Che cosa sono le topologie ad anello proprietarie nelle reti di automazione?

Di Jody Muelaner

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

La topologia di rete nel contesto dell'automazione industriale e dell'IoT si riferisce principalmente alla disposizione delle connessioni di comunicazione cablate tra i nodi e i dispositivi (sensori, attuatori, motori intelligenti, azionamenti e controller) così come switch, hub e gateway. La topologia di rete utilizzata per una macchina o un impianto determina:

  • La stabilità e velocità di comunicazione del sistema
  • La quantità di ridondanza e il tempo di recupero di una rete industriale
  • L'importantissima capacità di recupero della connessione (dopo l'interruzione di un collegamento nella rete)

Questo articolo spiega le diverse topologie di rete tra cui varie topologie ad anello, nonché alcune topologie proprietarie e dove vengono utilizzate.

Schema delle principali famiglie di topologie di reti industrialiFigura 1: Le principali famiglie di topologie di reti industriali. (Immagine per gentile concessione di Design World)

Informazioni specifiche sui tipi di topologia di reti industriali

La topologia di una rete di automazione industriale è il modo in cui i componenti di rete classificati come collegamenti (connessioni via cavo in disposizioni cablate) e i nodi sono disposti l'uno rispetto all'altro. I nodi sono dispositivi che possono servire sia come punti di ridistribuzione sia come endpoint di comunicazione. Al contrario, i collegamenti sono i mezzi attraverso i quali i nodi si collegano - sia cablati che wireless. I collegamenti possono essere:

  • Simplex - permettono solo una comunicazione a senso unico
  • Duplex - permettono comunicazioni simultanee in entrambe le direzioni
  • Half-duplex - permettoo la comunicazione in entrambe le direzioni ... ma solo in un modo alla volta

La topologia di una rete è il modo in cui i nodi sono collegati tramite i collegamenti. Le disposizioni sono molte e variegate.

Topologia di rete a bus: le reti in topologia a bus hanno un "binario" principale di cavo (il bus) a cui ogni nodo si connette indipendentemente.

Topologia di rete a stella: le reti in topologia a stella sono centralizzate intorno a un nodo sotto forma di hub. Gli altri nodi si collegano all'hub tramite i rispettivi collegamenti. Una topologia a stella ha anche alcuni vantaggi dovuti al risparmio energetico, perché i singoli dispositivi che trasmettono solo a intermittenza possono essere spenti e solo l'hub richiede un'alimentazione continua.

Topologia di rete a maglie: le reti in topologia completamente connessa collegano ogni nodo a ogni altro nodo. Più o meno allo stesso modo, le reti in topologia a maglie (come le disposizioni completamente connesse) si basano su connessioni decentralizzate... ma non richiedono che ogni accoppiamento di nodi sia connesso. Le configurazioni che non hanno ogni nodo collegato a ogni altro sono a volte chiamate reti a maglie parzialmente connesse.

Le reti wireless spesso usano una topologia a maglie, in quanto sono robuste e sicure - e riducono il consumo energetico ... una caratteristica utile per le reti che hanno nodi alimentati a batteria. Le reti a maglie possono anche migliorare la portata della rete per una data quantità di cablaggio, perché i singoli collegamenti possono essere più corti della rete nel suo insieme. Questo è vantaggioso per le grandi reti IoT con molti sensori a bassa potenza. Forse la cosa più importante è che le reti con una topologia a maglie offrono la massima flessibilità e ridondanza di qualsiasi altra opzione - specialmente se completamente connesse. Un avvertimento è che il recupero da un errore del collegamento può essere lento, perché il sistema deve trovare un nuovo percorso attraverso la rete - che può richiedere la riconfigurazione delle porte per aggirare il collegamento problematico. Per le reti cablate, il cablaggio e le porte aggiuntive rendono anche più costosa la topologia a maglie.

Topologia di rete ad anello: le reti in topologia ad anello collegano ogni nodo a due nodi adiacenti in una sequenza che forma un anello. Questo è anche detto anello ridondante, perché un collegamento può essere disabilitato fino a quando non è necessario.

Uno sguardo più in profondità sulla topologia ad anello per l'automazione industriale

Le reti in topologia ad anello hanno buone velocità di trasferimento dati e si riprendono abbastanza rapidamente da un'interruzione del collegamento. Anche i costi dei cavi sono relativamente bassi. Non c'è da stupirsi che le topologie ad anello siano generalmente la scelta principale per le reti di automazione industriale cablate. Con un collegamento ridondante disattivato, l'anello diventa effettivamente una linea... fornendo una comunicazione veloce ed efficiente. Durante un'interruzione del collegamento, non deve avvenire alcun reinstradamento complesso. Un collegamento ridondante viene semplicemente attivato - e tutti gli altri collegamenti continuano a usare i percorsi predefiniti del sistema.

