Typ topologie sítě pro průmyslovou automatizaci se zvolí dle následujících kritérií:
- Stabilita a rychlost komunikace systému
- Množství redundance a doby zotavení, která průmyslová síť umožňuje
- Schopnost obnovení připojení po selhání přenosu
Tento článek popíše hlavní rozdíly mezi jednotlivými typy topologií, které se používají pro aplikace IoT. Topologie sítě má vliv na spolehlivost propojení mez jednotlivými zařízeními, uzly a přepínači.
Obrázek 1: Hlavní typy topologií průmyslové sítě. (Zdroj obrázku: Design World )
Typy topologií pro průmyslové sítě
Topologie sítě je způsob, jakým jsou síťové prvky vzájemně uspořádány. Tyto prvky se nazývají uzly, které mohou sloužit buď jako redistribuční body, nebo jako komunikační koncové body. Datové linky jsou prostředky, kterými se uzly propojují - ať už pomocí kabelu nebo bezdrátově. Datové linky mohou být:
- Simplex - umožňuje pouze jednosměrnou komunikaci
- Duplex - umožňuje simultánní komunikaci v obou směrech
- Poloduplex - umožňující komunikaci v obou směrech ... ale pouze postupně
Sběrnice: Sítě s topologií sběrnice mají jednu hlavní „linii“ kabel (známou jako sběrnice), ke které se každý uzel nezávisle připojuje.
Hvězda: Sítě s topologií hvězda jsou centralizovány kolem jednoho uzlu ve formě rozbočovače. Ostatní uzly se připojí k rozbočovači prostřednictvím datových linek. Hvězda má výhody v úspoře energie, protože jednotlivá zařízení, která vysílají pouze přerušovaně, lze vypnout pomocí rozbočovače. Tím se dá řídit spotřeba celé sítě.
Mesh: Každý uzel je spojen se všemi ostatními uzly. Bezdrátové sítě často používají topologii Mesh, protože jsou robustní a bezpečné. Navíc jsou vhodné pro uzly napájenými z baterie. Nejdůležitější vlastností je vysoká flexibilita a redundance. Jednou nevýhodou je, že zotavení po selhání spojení může být pomalé, protože systém musí najít novou cestu přes celou síť. To může vyžadovat rekonfiguraci portů kolem nefunkčního datového spojení. U kabelových sítí další kabeláž a porty, které prodražují instalaci.
Kruh: Síť s kruhovou topologií spojuje každý uzel se dvěma sousedními uzly v sekvenci, která tvoří kruh.
Kruhová topologie pro průmyslovou automatizaci
Kruhová topologie sítě vyniká rychlostí dat a poměrně rychlým zotavením po selhání spojení. Při poruše jednoho spoje se z prstence stane linka zajišťující rychlou a efektivní komunikaci. Nedochází tak ke složitému přesměrování.
S protokoly TCP a UDP IP je možné kruhovou topologii připojit k internetu, protože každé zařízení má unikátní adresu IP. Tyto adresy IP umožňují systému směrovat datové pakety z jedné adresy na druhou. Pakety obsahují kromě dat také cílovou adresu IP.
Protokol TCP (často nazývaný TCP / IP) je strukturován tak, že datové pakety jsou znovu sestaveny v místě určení. Mezi odesílatelem a příjemcem dochází ke vzájemné komunikaci. Odesílatel vkládá do záhlaví paketu pořadové číslo a příjemce musí vrátit zprávu potvrzující jeho přijetí. Pokud pakety nejsou potvrzeny, jsou znovu poslány. Chyby jednotlivých paketů jsou verifikovány pomocí kontrolních součtů v každé hlavičce paketu. Tento proces TCP zajišťuje spolehlivou výměnu dat na úkor relativně pomalé rychlosti. Naproti tomu UDP (novější protokol IP) umožňuje jednodušší a rychlejší přenos dat mezi IP adresami. Příjemci nejsou povinni potvrzovat příjem paketů, takže rychlost je vyšší na úkor mírně snížené spolehlivosti.
Problémy s nadbytečností
Protokoly pro správu sítě používané v rámci Ethernetu mají doplňující funkce redundance, aby se zajistila efektivita předávání dat.
Obrázek 2: V průmyslové automatizaci je kruhová topologie rychlá a poskytuje rychlé zotavení po selhání spojení. (Zdroj obrázku: Design World)
Mostní smyčky (bridge loop) mohou způsobit opakované vysílání dat. To může způsobit přetížení a drastické zpomalení sítě. Tzv. agregační kanál využívá paralelní ethernetové kabely a porty ke zvýšení šířky pásma a urychlení obnovy.
To znamená, že když spojení selže, připojení se nepřeruší, ale může dojít ke ztrátě některých dat. Navíc šířka pásma se sníží. Kabely obvykle selhávají kvůli mechanickému poškození. Paralelní kabely by měly být vedeny různými cestami, což výrazně zvyšuje náklady na instalaci. Tento jednoduchý přístup je standardizován jako Link Aggregation Control Protocol (IEE 802.1ad). Je možné zachovat výhody redundance a zároveň se vyhnout přemostěním. Řešením je topologie mající paralelní fyzické smyčky doplněné o schopnost selektivně deaktivovat určité datové linky pomocí protokolu pro správu sítě.
Pokud jedna aktivní datová linka selže, automaticky se aktivuje redundantní datová linka, a tím dojde k přesměrování. Tuto funkci správy sítě poskytuje protokol spanning tree (STP) a rapid spanning tree protocol (RSTP) a celá řada proprietárních kruhových protokolů. STP a RSTP fungují jak s topologií mesh, tak kruh, a poskytují pro většinu aplikací rychlou doby obnovy. To znamená, že nejnáročnější aplikace průmyslové automatizace často vyžadují extrémně rychlou dobu obnovy, kterou je možné dosáhnout jen u proprietárních kruhových protokolů.
Proprietární kruhové protokoly
Jak název napovídá, vlastní kruhové protokoly jsou specifické pro výrobce síťového hardwaru. Například některé switche Red Lion N-Tron používají proprietární kruhový protokol N-Ring. Tento proprietární protokol řídí síťové smyčky a poskytují alternativu k STP nebo RSTP.
Jak je podrobně uvedeno dříve, kruhová topologie se primárně používá pro kabelovou průmyslovou automatizaci kvůli její nízké latenci, vyšší spolehlivosti, rychlosti přenosu dat a rychlé doby obnovy po selhání spojení. Redundance je klíčem k rychlé obnově po selhání spojení. K dispozici je několik nejběžněji používaných proprietárních kruhových protokolů.
HiPER ring byl vydán jako patentovaný ring protokol v roce 1999 Hirschmannem a Siemensem. Nyní je standardizován v IEC 62439 a má obecný název protokolu Media Redundancy Protocol (MRP). Může podporovat až 200 uzlů. Ačkoli standardní verze má dobu zotavení 500 ms, Fast HiPER ring má obnovu 60 ms.
Resilient Ethernet Protocol (REP) je proprietární protokol společnosti Cisco, který je používán také společnosti Rockwell Automation a Westermo. REP poskytuje rychlé a předvídatelné chování v síti a dobu zotavení 20 ms. REP není plug-and-play a automaticky neumí zabránit smyčkám. REP funguje tak, že vytváří kolekce portů zřetězených dohromady - síťové segmenty .
X-ring je patentovaná technologie společnosti Advantech s pravděpodobně nejrychlejším obnovovacím časem pouhých 10 ms. X-ring je ale omezen na relativně malé sítě s 20 nebo méně uzly.
Již dříve zmíněný proprietární protokol N-Ring od Red Lion má dobu obnovy 30 ms a je schopen podporovat velké sítě - až 250 uzlů.
Například sítě redundantního okruhu STP mají čas obnovy 30 až 90 sekund na TCP a 10 až 50 sekund na UDP. RSTP snižuje tyto hodnoty na jednu až tři sekundy. Naproti tomu určité proprietární kruhové sítě se mohou zotavit z poruch spojení za pouhých 0,3 sekundy na TCP protokolu nebo 0,2 sekundy na UDP. Ve skutečnosti někteří výrobci hardware jsou schopni nabídnout mnohem lepší časy obnovy pro své vlastní kruhové sítě. Mohou dosáhnout času obnovu až 10 ms.
Závěr
Topologie kruh je běžná pro kabelovou průmyslovou síť. Nízká latence a vysoká spolehlivost je často doplňována proprietárními protokoly, které nabízí prevenci vůči opakováním dat a jsou schopny dosáhnout mnohem kratších časů obnovy než tradiční STP nebo RSTP.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jody Muelaner.
