Hayden Ali, omrežni inženir
Glosar za industrijski Ethernet
Komunikacijski protokoli za industrijski Ethernet
Ethernet postaja vseprisoten in stroškovno učinkovit s skupnimi fizičnimi povezavami in večjo hitrostjo. Kot taki se številni industrijski komunikacijski protokoli selijo na rešitve, ki temeljijo na Ethernetu. Ethernetne komunikacije s TCP/IP običajno niso deterministične, odzivni čas pa je pogosto okoli 100 ms. Industrijski ethernetni protokoli uporabljajo spremenjen sloj za nadzor dostopa do medijev (MAC), da dosežejo zelo nizko zakasnitev in deterministične odzive. Ethernet omogoča tudi prilagodljivo topologijo omrežja in prilagodljivo število vozlišč v sistemu. Oglejmo si podrobneje nekatere priljubljene protokole Industrial Ethernet.
EtherCAT, protokol, optimiziran za procesne podatke, uporablja standardne okvirje IEEE 802.3 Ethernet. Vsako podrejeno vozlišče obdela svoj datagram in vstavi nove podatke v okvir, medtem ko vsak okvir prehaja skozi. Proces se izvaja v strojni opremi, tako da vsako vozlišče uvede minimalno zakasnitev obdelave, kar omogoča najhitrejši možni odzivni čas. EtherCAT je protokol sloja MAC in je pregleden za vse protokole Ethernet višje ravni, kot so TCP/IP, UDP, spletni strežnik itd. EtherCAT lahko poveže do 65,535 vozlišč v sistemu, glavni EtherCAT pa je lahko standardni krmilnik Ethernet, tako poenostavite konfiguracijo omrežja. Zaradi nizke zakasnitve vsakega agentskega vozlišča EtherCAT zagotavlja prilagodljive, poceni in z omrežjem združljive industrijske rešitve Ethernet.
EtherNet / IP je protokol aplikacijskega sloja na vrhu TCP/IP. EtherNet/IP uporablja standardni fizični sloj Ethernet, podatkovno povezavo, omrežni in transportni sloj, medtem ko uporablja Common Industrial Protocol (CIP) prek TCP/IP. CIP zagotavlja standardni nabor sporočil in storitev za nadzorne sisteme industrijske avtomatizacije in se lahko uporablja v več fizičnih medijih. Na primer, CIP prek vodila CAN se imenuje DeviceNet, CIP prek namenskega omrežja se imenuje ControlNet in CIP prek Etherneta se imenuje EtherNet/IP. EtherNet/IP vzpostavi komunikacijo od enega aplikacijskega vozlišča do drugega prek povezav CIP prek povezave TCP, prek ene povezave TCP pa je mogoče vzpostaviti več povezav CIP.
PROFINET je industrijski Ethernet, ki ga široko uporabljajo veliki proizvajalci industrijske opreme, kot sta Siemens in GE. Ima tri različne razrede. PROFINET razreda A omogoča dostop do omrežja PROFIBUS prek proxyja, ki premosti Ethernet in PROFIBUS z oddaljenim postopkom, ki kliče TCP/IP. Njegov čas cikla je okoli 100 ms in je
večinoma se uporablja za podatke parametrov in ciklične V/I. Tipična aplikacija vključuje infrastrukturo in avtomatizacijo stavb. PROFINET razreda B, imenovan tudi PROFINET v realnem času (PROFINET RT), uvaja programsko zasnovan pristop v realnem času in je zmanjšal čas cikla na približno 10 ms. Razred B se običajno uporablja v tovarniški avtomatizaciji in avtomatizaciji procesov. PROFINET razreda C (PROFINET IRT) je izohron in deluje v realnem času ter zahteva posebno strojno opremo za zmanjšanje časa cikla na manj kot 1 ms, da zagotovi zadostno zmogljivost na industrijskem Ethernetu v realnem času za operacije nadzora gibanja. PROFINET RT se lahko uporablja v aplikacijah tipa PLC, medtem ko je PROFINET IRT primeren za aplikacije gibanja. Branch in Star sta običajni topologiji, ki se uporabljata za PROFINET. Za doseganje zahtevane zmogljivosti sistema je za omrežja PROFINET potrebno skrbno načrtovanje topologije.
POWERLINK je prvotno razvil B&R. Ethernet POWERLINK je implementiran na vrhu IEEE 802.3 in zato omogoča prosto izbiro omrežne topologije, navzkrižne povezave in hotplug. Za izmenjavo podatkov v realnem času uporablja mehanizem anketiranja in časovnega rezanja. Glavna enota POWERLINK ali »Upravljano vozlišče« nadzoruje časovno sinhronizacijo prek tresenja paketov v obsegu 10 s nanosekund. Takšen sistem je primeren za vse vrste avtomatizacijskih sistemov, od komunikacije PLC-PLC in vizualizacije do krmiljenja gibanja in V/I. Ovire za implementacijo POWERLINK so precej majhne zaradi razpoložljivosti odprtokodne programske opreme sklada. Poleg tega je CANopen del standarda, ki omogoča enostavno nadgradnjo sistema prejšnjih protokolov Fieldbus.
Sercos III je tretja generacija serijskega komunikacijskega sistema v realnem času (Sercos). Združuje sprotno obdelavo paketov za zagotavljanje Etherneta v realnem času in standardne komunikacije TCP/IP za zagotavljanje industrijskega Etherneta z nizko zakasnitvijo. Podobno kot EtherCAT, podrejena enota Sercos III obdela paket tako, da sproti ekstrahira in vstavi podatke v okvir Ethernet, da doseže nizko zakasnitev. Sercos III loči vhodne in izhodne podatke v dva okvirja. S časi ciklov od 31.25 mikrosekund je tako hiter kot EtherCAT in PROFINET IRT. Sercos III podpira topologijo obroča ali linije. Ena od ključnih prednosti uporabe topologije obroča je redundanca komunikacije. Tudi če se obroč prekine zaradi okvare enega podrejenega, vsi preostali podrejeni še vedno dobijo okvirje Sercos III z vhodno/izhodnimi podatki. Sercos III ima lahko 511 podrejenih vozlišč v enem omrežju in se največ uporablja pri krmiljenju servo pogonov.
Časovno občutljivo omrežje (TSN) je razširitev za Ethernet, ki jo je opredelil Inštitut inženirjev elektrotehnike in elektronike (IEEE) in je zasnovana tako, da naredi omrežja, ki temeljijo na Ethernetu, bolj deterministična. TSN je lokalno omrežje (LAN) – rešitev na ravni, ki lahko deluje z ethernetom, ki ni TSN, vendar je pravočasnost zagotovljena samo znotraj TSN LAN. Standarde TSN lahko združite glede na primer uporabe, ki ga rešuje: skupni pogled na čas, zajamčeno največjo zakasnitev ali soobstoj z ozadjem ali drugim prometom. Kot vsak priljubljen standard se tudi TSN orodjarna standardov razvija.