Wat zijn propriëtaire ringtopologieën in automatiseringsnetwerken?

Netwerktopologie in de context van industriële automatisering en IoT verwijst in de eerste plaats naar de indeling van hardwired communicatieverbindingen tussen knooppunten en apparaten (zoals sensoren, actuators, slimme motors, aandrijvingen en controllers), evenals switches, hubs en gateways. De netwerktopologie die voor een machine of grotere installatie wordt gebruikt, is bepalend:

• Stabiliteit en snelheid van de systeemcommunicatie
• De mate van redundantie en hersteltijd van een industrieel netwerk
• Het allerbelangrijkste vermogen om verbindingen te herstellen (na het falen van een of andere verbinding in het netwerk)

In dit artikel worden verschillende netwerktopologieën toegelicht, waaronder diverse ringtopologieën, alsmede enkele bedrijfseigen topologieën en waar deze worden gebruikt.

Afbeelding 1: Hier worden de belangrijkste families van topologieën van industriële netwerken weergegeven. (Bron afbeelding: Design World))

Meer over industriële netwerktopologieën

De topologie van een industrieel-automatiseringsnetwerk is de manier waarop netwerkcomponenten, ingedeeld als links (kabelverbindingen in bekabelde regelingen) en nodes, ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt. Nodes zijn apparaten die kunnen dienen als herverdelingspunten of als communicatie-eindpunten. Links daarentegen zijn de middelen waarmee knooppunten met elkaar in verbinding staan - bedraad of draadloos. Links kunnen zijn:

• Simplex - alleen eenrichtingscommunicatie mogelijk
• Duplex - maakt gelijktijdige communicatie in beide richtingen mogelijk
• Half-duplex - maakt communicatie in beide richtingen mogelijk ... maar slechts in één richting tegelijk

De topologie van een netwerk is de manier waarop de knooppunten met elkaar verbonden zijn door de links. Er is een overvloed aan regelingen.

Bus-netwerk topologie: Netwerken met een bustopologie hebben één hoofd "baan" van kabel (bekend als de bus) waarop elk knooppunt onafhankelijk aansluit of "druppelt" zoals het in veel industriële referenties wordt genoemd.

Ster-netwerk topologie: Netwerken met een stertopologie zijn gecentraliseerd rond één knooppunt in de vorm van een hub. Vervolgens maken de andere knooppunten verbinding met de hub via hun links. Een stertopologie heeft ook voordelen op het gebied van energiebesparing, omdat afzonderlijke apparaten die slechts af en toe zenden, kunnen worden uitgeschakeld en alleen de hub continu stroom nodig heeft.

Netwerktopologie: Netwerken met een volledig verbonden topologie verbinden elk knooppunt met elk ander knooppunt. Op vrijwel dezelfde wijze zijn netwerken met een mesh-topologie (zoals volledig verbonden regelingen) gebaseerd op gedecentraliseerde verbindingen ... maar vereisen niet dat elk paar knooppunten verbonden is. Opstellingen waarbij niet elk knooppunt met elk ander knooppunt is verbonden, worden soms gedeeltelijk verbonden mesh-netwerken genoemd.

Draadloze netwerken maken vaak gebruik van een mesh-topologie, omdat deze robuust en veilig is, en het stroomverbruik vermindert. Een nuttige eigenschap voor netwerken met knooppunten die op batterijen werken. Mesh-netwerken kunnen ook het netwerkbereik verbeteren voor een bepaalde hoeveelheid bedrading, omdat afzonderlijke links korter kunnen zijn dan het netwerk als geheel. Dat is gunstig voor grote IoT-netwerken met veel sensors met een laag vermogen. Het belangrijkste is misschien wel dat netwerken met een mesh topologie de hoogste flexibiliteit en redundantie bieden van alle opties - vooral als ze volledig met elkaar verbonden zijn. Een nadeel is dat het herstel na een linkstoring traag kan verlopen, omdat het systeem een nieuw pad door de mesh moet vinden, waardoor mogelijk de poorten rond de verbroken link opnieuw moeten worden geconfigureerd. Bij bekabelde netwerken maken de extra bekabeling en poorten de mesh-topologie ook duurder.

Ring-netwerktopologie: Netwerken met een ringtopologie verbinden elk knooppunt met twee aangrenzende knooppunten in een opeenvolging die een ring vormt. Dit wordt ook wel een redundante ring genoemd, omdat één link kan worden uitgeschakeld totdat hij nodig is.

