Hvad er proprietære ringetopologier i automatiseringsnetværk?

Netværkstopologi i forbindelse med industriel automatisering og IoT refererer primært til arrangementet af kablet forbindelser til kommunikation mellem noder og enheder (såsom sensorer, aktuatorer, smarte motorer, drev og controllere) samt switches, hubs og gateways. Netværkstopologien, der bruges til en maskine eller større anlægsinstallation, fastsætter følgende:

• Systemets kommunikationsstabilitet og hastighed
• Den mængden af redundans og gendannelsestid, som et industrielt netværk har
• Den særdeles vigtige evne til at gendanne forbindelsen (efter linkfejl i netværket)

Denne artikel forklarer adskillige netværkstopologier, herunder forskellige ringtopologier såvel som et par proprietære topologier samt og hvor de bruges.

Figur 1: Her er de vigtigste familier af industrielle netværkstopologier vist. (Billedkilde: Design World)

Mere om typer af industrielle netværkstopologier

Topologien i et industrielt automatiseringsnetværk er den måde, netværkskomponenter klassificeres som links (kabelforbindelser i kabelforbundne arrangementer) og noder der er arrangeret i forhold til hinanden. Noder er enheder, der enten kan fungere som omfordelingspunkter eller kommunikationsendepunkter. I modsætning hertil er links det middel, hvormed noder forbinder, hvad enten det er kablet eller trådløst. Links kan være:

• Simplex - tillader kun envejskommunikation
• Duplex - tillader samtidig kommunikation i begge retninger
• Halv-duplex - tillader kommunikation i begge retninger, men kun en retning ad gangen

Et netværks topologi er den måde, hvorpå noderne er forbundet med linkene. Der er en overflod af arrangementer.

Busnetværk topologi: Netværk med en bustopologi har et hovedlinje med kabel (kendt som bussen), som hver node uafhængigt forbinder til eller "drops", som det kaldes i mange branchereferencer.

Stjernetværks topologi: Netværk med en stjernetopologi er centraliseret omkring en node i form af et hub. Derefter forbinder de andre noder til hub'en via deres links. En stjernetopologi har også nogle fordele ved strømbesparelse, fordi individuelle enheder, der kun transmitterer intermitterende og kan slukkes mens det kun er hubben, der kræver kontinuerlig strøm.

Mesh-netværkstopologi: Netværk med en fuldt tilsluttet topologi som forbinder hver node til alle andre node. Stort set på samme måde er netværk med en mesh-topologi (som fuldt tilsluttede arrangementer) baseret på decentrale forbindelser, men kræver ikke, at hver kobling af noder er forbundet. Opsætninger, der ikke har hver node forbundet med hinanden, kaldes undertiden delvist tilsluttede mesh-netværk.

Trådløse netværk bruger ofte en mesh-topologi, da disse er robuste og sikre med reduceret strømforbrug, hvilket er en nyttig funktion til netværk, der har batteridrevne noder. Mesh-netværk kan også forbedre netværksområdet for en given ledningsføring, fordi individuelle links kan være kortere end netværket som helhed. Det er gavnligt for store IoT-netværk med mange sensorer med lav effekt. Måske vigtigst af alt er, at netværk med en mesh-topologi tilbyder den højeste fleksibilitet og redundans af enhver mulighed - især hvis de er fuldt tilsluttet. Man skal være opmærksom på at genopretning fra linkfejl som kan være langsom, fordi systemet skal finde en ny sti igennem mensh'en, hvilket muligvis nødvendiggør omkonfiguration af porte omkring det ødelagte link. For kablede netværk gør de ekstra kabler og porte også mesh-topologien dyrere.

Ringnetværkstopologi: Netværk med en ringtopologi forbinder hver node til to tilstødende noder i en sekvens, der danner en ring. Dette er også kendt som en overflødig ring, fordi et link kan deaktiveres, indtil linket skal bruges.

