Hva er proprietære ringtopologier i automatiseringsnettverk?

Nettverkstopologi i forbindelse med industriell automatisering og IoT refererer hovedsakelig til sammenstillingen av faste kommunikasjonstilkoblinger mellom noder og enheter (for eksempel sensorer, aktuatorer, smartmotorer, drivere og styringer) samt svitsjer, hubber og gatewayer. Nettverkstopologien som brukes for en maskin eller et større anlegg, fastsetter følgende:

• Stabilitet og hastighet for systemkommunikasjon
• Hvor lang redundans- og gjenopprettingstid et industrielt nettverk har
• Den svært viktige funksjonen for tilkoblingsgjenoppretting (etter feil på en lenke i nettverket)

Denne artikkelen forklarer flere nettverkstopologier, inkludert ulike ringtopologier og noen få proprietære topologier, samt hvor de brukes.

Figur 1: Her vises de viktigste familiene til industrielle nettverkstopologier. (Bildekilde: Design World)

Mer om industrielle nettverkstopologityper

Topologien til et industrielt automatiseringsnettverk er måten nettverkskomponenter klassifiseres som lenker (kabeltilkoblinger i kablede sammenstillinger), og noder sammenstilles i forhold til hverandre. Noder er enheter som kan fungere som enten omfordelingspunkter eller kommunikasjonsendepunkter. Lenker derimot, er måten noder kobler seg til på – enten de er kablet eller trådløse. Lenker kan være:

• Simpleks – tillater bare enveiskommunikasjon
• Dupleks – tillater samtidig kommunikasjon i begge retninger
• Halvdupleks – tillater kommunikasjon i begge retninger … men bare én vei om gangen

Topologien til et nettverk er måten nodene er koblet sammen på av lenkene. Det finnes en overflod av sammenstillinger.

Bussnettverkstopologi: Nettverk med busstopologi har ett «hovedspor» med kabel (kjent som bussen) der hver node uavhengig kobler seg til, eller «drops» som det på engelsk kalles i mange bransjereferanser.

Stjernenettverkstopologi: Nettverk med stjernetopologi er sentralisert rundt en node i form av en hub. Deretter kobler de andre nodene seg til hubben via lenkene sine. En stjernetopologi har også noen fordeler når det kommer til strømsparing, fordi individuelle enheter som kun sender periodisk kan slås av slik at det bare er hubben som krever kontinuerlig strøm.

Nettverkstopologi: Nettverk med en fullstendig tilkoblet topologi kobler hver enkelt node til alle andre noder. På omtrent samme måte er nettverk med masketopologi (mesh) (for eksempel fullstendig tilkoblede sammenstillinger) basert på desentraliserte tilkoblinger … men krever ikke at hvert enkelt nodepar er tilkoblet. Oppsett som ikke har alle nodene koblet til hverandre, kalles noen ganger delvis tilkoblede nettverk.

Trådløse nettverk bruker ofte masketopologi siden disse er robuste og sikre – og reduserer strømforbruket … en nyttig funksjon for nettverk som har batteridrevne noder. Nettverk med masketopologi kan også forbedre nettverksområdet for en gitt ledningslengde fordi individuelle lenker kan være kortere enn nettverket som helhet. Dette er gunstig for store IoT-nettverk med mange sensorer som har lavt strømforbruk. Kanskje viktigst av alt er at nettverk med masketopologi tilbyr den høyeste fleksibiliteten og redundansen sammenlignet med alle andre alternativer – spesielt hvis de er fullstendig tilkoblet. En advarsel er at gjenopprettingstiden etter lenkefeil kan være lang fordi systemet må finne en ny bane gjennom nettverket – noe som potensielt kan kreve omkonfigurasjon av porter rundt lenken med brudd. De ekstra kablene og portene i kablede nettverk gjør også nettverkstopologien dyrere.

Ringnettverkstopologi: Nettverk med ringtopologi kobler sammen hver node med to tilstøtende noder i en sekvens som danner en ring. Dette er også kjent som en redundant ring fordi en lenke kan deaktiveres helt til det er behov for den.

