Глоссарий промышленного Ethernet

Протоколы связи Industrial Ethernet

Ethernet становится повсеместным и экономически эффективным, с общими физическими соединениями и повышенной скоростью. Таким образом, многие промышленные коммуникационные протоколы переходят на решения на базе Ethernet. Связь Ethernet с TCP/IP обычно недетерминирована, а время реакции часто составляет около 100 мс. Протоколы Industrial Ethernet используют модифицированный уровень управления доступом к среде (MAC) для достижения очень низкой задержки и детерминированных ответов. Ethernet также обеспечивает гибкую топологию сети и гибкое количество узлов в системе. Давайте подробно рассмотрим некоторые из популярных протоколов Industrial Ethernet.

EtherCAT, протокол, оптимизированный для обработки данных, использует стандартные кадры Ethernet IEEE 802.3. Каждый подчиненный узел обрабатывает свою дейтаграмму и вставляет новые данные во фрейм во время прохождения каждого фрейма. Процесс обрабатывается аппаратно, поэтому каждый узел обеспечивает минимальную задержку обработки, что обеспечивает максимально быстрое время отклика. EtherCAT является протоколом уровня MAC и прозрачен для любых протоколов Ethernet более высокого уровня, таких как TCP/IP, UDP, веб-сервер и т. д. EtherCAT может подключать до 65,535 XNUMX узлов в системе, а мастер EtherCAT может быть стандартным контроллером Ethernet, что упрощает настройку сети. Благодаря низкой задержке каждого узла агента EtherCAT предоставляет гибкие, недорогие и совместимые с сетью промышленные решения Ethernet.

EtherNet / IP протокол прикладного уровня поверх TCP/IP. EtherNet/IP использует стандартный физический, канальный, сетевой и транспортный уровни Ethernet, а также использует общий промышленный протокол (CIP) через TCP/IP. CIP предоставляет стандартный набор сообщений и сервисов для систем управления промышленной автоматизацией, и его можно использовать на нескольких физических носителях. Например, CIP по шине CAN называется DeviceNet, CIP по выделенной сети называется ControlNet, а CIP по Ethernet называется EtherNet/IP. EtherNet/IP устанавливает связь от одного узла приложения к другому через соединения CIP через соединение TCP, и несколько соединений CIP могут быть установлены через одно соединение TCP.

ПРОФИНЕТ — широко используемый промышленный Ethernet крупными производителями промышленного оборудования, такими как Siemens и GE. Он имеет три разных класса. PROFINET Class A обеспечивает доступ к сети PROFIBUS через прокси-сервер, соединяя Ethernet и PROFIBUS с удаленным вызовом процедур по протоколу TCP/IP. Его время цикла составляет около 100 мс, и это

в основном используется для данных параметров и циклического ввода/вывода. Типичное приложение включает в себя инфраструктуру и автоматизацию зданий. PROFINET класса B, также называемый PROFINET Real-Time (PROFINET RT), представляет программный подход к работе в реальном времени и сокращает время цикла примерно до 10 мс. Класс B обычно используется в автоматизации производства и автоматизации процессов. PROFINET класса C (PROFINET IRT) является изохронным и работает в реальном времени, требуя специального оборудования для сокращения времени цикла до менее 1 мс, чтобы обеспечить достаточную производительность в промышленном Ethernet в реальном времени для операций управления движением. PROFINET RT можно использовать в приложениях типа ПЛК, тогда как PROFINET IRT хорошо подходит для приложений управления движением. Ветвь и звезда являются распространенными топологиями, используемыми для PROFINET. Для сетей PROFINET требуется тщательное планирование топологии для достижения требуемой производительности системы.

ПИТАНИЕ изначально был разработан B&R. Ethernet POWERLINK реализуется поверх IEEE 802.3 и, следовательно, позволяет свободно выбирать топологию сети, кросс-соединение и горячее подключение. Он использует механизм опроса и разделения времени для обмена данными в реальном времени. Мастер POWERLINK или «управляемый узел» управляет синхронизацией времени посредством джиттера пакетов в диапазоне десятков наносекунд. Такая система подходит для всех видов систем автоматизации, начиная от связи и визуализации между ПЛК и заканчивая управлением движением и вводом-выводом. Барьеры для внедрения POWERLINK довольно низки из-за доступности программного обеспечения стека с открытым исходным кодом. Кроме того, CANopen является частью стандарта, который позволяет легко обновлять систему с предыдущих протоколов Fieldbus.

Серкос III представляет собой третье поколение системы последовательной связи в реальном времени (Sercos). Он сочетает в себе обработку пакетов «на лету» для доставки Ethernet в реальном времени и стандартную связь TCP/IP для обеспечения промышленного Ethernet с малой задержкой. Подобно EtherCAT, ведомое устройство Sercos III обрабатывает пакет, извлекая и вставляя данные в кадр Ethernet на лету, чтобы добиться низкой задержки. Sercos III разделяет входные и выходные данные на два кадра. Благодаря времени цикла от 31.25 мкс он работает так же быстро, как EtherCAT и PROFINET IRT. Sercos III поддерживает кольцевую или линейную топологию. Одним из ключевых преимуществ использования кольцевой топологии является избыточность связи. Даже если кольцо разорвется из-за отказа одного ведомого устройства, все оставшиеся ведомые устройства все равно получат кадры Sercos III с входными/выходными данными. Sercos III может иметь 511 ведомых узлов в одной сети и чаще всего используется для управления сервоприводами.

Чувствительная ко времени сеть (TSN) это расширение Ethernet, определенное Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE), предназначенное для того, чтобы сделать сети на основе Ethernet более детерминированными. TSN — это локальная сеть (LAN) — решение уровня, которое может работать с не-TSN Ethernet, но своевременность гарантируется только внутри TSN LAN. Вы можете сгруппировать стандарты TSN в зависимости от того, какой вариант использования они решают: общее представление времени, гарантированная максимальная задержка или сосуществование с фоновым или другим трафиком. Как и любой популярный стандарт, инструментарий стандартов TSN развивается.