Industrielt Ethernet kan kan kategoriseres etter deterministiske sanntidsegenskaper.
Industrielt Ethernet kan kan kategoriseres etter deterministiske sanntidsegenskaper. (Bilde: Istockphoto)

Industrielt Ethernet

Hvor mye sanntid trenger du?

Vi deler protokollene for industrielt Ethernet inn i tre kategorier, etter graden av deterministiske sanntidsegenskaper.

Ordlisten

  • IP: internet protocol, men for Ethernet/IP er det industrial protocol som gjelder
  • MAC: media access control
  • SNMP: simple network management protocol
  • TCP/IP: transmission control protocol/internet protocol
  • UDP: user datagram protocol 

Protokollreferanser

  • Ethercat: ethercat.org
  • Ethernet/IP: odva.org
  • Modbus TCP: modbus.org
  • Powerlink: powerlink.org
  • Profinet: profibus.com

Tekst: Kai Atle Myrvang, AD Elektronikk 

De fleste industrielle Ethernet-løsninger tilfredsstiller sanntidskravene til majoriteten av applikasjonene, og selv om de mer ekstreme variantene tilbyr bedre determinisme, beveger de seg også lenger fra standard tcp/ip-trafikk.

Kategoriseringen gjøres hovedsakelig etter dataoppdateringstid, og om de kan sameksistere med tradisjonell tcp/ip-trafikk (transmission control protocol/internet protocol). 

Kategori A – tcp/ip-basert 

Kategori A har tcp/ip-baserte løsninger, og således fokus på standardisering eller samspill med konvensjonelt Ethernet. Løsningene benytter vanlig tcp- eller udp-protokoll (user datagram protocol) for transportert av prosessdata.

Det bygges en protokoll som benytter disse mekanismene (tcp og udp), og da kan vi også bruke vanlige nettverkskomponenter (switcher, routere, wlan etc). Sanntidsegenskapene er svært begrenset og bestemmes i hovedsak av tidsforhold i den kommersielle tcp/ip-programvaren. 

Gir samspill 

Industrikomponentene adresseres som vanlige nettverksstasjoner med en ip-adresse og industrinettet kan sameksistere med det tradisjonelle nettverk i bedriften. Infrastrukturen kan om ønskelig deles mellom kontor- og fabrikknett. 

En naturlig følge av dette er at vedlikeholdstjenester fra kontornettet, for eksempel SNMP (simple network management protocol) kan benyttes på fabrikknettet. Eksempler på industrielle Ethernet-protokoller i denne kategorien er Ethernet/IP og Modbus/TCP. 

Kategori B – mindre modifisert 

Kategori B dekker Ethernet/MAC-baserte (media access control) løsninger, som er lettere modifisert fra standard Ethernet. Protokoller i denne kategorien hopper over ip-protokollen for transport av prosessdata. Hele stabelen av tcp/ip-rutiner blir lagt til side for all sanntidsrelatert kommunikasjon. 

Automatiseringsprotokollen kommuniserer direkte med Ethernet-driveren og derved standard Ethernet hardware. I denne sammenheng kan ikke ip-adresser benyttes til adressering, men derimot MAC-adressen som er knyttet til Ethernet-kortet. 

Trafikk i to kanaler 

 

Bortfall av tid som normalt forbrukes av tcp/ip-protokollen fører til en raskere respons og mindre variasjon i svartiden (jitter på engelsk). Kategoriens protokoller har altså bedre deterministisk oppførsel (bedre forutsigbarhet på svartid). 

Sett fra utstyret som kommuniserer er det nå mulig med to kanaler. Tcp/ip-baserte tjenester kan gå parallelt med direkte, MAC-basert sanntidstrafikk. Begge kanalene kan være aktive over samme kabel (infrastruktur). Mens MAC-adressering kun kan kommunisere på samme subnet (broadcast domene) kan ip-adresserte tjenester (som typiske it-tjenester) rutes videre som vanlig. En god representant for denne kategori er Profinet RT (realtime, eller sanntid). 

Kategori C – sanntids skreddersøm

Kategori C drar sanntidsegenskapene videre. Den omfatter løsninger hvor sanntidsdata plasseres direkte i Ethernet-telegrammet. Alle mekanismer du finner i standard kommunikasjonsdrivere er satt til side eller modifisert. 

I motsetning til kategori B, hvor tilknytning gjøres på MAC-nivå, blir også dette kortsluttet for å spare tid. I tillegg blir timing tilpasset og spesielle Ethernet-kretser som kan utnytte dette må brukes.

Ekstremisme 

Løsninger i denne kategorien er skreddersydd for å dekke de mest ekstreme tidskrav som stilles av hurtigløpende maskineri. Responstiden er under 1millesekund, og jitter (tidsavvik) er under 1 mikrosekund. En slik modifisering av grunnleggende Ethernet gjør dette til den mest ekstreme kategorien. 

Store forskjeller 

Samtidig er forskjellene mellom løsningene i kategorien svært stor. Ethercat baserer seg for eksempel på hurtig å skifte ut deler av et samlet telegram, noe som gjør at slavene må ha spesiell hardware. Profinet IRT (isochronous, regelmessig sanntid) derimot stiller spesielle krav til timing og krever tilpassede switcher. Og Powerlink hører også med i denne kategori med sitt spesielle master - og slave-konsept med polling.

Til tross for modifiseringene som disse løsningene krever tillater de allikevel vanlig tcp/ip-trafikk og bruk av klassiske it-tjenester. Det er stor variasjon i hvordan dette er realisert og mulighetene kan være så begrenset at for enkelte løsninger bør kun de mest nødvendige tjenestene aktiveres. 

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå