Hayden Ali, sieťový inžinier
Slovník priemyselného Ethernetu
Komunikačné protokoly priemyselného Ethernetu
Ethernet sa stáva všadeprítomným a nákladovo efektívnym, s bežnými fyzickými prepojeniami a zvýšenou rýchlosťou. Mnohé priemyselné komunikačné protokoly ako také prechádzajú na riešenia založené na Ethernete. Ethernetová komunikácia s TCP/IP je zvyčajne nedeterministická a reakčný čas je často okolo 100 ms. Protokoly priemyselného Ethernetu využívajú upravenú vrstvu Media Access Control (MAC) na dosiahnutie veľmi nízkej latencie a deterministických odoziev. Ethernet tiež umožňuje flexibilnú topológiu siete a flexibilný počet uzlov v systéme. Pozrime sa podrobne na niektoré z populárnych protokolov priemyselného Ethernetu.
EtherCAT, protokol optimalizovaný pre procesné dáta, používa štandardné IEEE 802.3 Ethernet Frames. Každý podriadený uzol spracuje svoj datagram a vloží nové údaje do rámca, kým každý rámec prechádza. Proces je riadený hardvérom, takže každý uzol zavádza minimálnu latenciu spracovania, čo umožňuje najrýchlejší možný čas odozvy. EtherCAT je protokol vrstvy MAC a je transparentný pre všetky ethernetové protokoly vyššej úrovne, ako je TCP/IP, UDP, webový server atď. EtherCAT môže pripojiť až 65,535 XNUMX uzlov v systéme a EtherCAT master môže byť štandardným ethernetovým radičom, čím sa zjednoduší konfigurácia siete. Vďaka nízkej latencii každého uzla agenta poskytuje EtherCAT flexibilné, lacné a sieťovo kompatibilné priemyselné ethernetové riešenia.
Ethernet/IP je protokol aplikačnej vrstvy nad TCP/IP. EtherNet/IP využíva štandardný fyzický Ethernet, dátové spojenie, sieťové a transportné vrstvy, pričom využíva Common Industrial Protocol (CIP) cez TCP/IP. CIP poskytuje štandardnú sadu správ a služieb pre riadiace systémy priemyselnej automatizácie a môže byť použitý na viacerých fyzických médiách. Napríklad CIP cez zbernicu CAN sa nazýva DeviceNet, CIP cez vyhradenú sieť sa nazýva ControlNet a CIP cez Ethernet sa nazýva EtherNet/IP. EtherNet/IP vytvára komunikáciu z jedného aplikačného uzla do druhého prostredníctvom pripojení CIP cez pripojenie TCP a cez jedno pripojenie TCP je možné vytvoriť viacero pripojení CIP.
PROFINET je široko používaný priemyselný Ethernet veľkými výrobcami priemyselných zariadení, akými sú Siemens a GE. Má tri rôzne triedy. PROFINET Trieda A poskytuje prístup k sieti PROFIBUS cez proxy, premosťuje Ethernet a PROFIBUS so vzdialenou procedúrou volajúcou na TCP/IP. Jeho doba cyklu je okolo 100 ms a je
väčšinou sa používa pre dáta parametrov a cyklické I/O. Typická aplikácia zahŕňa infraštruktúru a automatizáciu budov. PROFINET Trieda B, tiež označovaný ako PROFINET Real-Time (PROFINET RT), predstavuje softvérový prístup v reálnom čase a skrátil čas cyklu na približne 10 ms. Trieda B sa zvyčajne používa v automatizácii výroby a automatizácii procesov. PROFINET triedy C (PROFINET IRT) je izochrónny a pracuje v reálnom čase a vyžaduje špeciálny hardvér na skrátenie doby cyklu na menej ako 1 ms, aby sa dosiahol dostatočný výkon na priemyselnom Ethernete v reálnom čase pre operácie riadenia pohybu. PROFINET RT je možné použiť v aplikáciách typu PLC, zatiaľ čo PROFINET IRT je vhodný pre pohybové aplikácie. Vetva a hviezda sú bežné topológie používané pre PROFINET. Pre siete PROFINET je potrebné starostlivé plánovanie topológie, aby sa dosiahol požadovaný výkon systému.
POWERLINK bol pôvodne vyvinutý spoločnosťou B&R. Ethernet POWERLINK je implementovaný nad IEEE 802.3, a preto umožňuje voľný výber topológie siete, krížového pripojenia a hotplug. Na výmenu údajov v reálnom čase využíva mechanizmus dopytovania a časového segmentovania. Master POWERLINK alebo „Managed Node“ riadi časovú synchronizáciu prostredníctvom paketového jitteru v rozsahu 10 s nanosekúnd. Takýto systém je vhodný pre všetky druhy automatizačných systémov, od komunikácie a vizualizácie PLC po PLC až po riadenie pohybu a I/O. Prekážky pri implementácii POWERLINK sú pomerne nízke kvôli dostupnosti open-source stack softvéru. Okrem toho je CANopen súčasťou štandardu, ktorý umožňuje jednoduché upgrady systému z predchádzajúcich protokolov Fieldbus.
Sercos III je tretia generácia sériového komunikačného systému v reálnom čase (Sercos). Spája v sebe spracovanie paketov za chodu na poskytovanie Ethernetu v reálnom čase a štandardnej TCP/IP komunikácie na poskytovanie priemyselného Ethernetu s nízkou latenciou. Podobne ako EtherCAT, aj Sercos III slave spracováva paket extrahovaním a vkladaním dát do ethernetového rámca za chodu, aby sa dosiahla nízka latencia. Sercos III oddeľuje vstupné a výstupné dáta do dvoch rámcov. S dobou cyklu od 31.25 mikrosekúnd je rovnako rýchly ako EtherCAT a PROFINET IRT. Sercos III podporuje kruhovú alebo linkovú topológiu. Jednou z kľúčových výhod používania kruhovej topológie je redundancia komunikácie. Aj keď sa krúžok preruší v dôsledku zlyhania jedného slave, všetky zostávajúce slave stále dostanú rámce Sercos III so vstupnými/výstupnými dátami. Sercos III môže mať 511 podriadených uzlov v jednej sieti a je najviac používaný v ovládaní servopohonov.
Časovo citlivé siete (TSN) je ethernetové rozšírenie definované Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) navrhnuté tak, aby boli siete založené na Ethernete viac deterministické. TSN je lokálna sieť (LAN) – riešenie na úrovni, ktoré môže pracovať s ethernetom mimo TSN, ale včasnosť je zaručená iba v rámci TSN LAN. Štandardy TSN môžete zoskupiť podľa toho, aký prípad použitia rieši: spoločný pohľad na čas, garantovaná maximálna latencia alebo koexistencia s prevádzkou na pozadí alebo inou prevádzkou. Ako každý populárny štandard, aj súbor nástrojov TSN sa vyvíja.