Hayden Ali, Kỹ sư mạng
Thuật ngữ Ethernet công nghiệp
Giao thức truyền thông Ethernet công nghiệp
Ethernet đang trở nên phổ biến và tiết kiệm chi phí, với các liên kết vật lý phổ biến và tốc độ tăng lên. Do đó, nhiều giao thức truyền thông công nghiệp đang chuyển sang các giải pháp dựa trên Ethernet. Giao tiếp Ethernet với TCP/IP thường không mang tính quyết định và thời gian phản hồi thường vào khoảng 100 ms. Các giao thức Ethernet công nghiệp sử dụng lớp Điều khiển truy cập phương tiện (MAC) đã sửa đổi để đạt được độ trễ rất thấp và phản hồi xác định. Ethernet cũng cho phép cấu trúc liên kết mạng linh hoạt và số lượng nút linh hoạt trong hệ thống. Hãy xem xét chi tiết một số giao thức Ethernet công nghiệp phổ biến.
EtherCAT, một giao thức được tối ưu hóa cho dữ liệu quy trình, sử dụng Khung Ethernet IEEE 802.3 tiêu chuẩn. Mỗi nút nô lệ xử lý datagram của nó và chèn dữ liệu mới vào khung trong khi mỗi khung đi qua. Quá trình này được xử lý trong phần cứng để mỗi nút đưa ra độ trễ xử lý tối thiểu, cho phép thời gian phản hồi nhanh nhất có thể. EtherCAT là giao thức lớp MAC và trong suốt đối với mọi giao thức Ethernet cấp cao hơn như TCP/IP, UDP, máy chủ Web, v.v. EtherCAT có thể kết nối tới 65,535 nút trong một hệ thống và EtherCAT master có thể là bộ điều khiển Ethernet tiêu chuẩn, do đó đơn giản hóa cấu hình mạng. Do độ trễ thấp của mỗi nút tác nhân, EtherCAT cung cấp các giải pháp Ethernet công nghiệp linh hoạt, chi phí thấp và tương thích với mạng.
EtherNet / IP là một giao thức tầng ứng dụng trên TCP/IP. EtherNet/IP sử dụng các lớp vật lý, liên kết dữ liệu, mạng và vận chuyển Ethernet tiêu chuẩn trong khi sử dụng Giao thức công nghiệp chung (CIP) qua TCP/IP. CIP cung cấp một bộ thông báo và dịch vụ tiêu chuẩn cho các hệ thống điều khiển tự động hóa công nghiệp và nó có thể được sử dụng trong nhiều phương tiện vật lý. Ví dụ: CIP qua bus CAN được gọi là DeviceNet, CIP qua mạng chuyên dụng được gọi là ControlNet và CIP qua Ethernet được gọi là EtherNet/IP. EtherNet/IP thiết lập giao tiếp từ nút ứng dụng này sang nút ứng dụng khác thông qua các kết nối CIP qua kết nối TCP và nhiều kết nối CIP có thể được thiết lập qua một kết nối TCP.
TIỂU SỬ là Ethernet công nghiệp được sử dụng rộng rãi bởi các nhà sản xuất thiết bị công nghiệp lớn như Siemens và GE. Nó có ba lớp khác nhau. PROFINET Lớp A cung cấp quyền truy cập vào mạng PROFIBUS thông qua proxy, kết nối Ethernet và PROFIBUS bằng thủ tục từ xa gọi TCP/IP. Thời gian chu kỳ của nó là khoảng 100 ms, và nó là
chủ yếu được sử dụng cho dữ liệu tham số và I/O tuần hoàn. Ứng dụng điển hình bao gồm cơ sở hạ tầng và tự động hóa tòa nhà. PROFINET Class B, còn được gọi là PROFINET Real-Time (PROFINET RT), giới thiệu cách tiếp cận thời gian thực dựa trên phần mềm và đã giảm thời gian chu kỳ xuống khoảng 10 ms. Loại B thường được sử dụng trong tự động hóa nhà máy và tự động hóa quy trình. PROFINET Class C (PROFINET IRT), là Isochronous và thời gian thực, yêu cầu phần cứng đặc biệt để giảm thời gian chu kỳ xuống dưới 1ms để cung cấp đủ hiệu suất trên Ethernet công nghiệp thời gian thực cho các hoạt động điều khiển chuyển động. PROFINET RT có thể được sử dụng trong các ứng dụng kiểu PLC, trong khi PROFINET IRT phù hợp với các ứng dụng chuyển động. Nhánh và Ngôi sao là cấu trúc liên kết phổ biến được sử dụng cho PROFINET. Lập kế hoạch cấu trúc liên kết cẩn thận là cần thiết cho các mạng PROFINET để đạt được hiệu suất cần thiết của hệ thống.
