Vad är proprietära ringtopologier i automatiseringsnät?

Av Jody Muelaner

Bidraget med av Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Nätverkstopologier i samband med industriell automatisering ochIoT handlar först och främst om arrangemanget av kabelanslutna kommunikationsanslutningar mellan noder och enheter (såsom sensorer, ställdon, smarta motorer, enheter och styrenheter) samtswitchar, hubbar och gateways. Den nätverkstopologi som används för en maskin eller större anläggningsinstallation avgör:

  • Systemets kommunikationsstabilitet och hastighet
  • Den mängd redundans och återhämtningstid som ett industriellt nätverk har
  • Den ständigt lika viktiga återhämtningsförmågan (efter fel i någon länk i nätverket)

Artikeln förklarar flera nätverkstopologier, inklusive olika ringtopologier samt några proprietära topologier och var de används.

Diagram på huvudfamiljer av industriella nätverkstopologier Figur 1: Här visas huvudfamiljerna inom industriella nätverkstopologier. (Bildkälla: Design World)

Mer om typer av topologier i industriella nätverk

Topologin i ett industriellt automatiseringsnätverk är det sätt på vilket nätverkskomponenter klassificerade som länkar (kabelanslutningar i kabelanslutna arrangemang) och noder är arrangerade i förhållande till varandra. Noder är enheter som kan agera antingen som omfördelningspunkter eller ändpunkter för kommunikationen. Länkar, är däremot det sätt på vilket noderna ansluter - oavsett om detta sker trådlöst eller via kabelanslutningar. Länkar kan vara:

  • Simplex - tillåter endast enkelriktad kommunikation
  • Duplex - tillåter samtidig kommunikation i båda riktningar
  • Halvduplex - tillåter kommunikation i båda riktningarna ... men bara i en riktning i taget

En nätverkstopologi är det sätt på vilket noderna är anslutna via länkarna. Det finns en mängd arrangemang.

Topologi i form av bussnätverk: Nätverk med en busstopologi har en ”huvudlinje” med kabel (som kallas för bussen) som varje nod oberoende av varandra ansluter till eller ”faller av” som det kallas i många branschreferenser.

Topologi i form av ett stjärnnätverk: Nätverk med en stjärntopologi är centraliserade kring en nod i form av ett nav. Sedan ansluter de andra noderna till navet via sina länkar. En stjärntopologi har även en del fördelar inom energibesparing eftersom enskilda enheter som bara sänder intermittent kan stängas av då navet är det enda som kräver kontinuerlig ström.

Topologi i form av mesh-nätverk: Nätverk med enfullständigt ansluten topologi där varje nod ansluter till alla andra noder. På ungefär samma sätt är nätverk med en mesh-topologi (som fullständigt anslutna arrangemang) baserade på decentraliserade anslutningar ... men kräver inte att varje sammankoppling av noderna är anslutna. Konfigurationer som inte har varje nod ansluten till varandra kallas ibland delvis anslutna mesh-nätverk.

Trådlösa nätverk använder ofta en mesh-topologi, eftersom de är robusta och säkra - och minskar energiförbrukningen ... en användbar funktion för nätverk som innehåller batteridrivna noder. Mesh-nätverk kan även förbättra nätverkets räckvidd för en given mängd kablar eftersom enskilda länkar kan vara kortare än nätverket som helhet. Det är fördelaktigt i stora IoT-nätverk med många lågeffektsensorer. Men kanske viktigast av allt, nätverk med en mesh-topologi erbjuder den högsta flexibiliteten och redundansen av alla alternativ - särskilt de som är fullständigt anslutna. En nackdel är att återhämtningen vid länkfel kan vara långsam eftersom systemet måste hitta en ny väg genom mesh-nätet - vilket kan kräva en omkonfigurering av portar kring den trasiga länken. För kabelanslutna nätverk gör de extra kablarna och portarna även att nättopologin blir dyrare.

Topologi i form av ringnätverk: Nätverk med en ringtopologi länkar respektive nod till två intilliggande noder i en sekvens som bildar en ring. Detta kallas även för en redundant ring eftersom en länk kan inaktiveras tills den behövs.

