Hayden Ali, ingeniero de redes
Glosario de Ethernet industrial
Protocolos de comunicación Industrial Ethernet
Ethernet se está volviendo omnipresente y rentable, con enlaces físicos comunes y mayor velocidad. Como tal, muchos protocolos de comunicación industrial se están trasladando a soluciones basadas en Ethernet. Las comunicaciones Ethernet con TCP/IP normalmente no son deterministas y el tiempo de reacción suele ser de alrededor de 100 ms. Los protocolos de Ethernet industrial utilizan una capa de control de acceso a medios (MAC) modificada para lograr una latencia muy baja y respuestas deterministas. Ethernet también permite una topología de red flexible y un número flexible de nodos en el sistema. Veamos en detalle algunos de los protocolos populares de Industrial Ethernet.
EtherCAT, un protocolo optimizado para datos de proceso, utiliza tramas Ethernet estándar IEEE 802.3. Cada nodo esclavo procesa su datagrama e inserta los nuevos datos en el marco mientras cada marco pasa. El proceso se maneja en hardware, por lo que cada nodo introduce una latencia de procesamiento mínima, lo que permite el tiempo de respuesta más rápido posible. EtherCAT es el protocolo de capa MAC y es transparente a cualquier protocolo Ethernet de nivel superior, como TCP/IP, UDP, servidor web, etc. EtherCAT puede conectar hasta 65,535 XNUMX nodos en un sistema y EtherCAT master puede ser un controlador Ethernet estándar, lo que simplifica la configuración de la red. Debido a la baja latencia de cada nodo de agente, EtherCAT ofrece soluciones Ethernet industriales flexibles, de bajo costo y compatibles con la red.
EtherNet / IP es un protocolo de capa de aplicación sobre TCP/IP. EtherNet/IP utiliza capas de transporte, red y enlace de datos estándar de Ethernet mientras utiliza el protocolo industrial común (CIP) sobre TCP/IP. CIP proporciona un conjunto estándar de mensajes y servicios para sistemas de control de automatización industrial y se puede utilizar en múltiples medios físicos. Por ejemplo, CIP sobre el bus CAN se llama DeviceNet, CIP sobre la red dedicada se llama ControlNet y CIP sobre Ethernet se llama EtherNet/IP. EtherNet/IP establece la comunicación de un nodo de aplicación a otro a través de conexiones CIP sobre una conexión TCP, y se pueden establecer múltiples conexiones CIP sobre una conexión TCP.
PROFINET es una Ethernet industrial ampliamente utilizada por los principales fabricantes de equipos industriales como Siemens y GE. Tiene tres clases diferentes. PROFINET Clase A proporciona acceso a una red PROFIBUS a través de un proxy, uniendo Ethernet y PROFIBUS con un procedimiento remoto que llama a TCP/IP. Su tiempo de ciclo es de alrededor de 100 ms, y es
se utiliza principalmente para datos de parámetros y E/S cíclica. La aplicación típica incluye infraestructura y automatización de edificios. PROFINET Clase B, también conocido como PROFINET Real-Time (PROFINET RT), introduce un enfoque en tiempo real basado en software y ha reducido el tiempo de ciclo a alrededor de 10 ms. La clase B se usa típicamente en la automatización de fábricas y la automatización de procesos. PROFINET Clase C (PROFINET IRT) es isócrono y en tiempo real, lo que requiere un hardware especial para reducir el tiempo de ciclo a menos de 1 ms para ofrecer un rendimiento suficiente en Ethernet industrial en tiempo real para operaciones de control de movimiento. PROFINET RT se puede utilizar en aplicaciones de tipo PLC, mientras que PROFINET IRT es una buena opción para aplicaciones de movimiento. Branch y Star son las topologías comunes utilizadas para PROFINET. Se requiere una cuidadosa planificación de la topología para que las redes PROFINET logren el rendimiento requerido del sistema.
ENLACE DE ENERGÍA fue desarrollado originalmente por B&R. Ethernet POWERLINK se implementa sobre IEEE 802.3 y, por lo tanto, permite una selección libre de topología de red, conexión cruzada y conexión en caliente. Utiliza un mecanismo de sondeo y división de tiempo para el intercambio de datos en tiempo real. Un maestro POWERLINK o "Nodo administrado" controla la sincronización de tiempo a través de la fluctuación de paquetes en el rango de decenas de nanosegundos. Dicho sistema es adecuado para todo tipo de sistemas de automatización, desde comunicación y visualización de PLC a PLC hasta control de movimiento y E/S. Las barreras para implementar POWERLINK son bastante bajas debido a la disponibilidad de software de pila de código abierto. Además, CANopen es parte del estándar que permite actualizaciones sencillas del sistema a partir de protocolos de bus de campo anteriores.
Sercos III es la tercera generación del Sistema de Comunicación Serial en Tiempo Real (Sercos). Combina el procesamiento de paquetes sobre la marcha para ofrecer Ethernet en tiempo real y comunicación TCP/IP estándar para ofrecer Ethernet industrial de baja latencia. Al igual que EtherCAT, un esclavo Sercos III procesa el paquete extrayendo e insertando datos en la trama de Ethernet sobre la marcha para lograr una latencia baja. Sercos III separa los datos de entrada y salida en dos marcos. Con tiempos de ciclo a partir de 31.25 microsegundos, es tan rápido como EtherCAT y PROFINET IRT. Sercos III admite topología de anillo o línea. Una ventaja clave del uso de la topología en anillo es la redundancia de comunicación. Incluso si el anillo se rompe debido a la falla de un esclavo, todos los esclavos restantes aún obtienen las tramas Sercos III con datos de entrada/salida. Sercos III puede tener 511 nodos esclavos en una red y se usa principalmente en controles de servoaccionamiento.
Redes sensibles al tiempo (TSN) es una extensión de Ethernet definida por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) diseñada para hacer que las redes basadas en Ethernet sean más deterministas. TSN es una red de área local (LAN), una solución de nivel que puede funcionar con Ethernet que no sea TSN, pero la puntualidad solo está garantizada dentro de la LAN TSN. Puede agrupar los estándares de TSN según el caso de uso que resuelve: una vista común del tiempo, latencia máxima garantizada o coexistencia con tráfico de fondo u otro tipo de tráfico. Como cualquier estándar popular, la caja de herramientas de estándares de TSN está evolucionando.