Hayden Ali, síťový inženýr
Slovník průmyslového Ethernetu
Komunikační protokoly průmyslového Ethernetu
Ethernet se stává všudypřítomným a nákladově efektivním, s běžnými fyzickými spoji a vyšší rychlostí. Mnoho průmyslových komunikačních protokolů jako takových přechází na řešení založená na Ethernetu. Ethernetová komunikace s TCP/IP je obvykle nedeterministická a reakční doba je často kolem 100 ms. Protokoly průmyslového Ethernetu využívají upravenou vrstvu Media Access Control (MAC) pro dosažení velmi nízké latence a deterministických odezev. Ethernet také umožňuje flexibilní topologii sítě a flexibilní počet uzlů v systému. Podívejme se podrobně na některé populární protokoly průmyslového Ethernetu.
EtherCAT, protokol optimalizovaný pro procesní data, používá standardní IEEE 802.3 Ethernet Frames. Každý podřízený uzel zpracovává svůj datagram a vkládá nová data do rámce, zatímco každý rámec prochází. Proces je řešen hardwarově, takže každý uzel zavádí minimální zpoždění zpracování, což umožňuje nejrychlejší možnou dobu odezvy. EtherCAT je protokol vrstvy MAC a je transparentní pro všechny ethernetové protokoly vyšší úrovně, jako je TCP/IP, UDP, webový server atd. EtherCAT může připojit až 65,535 XNUMX uzlů v systému a EtherCAT master může být standardní ethernetový řadič, což zjednodušuje konfiguraci sítě. Vzhledem k nízké latenci každého uzlu agenta poskytuje EtherCAT flexibilní, nízkonákladová a síťově kompatibilní řešení průmyslového Ethernetu.
EtherNet / IP je protokol aplikační vrstvy nad TCP/IP. EtherNet/IP využívá standardní ethernetové fyzické, datové spoje, síťové a transportní vrstvy a využívá Common Industrial Protocol (CIP) přes TCP/IP. CIP poskytuje standardní sadu zpráv a služeb pro řídicí systémy průmyslové automatizace a lze jej použít na více fyzických médiích. Například CIP přes sběrnici CAN se nazývá DeviceNet, CIP přes vyhrazenou síť se nazývá ControlNet a CIP přes Ethernet se nazývá EtherNet/IP. EtherNet/IP navazuje komunikaci z jednoho aplikačního uzlu do druhého prostřednictvím připojení CIP přes připojení TCP a přes jedno připojení TCP lze navázat více připojení CIP.
PROFINET je široce používaný průmyslový Ethernet velkými výrobci průmyslových zařízení, jako jsou Siemens a GE. Má tři různé třídy. PROFINET Třída A poskytuje přístup k síti PROFIBUS přes proxy, přemosťuje Ethernet a PROFIBUS vzdáleným voláním procedury na TCP/IP. Jeho doba cyklu je kolem 100 ms a je
většinou se používá pro parametrická data a cyklické I/O. Typická aplikace zahrnuje infrastrukturu a automatizaci budov. PROFINET Class B, také označovaný jako PROFINET Real-Time (PROFINET RT), zavádí softwarový přístup v reálném čase a zkrátil dobu cyklu na přibližně 10 ms. Třída B se obvykle používá v automatizaci továren a automatizaci procesů. PROFINET třídy C (PROFINET IRT) je izochronní a pracuje v reálném čase a vyžaduje speciální hardware ke zkrácení doby cyklu na méně než 1 ms, aby byl zajištěn dostatečný výkon na průmyslovém Ethernetu v reálném čase pro operace řízení pohybu. PROFINET RT lze použít v aplikacích typu PLC, zatímco PROFINET IRT je vhodný pro pohybové aplikace. Větev a hvězda jsou běžné topologie používané pro PROFINET. Pro sítě PROFINET je vyžadováno pečlivé plánování topologie, aby bylo dosaženo požadovaného výkonu systému.
POWERLINK byl původně vyvinut společností B&R. Ethernet POWERLINK je implementován nad IEEE 802.3, a proto umožňuje volný výběr topologie sítě, křížového připojení a hotplug. Pro výměnu dat v reálném čase používá mechanismus dotazování a časového segmentování. Master POWERLINK neboli „Managed Node“ řídí časovou synchronizaci prostřednictvím jitteru paketů v rozsahu 10 s nanosekund. Takový systém je vhodný pro všechny druhy automatizačních systémů od komunikace a vizualizace PLC k PLC až po řízení pohybu a I/O. Překážky pro implementaci POWERLINK jsou poměrně nízké kvůli dostupnosti open-source stack softwaru. CANopen je navíc součástí standardu, který umožňuje snadné upgrady systému z předchozích protokolů Fieldbus.
Sercos III je třetí generací sériového komunikačního systému v reálném čase (Sercos). Kombinuje průběžné zpracování paketů pro poskytování Ethernetu v reálném čase a standardní TCP/IP komunikace pro poskytování průmyslového Ethernetu s nízkou latencí. Podobně jako EtherCAT, i Sercos III slave zpracovává pakety extrahováním a vkládáním dat do ethernetového rámce za běhu, aby bylo dosaženo nízké latence. Sercos III odděluje vstupní a výstupní data do dvou rámců. S dobami cyklů od 31.25 mikrosekund je stejně rychlý jako EtherCAT a PROFINET IRT. Sercos III podporuje kruhovou nebo linkovou topologii. Jednou z klíčových výhod používání kruhové topologie je redundance komunikace. I když se kruh přeruší kvůli selhání jednoho slave, všechny zbývající slave stále dostanou rámce Sercos III se vstupními/výstupními daty. Sercos III může mít 511 podřízených uzlů v jedné síti a nejvíce se používá v řízení servopohonů.
Časově citlivé sítě (TSN) je ethernetové rozšíření definované Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) navržené tak, aby sítě založené na Ethernetu byly determinističtější. TSN je lokální síť (LAN) – řešení na úrovni, které může pracovat s jiným Ethernetem než TSN, ale včasnost je zaručena pouze v rámci TSN LAN. Standardy TSN můžete seskupit podle toho, jaký případ použití řeší: společný pohled na čas, garantovaná maximální latence nebo koexistence s provozem na pozadí nebo jiným provozem. Jako každý populární standard se i sada nástrojů TSN vyvíjí.