Diepere duik in ring topologie voor industriële automatisering

Netwerken met een ringtopologie hebben goede gegevensoverdrachtssnelheden en herstellen zich vrij snel van linkbreuken. Ook de kabelkosten zijn relatief laag. Geen wonder dat ringtopologieën over het algemeen de eerste keuze zijn voor bekabelde industriële automatiseringsnetwerken. Als één redundante link uitgeschakeld is, wordt de ring effectief een lijn voor snelle en efficiënte communicatie. Tijdens een link storing, is er geen complexe omleiding. In plaats daarvan wordt een redundante link gewoon geactiveerd, en alle andere links blijven de standaard poortroutes van het systeem gebruiken.

Beschouw veel voorkomende ring-topologie permutaties in transmissie controle protocol (TCP) en gebruikers datagram protocol (UDP). Met de IP-protocollen TCP en UDP zijn internetverbindingen mogelijk omdat elk apparaat een IP-adres heeft. Deze IP-adressen stellen het systeem in staat gegevenspakketten van het ene adres naar het andere te routeren. Pakketten bevatten de eigenlijke gegevens samen met aanvullende informatie in een header die het IP-adres van de bestemming bevat.

TCP (vaak TCP/IP genoemd) controleert hoe gegevenspakketten op hun bestemming worden samengevoegd. Om dit te laten werken, moet er communicatie zijn van zowel de zender als de ontvanger. De verzender neemt volgnummers op in de header, en de ontvanger moet een bericht terugzenden ter bevestiging van de ontvangst van het pakket. Als pakketten niet worden bevestigd, worden ze teruggestuurd. Apparaten controleren pakketten ook op fouten met behulp van controlesommen in de koptekst van elk pakket. Dit TCP-proces garandeert een betrouwbare gegevensuitwisseling ten koste van relatief langzame heen-en-weer-communicatieprocessen. UDP (het nieuwere IP-protocol) daarentegen maakt een eenvoudigere en snellere gegevensoverdracht tussen IP-adressen mogelijk. De ontvangende apparaten hoeven de ontvangst van pakketten niet te bevestigen, zodat de snelheid hoger is ten koste van een iets geringere betrouwbaarheid.

Redundantie-uitdagingen en aanvullende oplossingen

Netwerkbeheerprotocollen in op Ethernet gebaseerde systemen vullen de redundantiefuncties aan om efficiënte gegevens te garanderen en tegelijkertijd problematische bridge loops en de daardoor veroorzaakte broadcast-straling te vermijden. In wezen zijn bridge- of switching loops onnodig en problematisch herhaalde datatransmissies. Deze reizen via dubbele verbindingen tussen apparaten, die ontstaan wanneer een netwerk meerdere paden heeft tussen twee communicerende netwerkknooppunten.

Afbeelding 2: In de industriële automatisering zijn ringtopologieën snel en zorgen zij voor een snel herstel na een linkstoring. (Bron afbeelding: Design World)

Bruglussen kunnen leiden tot herhaalde rebroadcasting van gegevens, wat op zijn beurt weer leidt tot overbelasting van het netwerk en drastische vertragingen. Het probleem zal zich waarschijnlijk het meest voordoen in systemen met veel redundantie.

Link aggregation gebruikt parallelle Ethernet-kabels en -poorten om de bandbreedte te vergroten en herstel te bespoedigen. Dit betekent dat wanneer een verbinding uitvalt, de verbinding niet verloren gaat, maar sommige gegevens kunnen verloren gaan en de bandbreedte wordt beperkt. Kabels gaan meestal stuk door een of andere mechanische beschadiging, de parallelle kabels moeten langs verschillende paden worden gelegd, wat de installatiekosten aanzienlijk verhoogt. Deze eenvoudige aanpak is gestandaardiseerd als het Link Aggregation Control Protocol (IEE 802.1ad).

Het is mogelijk om de voordelen van redundantie te behouden en toch bruglussen te vermijden. De oplossing bestaat hier in topologieën met parallelle fysieke lussen, aangevuld met de mogelijkheid om selectief links uit te schakelen door gebruikmaking van een netwerkbeheerprotocol. Als dan een actieve link uitvalt, breidt de logische topologie zich uit tot een van de redundante links - en wordt de rerouting rond de uitgevallen link gelegd. Een spanning tree protocol (STP), rapid spanning tree protocol (RSTP), en een verscheidenheid van eigen ringprotocollen voorzien alle in deze netwerkbeheerfunctie. Merk op dat een "spanning tree" een andere naam is voor de lusvrije logische topologie die in deze protocollen wordt gecreëerd; verbindingen die geen deel uitmaken van de spanning tree zijn uitgeschakeld.

