Hayden Ali, Engenheiro de Rede
Glossário Ethernet Industrial
Protocolos de comunicação Ethernet industrial
A Ethernet está se tornando onipresente e econômica, com links físicos comuns e maior velocidade. Como tal, muitos protocolos de comunicação industrial estão migrando para soluções baseadas em Ethernet. As comunicações Ethernet com TCP/IP geralmente não são determinísticas e o tempo de reação geralmente é de cerca de 100 ms. Os protocolos Ethernet industriais usam uma camada de controle de acesso à mídia (MAC) modificada para obter latência muito baixa e respostas determinísticas. A Ethernet também permite uma topologia de rede flexível e um número flexível de nós no sistema. Vejamos alguns dos protocolos Ethernet industriais populares em detalhes.
EtherCAT, um protocolo otimizado para dados de processo, usa quadros Ethernet padrão IEEE 802.3. Cada nó escravo processa seu datagrama e insere os novos dados no quadro enquanto cada quadro está passando. O processo é tratado em hardware para que cada nó apresente latência mínima de processamento, permitindo o tempo de resposta mais rápido possível. EtherCAT é o protocolo da camada MAC e é transparente para qualquer protocolo Ethernet de alto nível, como TCP/IP, UDP, servidor Web, etc. O EtherCAT pode conectar até 65,535 nós em um sistema, e o mestre EtherCAT pode ser um controlador Ethernet padrão, simplificando assim a configuração da rede. Devido à baixa latência de cada nó de agente, o EtherCAT oferece soluções Ethernet industriais flexíveis, de baixo custo e compatíveis com a rede.
EtherNet / IP é um protocolo de camada de aplicação sobre o TCP/IP. A EtherNet/IP usa camadas físicas, de enlace de dados, de rede e de transporte Ethernet padrão enquanto usa o Protocolo Industrial Comum (CIP) sobre TCP/IP. O CIP fornece um conjunto padrão de mensagens e serviços para sistemas de controle de automação industrial e pode ser usado em vários meios físicos. Por exemplo, o barramento CIP sobre CAN é chamado de DeviceNet, o CIP sobre a rede dedicada é chamado de ControlNet e o CIP sobre Ethernet é chamado de EtherNet/IP. A EtherNet/IP estabelece a comunicação de um nó de aplicação para outro por meio de conexões CIP em uma conexão TCP, e várias conexões CIP podem ser estabelecidas em uma conexão TCP.
PROFINET é uma Ethernet industrial amplamente utilizada pelos principais fabricantes de equipamentos industriais, como Siemens e GE. Tem três classes diferentes. O PROFINET Classe A fornece acesso a uma rede PROFIBUS através de um proxy, interligando Ethernet e PROFIBUS com um procedimento remoto chamando TCP/IP. Seu tempo de ciclo é de cerca de 100 ms, e é
usado principalmente para dados de parâmetro e E/S cíclica. A aplicação típica inclui infraestrutura e automação predial. O PROFINET Classe B, também conhecido como PROFINET Real-Time (PROFINET RT), apresenta uma abordagem de tempo real baseada em software e reduziu o tempo de ciclo para cerca de 10 ms. A classe B é normalmente usada em automação de fábrica e automação de processos. PROFINET Classe C (PROFINET IRT), é isócrono e em tempo real, exigindo hardware especial para reduzir o tempo de ciclo para menos de 1ms para fornecer desempenho suficiente na Ethernet industrial em tempo real para operações de controle de movimento. O PROFINET RT pode ser usado em aplicações do tipo CLP, enquanto o PROFINET IRT é adequado para aplicações de movimento. Branch e Star são as topologias comuns usadas para PROFINET. O planejamento cuidadoso da topologia é necessário para que as redes PROFINET alcancem o desempenho exigido do sistema.
POWERLINK foi originalmente desenvolvido pela B&R. Ethernet POWERLINK é implementado sobre IEEE 802.3 e, portanto, permite uma seleção livre de topologia de rede, cross-connect e hotplug. Ele usa um mecanismo de polling e divisão de tempo para troca de dados em tempo real. Um master POWERLINK ou “Nó Gerenciado” controla a sincronização de tempo através do jitter do pacote na faixa de 10s de nanossegundos. Tal sistema é adequado para todos os tipos de sistemas de automação, desde comunicação e visualização PLC-a-PLC até controle de movimento e E/S. As barreiras à implementação do POWERLINK são bastante baixas devido à disponibilidade de software de pilha de código aberto. Além disso, o CANopen faz parte do padrão que permite atualizações fáceis do sistema de protocolos Fieldbus anteriores.
Sercos III é a terceira geração do Sistema de Comunicação Serial em Tempo Real (Sercos). Ele combina processamento de pacotes on-the-fly para fornecer Ethernet em tempo real e comunicação TCP/IP padrão para fornecer Ethernet industrial de baixa latência. Muito parecido com o EtherCAT, um escravo Sercos III processa o pacote extraindo e inserindo dados no quadro Ethernet on-the-fly para obter baixa latência. O Sercos III separa os dados de entrada e saída em dois quadros. Com tempos de ciclo de 31.25 microssegundos, é tão rápido quanto EtherCAT e PROFINET IRT. Sercos III suporta topologia em anel ou linha. Uma das principais vantagens de usar a topologia em anel é a redundância de comunicação. Mesmo se o anel quebrar devido à falha de um escravo, todos os escravos restantes ainda recebem os quadros Sercos III com dados de entrada/saída. O Sercos III pode ter 511 nós escravos em uma rede e é mais utilizado em controles de servoconversores.
Rede sensível ao tempo (TSN) é uma extensão Ethernet definida pelo Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) projetada para tornar as redes baseadas em Ethernet mais determinísticas. TSN é uma rede local (LAN) - uma solução de nível que pode funcionar com Ethernet não-TSN, mas a pontualidade é garantida apenas dentro da LAN TSN. Você pode agrupar os padrões TSN com base no caso de uso que resolve: uma visão comum de tempo, latência máxima garantida ou coexistência com segundo plano ou outro tráfego. Como qualquer padrão popular, a caixa de ferramentas dos padrões TSN está evoluindo.