Hayden Ali, nätverksingenjör
Industriell Ethernet-ordlista
Industriella Ethernet-kommunikationsprotokoll
Ethernet blir överallt och kostnadseffektivt, med vanliga fysiska länkar och ökad hastighet. Som sådan går många industriella kommunikationsprotokoll över till Ethernet-baserade lösningar. Ethernet-kommunikation med TCP/IP är vanligtvis icke-deterministisk, och reaktionstiden är ofta runt 100 ms. Industriella Ethernet-protokoll använder ett modifierat lager för Media Access Control (MAC) för att uppnå mycket låg latens och deterministiska svar. Ethernet möjliggör också en flexibel nätverkstopologi och ett flexibelt antal noder i systemet. Låt oss titta på några av de populära industriella Ethernet-protokollen i detalj.
EtherCAT, ett protokoll optimerat för processdata, använder standard IEEE 802.3 Ethernet Frames. Varje slavnod bearbetar sitt datagram och infogar den nya datan i ramen medan varje ram passerar igenom. Processen hanteras i hårdvara så varje nod introducerar minsta bearbetningsfördröjning, vilket möjliggör snabbast möjliga svarstid. EtherCAT är MAC-lagerprotokollet och är transparent för alla Ethernet-protokoll på högre nivå som TCP/IP, UDP, webbserver, etc. EtherCAT kan ansluta upp till 65,535 XNUMX noder i ett system, och EtherCAT-master kan vara en standard Ethernet-kontroller, vilket förenklar nätverkskonfigurationen. På grund av den låga latensen för varje agentnod, levererar EtherCAT flexibla, lågkostnads- och nätverkskompatibla industriella Ethernet-lösningar.
Ethernet / IP är ett applikationslagerprotokoll ovanpå TCP/IP. EtherNet/IP använder standard fysiska Ethernet-, datalänk-, nätverks- och transportlager samtidigt som Common Industrial Protocol (CIP) används över TCP/IP. CIP tillhandahåller en standarduppsättning meddelanden och tjänster för industriella automationsstyrsystem, och den kan användas i flera fysiska medier. Till exempel kallas CIP över CAN-bussen DeviceNet, CIP över det dedikerade nätverket kallas ControlNet och CIP över Ethernet kallas EtherNet/IP. EtherNet/IP upprättar kommunikation från en applikationsnod till en annan genom CIP-anslutningar över en TCP-anslutning, och flera CIP-anslutningar kan upprättas över en TCP-anslutning.
PROFINET är ett allmänt använt industriellt Ethernet av stora industriutrustningstillverkare som Siemens och GE. Den har tre olika klasser. PROFINET Klass A ger tillgång till ett PROFIBUS-nätverk via en proxy, som överbryggar Ethernet och PROFIBUS med en fjärrprocedur som anropar TCP/IP. Dess cykeltid är cirka 100 ms, och det är den
används mest för parameterdata och cyklisk I/O. Den typiska applikationen inkluderar infrastruktur och byggnadsautomation. PROFINET Klass B, även kallad PROFINET Real-Time (PROFINET RT), introducerar en mjukvarubaserad realtidsmetod och har minskat cykeltiden till cirka 10 ms. Klass B används vanligtvis inom fabriksautomation och processautomation. PROFINET Class C (PROFINET IRT), är isokron och i realtid, vilket kräver speciell hårdvara för att minska cykeltiden till mindre än 1 ms för att leverera tillräcklig prestanda på realtidsindustriellt Ethernet för rörelsekontrolloperationer. PROFINET RT kan användas i applikationer av PLC-typ, medan PROFINET IRT passar bra för rörelseapplikationer. Branch och Star är de vanliga topologierna som används för PROFINET. Noggrann topologiplanering krävs för att PROFINET-nätverk ska uppnå den prestanda som krävs för systemet.
POWERLINK utvecklades ursprungligen av B&R. Ethernet POWERLINK är implementerat ovanpå IEEE 802.3 och tillåter därför ett fritt urval av nätverkstopologi, korskoppling och hotplug. Den använder en polling- och tidsdelningsmekanism för datautbyte i realtid. En POWERLINK-master eller "Managed Node" styr tidssynkroniseringen genom paketjitter inom intervallet 10s nanosekunder. Ett sådant system är lämpligt för alla typer av automationssystem allt från PLC-till-PLC-kommunikation och visualisering ner till rörelse och I/O-styrning. Hindren för att implementera POWERLINK är ganska låga på grund av tillgängligheten av stackprogramvara med öppen källkod. Dessutom är CANopen en del av standarden som möjliggör enkla systemuppgraderingar från tidigare Fieldbus-protokoll.
Sercos III är den tredje generationen av det seriella realtidskommunikationssystemet (Sercos). Den kombinerar on-the-fly paketbearbetning för att leverera Ethernet i realtid och standard TCP/IP-kommunikation för att leverera industriellt Ethernet med låg latens. Ungefär som EtherCAT bearbetar en Sercos III-slav paketet genom att extrahera och infoga data till Ethernet-ramen i farten för att uppnå låg latens. Sercos III separerar in- och utdata i två ramar. Med cykeltider från 31.25 mikrosekunder är den lika snabb som EtherCAT och PROFINET IRT. Sercos III stöder ring- eller linjetopologi. En viktig fördel med att använda ringtopologi är kommunikationsredundans. Även om ringen går sönder på grund av fel på en slav, får alla återstående slavar fortfarande Sercos III-ramarna med in-/utdata. Sercos III kan ha 511 slavnoder i ett nätverk och används mest i servodrivningskontroller.
Tidskänsligt nätverk (TSN) är en Ethernet-förlängning definierad av Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) utformad för att göra Ethernet-baserade nätverk mer deterministiska. TSN är ett lokalt nätverk (LAN) - en nivålösning som kan fungera med icke-TSN Ethernet, men aktualitet garanteras endast inom TSN LAN. Du kan gruppera TSN-standarder baserat på vilket användningsfall det löser: en gemensam syn på tid, garanterad maximal latens eller samexistens med bakgrund eller annan trafik. Som alla populära standarder utvecklas TSN-verktygslådan med standarder.