Ewolucja komunikacji w przemyśle – od kodu Morse’a po przemysłowy Ethernet i IIoT
Kiedyś: ••• — •••
Dziś: | Preambuła (7 B) | SFD (1 B) | Dest MAC (6 B) | Src MAC (6 B) | EtherType (2 B) | Payload (46–1500 B) | FCS (4 B) |
Wstęp
Historia
Porównanie
Zalety
Rozwiązanie
Kontakt
Dane firmy
Pierwsze systemy transmisji danych wykorzystywały sygnały impulsowe. Samuel Morse opracował kod, w którym litery i cyfry przedstawiano jako serie krótkich i długich impulsów elektrycznych, kropek ( • ) i kresek ( – ). Kod Morse’a został zaprojektowany tak, aby operator mógł go zrozumieć słuchem lub wzrokiem (np. lampką świetlną) bez dodatkowego dekodera.
Pierwsza wiadomość przesłana telegraficznie za pomocą alfabetu Morse’a została nadana 24 maja 1844 roku przez Samuela Morse’a. Brzmiała: „What hath God wrought” („Co Bóg uczynił”) i została wysłana z Kapitolu w Waszyngtonie do Baltimore.
Wraz z rozwojem technologii komputerowych zaistniała potrzeba stworzenia takiego systemu transmisji danych, aby wszyscy korzystali z jednego standardu.
Tak też w latach 1970-tych rozpoczęto pracę nad opracowaniem podstawy wszystkich obecnie stosowanych protokołów komunikacyjnych i tak powstał model ISO/OSI.
Naturalną ewolucją, oferującą mechanizmy korekcji błędów, routingu i komutacji, czy skalowalne globalne sieci były sygnały cyfrowe. Sygnał cyfrowy posiadający skończony zbiór stanów (np. dwa poziomy napięcia) jest z natury odporniejszy na zakłócenia. Takie cyfrowe pakiety danych (Ethernet, TCP/IP) Komputery i urządzenia IoT przesyłają dziś miliardy bitów w czasie rzeczywistym.
| Protokół | Rok wdrożenia | Medium fizyczne | Prędkość (maks.) | Model/Topologia | Typowe zastosowania |
| Modbus RTU/ASCII | 1979 | RS-232/RS-485 (szeregowa) | do 115 kbit/s (RS-485) | master–slave (klient–serwer) | Sterowniki PLC, czujniki, SCADA |
| CAN (CANopen) | 1986 | 2× przewód skręcany (differential) | do 1 Mbit/s | multi-master, broadcast | Motoryzacja, sterowania maszyn (CANopen, DeviceNet) |
| PROFIBUS DP | 1989 | RS-485 (skrętka), światłowód (opcjonalnie) | 9,6 kbit/s – 12 Mbit/s | master–slave / multicast | Automatyka przemysłowa (I/O, układy sterowania) |
| PROFINET IO | ok. 2001 | Ethernet (skrętka, światłowód) | 100 Mbit/s – 1 Gbit/s | Ethernet przemysłowy (real-time) | Sieci automatyki, integracja z IT |
| OPC UA | 2008–2010 | Ethernet/Wi-Fi (TCP/IP) | zależne od sieci (Gb/s) | klient–serwer (oraz pub/sub) | Integracja systemów, SCADA, chmura |
| MQTT | 2010 | Ethernet/Wi-Fi (TCP/IP) | zależne od sieci (sieć IP) | publish–subscribe | IoT, zdalny pomiar, telemetria |
| PROFINET APL | 2018–2019 | Single-pair Ethernet (2-żyłowa skrętka, intrinsically safe) | 10 Mbit/s, full-duplex | deterministyczny Ethernet (real-time) | Procesowa automatyka w strefach zagrożonych, urządzenia polowe |
W ewolucji nośników też przeszliśmy długą drogę; od miedzianych drutów i skrętki w pierwszych telegrafach, przez fale radiowe (Wi-Fi, Bluetooth, LoRaWAN), po światłowody zapewniające ogromną przepustowość i odporność na zakłócenia elektromagnetyczne.
Przez długie lata głównym medium pozostawała miedziana para skrętkowa (lub przewód koncentryczny), wykorzystywana w telefonii, układach RS-232 czy RS-485. Każde medium odpowiada innemu wyzwaniu: od mobilności po dystans i wydajność, które należy wziąć pod uwagę chcąc zapewnić ciągłość komunikacji. Jeśli potrzebujesz pomocy w doborze skontaktuj się z naszymi ekspertami: https://nm-d.pl/
Rewolucja cyfrowa przyniosła automatyzację komunikacji. Tam, gdzie dawniej człowiek musiał kodować słowa na kluczu telegraficznym, pojawiły się maszyny, a pomiary odbywały się analogowo (sygnały napięciowe/ prądowe 4–20 mA). Później wprowadzono przetworniki A/C w sterownikach PLC (pierwszy PLC w 1968 r. dla General Motors), co umożliwiło cyfrową obróbkę danych.
