Γλωσσάριο Industrial Ethernet

Πρωτόκολλα βιομηχανικής επικοινωνίας Ethernet

Το Ethernet γίνεται πανταχού παρόν και οικονομικό, με κοινές φυσικές συνδέσεις και αυξημένη ταχύτητα. Ως εκ τούτου, πολλά βιομηχανικά πρωτόκολλα επικοινωνίας μετακινούνται σε λύσεις που βασίζονται σε Ethernet. Οι επικοινωνίες Ethernet με TCP/IP είναι συνήθως μη ντετερμινιστικές και ο χρόνος αντίδρασης είναι συχνά περίπου 100 ms. Τα βιομηχανικά πρωτόκολλα Ethernet χρησιμοποιούν ένα τροποποιημένο επίπεδο ελέγχου πρόσβασης μέσων (MAC) για την επίτευξη πολύ χαμηλής καθυστέρησης και ντετερμινιστικών αποκρίσεων. Το Ethernet επιτρέπει επίσης μια ευέλικτη τοπολογία δικτύου και έναν ευέλικτο αριθμό κόμβων στο σύστημα. Ας δούμε μερικά από τα δημοφιλή Industrial Ethernet πρωτόκολλα λεπτομερώς.

EtherCAT, ένα πρωτόκολλο βελτιστοποιημένο για δεδομένα διεργασίας, χρησιμοποιεί τυπικά πλαίσια Ethernet IEEE 802.3. Κάθε slave κόμβος επεξεργάζεται το datagram του και εισάγει τα νέα δεδομένα στο πλαίσιο ενώ κάθε πλαίσιο διέρχεται. Η επεξεργασία της διαδικασίας γίνεται σε υλικό, έτσι ώστε κάθε κόμβος να εισάγει την ελάχιστη καθυστέρηση επεξεργασίας, επιτρέποντας τον ταχύτερο δυνατό χρόνο απόκρισης. Το EtherCAT είναι το πρωτόκολλο επιπέδου MAC και είναι διαφανές σε οποιαδήποτε πρωτόκολλα Ethernet υψηλότερου επιπέδου, όπως TCP/IP, UDP, διακομιστής Web, κ.λπ. απλοποιώντας έτσι τη διαμόρφωση του δικτύου. Λόγω της χαμηλής καθυστέρησης κάθε κόμβου πράκτορα, το EtherCAT παρέχει ευέλικτες, χαμηλού κόστους και συμβατές με το δίκτυο βιομηχανικές λύσεις Ethernet.

EtherNet / IP είναι ένα πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής πάνω από το TCP/IP. Το EtherNet/IP χρησιμοποιεί τυπικά επίπεδα φυσικής Ethernet, σύνδεσης δεδομένων, δικτύου και μεταφοράς ενώ χρησιμοποιεί το Κοινό Βιομηχανικό Πρωτόκολλο (CIP) μέσω TCP/IP. Το CIP παρέχει ένα τυπικό σύνολο μηνυμάτων και υπηρεσιών για συστήματα ελέγχου βιομηχανικού αυτοματισμού και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλαπλά φυσικά μέσα. Για παράδειγμα, το CIP μέσω διαύλου CAN ονομάζεται DeviceNet, το CIP μέσω του αποκλειστικού δικτύου ονομάζεται ControlNet και το CIP μέσω Ethernet ονομάζεται EtherNet/IP. Το EtherNet/IP δημιουργεί επικοινωνία από έναν κόμβο εφαρμογής σε έναν άλλο μέσω συνδέσεων CIP μέσω μιας σύνδεσης TCP και μπορούν να δημιουργηθούν πολλαπλές συνδέσεις CIP μέσω μιας σύνδεσης TCP.

ΠΡΟΦΙΛ είναι ένα βιομηχανικό Ethernet που χρησιμοποιείται ευρέως από μεγάλους κατασκευαστές βιομηχανικού εξοπλισμού όπως η Siemens και η GE. Έχει τρεις διαφορετικές κατηγορίες. Το PROFINET Class A παρέχει πρόσβαση σε ένα δίκτυο PROFIBUS μέσω διακομιστή μεσολάβησης, γεφύρωσης Ethernet και PROFIBUS με μια απομακρυσμένη διαδικασία που καλεί το TCP/IP. Ο χρόνος κύκλου του είναι περίπου 100 ms, και είναι

