่ไหลเข้ามาอย่างแม่นยำในตำแหน่งและเวลาที่จำเป็น จึงเป็นเหตุผลที่ว่าการสื่อสารในระดับอุปกรณ์ของโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ นั้นเคยพึ่งพาโปรโตคอลเฉพาะของตัวเองอย่าง Profibus และ Modbus ที่รับส่งข้อมูลอย่างรวดเร็ว ระบุเวลาแน่นอนได้

ต้องขอบคุณมาตรฐานอย่าง IEEE 802.1 Time-Sensitive Networking (TSN) ที่ออกมาเพื่อแก้ปัญหานี้โดยเฉพาะ ด้วยกลไกและอัลกอริทึมการจัดลำดับความสำคัญแบบใหม่ที่อาศัยการซิงค์เวลาระหว่างกัน ทำให้ได้มาตรฐานอีเธอร์เน็ตที่รับส่งได้แบบเรียลไทม์ ระบุเวลาได้อย่างแม่นยำ เพื่อส่งข้อมูลที่ต้องอาศัยความแน่นอนเรื่องเวลาในลำดับชั้นดาต้าลิงค์ ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งกับการประยุกต์ใช้ด้านการควบคุมการเคลื่อนไหวที่ต้องการความเข้มงวดมาก เรียกได้ว่าเทคโนโลยี TSN เป็นที่มาของอีเธอร์เน็ตระดับอุตสาหกรรมอย่างแท้จริง

รูปแบบแผนผังเครือข่ายที่เป็นไปได้

แม้เน็ตเวิร์กอีเธอร์เน็ตที่ใช้กันเชิงพาณิชย์ทั่วไปมักติดตั้งในรูปของแผนผังเครือข่ายแบบดาว (Star Topology) แต่ในกรณีของอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมมักวางระบบแผนผันผสมกันทั้งแบบ Star, Ring, และ Bus เพื่อให้เข้ากับการใช้งานหลากหลายแบบ อย่างแผนผังเครือข่ายแบบ Bus ที่มักเรียกกันเวลาติดตั้งในโรงงานว่าเป็นแบบ Multi-Drop หรือ Multi-Segment มักนิยมใช้ในกรณีที่มีหลาย Node ใช้ลิงค์ร่วมกัน จุดนี้เองที่เป็นเหตุผลว่าทำไมอีเธอร์เน็ตคู่สายเดี่ยว 10BASE-T1L แบบใหม่ถึงสามารถใช้งานร่วมกับหัวต่อบนสายเดียวกันได้ถึง 10 หัว

นอกจากนี้ แม้จะใช้แผนผังการเชื่อมต่อแบบดาวที่นิยมกันสำหรับอีเธอร์เน็ตเชิงพาณิชย์ทั่วไป แต่การใช้งานในโรงงานอุตสาหกรรมต้องการระบบสำรองการทำงาน และหลีกเลี่ยงจุดเสี่ยงที่ทำให้ทั้งระบบล่มได้ดีกว่าเดิม ทำให้ระบบอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมปรับตัวมาใช้แผนผังเครือข่ายผสมกันระหว่าง Star และ Ring ที่ช่วยลดดาวน์ไทม์ต่อรอบการสื่อสารได้ด้วยการสำรองการทำงานแบบ Zero Failover อีกทั้งยังมีโปรโตคอลใหม่อย่าง High-availability Seamless Redundancy (HSR) ภายใต้รหัส IEC 62439-3 ที่ถูกออกแบบมาเพื่อร่นเวลากู้คืนระบบให้เหลือศูนย์บนแผนผังเครือข่ายแบบวงแหวนด้วยการส่งแพ๊กเก็ตข้อมูลออกมาทั้งสองทิศทางพร้อมๆ กัน ซึ่ง Node ปลายทางจะรับเฉพาะแพ๊กเก็ตแรกที่มาถึงก่อนโดยปล่อยแพ๊กเก็ตที่ตามหลังมาทิ้งไป