Szybkość transmisji
Początkowo telegracja Morse’a osiągała zaledwie kilkadziesiąt bitów na minutę (kilka słów tekstu na minutę). Dziś nawet lokalne sieci przemysłowe przekazują setki megabitów na sekundę. Przykładowo magistrala PROFIBUS DP oferuje do 12 Mbit/s, a standardowy przemysłowy Ethernet – 100 Mbit/s lub 1 Gbit/s. Światłowody dodają kolejny porządek wielkości, umożliwiając transmisję gigabitów na dziesiątki kilometrów. Zastosowanie cyfrowej modulacji i szerokopasmowych nośników (światłowodowych) dramatycznie zwiększyło przepustowość sieci przemysłowych.
Niezawodność
Cyfrowe protokoły są mniej podatne na zakłócenia niż analogowe. Dzięki cyfryzacji możliwe jest stosowanie korekcji błędów, sum kontrolnych i detekcji retransmisji. Jak wskazują źródła, obecnie telekomunikacja jest niemal w całości cyfrowa, ponieważ takie podejście jest bardziej powtarzalne i niezawodne. W praktyce oznacza to mniejsze błędy transmisji i większą stabilność systemów. Wiele współczesnych magistrali (np. CAN, PROFIBUS) ma wbudowaną kontrolę błędów ramek, co poprawia stabilność pracy.
Bezpieczeństwo
Tradycyjne protokoły przemysłowe (Modbus, CAN, PROFIBUS) powstały w czasach, gdy kwestie cyberbezpieczeństwa nie były priorytetem. Brakowało w nich mechanizmów autentykacji czy szyfrowania – dane przesyłano „w postaci otwartej”. Współczesne rozwiązania projektowane są z myślą o ochronie informacji. Przykładowo OPC UA został stworzony, by sprostać wymaganiom bezpieczeństwa i elastyczności w środowisku przemysłowym. Implementuje on uwierzytelnianie, szyfrowanie i cyfrowe podpisy, co znacząco podnosi odporność sieci na ataki. Również w protokołach IoT, takich jak MQTT, można wykorzystywać bezpieczne wersje (MQTTS z TLS).
Kompatybilność i interoperacyjność
W przeszłości różne standardy sieciowe były niekompatybilne (każdy producent mógł mieć własny protokół). To utrudnia integrację – np. łączenie sieci PROFIBUS z Modbus wymagało stosowania bramek konwertujących protokół. Sieci fieldbus z powodu różnych architektur potrzebują dodatkowych urządzeń (gateway), co komplikuje system i podnosi koszty. Wraz z nadejściem nowych standardów stawia się na uniwersalność: standardy jak OPC UA zostały zaprojektowane do współpracy między sprzętem różnych dostawców, ujednolicając model danych i przepływ informacji. Dzięki temu dzisiejsze systemy łatwiej integrują urządzenia różnych firm, co upraszcza budowę kompleksowych instalacji przemysłowych.
Od czasów Morse’a do dziś obserwujemy transformację od prymitywnych impulsów ręcznie nadawanych przez człowieka, przez ciągłe analogowe fale, aż po szybkie, cyfrowe sieci zautomatyzowane. Każda kolejna generacja sygnałów i protokołów przynosiła większe prędkości, niezawodność i funkcje bezpieczeństwa, a także lepszą współpracę pomiędzy urządzeniami. Dzięki temu nowoczesne standardy komunikacji przemysłowej realizują cele integracji Przemysłu 4.0 i IoT, zapewniając niezawodne i bezpieczne przesyłanie danych na masową skalę.
W niedalekiej przyszłości możemy się spodziewać wdrożeń 5G, TSN (Time-Sensitive Networking) i digital twins oraz głębszej integracji IIoT, co jeszcze bardziej zintegruje systemy sterowania i analizy danych w czasie rzeczywistym. Niezależnie jaką aplikację tworzysz, niezależnie jakich protokołów używasz, w NM-D możesz liczyć na pomoc techniczną naszego działu inżynierów automatyki.
Kontakt
Masz pytanie? Napisz do nas!
Nasze oddziały zostały rozmieszczone w strategicznych częściach całego kraju. Dzięki temu mamy kontakt z każdym naszym partnerem, bez względu na to, gdzie się znajduje.
Znajdź nasz najbliższy oddział.