χρησιμοποιείται κυρίως για δεδομένα παραμέτρων και κυκλικές εισόδους/εξόδους. Η τυπική εφαρμογή περιλαμβάνει υποδομές και αυτοματισμούς κτιρίων. Το PROFINET Class B, που αναφέρεται επίσης ως PROFINET Real-Time (PROFINET RT), εισάγει μια προσέγγιση σε πραγματικό χρόνο που βασίζεται σε λογισμικό και έχει μειώσει τον χρόνο κύκλου σε περίπου 10 ms. Η κλάση Β χρησιμοποιείται συνήθως στον αυτοματισμό εργοστασίων και στον αυτοματισμό διεργασιών. Το PROFINET Class C (PROFINET IRT), είναι Ισόχρονο και σε πραγματικό χρόνο, απαιτεί ειδικό υλικό για τη μείωση του χρόνου κύκλου σε λιγότερο από 1ms για να προσφέρει επαρκή απόδοση στο βιομηχανικό Ethernet σε πραγματικό χρόνο για λειτουργίες ελέγχου κίνησης. Το PROFINET RT μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές τύπου PLC, ενώ το PROFINET IRT είναι κατάλληλο για εφαρμογές κίνησης. Το Branch και το Star είναι οι κοινές τοπολογίες που χρησιμοποιούνται για το PROFINET. Απαιτείται προσεκτικός σχεδιασμός τοπολογίας για τα δίκτυα PROFINET για την επίτευξη της απαιτούμενης απόδοσης του συστήματος.

POWERLINK αναπτύχθηκε αρχικά από την B&R. Το Ethernet POWERLINK υλοποιείται πάνω από το IEEE 802.3 και, ως εκ τούτου, επιτρέπει μια ελεύθερη επιλογή τοπολογίας δικτύου, διασύνδεσης και hotplug. Χρησιμοποιεί μηχανισμό ψηφοφορίας και κοπής χρόνου για ανταλλαγή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Μια κύρια μονάδα POWERLINK ή ένας "Διαχειριζόμενος κόμβος" ελέγχει το συγχρονισμό του χρόνου μέσω του jitter πακέτων στην περιοχή των 10 δευτερολέπτων των νανοδευτερόλεπτων. Ένα τέτοιο σύστημα είναι κατάλληλο για όλα τα είδη συστημάτων αυτοματισμού που κυμαίνονται από επικοινωνία και οπτικοποίηση PLC-to-PLC έως έλεγχο κίνησης και I/O. Τα εμπόδια στην εφαρμογή του POWERLINK είναι αρκετά χαμηλά λόγω της διαθεσιμότητας λογισμικού στοίβας ανοιχτού κώδικα. Επιπλέον, το CANopen είναι μέρος του προτύπου που επιτρέπει εύκολες αναβαθμίσεις συστήματος από προηγούμενα πρωτόκολλα Fieldbus.

Sercos III είναι η τρίτη γενιά του Συστήματος Σειριακής Επικοινωνίας σε πραγματικό χρόνο (Sercos). Συνδυάζει την on-the-fly επεξεργασία πακέτων για την παροχή Ethernet σε πραγματικό χρόνο και τυπική επικοινωνία TCP/IP για την παροχή βιομηχανικού Ethernet χαμηλής καθυστέρησης. Όπως το EtherCAT, ένα slave Sercos III επεξεργάζεται το πακέτο εξάγοντας και εισάγοντας δεδομένα στο πλαίσιο Ethernet on-the-fly για να επιτύχει χαμηλό λανθάνοντα χρόνο. Το Sercos III διαχωρίζει τα δεδομένα εισόδου και εξόδου σε δύο πλαίσια. Με χρόνους κύκλου από 31.25 μικροδευτερόλεπτα, είναι τόσο γρήγορο όσο το EtherCAT και το PROFINET IRT. Το Sercos III υποστηρίζει τοπολογία δακτυλίου ή γραμμής. Ένα βασικό πλεονέκτημα στη χρήση της τοπολογίας δακτυλίου είναι ο πλεονασμός επικοινωνίας. Ακόμα κι αν ο δακτύλιος σπάσει λόγω αποτυχίας ενός slave, όλα τα υπόλοιπα slaves εξακολουθούν να λαμβάνουν τα πλαίσια Sercos III με δεδομένα εισόδου/εξόδου. Το Sercos III μπορεί να έχει 511 slave κόμβους σε ένα δίκτυο και χρησιμοποιείται περισσότερο σε χειριστήρια σερβομηχανής.

Χρονοευαίσθητη δικτύωση (TSN) είναι μια επέκταση Ethernet που ορίζεται από το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (IEEE) που έχει σχεδιαστεί για να κάνει τα δίκτυα που βασίζονται σε Ethernet πιο ντετερμινιστικά. Το TSN είναι ένα τοπικό δίκτυο (LAN) - μια λύση επιπέδου που μπορεί να λειτουργήσει με Ethernet που δεν είναι TSN, αλλά η επικαιρότητα είναι εγγυημένη μόνο εντός του LAN TSN. Μπορείτε να ομαδοποιήσετε τα πρότυπα TSN με βάση την περίπτωση χρήσης που επιλύει: κοινή προβολή του χρόνου, εγγυημένη μέγιστη καθυστέρηση ή συνύπαρξη με φόντο ή άλλη κίνηση. Όπως κάθε δημοφιλές πρότυπο, η εργαλειοθήκη προτύπων TSN εξελίσσεται.