Et dypere innblikk i ringtopologi for industriell automatisering

Nettverk med en ringtopologi har gode dataoverføringshastigheter, og de kan gjenopprettes ganske raskt etter en lenkefeil. Kabelkostnadene er også relativt lave. Så det er ikke så rart at ringtopologier generelt sett er det foretrukne valget for kablede industrielle automatiseringsnettverk. I tilfeller hvor én redundant lenke er deaktivert, blir ringen til en linje … noe som gir rask og effektiv kommunikasjon. Hvis lenkefeil skulle oppstå, er det ikke behov for kompleks omdirigering. I stedet aktiveres en redundant lenke – og alle andre lenker fortsetter å bruke systemets standard portruter.

La oss se på vanlige ring-topologiske permutasjoner i TCP-protokollen og UDP-protokollen. Med TCP IP- og UDP IP-protokollene er Internett-tilkoblinger mulig fordi alle enhetene har en IP-adresse. Disse IP-adressene gjør det mulig for systemet å rute datapakker fra én adresse til en annen. Pakker inneholder de faktiske dataene sammen med tilleggsinformasjon i en header som inkluderer mål-IP-adressen.

TCP (ofte kalt TCP/IP) styrer hvordan datapakker settes sammen igjen på destinasjonen. Forutsetningen for at dette skal fungere er å ha kommunikasjon fra både senderen og mottakeren. Senderen omfatter sekvensnumre i headeren, og mottakeren må returnere en melding som bekrefter mottak av pakken. Hvis pakker ikke bekreftes, sendes de på nytt. Enheter sjekker også pakker for feil ved å benytte sjekksummer i hver pakkeheader. Denne TCP-prosessen sikrer pålitelig datautveksling på bekostning av relativt langsomme til-og-fra-kommunikasjonsprosesser. UDP (den nyere IP-protokollen) derimot, muliggjør enklere og raskere dataoverføring mellom IP-adresser. Mottakerenheter trenger ikke bekrefte mottak av pakker, så hastigheten er raskere på bekostning av litt redusert pålitelighet.

Redundansutfordringer og tilleggsløsninger

Nettverksstyringsprotokoller i Ethernet-baserte systemer supplerer redundansfunksjoner for å sikre effektive data og samtidig unngå problematiske brosløyfer og radiosendingsstrålingen de induserer. I utgangspunktet er bro- eller koblingsløyfer dataoverføringer som er unødvendige og problematisk repeterende. Disse beveger seg gjennom dupliserte koblinger mellom enheter – som oppstår når et nettverk har flere baner mellom to nettverksnoder som kommuniserer.

Figur 2: I industriell automatisering er ringtopologier raske og gir hurtig gjenoppretting etter lenkefeil. (Bildekilde: Design World)

Brosløyfer kan forårsake gjentatt dataoverføring, noe som igjen forårsaker nettverksoverbelastning og drastisk reduserte overføringstider i nettverket. Problemet oppstår som oftest i systemer med mye redundans.

Lenkeaggregering bruker parallelle Ethernet-kabler og -porter til å øke båndbredden og fremskynde gjenoppretting. Dette betyr at tilkoblingen ikke går tapt når en kobling mislykkes, men noe data kan gå tapt – og båndbredden reduseres. Kabler svikter vanligvis på grunn av en eller annen mekanisk skade, så de parallelle kablene bør føres langs forskjellige baner, noe som øker installasjonskostnadene betraktelig. Denne enkle tilnærmingen er standardisert som Link Aggregation Control Protocol (IEE 802.1ad).

Det er mulig å opprettholde fordelene ved redundans og samtidig unngå brosløyfer. Her er løsningen topologier med parallelle fysiske sløyfer supplert med muligheten til å selektivt deaktivere lenker ved å bruke en nettverksstyringsprotokoll. Hvis det oppstår feil på en aktiv lenke, utvides den logiske topologien seg til å omfatte en av de redundante lenkene – og omdirigeres rundt lenken med feilen. STP-protokollen (STP – spanning tree protocol), RSTP-protokollen (RSTP – rapid spanning tree protocol) og en rekke proprietære ringprotokoller tilbyr denne nettverksstyringsfunksjonen. Vær oppmerksom på at spenntre (spanning tree) er et annet navn for den sløyfefrie logiske topologien som opprettes i disse protokollene. Lenker som ikke er en del av spenntreet, er deaktivert.