STP en RSTP werken met zowel mesh- als ringtopologieën en leveren voor de meeste toepassingen voldoende snelle hersteltijden. De meest veeleisende industriële automatiseringstoepassingen vereisen echter vaak extreem snelle hersteltijden die alleen mogelijk zijn met eigen ringprotocollen.

Bemonstering van propriëtaire ringprotocollen

Zoals de naam al aangeeft, zijn propriëtaire ringprotocollen specifiek voor fabrikanten van netwerkhardware. Bijvoorbeeld, bepaalde Red Lion N-Tron schakelaars gebruiken het N-Ring gepatenteerde ring protocol. Deze eigen protocollen controleren netwerklussen en behandelen verbindingsstoringen, en bieden een alternatief voor STP of RSTP.

Zoals eerder beschreven worden ringtopologieën voornamelijk gebruikt voor fysisch bedrade industriële automatiseringsnetwerken vanwege hun lage latency en hun vermogen om de hoogste betrouwbaarheid te bieden - alsmede de snelste data-transfer en link-failure recovery rates die beschikbaar zijn. Redundantie is de sleutel tot het herstel van verbindingsfouten. Het addertje onder het gras is dat redundantie problemen kan veroorzaken met de problematisch herhaalde gegevens van looping. Om dit probleem te voorkomen zijn netwerkprotocollen nodig die luspreventie en snel herstel van verbindingsfouten mogelijk maken, vooral voor industriële automatiseringsprocessen die niet gevoelig zijn voor uitvaltijd. Propriëtaire ringprotocollen zijn vaak de meest geschikte keuze voor dergelijke toepassingen die een snelle hersteltijd voor storingen vereisen.

Kijk eens naar enkele van de meest gebruikte propriëtaire ringprotocollen.

HiPER ring werd in 1999 door Hirschmann en Siemens als een gepatenteerd ringprotocol uitgebracht. Het is nu gestandaardiseerd in IEC 62439 en heeft de algemene naam Media Redundancy Protocol (MRP) protocol. Het kan tot 200 knooppunten ondersteunen. Hoewel de standaardversie een hersteltijd heeft van 500 msec, heeft de snelle HiPER ring een geclaimde hersteltijd van een veel concurrerender 60 msec.

Resilient Ethernet Protocol (REP) is een eigen Cisco-protocol dat ook wordt gebruikt door Rockwell Automation en Westermo. REP zorgt voor snel en voorspelbaar netwerkgedrag en heeft hersteltijden geclaimd van slechts 20 msec. Enkele beperkingen zijn dat REP niet plug-and-play is en het voorkomt niet automatisch loops. In plaats daarvan moet REP op de juiste wijze worden geconfigureerd om deze functies te vervullen. REP werkt door het creëren van verzamelingen poorten die aan elkaar zijn gekoppeld in reeksen die netwerksegmenten worden genoemd.

X-ring is Advantech's eigen ringtechnologie, met misschien wel de snelste geclaimde hersteltijd van slechts 10 msec. Het voorbehoud hierbij is dat X-ring beperkt is tot relatief kleine netwerken met 20 of minder knooppunten.

Red Lion's eigen N-Ring protocol, dat al eerder werd genoemd, heeft een herstel van 30 seconden en de mogelijkheid om grote netwerken te ondersteunen - met maximaal 250 knooppunten mogelijk.

Er is een reden voor de vrij grote snelheidsverschillen die hierboven zijn vermeld. Hoewel TCP- en UDP-netwerkprotocollen enigszins verschillende snelheden hebben, hebben de topologie en het beheerprotocol van een industrieel netwerk een veel grotere invloed op de netwerksnelheid. Zo hebben STP redundant-ring netwerken herstelsnelheden van 30 tot 90 sec op TCP en 10 tot 50 sec op UDP; RSTP vermindert deze waarden tot tussen één en drie seconden. De hersteltijden voor mesh-netwerken zijn nog langer. Bepaalde gesloten ringnetwerken kunnen zich daarentegen in slechts 0,3 sec herstellen van linkfouten bij TCP of 0,2 sec bij UDP. Bepaalde fabrikanten beweren zelfs veel betere hersteltijden voor hun eigen ringnetwerken, soms tot op 10 msec.

Conclusie over ringtopologieën in industriële automatisering

Ringtopologieën zijn gebruikelijk voor bekabelde industriële automatiseringsnetwerken. Hun lage latentie en topbetrouwbaarheid worden vaak aangevuld met eigen methoden om looping te voorkomen en verbindingsfouten beter af te handelen dan traditioneel STP of RSTP.