Hayden Ali, netwerkingenieur
Industriële Ethernet-woordenlijst
Industriële Ethernet-communicatieprotocollen
Ethernet wordt alomtegenwoordig en kosteneffectief, met gemeenschappelijke fysieke verbindingen en verhoogde snelheid. Als zodanig gaan veel industriële communicatieprotocollen over op op Ethernet gebaseerde oplossingen. Ethernet-communicatie met TCP/IP is meestal niet-deterministisch en de reactietijd is vaak ongeveer 100 ms. Industriële Ethernet-protocollen gebruiken een gemodificeerde Media Access Control (MAC)-laag om zeer lage latentie en deterministische reacties te bereiken. Ethernet maakt ook een flexibele netwerktopologie en een flexibel aantal knooppunten in het systeem mogelijk. Laten we enkele van de populaire Industrial Ethernet-protocollen in detail bekijken.
EtherCAT, een voor procesdata geoptimaliseerd protocol, maakt gebruik van standaard IEEE 802.3 Ethernet Frames. Elk slaafknooppunt verwerkt zijn datagram en voegt de nieuwe gegevens in het frame in terwijl elk frame er doorheen gaat. Het proces wordt hardwarematig afgehandeld, zodat elk knooppunt minimale verwerkingslatentie introduceert, waardoor de snelst mogelijke responstijd mogelijk is. EtherCAT is het MAC-laagprotocol en is transparant voor Ethernet-protocollen van een hoger niveau, zoals TCP/IP, UDP, webserver, enz. EtherCAT kan tot 65,535 knooppunten in een systeem verbinden en EtherCAT-master kan een standaard Ethernet-controller zijn, waardoor de netwerkconfiguratie wordt vereenvoudigd. Dankzij de lage latentie van elk agentknooppunt levert EtherCAT flexibele, goedkope en netwerkcompatibele industriële Ethernet-oplossingen.
EtherNet / IP is een applicatielaagprotocol bovenop TCP/IP. EtherNet/IP gebruikt standaard fysieke Ethernet-, datalink-, netwerk- en transportlagen terwijl Common Industrial Protocol (CIP) over TCP/IP wordt gebruikt. CIP biedt een standaardset berichten en services voor besturingssystemen voor industriële automatisering en kan op meerdere fysieke media worden gebruikt. CIP over CAN-bus wordt bijvoorbeeld DeviceNet genoemd, CIP over het specifieke netwerk wordt ControlNet genoemd en CIP over Ethernet wordt EtherNet/IP genoemd. EtherNet/IP brengt communicatie tot stand van het ene toepassingsknooppunt naar het andere via CIP-verbindingen via een TCP-verbinding, en er kunnen meerdere CIP-verbindingen tot stand worden gebracht via één TCP-verbinding.
PROFINET is een veelgebruikt industrieel Ethernet door grote fabrikanten van industriële apparatuur zoals Siemens en GE. Het heeft drie verschillende klassen. PROFINET Klasse A biedt toegang tot een PROFIBUS-netwerk via een proxy, waarbij Ethernet en PROFIBUS worden overbrugd met een procedure op afstand die TCP/IP aanroept. De cyclustijd is ongeveer 100 ms, en dat is het ook
meestal gebruikt voor parameterdata en cyclische I/O. De typische toepassing omvat infrastructuur en gebouwautomatisering. PROFINET Class B, ook wel PROFINET Real-Time (PROFINET RT) genoemd, introduceert een op software gebaseerde real-time benadering en heeft de cyclustijd teruggebracht tot ongeveer 10 ms. Klasse B wordt meestal gebruikt in fabrieksautomatisering en procesautomatisering. PROFINET Klasse C (PROFINET IRT) is isochroon en real-time, en vereist speciale hardware om de cyclustijd te verkorten tot minder dan 1 ms om voldoende prestaties te leveren op het real-time industriële Ethernet voor motion control-operaties. PROFINET RT kan worden gebruikt in PLC-achtige toepassingen, terwijl PROFINET IRT goed geschikt is voor motion-toepassingen. Branch en Star zijn de gebruikelijke topologieën die voor PROFINET worden gebruikt. Zorgvuldige topologieplanning is vereist voor PROFINET-netwerken om de vereiste prestaties van het systeem te bereiken.
POWERLINK is oorspronkelijk ontwikkeld door B&R. Ethernet POWERLINK is bovenop IEEE 802.3 geïmplementeerd en maakt daarom een vrije selectie van netwerktopologie, cross-connect en hotplug mogelijk. Het maakt gebruik van een polling- en time-slicing-mechanisme voor real-time gegevensuitwisseling. Een POWERLINK-master of "Managed Node" regelt de tijdsynchronisatie via pakketjitter in het bereik van 10 seconden van nanoseconden. Zo'n systeem is geschikt voor allerlei automatiseringssystemen, van PLC-naar-PLC-communicatie en -visualisatie tot motion- en I/O-besturing. De belemmeringen voor het implementeren van POWERLINK zijn vrij laag vanwege de beschikbaarheid van open-source stack-software. Bovendien maakt CANopen deel uit van de standaard die eenvoudige systeemupgrades van eerdere veldbusprotocollen mogelijk maakt.
Serco III is de derde generatie van het Serial Real-time Communication System (Sercos). Het combineert on-the-fly pakketverwerking voor het leveren van real-time Ethernet en standaard TCP/IP-communicatie om industrieel Ethernet met lage latentie te leveren. Net als EtherCAT verwerkt een Sercos III-slave het pakket door on-the-fly gegevens te extraheren en in het Ethernet-frame in te voegen om een lage latentie te bereiken. Sercos III scheidt invoer- en uitvoergegevens in twee frames. Met cyclustijden vanaf 31.25 microseconden is hij net zo snel als EtherCAT en PROFINET IRT. Sercos III ondersteunt ring- of lijntopologie. Een belangrijk voordeel van het gebruik van ringtopologie is communicatieredundantie. Zelfs als de ring breekt als gevolg van het uitvallen van één slave, krijgen alle resterende slaves nog steeds de Sercos III-frames met invoer-/uitvoergegevens. Sercos III kan 511 slave-nodes in één netwerk hebben en wordt het meest gebruikt in servobesturingen.
Tijdgevoelig netwerken (TSN) is een Ethernet-extensie die is gedefinieerd door het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) en is ontworpen om op Ethernet gebaseerde netwerken meer deterministisch te maken. TSN is een lokaal netwerk (LAN) - een oplossing op niveau die kan werken met niet-TSN Ethernet, maar tijdigheid is alleen gegarandeerd binnen het TSN LAN. U kunt TSN-standaarden groeperen op basis van de use case die het oplost: een gemeenschappelijk beeld van tijd, gegarandeerde maximale latentie of coëxistentie met achtergrond- of ander verkeer. Zoals elke populaire standaard evolueert de TSN-toolbox met standaarden.