STP og RSTP fungerer med både maske- og ringtopologier, og de leverer passende raske gjenopprettingstider for de fleste bruksområder. Når det er sagt, krever de mest krevende industrielle automatiseringsinstallasjonene ofte ekstremt raske gjenopprettingstider, noe som bare er mulig med proprietære ringprotokoller.

Sampling av proprietære ringprotokoller

Som navnet antyder, er proprietære ringprotokoller spesifikke til produsenter av nettverksmaskinvare. For eksempel bruker visse Red Lion N-Tron-svitsjer den proprietære N-Ring-protokollen. Disse proprietære protokollene styrer nettverkssløyfer og håndterer lenkefeil, så de er et alternativ til STP eller RSTP.

Som beskrevet tidligere, brukes ringtopologier hovedsakelig for fysisk kablede industrielle automatiseringsnettverk på grunn av deres lave latenstid og evne til å gi svært god pålitelighet – i tillegg til markedets raskeste dataoverføring og lenkefeilgjenoppretting. Redundans er den viktigste faktoren når det gjelder å gjenopprette fra lenkefeil. Aberet her er at redundans kan forårsake problemer med de problematisk repeterende dataene forårsaket av sløyfing. For å forebygge dette problemet, kreves nettverksprotokoller som er i stand til å forebygge sløyfer og har rask gjenoppretting etter lenkefeil – spesielt for industrielle automatiseringsoperasjoner som ikke er i stand til å håndtere nedetid på en tilfredsstillende måte. Proprietære ringprotokoller er ofte det beste valget for slike bruksområder som har behov for å opprettholde raske feilgjenopprettingstider.

Se på noen av de mest brukte proprietære ringprotokollene.

HiPER-ring ble lansert som en proprietær ringprotokoll i 1999 av Hirschmann og Siemens. Den er nå standardisert i IEC 62439 og har det generiske navnet MRP-protokoll (Media Redundancy Protocol). Den kan støtte opptil 200 noder. Selv om standardversjonen har en gjenopprettingstid på 500 ms, har Fast HiPER-ring en påstått gjenopprettingstid på 60 ms, noe som er mye mer konkurransedyktig.

Resilient Ethernet-protokollen (REP) er en proprietær Cisco-protokoll som også brukes av Rockwell Automation og Westermo. REP gir rask og forutsigbar nettverksatferd og har en påstått gjenopprettingstid helt ned til 20 ms. To begrensninger er at REP ikke er plug-and-play og ikke automatisk forhindrer sløyfer. I stedet må REP være riktig konfigurert til å levere disse funksjonene. REP fungerer ved å opprette kolleksjoner av porter som er lenket sammen – i sekvenser kalt nettverkssegmenter.

X-ring er Advantech sin proprietære ringteknologi, som kanskje har den raskeste påståtte gjenopprettingstiden på bare 10 ms. Bakgrunnen her er at X-ring er begrenset til relativt små nettverk med 20 eller færre noder.

Red Lion sin proprietære N-Ring-protokoll som ble nevnt tidligere, har en gjenopprettingstid på 30 ms og muligheten til å støtte store nettverk med opptil 250 noder.

Det er en grunn til det ganske brede spekteret av hastigheter som er oppført ovenfor. Selv om TCP- og UDP-nettverksprotokoller har litt forskjellige hastigheter, har topologien og styringsprotokollen til et industrielt nettverk en mer markant innvirkning på nettverkshastigheten. For eksempel har STP-redundant-ring-nettverk gjenopprettingshastigheter på 30 til 90 s på TCP og 10 til 50 sekunder på UDP. RSTP reduserer disse verdiene til mellom ett og tre sekunder. Gjenopprettingstidene for maskenettverk er enda høyere. Visse proprietære ringnettverk kan til sammenligning gjenopprettes på bare 0,3 sekunder på TCP etter lenkefeil … eller 0,2 sekunder på UDP. Faktisk hevder visse produsenter mye bedre gjenopprettingstider for sine proprietære ringnettverk … noen ganger til innenfor 10 ms.

Konklusjon om ringtopologier i industriell automatisering

Ringtopologier er vanlig for kablede industrielle automatiseringsnettverk. Deres lave latenstid og svært gode pålitelighet blir ofte utfylt av proprietære metoder for å forhindre sløyfedannelse og gi bedre håndtering av lenkefeil sammenlignet med tradisjonell STP eller RSTP.