En djupare genomgång av ringtopologier för industriell automatisering

Nätverk med en ringtopologi har bra dataöverföringshastigheter och återhämtar sig ganska snabbt efter länkfel. Kabelkostnaderna är också relativt låga. Det är inte underligt att ringtopologier i allmänhet är det ledande valet för kabelanslutna industriella automatiseringsnätverk. Med en redundant länk inaktiverad blir ringen i praktiken en linje ... som ger snabb och effektiv kommunikation. Vid ett länkfel uppstår ingen komplicerad omdirigering. Istället aktiveras bara en redundant länk - och alla andra länkar fortsätter att använda vägen via systemets standardportar.

Tänk på vanliga omflyttningar i ringtopologin för TCP (Transmission Control Protocol) och UDP (User Datagram Protocol). Med IP-protokollen TCP och UDP är internetanslutningar möjliga eftersom respektive enhet har en IP-adress. IP-adresserna gör det möjligt för systemet att dirigera datapaket från en adress till en annan. Paketen innehåller den faktiska informationen tillsammans med ytterligare information i ett huvud som inkluderar destinationens IP-adress.

TCP (ofta kallat TCP/IP) styr hur datapaket återmonteras vid sin destination. Förutsättningen för att detta ska fungera är att det finns kommunikation från både avsändaren och mottagaren. Avsändaren inkluderar ordningsnummer i huvudet och mottagaren måste returnera ett meddelande som bekräftar mottagandet av paketet. Om paketet inte bekräftas skickas det igen. Enheterna kontrollerar även paketen för fel med kontrollsummor i respektive pakets huvud. Denna TCP-process garanterar ett tillförlitligt datautbyte på bekostnad av relativt långsamma kommunikationsprocesser fram och tillbaka. Däremot möjliggör UDP (det nyare IP-protokollet) enklare och snabbare dataöverföring mellan IP-adresser. Mottagarenheterna är inte skyldiga att bekräfta mottagandet av paketet, så hastigheten är snabbare på bekostnad av något försämrad tillförlitlighet.

Utmaningar kring redundans och kompletterande lösningar

Nätverksprotokoll för hantering i Ethernet-baserade system kompletterar med redundansfunktioner för att garantera effektiv information och samtidigt undvika problematiskabryggslingor och densändningsspridning de orsakar. I grund och botten är bryggslingor eller switchslingor onödiga och skapar problematiska upprepade dataöverföringar. Dessa färdas genom dubbla anslutningar mellan enheterna - vilket inträffar när ett nätverk har flera vägar mellan två kommunicerande nätverksnoder.

Diagram på ringtopologier som är snabba och ger snabb återhämtning vid länkfelFigur 2: Inom industriell automatisering är ringtopologier snabba och och har snabb återhämtning vid länkfel. (Bildkälla: Design World)

Bryggslingor kan orsaka upprepad återsändning av data, vilket i sin tur orsakar nätverksöverbelastning och betydande fördröjningar i nätverket. Det är troligare att problemet uppstår i system med stor redundans.

Länkaggregering använder parallella Ethernet-kablar och portar för att öka bandbredden och påskynda återhämtningar. Det innebär att när en länk misslyckas går inte anslutningen förlorad ... men viss information kan gå förlorad - och bandbredden minskas. Kablar går oftast sönder på grund av mekaniska skador, de parallella kablarna ska förläggas längs olika vägar, vilket väsentligt ökar installationskostnaden. Detta enkla tillvägagångssätt är standardiserat som Link Aggregation Control Protocol (IEE 802.1ad).

Det är möjligt att upprätthålla fördelarna med redundans och samtidigt undvika bryggslingor. Här är lösningen topologier med parallella fysiska slingor som kompletteras med möjligheten att selektivt inaktivera länkar genom användning av ett protokoll för nätverkshantering. Om en aktiv länk sedan misslyckas utökas den logiska topologin så att den inkluderar en av de redundanta länkarna - och dirigeras om runt den trasiga länken. Ett förgrenat trädprotokoll (STP), ett snabbt förgrenat trädprotokoll (RSTP) och en mängd andra proprietära ringprotokoll innehåller alla denna funktion för nätverkshantering. Observera att ett förgrenat träd bara är ett annat namn för den slinglösa logiska topologi som skapats i dessa protokoll. Länkar som inte ingår i det förgrenade trädet är inaktiverade.

STP och RSTP fungerar med både mesh- och ringtopologier och ger lämpligt snabba återhämtningstider för de flesta tillämpningar. Med detta, kräver de mest krävande industriella automatiseringstillämpningarna ofta extremt snabba återhämtningstider, som bara är möjligt med proprietära ringprotokoll.