LIÊN KẾT ĐIỆN ban đầu được phát triển bởi B&R. Ethernet POWERLINK được triển khai trên IEEE 802.3 và do đó, cho phép lựa chọn miễn phí cấu trúc liên kết mạng, kết nối chéo và phích cắm nóng. Nó sử dụng cơ chế bỏ phiếu và cắt thời gian để trao đổi dữ liệu thời gian thực. POWERLINK chính hoặc “Nút được quản lý” kiểm soát đồng bộ hóa thời gian thông qua hiện tượng giật gói trong phạm vi 10 giây nano giây. Một hệ thống như vậy phù hợp với tất cả các loại hệ thống tự động hóa, từ giao tiếp và trực quan hóa giữa PLC với PLC cho đến điều khiển chuyển động và I/O. Các rào cản đối với việc triển khai POWERLINK khá thấp do có sẵn phần mềm ngăn xếp nguồn mở. Ngoài ra, CANopen là một phần của tiêu chuẩn cho phép nâng cấp hệ thống dễ dàng từ các giao thức Fieldbus trước đó.
Sercos III là thế hệ thứ ba của Hệ thống truyền thông thời gian thực nối tiếp (Sercos). Nó kết hợp quá trình xử lý gói nhanh chóng để cung cấp Ethernet thời gian thực và giao tiếp TCP/IP tiêu chuẩn để cung cấp Ethernet công nghiệp có độ trễ thấp. Giống như EtherCAT, nô lệ Sercos III xử lý gói bằng cách trích xuất và chèn dữ liệu vào khung Ethernet khi đang di chuyển để đạt được độ trễ thấp. Sercos III tách dữ liệu đầu vào và đầu ra thành hai khung. Với thời gian chu kỳ từ 31.25 micro giây, nó nhanh như EtherCAT và PROFINET IRT. Sercos III hỗ trợ cấu trúc liên kết vòng hoặc đường. Một ưu điểm chính của việc sử dụng cấu trúc liên kết vòng là dự phòng truyền thông. Ngay cả khi vòng bị hỏng do lỗi của một Slave, tất cả các Slave còn lại vẫn nhận được khung Sercos III với dữ liệu đầu vào/đầu ra. Sercos III có thể có 511 nút phụ trong một mạng và được sử dụng nhiều nhất trong điều khiển ổ đĩa servo.
Mạng nhạy cảm với thời gian (TSN) là một phần mở rộng Ethernet được xác định bởi Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) được thiết kế để làm cho các mạng dựa trên Ethernet trở nên xác định hơn. TSN là một giải pháp cấp độ mạng cục bộ (LAN) có thể hoạt động với Ethernet không phải TSN, nhưng tính kịp thời chỉ được đảm bảo bên trong TSN LAN. Bạn có thể nhóm các tiêu chuẩn TSN dựa trên trường hợp sử dụng mà nó giải quyết: chế độ xem chung về thời gian, độ trễ tối đa được đảm bảo hoặc cùng tồn tại với nền hoặc lưu lượng truy cập khác. Giống như bất kỳ tiêu chuẩn phổ biến nào, hộp công cụ tiêu chuẩn TSN đang phát triển.