Hayden Ali, inżynier sieci
Słowniczek Ethernetu Przemysłowego
Protokoły komunikacji przemysłowej Ethernet
Ethernet staje się wszechobecny i opłacalny dzięki powszechnym połączeniom fizycznym i zwiększonej prędkości. W związku z tym wiele przemysłowych protokołów komunikacyjnych przechodzi na rozwiązania oparte na sieci Ethernet. Komunikacja Ethernet za pomocą protokołu TCP/IP jest zazwyczaj niedeterministyczna, a czas reakcji często wynosi około 100 ms. Protokoły Ethernetu przemysłowego wykorzystują zmodyfikowaną warstwę Media Access Control (MAC), aby uzyskać bardzo małe opóźnienia i deterministyczne odpowiedzi. Ethernet umożliwia również elastyczną topologię sieci i elastyczną liczbę węzłów w systemie. Przyjrzyjmy się szczegółowo niektórym popularnym protokołom Ethernetu przemysłowego.
EtherCAT, protokół zoptymalizowany pod kątem danych procesowych, wykorzystuje standardowe ramki Ethernet IEEE 802.3. Każdy węzeł podrzędny przetwarza swój datagram i wstawia nowe dane do ramki podczas przesyłania każdej ramki. Proces jest obsługiwany sprzętowo, więc każdy węzeł wprowadza minimalne opóźnienia przetwarzania, umożliwiając najszybszy możliwy czas reakcji. EtherCAT jest protokołem warstwy MAC i jest przezroczysty dla wszelkich protokołów Ethernet wyższego poziomu, takich jak TCP/IP, UDP, serwer WWW itp. EtherCAT może połączyć do 65,535 XNUMX węzłów w systemie, a master EtherCAT może być standardowym kontrolerem Ethernet, upraszczając w ten sposób konfigurację sieci. Ze względu na małe opóźnienia każdego węzła agenta, EtherCAT zapewnia elastyczne, tanie i kompatybilne z siecią rozwiązania Ethernetu przemysłowego.
EtherNet / IP to protokół warstwy aplikacji oparty na protokole TCP/IP. EtherNet/IP wykorzystuje standardowe warstwy fizyczne, łącza danych, sieciowe i transportowe Ethernetu, korzystając jednocześnie z protokołu Common Industrial Protocol (CIP) przez TCP/IP. CIP zapewnia standardowy zestaw komunikatów i usług dla systemów sterowania automatyką przemysłową i może być używany w wielu mediach fizycznych. Na przykład CIP przez magistralę CAN nazywa się DeviceNet, CIP przez dedykowaną sieć nazywa się ControlNet, a CIP przez Ethernet nazywa się EtherNet/IP. EtherNet/IP ustanawia komunikację między jednym węzłem aplikacji a drugim poprzez połączenia CIP za pośrednictwem połączenia TCP, a wiele połączeń CIP można nawiązać za pomocą jednego połączenia TCP.
PROFINET to szeroko stosowany przemysłowy Ethernet przez głównych producentów sprzętu przemysłowego, takich jak Siemens i GE. Ma trzy różne klasy. PROFINET klasy A zapewnia dostęp do sieci PROFIBUS poprzez proxy, łącząc Ethernet i PROFIBUS ze zdalnym wywoływaniem procedur przez TCP/IP. Jego czas cyklu wynosi około 100 ms i tak jest
używany głównie do danych parametrów i cyklicznych wejść/wyjść. Typowe zastosowanie obejmuje infrastrukturę i automatykę budynków. PROFINET klasy B, określany także jako PROFINET Real-Time (PROFINET RT), wprowadza oparte na oprogramowaniu podejście do czasu rzeczywistego i skraca czas cyklu do około 10 ms. Klasa B jest zwykle stosowana w automatyzacji fabryk i automatyzacji procesów. PROFINET klasy C (PROFINET IRT) jest izochroniczny i pracuje w czasie rzeczywistym, wymagając specjalnego sprzętu, aby skrócić czas cyklu do mniej niż 1 ms, aby zapewnić wystarczającą wydajność w przemysłowej sieci Ethernet czasu rzeczywistego do operacji sterowania ruchem. PROFINET RT może być używany w aplikacjach typu PLC, natomiast PROFINET IRT dobrze nadaje się do zastosowań związanych z ruchem. Branch i Star to popularne topologie stosowane w PROFINET. Aby sieci PROFINET osiągnęły wymaganą wydajność systemu, wymagane jest staranne planowanie topologii.
POWERLINK został pierwotnie opracowany przez firmę B&R. Ethernet POWERLINK jest zaimplementowany na bazie IEEE 802.3 i dlatego umożliwia swobodny wybór topologii sieci, połączenia krzyżowego i hotplug. Wykorzystuje mechanizm odpytywania i dzielenia czasu do wymiany danych w czasie rzeczywistym. Master POWERLINK lub „Managed Node” kontroluje synchronizację czasu poprzez jitter pakietów w zakresie 10 s nanosekund. Taki system jest odpowiedni dla wszystkich rodzajów systemów automatyki, począwszy od komunikacji PLC-PLC i wizualizacji, aż po sterowanie ruchem i we/wy. Bariery we wdrażaniu POWERLINK są dość niskie ze względu na dostępność oprogramowania stosowego typu open source. Ponadto CANopen jest częścią standardu, który pozwala na łatwą aktualizację systemu z poprzednich protokołów Fieldbus.
Serkos III to trzecia generacja szeregowego systemu komunikacji w czasie rzeczywistym (Sercos). Łączy przetwarzanie pakietów w locie w celu zapewnienia Ethernetu w czasie rzeczywistym i standardowej komunikacji TCP/IP, aby zapewnić przemysłowy Ethernet o niskim opóźnieniu. Podobnie jak EtherCAT, urządzenie podrzędne Sercos III przetwarza pakiet, wyodrębniając i wstawiając dane do ramki Ethernet w locie, aby uzyskać małe opóźnienia. Sercos III rozdziela dane wejściowe i wyjściowe na dwie ramki. Przy czasach cykli od 31.25 mikrosekund jest tak szybki jak EtherCAT i PROFINET IRT. Sercos III obsługuje topologię pierścienia lub linii. Jedną z kluczowych zalet stosowania topologii pierścienia jest redundancja komunikacji. Nawet jeśli pierścień pęknie z powodu awarii jednego urządzenia podrzędnego, wszystkie pozostałe urządzenia podrzędne nadal otrzymają ramki Sercos III z danymi wejściowymi/wyjściowymi. Sercos III może mieć 511 węzłów podrzędnych w jednej sieci i jest najczęściej używany w sterowaniu serwonapędami.
Sieci wrażliwe na czas (TSN) to rozszerzenie sieci Ethernet zdefiniowane przez Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE), którego zadaniem jest uczynienie sieci opartych na sieci Ethernet bardziej deterministycznymi. TSN to sieć lokalna (LAN) — rozwiązanie na poziomie, które może współpracować z siecią Ethernet inną niż TSN, ale terminowość jest gwarantowana tylko w sieci LAN TSN. Możesz grupować standardy TSN w oparciu o przypadek użycia, który rozwiązuje: wspólny pogląd na czas, gwarantowane maksymalne opóźnienie lub współistnienie z ruchem w tle lub innym ruchem. Jak każdy popularny standard, zestaw standardów TSN ewoluuje.