ปกป้องอุปกรณ์มากกว่า

จากที่ได้เคยกล่าวมาแล้วในบล็อกก่อนหน้าว่า หัวต่อที่ใช้กับระบบอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมนั้นแตกต่างจากปกติตรงที่ต้องทนทานต่อปัจจัยที่เลวร้ายกว่าปกติ ไม่ว่าจะเป็นแรงดึงหรือบิด อุณหภูมิที่สูงหรือต่ำมาก สารเคมีกัดกร่อน ไปจนถึงสัญญาณรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้มข้นเป็นพิเศษ ทำให้เรามักพบการใช้หัวต่อแบบล็อกสาย M12 และ M8 เนื่องจากมีความทนทานและออกแบบมาสำหรับรองรับการสั่นสะเทือนได้อย่างต่อเนื่องมากกว่าหัวต่ออีเธอร์เน็ตแบบ RJ-45 ธรรมดาทั่วไป

นอกจากนี้ตัวสายเคเบิลเองก็จำเป็นต้องทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่โหดร้ายด้วย จึงมีการพัฒนาวัสดุหุ้มฉนวนที่ทนต่อแรงดึง ทนต่อสารเคมีมากขึ้น รวมทั้งใช้เส้นลวดต่อมัดจำนวนมากขึ้นเพื่อให้มีความยืดหยุ่นเวลาเคลื่อนที่ไปมา และมีการกำหนดมาตรฐานภายใต้หลักการ M.I.C.E. ที่ทั้งหัวต่อและหายเคเบิลจำเป็นต้องทนทานมากขึ้นในแต่ละพารามิเตอร์ที่อธิบายเงื่อนไขความโหดร้ายของสภาพแวดล้อมสำหรับเครือข่ายในอุตสาหกรรม อันได้แก่ M ที่ย่อมาจาก Mechanical (การยืดหด การสั่นสะเทือน), I คือ Ingress (ความชื้น), C มาจาก Climatic (อุณหภูมิ), ส่วน E มาจาก Electromagnetic (คลื่นรบกวน) โดยมาตรฐาน MICE นี้ถูกนำมาใช้กับโปรโตคอลอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมทุกตัวไม่ว่าจะเป็น EtherNet/IP, ProfiNET, EtherCAT, Modbus-TCP เป็นต้น

และไม่เพียงแค่สายเคเบิลและหัวต่อเท่านั้นที่แตกต่าง ตัวสวิตช์อีเธอร์เน็ตเองก็จำเป็นต้องทนต่อช่วงอุณหภูมิ การกระแทก การสั่นสะเทือนต่างๆ ที่กว้าง ครอบคลุมมากกว่าเดิมด้วย และมักถูกครอบด้วยกล่องโลหะเกรดอุตสาหกรรมที่ใช้การยึดติดกับที่แบบ DIN-rail รวมทั้งยังต้องการความเสถียรและความสามารถในการสำรองการทำงานขั้นสูงด้วย ขณะที่สวิตช์อีเธอร์เน็ตเชิงพาณิชย์ทั่วไปมักมีพาวเวอร์ซัพพลายแค่ตัวเดียว แต่สวิตช์อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมก็มักใช้ระบบจ่ายพลังงานที่มีตัวสำรองร่วมด้วยเสมอ