Exempel på proprietära ringprotokoll

Som namnet antyder är proprietära ringprotokoll specifika för nätverkshårdvarans tillverkare. Vissa, som exempelvis Red LionsN-Tron-switchar använder exempelvis, det proprietära protokollet N-Ring. Dessa proprietära protokoll styr nätverksslingor och hanterar länkfel, vilket ger ett alternativ till STP eller RSTP.

Som tidigare beskrivits används ringtopologier främst för fysiskt kabelanslutna industriella automatiseringsnätverk där deras låga latens och förmåga att tillhandahålla högsta tillförlitlighet - likväl som de snabbaste hastigheterna för dataöverföring och återhämtning av länkfel. Redundans är nyckeln till att återhämta sig efter länkfel. Dilemmat här är att redundans kan orsaka problem med upprepad information i slingor. För att förhindra detta problem krävs det nätverksprotokoll som kan förebygga slingor och har en snabb återhämtning av länkfel - särskilt i industriella automatiseringsverksamheter som inte får stå stilla. Proprietära ringprotokoll är ofta det lämpligaste valet för sådana tillämpningar som måste upprätthålla snabba återhämtningstider vid fel.

Tänk på några av de mest använda proprietära ringprotokollen.

HiPER-ring släpptes 1999 som ett proprietärt ringprotokoll av Hirschmann och Siemens. Det är nu standardiserat i IEC 62439 och har det generiska namnet Media Redundancy Protocol (MRP)-protokoll. Det har stöd för upp till 200 noder. Även om standardversionen har en återhämtningstid på 500 ms, har Fast HiPER-ringen en påstådd återhämtning på betydligt mer konkurrenskraftiga 60 ms.

Resilient Ethernet Protocol (REP) är ett protokoll från Cisco som även används av Rockwell Automation och Westermo. REP ger ett snabbt och förutsägbart nätverksbeteende och har hävdat återhämtningstider ända ner till 20 ms. Vissa begränsningar består av att REP inte är plug and play och att det inte automatiskt förhindrar slingor. REP måste istället vara korrekt konfigurerat för att hantera dessa funktioner. REP fungerar genom att skapa samlingar av portar som kopplas samman - i sekvenser som kallasnätverkssegment .

X-ring ärAdvantech proprietär ringteknik, med kanske den snabbaste återhämtningstiden på bara 10 ms. Förbehållet här är att X-ring är begränsat till relativt små nätverk med mindre än 20 noder.

Det proprietära N-Ring-protokollet från Red Lion som nämndes tidigare har en återhämtningstid på 30 ms och har möjlighet att stödja stora nätverk - ända upp till 250 noder.

Det finns en anledning till det ganska stora utbudet av hastigheter som anges ovan. Även om nätverksprotokollen TCP och UDP har lite olika hastigheter, har ett industrinätverks topologi och hanteringsprotokoll en betydligt större inverkan på nätverkshastigheten. STP-redundanta ringnätverk har exempelvis återhämtningstider på 30 till 90 sekunder för TCP och 10 till 50 sekunder för UDP. RSTP minskar dessa värden till mellan en och tre sekunder. Återhämtningstiderna för mesh-nätverk är ännu högre. Däremot kan vissa proprietära ringnät återhämta sig från länkfel på endast 0,3 sek för TCP ... eller 0,2 sek för UDP. I själva verket hävdar utvalda tillverkarebetydligt bättre återhämtningstider för sina proprietära ringnätverk ... ibland inom 10 ms.

Slutsats kring ringtopologier inom industriell automatisering

Ringtopologier är vanligt förekommande inom kabelanslutna industriella automatiseringsnätverk. Den låga latensen och förstklassiga tillförlitligheten kompletteras ofta med proprietära metoder för att förhindra slingor och hantering av länkfel bättre än traditionell STP eller RSTP.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner är en ingenjör som har utvecklat sågverk och medicintekniska produkter, hanterat riskbedömningar i flygindustrins tillverkningssystem och skapat innovativa laserinstrument. Han har blivit publicerad i många expertgranskade tidskrifter och offentliga utredningar... samt har skrivit tekniska rapporter för Rolls-Royce, SAE International och Airbus. Han leder för närvarande ett projekt för att utveckla en e-cykel, som finns beskriven på betterbicycles.org. Muelaner har också koll på utveckling kring koldioxidavskiljning.

Om utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer