При выборе Ethernet-технологии, наилучшим образом подходящей для вашей промышленной системы, вам сначала нужно собрать некоторую базовую информацию, а именно:
- Сколько будет точек ввода-вывода?
- Какова должна быть скорость передачи данных?
- Какой диапазон контроля (количество устройств, контролирующих операции ввода/вывода)?
- Какой опыт или знания имеют люди, которые в последующем будут эксплуатировать данное электрооборудование?
Содержание:
Эта информация может помочь определить конкретный тип Ethernet, но это также может привести и к выбору нескольких типов Ethernet. «В конечном счете, это похоже на отправку писем», — говорит Erick Rudaitis, директор по маркетингу Parker Hannifin. «Можно отправить разными службами доставки, но письмо прибудет».
Во-первых, одно из существенных различий между Ethernet и промышленным Ethernet является мягкое и жесткое реальное время. «Система реального времени гарантирует, что все входы, выходы, а также вычисления обрабатываются в течение определенного временного ограничения, часто называемого предельным сроком (deadline)», — говорит Маттео Дариол, разработчик Bosch Rexroth. «Жесткая система реального времени считает, что невыполнение задачи в предельный срок это сбой системы с последующей остановкой производственного процесса. С другой стороны, мягкая система реального времени допускает пропуски некоторых крайних сроков (дедлайнов), даже если это ухудшает качество продукции. Каждый раз, когда программа в программируемом логическом контроллере компилируется, он вычисляет, доступны ли необходимые ресурсы для выполнения всех операций, которые нам необходимо выполнить. Затем он предлагает решение для достижения дедлайна».
Сети должны знать, какие данные передаются и как часто. Это укажет пропускную способность и надежность нужной сети. Кроме того, он может изменить тип Ethernet, который будет использоваться. Например, Ethernet / IP и PROFINET RT предназначены только для систем мягкого реального времени.
Если говорить просто, то протоколы связи гарантируют, что информация будет передана к месту назначения. Пакеты данных могут быть разрушены в случае «столкновения» с другим сигналом, который пытается использовать этот же путь для передачи данных. Имея информацию, которая не «сталкивается» с другими данными, обеспечивая при этом передачу первоочередной информации не прерывая передачу второстепенных данных, является огромной проблемой для большинства протоколов связи.
Существует три подхода к работе реального времени в полевых шинах:
- Стандартное программное обеспечение / стандартный Ethernet (S/S): на основе протокола управления передачей / Интернет-протокола (TCP / IP), который является основным языком или протоколом связи, используемым для уровней интернета и интрасети. Механизмы реального времени встроены в верхний уровень. Обратите внимание, что этот подход может иметь ограничения в производительности.
- Открытое программное обеспечение / стандартный Ethernet (O / S): можно следовать стандартам, но есть устройства, которые могут иметь свои особенности и не будут совместимы с другими. Стандарт в этой отрасли означает то же, что и в механических системах – разные запчасти не могут подойти к одному механизму. Open Software / Standard Ethernet (O / S) позволяет производителям соблюдать стандарты любыми удобными им способами, но главным условием является реализация совместимости с другими устройствами.
- Открытое программное обеспечение / модифицированный Ethernet (O / M): используя новый протокол и некоторое аппаратное обеспечение, этот подход позволяет использовать преимущества существующего Ethernet и гарантирует выполнение жесткого реального времени. Кроме того, программное обеспечение часто является с открытым исходным кодом.
Промышленные интернет вещей (IIoT) и все более автоматизированные производственные линии лишь увеличивают важность коммуникационных и сетевых протоколов.
В этой статье будут рассмотрены некоторые различия в промышленном Ethernet. На рынке существует около 30 типов таких систем, поэтому мы сосредоточимся на основных пяти, которые наиболее часто рекламируются по техническим аспектам, стоимости, стандартизации и стратегическим рыночным соображениям: PROFINET, Ethernet / IP, POWERLINK, EtherCAT и Sercos III.
Ниже приводится краткое описание этих пяти промышленных Ethernet вариантов, и какой подход, компания и функции связаны с каждым из них.
Ethernet/IP
Разработанный Rockwell Automation и Open DeviceNet Vendors Association (ODVA), Ethernet / IP использует синхронный протокол Common Industrial Protocol (CIP). Он придерживается как стандарта синхронизации времени IEEE 1588, так и стандарта Ethernet-TCP / IP.
Ethernet / IP позволяет одной сети охватывать множество конечных точек и поддерживать связь между электроприводами. Он совместим со многими стандартными протоколами — Ethernet и Интернетом, но имеет ограниченные возможности в реальном времени. Несмотря на это, значения времени цикла и джиттеров достаточно низки для управления сервомоторами. Производительность Ethernet / IP зависит от времени, а не от количества циклов. Таким образом, до тех пор, пока станции будут приняты командами к установленному сроку, это не будет ошибкой. Таким образом, пока команды будут приходить вовремя, ошибка не появится.
Чтобы показать, насколько запутанными могут быть протоколы связи, рассмотрим несколько вариантов реализации CIP. Когда CIP используется по сети контроллеров или CAN, он называется DeviceNet. Когда он реализован в выделенной сети, он называется ControlNet. Если он используется через Ethernet, он называется Ethernet / IP. Кроме того, Ethernet / IP может использовать TCP / IP и User Data Protocol/Internet Protocol (UDP/IP). Используя протокол CIP, Ethernet / IP также может использовать различные механизмы связи: циклический опрос, время, многоадресную рассылку, связь точка-точка и многое другое.
UDP / IP отклоняет проверку ошибок, что замедляет время цикла. Например, это не слишком большая проблема, если диагностика и данные конфигурации пропускают несколько пакетов данных. Однако если вы хотите гарантировать доставку приоритетных данных, вам не следует использовать UDP / IP в системах жесткого реального времени.
POWERLINK
Разработанный B & R Automation, но в настоящее время управляемый стандартной группой Ethernet POWERLINK, использует циклический метод синхронизации времени протокола и подход Open Software / Standard Ethernet.
По сути, POWERLINK использует мастер для управления временем сети, которое устанавливает, когда данные отправляются с каждого узла. Этот метод синхронизации времени IEEE 1588 позволяет сохранять высокоточное время в сети. Мастер накладывает временной интервал для отправки данных по механизму множественного доступа с контролем несущей / обнаружения конфликтов (CSMA / CD). CSMA / CD состоит из правил, которые определяют, как долго устройство должно ждать, если есть столкновение. Контроллер опрашивает накопители с выделенным периодом цикла.
Поскольку все устройства видны сразу, приоритетные данные могут быть отправлены первыми. В оставшееся время цикла отправляются любые общие данные. Кроме того, он использует мультиплексирование — несколько сигналов объединяются в один сигнал по совместно используемой среде. Это локальная вычислительная сеть (ЛВС), которая совместно использует пропускную способность всех передающих станций.
EtherCAT
Разработанный Beckhoff Automation, EtherCAT использует метод суммирования и метод Open Software / Modified Ethernet.
При использовании метода суммирования кадра все узлы отправляют одну телеграмму, которая перемещается от узла к узлу вдоль кольца, собирая ответ узлов по пути. Этот метод отличается тем, что телеграмма, которую также можно назвать фреймом, сегментируется и проходит через все узлы. Каждый узел читает данные, адресованные ему, и вставляет ответ на телеграмму (аппаратно). На подчиненном конце процесса используются специализированная интегральная схема (ASIC) или программируемая вентильная матрица (FPGA).
Этот подход может иметь дополнительные затраты. Хотя EtherCAT использует Open Software / Modified Ethernet, EtherCAT Technology Group можно назвать гибридом между ассоциацией и частным партнерством. Несмотря на это, EtherCAT обычно хорошо работает с другими производителями. Нужно просто быть уверенным в наличии поддерживаемых драйверов.