การทดสอบและแก้ปัญหาระบบที่เป็นเอกลักษณ์

ปัญหาเกี่ยวกับอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมกว่าครึ่งนั้นมักเกี่ยวข้องกับระบบสายเคเบิล ซึ่งสถาพแวดล้อมในโรงงานที่โหดร้ายนั้นมีบทบาทสำคัญ และเป็นปัจจัยที่คุณจำเป็นต้องพิจารณาเวลาทำการทดสอบหรือแก้ปัญหาด้วย ตัวอย่างเช่น สายเคเบิลอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมอาจเผชิญกับปัญหาที่เกิดขึ้นกับความต่อเนื่องของสาย ที่มาจากการยืดดึง การสั่นสะเทือน การกัดกร่อน หรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ซึ่งการทดสอบความต่อเนื่องของสาย (Continuity) จะช่วยให้ค้นพบจุดเปิดของการเชื่อมต่อ หรือการเชื่อมต่อที่ไม่ได้ประสิทธิภาพที่ต้องอาศัยการตรวจวัดค่าความต้านทานของตัวนำแต่ละตัว ซึ่งเราสามารถทำได้โดยทดสอบค่า DC Resistance Unbalance ด้วยอุปกรณ์ทดสอบในซีรี่ย์ DSX CableAnalyzer™ ของ Fluke Networks ที่จะคอยดูความแตกต่างของค่าความต้านทานระหว่างตัวนำในคู่สาย ซึ่งถ้าสูงเกินไปก็อาจกระทบประสิทธิภาพของการเชื่อมต่อได้

สัญญาณรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือ EMI ที่แทนด้วยค่า E ใน M.I.C.E ก็สามารถสร้างความเสียหายแก่แพ็กเก็ตข้อมูลอีเธอร์เน็ตได้ สำหรับการค้นหาว่าสายเคเบิลอ่อนไหวต่อค่า EMI หรือไม่นั้น อุปกรณ์ DSX CableAnalyzer จะทดสอบค่า Transverse Conversion Loss (TCL) และ Equal Level Transverse Conversion Transfer Loss (ELTCTL) ซึ่งรองรับทั้งมาตรฐาน TIA และ ISO M.I.C.E. โดยเวลาทดสอบก็สามารถเลือกค่า E ในมาตรฐาน M.I.C.E. ให้ตรงกับ “E” ที่แท้จริงของสภาพแวดล้อมได้ โดย E1 สำหรับสภาพแวดล้อมในสำนักงานทั่วไป, E3 เป็นสภาพแวดล้อมที่มีแหล่งกำเนิด EMI เข้มข้นสูง และ E2 หมายถึงสายเคเบิลที่ลากระหว่างพื้นที่ E1 และ E3

แน่นอนว่าระหว่างการทดสอบนั้นก็จำเป็นต้องทำให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ทดสอบใช้อินเทอร์เฟซ และรูปแบบการติดตั้งรพบบทดสอบที่เหมาะสม ซึ่งระบบในอุตสาหกรรมนั้นมักจะเห็นสายเคเบิลที่ใช้หัวต่อแบบ M12 ลากจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งโดยไม่มีการเชื่อมต่อข้ามหรือเชื่อมต่อโยงระหว่างกัน ทำให้เห็นอยู่ในรูปสายเคเบิลเดี่ยวที่มีระยะทางยาว การทดสอบช่องสัญญาณนั้นไม่ได้รวมการวัดประสิทธิภาพของการเสียบสายของปลายสายทั้งสองด้าน ทาง ISO/IEC จึงเพิ่มข้อกำหนดการทดสอบแบบ End-to-End (E2E) เข้ามาในมาตรฐาน 11801-3 ซึ่งสามารถทดสอบได้โดยใช้อแดปเตอร์ DSX M12D หรือ M12X ที่มีอยู่ในชุดอุปกรณ์ทดสอบ DSX CableAnalyzer

นอกจากนี้ เราก็มักจะเห็นลิงค์แบบ Point-to-Point ที่ปลายด้านหนึ่งใช้หัวต่อแบบ M12 ส่วนอีกด้านหนึ่งใช้หัวเสียบแบบ RJ45 ด้วย กรณีนี้คุณจำเป็นต้องใช้อแดปเตอร์แบบ M12 ที่ปลายด้านหนึ่ง และใช้อแดปเตอร์แบบ Patch Cord ที่ใช้สำหรับทดสอบประสิทธิภาพของหัวต่อแบบ RJ45 ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง

ที่มา : https://www.flukenetworks.com/blog/cabling-chronicles/industrial-ethernet-vs-commercial