Dybere gennemgang af ringtopologi til industriel automatisering

Netværk med ringtopologi har gode hastigheder ved dataoverførsel og genopretter hurtigt efter linkfejl. Kabelomkostninger er også relativt lave. Ikke underligt, at ringtopologier generelt er det førende valg for kabelforbundne industrielle automatiseringsnetværk. Med et redundant link deaktiveret bliver ringen effektivt en linje som giver hurtig og effektiv kommunikation. Under en linkfejl er der ingen kompleks omdirigering. I stedet aktiveres et redundant link simpelthen og alle andre links bruger fortsat systemets standardportruter.

Overvej almindelige ringtopologipermutationer i transmission control protocol (TCP) og user datagram protocol (UDP). Med TCP- og UDP-IP-protokollerne er internetforbindelser mulige, fordi hver enhed har en IP-adresse. Disse IP-adresser tillader systemet at dirigere datapakker fra en adresse til en anden. Pakker indeholder de faktiske data sammen med yderligere oplysninger i en header, der inkluderer destinations-IP-adressen.

TCP (ofte kaldet TCP/IP) styrer, hvordan datapakker samles igen på deres destination. Forudsætningen for at dette kan fungere er kommunikation fra både afsender og modtager. Afsenderen inkluderer sekvensnumre i header, og modtageren skal returnere en besked, der bekræfter pakkemodtagelse. Hvis pakker ikke kvitteres, sendes de igen. Enheder kontrollerer også pakker for fejl ved hjælp af kontrolsum i hver header. Denne TCP-proces sikrer pålidelig dataudveksling på bekostning af relativt langsomme frem og tilbage kommunikationsprocesser. I modsætning hertil tillader UDP (den nyere IP-protokol) enklere og hurtigere dataoverførsel mellem IP-adresser. Modtagerenheder er ikke påkrævet for at bekræfte modtagelse af pakker, så hastigheden er hurtigere på bekostning af let forringet pålidelighed.

Redundansudfordringer og supplerende løsninger

Protokoller til netværksadministration i Ethernet-baserede systemer inkluderer redundansfunktioner for at sikre effektive data og samtidig undgå problematiske brosløjfer og de broadcasts de fremkalder. Dybest set er bro- eller koblingssløjfer unødvendigt og problematisk dataoverførsler som gentages. Disse rejser igennem duplikerede forbindelser mellem enheder og opstår, når et netværk har flere stier mellem to kommunikerende netværksnoder.

Figur 2: I industriel automatisering er ringtopologier hurtige og giver hurtig genopretning fra linkfejl. (Billedkilde: Design World)

Brosløjfer kan forårsage dataudsendelser gentages, hvilket igen medfører overbelastning af netværket og derved drastiske afmatning i netværket. Problemet opstår sandsynligvis i systemer med stor redundans.

Linkaggregation bruger parallelle Ethernet-kabler og porte til at øge båndbredden og fremskynde genopretningen. Dette betyder, at når et link mislykkes, går forbindelsen ikke tabt, men nogle data går muligvis tabt og båndbredden reduceres. Kabler fejler normalt p.g.a. mekanisk beskadigelse. Parallelle kabler skal føres ad forskellige stier, hvilket øger installationsomkostningerne betydeligt. Denne enkle tilgang er standardiseret som Link Aggregation Control Protocol (IEE 802.1ad).

Det er muligt at opretholde fordelene ved redundans, mens man undgår brosløjfer. Her er løsningen topologier, der har parallelle fysiske sløjfer suppleret med evnen til selektivt at deaktivere links ved brug af en protokol til netværksadministration. Hvis et aktivt link mislykkes, udvides den logiske topologi til at omfatte et af de overflødige links og bypasse det mislykkede link. En STP-protokol (spanning tree protocol), RSTP-protokol (rapid spanning tree protocol) og en række proprietære ringprotokoller giver alle denne netværksadministrationsfunktion. Bemærk, at et "spanning tree" er et andet navn for den sløjfefri logiske topologi oprettet i disse protokoller; links, der ikke er en del af det "spanning tree" er deaktiveret.

