Хайден Алі, мережевий інженер
Глосарій промислового Ethernet
Промислові протоколи зв'язку Ethernet
Ethernet стає повсюдним і економічно ефективним із загальними фізичними з’єднаннями та підвищеною швидкістю. Таким чином, багато промислових протоколів зв’язку переходять на рішення на основі Ethernet. Зв'язок Ethernet за допомогою TCP/IP зазвичай є недетермінованим, а час реакції часто становить близько 100 мс. Промислові протоколи Ethernet використовують модифікований рівень керування доступом до середовища (MAC) для досягнення дуже низької затримки та детермінованих відповідей. Ethernet також забезпечує гнучку топологію мережі та гнучку кількість вузлів у системі. Давайте детально розглянемо деякі з популярних протоколів Industrial Ethernet.
EtherCAT, протокол, оптимізований для даних процесу, використовує стандартні кадри Ethernet IEEE 802.3. Кожен підлеглий вузол обробляє свою дейтаграму та вставляє нові дані у кадр під час проходження кожного кадру. Процес обробляється апаратно, тому кожен вузол забезпечує мінімальну затримку обробки, забезпечуючи найшвидший час відповіді. EtherCAT є протоколом рівня MAC і є прозорим для будь-яких протоколів Ethernet вищого рівня, таких як TCP/IP, UDP, веб-сервер тощо. EtherCAT може підключати до 65,535 XNUMX вузлів у системі, а головний EtherCAT може бути стандартним контролером Ethernet, тим самим спрощуючи налаштування мережі. Завдяки низькій затримці кожного вузла агента EtherCAT забезпечує гнучкі, недорогі та сумісні з мережею промислові рішення Ethernet.
EtherNet/IP є протоколом прикладного рівня поверх TCP/IP. EtherNet/IP використовує стандартний фізичний рівень Ethernet, канал передачі даних, мережевий і транспортний рівні, одночасно використовуючи Загальний промисловий протокол (CIP) через TCP/IP. CIP надає стандартний набір повідомлень і послуг для систем управління промисловою автоматизацією, і його можна використовувати в багатьох фізичних середовищах. Наприклад, CIP через шину CAN називається DeviceNet, CIP через виділену мережу називається ControlNet, а CIP через Ethernet називається EtherNet/IP. EtherNet/IP встановлює зв’язок від одного вузла додатка до іншого через з’єднання CIP через з’єднання TCP, і через одне з’єднання TCP можна встановити кілька з’єднань CIP.
ПРОФІНЕТ це широко використовуваний промисловий Ethernet великими виробниками промислового обладнання, такими як Siemens і GE. Він має три різних класи. PROFINET класу A забезпечує доступ до мережі PROFIBUS через проксі-сервер, з'єднуючи Ethernet і PROFIBUS з віддаленим викликом процедури TCP/IP. Його час циклу становить близько 100 мс, і це так
здебільшого використовується для даних параметрів і циклічного введення/виведення. Типове застосування включає автоматизацію інфраструктури та будівель. PROFINET класу B, який також називають PROFINET Real-Time (PROFINET RT), представляє програмний підхід реального часу та скоротив час циклу приблизно до 10 мс. Клас B зазвичай використовується в автоматизації виробництва та автоматизації процесів. PROFINET класу C (PROFINET IRT) є ізохронним і працює в режимі реального часу, вимагає спеціального обладнання для скорочення часу циклу до менше 1 мс, щоб забезпечити достатню продуктивність у промисловій мережі Ethernet у реальному часі для операцій керування рухом. PROFINET RT можна використовувати в програмах типу ПЛК, тоді як PROFINET IRT добре підходить для програм руху. Розгалуження та зірка - це загальні топології, які використовуються для PROFINET. Ретельне планування топології необхідно для мереж PROFINET для досягнення необхідної продуктивності системи.
POWERLINK був спочатку розроблений B&R. Ethernet POWERLINK реалізовано на основі IEEE 802.3 і, отже, дозволяє вільно вибирати топологію мережі, крос-з’єднання та гаряче підключення. Для обміну даними в режимі реального часу він використовує механізм опитування та розподілу часу. Головний вузол POWERLINK або «керований вузол» контролює синхронізацію часу через тремтіння пакетів у діапазоні 10 наносекунд. Така система підходить для всіх типів систем автоматизації, починаючи від зв’язку між ПЛК і візуалізації до керування рухом і вводом/виводом. Перешкоди для впровадження POWERLINK досить низькі через доступність стекового програмного забезпечення з відкритим кодом. Крім того, CANopen є частиною стандарту, який дозволяє легко оновлювати систему з попередніх протоколів Fieldbus.
Серкос III це третє покоління послідовної системи зв'язку в реальному часі (Sercos). Він поєднує в собі оперативну обробку пакетів для надання Ethernet у реальному часі та стандартного зв’язку TCP/IP для забезпечення промислового Ethernet з низькою затримкою. Подібно до EtherCAT, підлеглий пристрій Sercos III обробляє пакет, витягуючи та вставляючи дані в кадр Ethernet на льоту, щоб досягти низької затримки. Sercos III розділяє вхідні та вихідні дані на два кадри. Завдяки тривалості циклу від 31.25 мікросекунди він такий же швидкий, як EtherCAT і PROFINET IRT. Sercos III підтримує кільцеву або лінійну топологію. Однією з ключових переваг використання кільцевої топології є надмірність зв’язку. Навіть якщо кільце розривається через збій одного підпорядкованого пристрою, усі інші підпорядковані пристрої все одно отримують кадри Sercos III із вхідними/вихідними даними. Sercos III може мати 511 підлеглих вузлів в одній мережі та найчастіше використовується в елементах керування сервоприводами.
Мережа, чутлива до часу (TSN) це розширення Ethernet, визначене Інститутом інженерів з електротехніки та електроніки (IEEE), призначене для того, щоб зробити мережі на основі Ethernet більш детермінованими. TSN — це локальна мережа (LAN) — рішення рівня, яке може працювати з Ethernet, що не є TSN, але своєчасність гарантується лише всередині локальної мережі TSN. Ви можете згрупувати стандарти TSN залежно від того, який варіант використання вони вирішують: загальний погляд на час, гарантована максимальна затримка або співіснування з фоновим чи іншим трафіком. Як і будь-який популярний стандарт, набор стандартів TSN розвивається.