Glossario Ethernet industriale

Protocolli di comunicazione Industrial Ethernet

Ethernet sta diventando onnipresente e conveniente, con collegamenti fisici comuni e maggiore velocità. Pertanto, molti protocolli di comunicazione industriale stanno passando a soluzioni basate su Ethernet. Le comunicazioni Ethernet con TCP/IP in genere sono non deterministiche e il tempo di reazione è spesso di circa 100 ms. I protocolli Industrial Ethernet utilizzano un livello MAC (Media Access Control) modificato per ottenere una latenza molto bassa e risposte deterministiche. Ethernet consente inoltre una topologia di rete flessibile e un numero flessibile di nodi nel sistema. Diamo un'occhiata in dettaglio ad alcuni dei più diffusi protocolli Industrial Ethernet.

EtherCAT, un protocollo ottimizzato per i dati di processo, utilizza frame Ethernet standard IEEE 802.3. Ogni nodo slave elabora il proprio datagramma e inserisce i nuovi dati nel frame durante il passaggio di ogni frame. Il processo è gestito nell'hardware in modo che ogni nodo introduca una latenza di elaborazione minima, consentendo il tempo di risposta più rapido possibile. EtherCAT è il protocollo del livello MAC ed è trasparente a qualsiasi protocollo Ethernet di livello superiore come TCP/IP, UDP, server Web, ecc. EtherCAT può connettere fino a 65,535 nodi in un sistema e il master EtherCAT può essere un controller Ethernet standard, semplificando così la configurazione di rete. Grazie alla bassa latenza di ciascun nodo agente, EtherCAT offre soluzioni Ethernet industriali flessibili, a basso costo e compatibili con la rete.

EtherNet / IP è un protocollo a livello di applicazione su TCP/IP. EtherNet/IP utilizza i livelli fisici, di collegamento dati, di rete e di trasporto Ethernet standard mentre utilizza il protocollo CIP (Common Industrial Protocol) su TCP/IP. CIP fornisce un set standard di messaggi e servizi per i sistemi di controllo dell'automazione industriale e può essere utilizzato su più supporti fisici. Ad esempio, CIP su bus CAN è chiamato DeviceNet, CIP su rete dedicata è chiamato ControlNet e CIP su Ethernet è chiamato EtherNet/IP. EtherNet/IP stabilisce la comunicazione da un nodo dell'applicazione a un altro tramite connessioni CIP su una connessione TCP ed è possibile stabilire più connessioni CIP su una connessione TCP.

PROFINET è un Ethernet industriale ampiamente utilizzato dai principali produttori di apparecchiature industriali come Siemens e GE. Ha tre diverse classi. PROFINET Classe A fornisce l'accesso a una rete PROFIBUS tramite un proxy, collegando Ethernet e PROFIBUS con una procedura remota che richiama TCP/IP. Il suo tempo di ciclo è di circa 100 ms, e lo è

utilizzato principalmente per i dati dei parametri e l'I/O ciclico. L'applicazione tipica include l'infrastruttura e l'automazione degli edifici. PROFINET Class B, noto anche come PROFINET Real-Time (PROFINET RT), introduce un approccio in tempo reale basato su software e ha ridotto il tempo di ciclo a circa 10 ms. La classe B è tipicamente utilizzata nell'automazione di fabbrica e nell'automazione di processo. PROFINET Classe C (PROFINET IRT) è isocrono e in tempo reale e richiede hardware speciale per ridurre il tempo di ciclo a meno di 1 ms per fornire prestazioni sufficienti sull'Ethernet industriale in tempo reale per le operazioni di controllo del movimento. PROFINET RT può essere utilizzato in applicazioni di tipo PLC, mentre PROFINET IRT è adatto per applicazioni di movimento. Branch e Star sono le topologie comuni utilizzate per PROFINET. Affinché le reti PROFINET raggiungano le prestazioni richieste del sistema, è necessaria un'attenta pianificazione della topologia.

POWERLINK è stato originariamente sviluppato da B&R. Ethernet POWERLINK è implementato su IEEE 802.3 e, pertanto, consente una libera selezione di topologia di rete, cross-connect e hotplug. Utilizza un meccanismo di polling e time slicing per lo scambio di dati in tempo reale. Un master POWERLINK o "Managed Node" controlla la sincronizzazione dell'ora attraverso il jitter dei pacchetti nell'intervallo di 10 secondi di nanosecondi. Tale sistema è adatto a tutti i tipi di sistemi di automazione, dalla comunicazione e visualizzazione da PLC a PLC fino al controllo del movimento e degli I/O. Gli ostacoli all'implementazione di POWERLINK sono piuttosto bassi grazie alla disponibilità di software stack open source. Inoltre, CANopen fa parte dello standard che consente facili aggiornamenti del sistema dai precedenti protocolli Fieldbus.

Serco III è la terza generazione del sistema di comunicazione seriale in tempo reale (Sercos). Combina l'elaborazione dei pacchetti al volo per fornire Ethernet in tempo reale e comunicazioni TCP/IP standard per fornire Ethernet industriale a bassa latenza. Proprio come EtherCAT, uno slave Sercos III elabora il pacchetto estraendo e inserendo i dati nel frame Ethernet al volo per ottenere una bassa latenza. Sercos III separa i dati di input e output in due frame. Con tempi di ciclo a partire da 31.25 microsecondi, è veloce quanto EtherCAT e PROFINET IRT. Sercos III supporta la topologia ad anello o a linea. Uno dei principali vantaggi dell'utilizzo della topologia ad anello è la ridondanza della comunicazione. Anche se l'anello si interrompe a causa del guasto di uno slave, tutti gli slave rimanenti ricevono comunque i frame Sercos III con i dati di ingresso/uscita. Sercos III può avere 511 nodi slave in una rete ed è maggiormente utilizzato nei controlli dei servoazionamenti.

Rete sensibile al tempo (TSN) è un'estensione Ethernet definita dall'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) progettata per rendere le reti basate su Ethernet più deterministiche. TSN è una rete locale (LAN), una soluzione di livello che può funzionare con Ethernet non TSN, ma la tempestività è garantita solo all'interno della LAN TSN. Puoi raggruppare gli standard TSN in base al caso d'uso che risolve: una visione comune dell'ora, latenza massima garantita o coesistenza con traffico in background o di altro tipo. Come ogni standard popolare, la cassetta degli attrezzi degli standard TSN si sta evolvendo.