STP og RSTP arbejder med både mesh- og ringtopologier og leverer passende hurtige genopretningstider til de fleste applikationer. Når det er sagt, kræver de mest krævende industrielle automatiseringsapplikationer ofte ekstreme hurtige gendannelsestider der kun er muligt med proprietære ringprotokoller.

Eksempel på proprietære ringprotokoller

Som navnet antyder, er proprietære ringprotokoller specifikke for producenter af netværkshardware. For eksempel bruger nogle Red LionN-Tron switche proprietære N-Ring ringprotokol. Disse proprietære protokoller styrer netværkssløjfer og håndterer linkfejl, hvilket giver et alternativ til STP eller RSTP.

Som nævnt tidligere bruges ringtopologier primært til fysisk kablede industrielle automatiseringsnetværk p.g.a. deres lave responcetid og evne til at give top pålidelighed, såvel som de hurtigste gendannelseshastigheder for dataoverførsel og linkfejl. Redundans er nøglen til at komme sig efter linkfejl. Ulempen her er, at redundans kan forårsage problemer med de problematisk gentagne data ved sløjfer. Forebyggelse af dette problem kræver netværksprotokoller, der er i stand til at forebygge sløjfer og have hurtig gendannelse ved linkfejl, især til industriel automatiseringsoperationer, der ikke tilgiver nedetid. Proprietære ringprotokoller er ofte de mest egnede valg til applikationer, der har brug for at opretholde hurtige gendannelsestider ved fejl.

Overvej et par af de mest anvendte proprietære ringprotokoller.

HiPER-ring blev frigivet som en proprietær ringprotokol i 1999 af Hirschmann og Siemens. Den er nu standardiseret i IEC 62439 og har det generiske navn Media Redundancy Protocol (MRP) -protokol. Det kan understøtte op til 200 noder. Selvom standardversionen har en gendannelsestid på 500 msek, har Fast HiPER-ring en påstået gendannelse på en meget mere konkurrencedygtige 60 msek.

Resilient Ethernet Protocol (REP) er en proprietær protokol fra Cisco, der også bruges af Rockwell Automation og Westermo. REP giver hurtig og forudsigelig netværksadfærd og har krav til gendannelsestider så lave som 20 msek. Nogle begrænsninger er, at REP ikke er plug-and-play, og det forhindrer ikke automatisk sløjfer. I stedet skal REP være korrekt konfigureret til at levere disse funktioner. REP fungerer ved at oprette samlinger af porte sammenkædet i sekvenser kaldet netværkssegmenter.

X-ring er Advantechs proprietære ringteknologi med måske den hurtigst hævdede gendannelsestid på kun 10 msek. Advarslen her er, at X-ring er begrænset til relativt små netværk med 20 eller færre noder.

Red Lions proprietære N-Ring-protokol, som er nævnt tidligere, har en 30 msek. gendannelsestis og evnen til at understøtte store netværk,med op til 250 noder.

Der er en grund til det temmelig brede udvalg af hastigheder, der er anført ovenfor. Selvom TCP- og UDP-netværksprotokoller har forskellige hastigheder, har et industrielt netværks topologi og styringsprotokol en langt større indflydelse på netværkshastigheden. For eksempel har STP-redundant-ringnetværk gendannelseshastigheder på 30 til 90 sek. på TCP og 10 til 50 sek. på UDP; RSTP reducerer disse værdier til mellem et og tre sek. Gendannelsestider for mesh-netværk er endnu højere. I modsætning hertil kan visse proprietære ringnetværk gendanne sig efter linkfejl på kun 0,3 sek. på TCP eller 0,2 sek. på UDP. Faktisk hævder visse producenter at have meget bedre restitutionstider for deres proprietære ringnetværk og nogle gange inden for 10 msek.

Konklusion om ringtopologier i industriel automatisering

Ringtopologier er almindelige for kablede industrielle automatiseringsnetværk. Deres lave responcetid og top pålidelighed suppleres ofte med proprietære metoder til at forhindre sløjfer og håndtering af linkfejl bedre end traditionel STP- eller RSTP-netværk.