Sercos III
Управляемый Sercos International постоянно развивающийся и гибкий подход, использующий метод суммирования кадров и открытое программное обеспечение модифицированных локальных сетей.
Sercos III работает без концентраторов или коммутаторов, которые сокращают время цикла. Каждая станция имеет ASIC или FPGA. Это может работать лучше для топологии замкнутого кольца или линии (гирляндной цепи). Данные обрабатываются при прохождении через устройство с использованием различных типов телеграмм для разных типов связи. С полнодуплексной системой (две стороны могут общаться одновременно), цепочка срабатывает как кольцо. Кольцо обеспечивает избыточную передачу данных. Кроме того, два коммуникационных порта обеспечивают прямой кросс-трафик. Sercos III обрабатывает данные дважды за такт, а это означает, что устройства могут взаимодействовать друг с другом, не взаимодействуя с блоком «мастер».
PROFINET IRT
PROFINET IRT, разработанный Siemens и входящими в состав организации PROFIBUS, объединяет синхронизированные коммутаторы, которые управляют связью, а опрос обеспечивается с помощью подхода Open Software / Modified Ethernet. Интересно отметить, что PROFINET широко используется в Siemens и GE контроллерах и оборудовании, но практически ни одна компания, кроме упомянутых выше, не поддерживает этот стандарт.
Эволюция локальных сетей
В прошлом году ABB, Bosch Rexroth, B & R, Cisco, General Electric, KUKA, NI, Parker Hannifin, Schneider Electric, SEW-EURODRIVE и TTTech сотрудничали под эгидой Industrial Internet Consortium (IIC) и OPC Foundation (Object Linking and Embedding for Process Control), чтобы принять унифицированную архитектуру OPC через чувствительную ко времени сеть (OPC UA TSN). Группа компаний стремится сделать это единым стандартом для поддержки будущих поколений промышленных сетей.
Продолжение разработки стандартов будет иметь важное значение для развития Ethernet, особенно когда речь идет о безопасности. В игру вступает больше сетей безопасности. Компании теперь внедряют функции безопасности через Ethernet, по сравнению с отдельными системами.
Как и в большинстве случаев, при поиске решения с Ethernet вам необходимо задавать правильные вопросы. Важно знать время цикла, полосу пропускания и точность часов (если вы используете протокол, который их включает), чтобы убедиться, что сеть будет работать на скорости, необходимой для вашего приложения. Узнайте, какие типы архитектур и сетей используют другие компании, поскольку это напрямую влияет на совместимость оборудования.
Некоторые производители предлагают оборудование для пробных испытаний, а другие компании делают сторонние продукты, чтобы помочь подключить изделия, которые могут плохо работать вместе. Например, Anybus является сторонним решением, которое может связываться между любой промышленной шиной, промышленным Ethernet или беспроводной сетью. Это может помочь наладить нормальную связь между оборудованием, которое плохо работает в паре друг с другом, или преодолеть технический разрыв между старыми и новыми машинами.
Другими факторами, которые необходимо учитывать, являются стандартное, открытое или модифицированное программное обеспечение и Ethernet. В конечном счете, поговорите со своими ИТ-специалистами и постарайтесь прийти к взаимопониманию. Не понимание преимуществ построения сети, ее топологии — может привести к тому, что одна машина сможет отключить всю линию.
Кроме того, аппаратное обеспечение и лицензирование могут привести к тому, что вы инвестируете больше денег, чем ожидали, если не уточните у поставщика с самого начала возможности модернизации и обновления оборудования для вашего конкретного случая. Именно здесь наличие квалифицированного профессионала на вашей стороне может помочь вам избежать ситуации — «Почему я не могу просто нажать кнопку и заставить ее работать!»