Consideriamo le permutazioni comuni della topologia ad anello nel protocollo di controllo della trasmissione (TCP) e nel protocollo si datagramma utente (UDP). I protocolli IP TCP e UDP consentono le connessioni a internet perché ogni dispositivo ha un indirizzo IP. Questi indirizzi IP permettono al sistema di instradare i pacchetti di dati da un indirizzo all'altro. I pacchetti contengono i dati effettivi insieme a informazioni aggiuntive in un'intestazione che include l'indirizzo IP di destinazione.

TCP (spesso chiamato TCP/IP) controlla come sono riassemblati a destinazione i pacchetti di dati. Il prerequisito perché questo funzioni è una comunicazione sia dal mittente sia dal destinatario. Il mittente include i numeri di sequenza nell'intestazione e il destinatario deve restituire un messaggio di conferma ricezione del pacchetto. Se i pacchetti non vengono riconosciuti, vengono respinti. I dispositivi controllano anche gli errori nei pacchetti usando i checksum in ogni intestazione di pacchetto. Questo processo TCP assicura uno scambio di dati affidabile a spese di processi di comunicazione avanti/indietro relativamente lenti. Al contrario, UDP (il protocollo IP più recente) permette un trasferimento di dati più semplice e veloce tra indirizzi IP. I dispositivi destinatari non sono tenuti a confermare la ricezione dei pacchetti, quindi la velocità è maggiore a spese di un'affidabilità leggermente compromessa.

Sfide di ridondanza e soluzioni supplementari

I protocolli di gestione della rete nei sistemi basati su Ethernet completano le caratteristiche di ridondanza per assicurare dati efficienti evitando i problematici loop di ponte e la radiazione di radiodiffusione che inducono. Fondamentalmente, i loop di ponte o di commutazione sono trasmissioni di dati ripetute inutilmente e in modo problematico. Questi viaggiano attraverso connessioni duplicate tra i dispositivi - che si verificano quando una rete ha percorsi multipli tra due nodi di rete comunicanti.

Schema delle topologie ad anello che sono veloci e forniscono un recupero rapido in caso di guasto del collegamentoFigura 2: Nell'automazione industriale, le topologie ad anello sono veloci e forniscono un recupero rapido in caso di guasto del collegamento. (Immagine per gentile concessione di Design World)

I loop di ponte possono causare la ripetuta ritrasmissione dei dati, che a sua volta causa il sovraccarico della rete e drastici rallentamenti della stessa. Il problema è più probabile che si presenti in sistemi con molta ridondanza.

L'aggregazione di collegamenti utilizza cavi e porte Ethernet parallele per aumentare la larghezza di banda e accelerare il recupero. Questo significa che quando un collegamento fallisce, la connessione non va persa... anche se alcuni dati possono andar persi - e la larghezza di banda è ridotta. I cavi di solito si guastano a causa di danni meccanici, quando cavi paralleli sono instradati lungo percorsi diversi, aumentando significativamente il costo di installazione. Questo semplice approccio è standardizzato come Link Aggregation Control Protocol (IEE 802.1ad).

È possibile mantenere i vantaggi della ridondanza evitando i loop di ponte. Qui, la soluzione è rappresentata da topologie con cicli fisici paralleli integrati dalla capacità di disattivare selettivamente i collegamenti attraverso l'uso di un protocollo di gestione della rete. Se poi un collegamento attivo si guasta, la topologia logica si espande per includere uno dei collegamenti ridondanti - e il reinstradamento aggira il collegamento guasto. Lo Spanning Tree Protocol (STP), il Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) e una varietà di protocolli di anello proprietari forniscono tutti questa funzione di gestione della rete. Si noti che STP è un nome alternativo per la topologia logica senza loop creata in questi protocolli; i collegamenti che non fanno parte di STP sono disabilitati.

STP e RSTP funzionano sia con topologie a rete che ad anello e forniscono tempi di recupero adeguatamente rapidi per la maggior parte delle applicazioni. Detto questo, le applicazioni di automazione industriale più esigenti spesso richiedono tempi di recupero estremamente rapidi, possibili solo con protocolli di anello proprietari.

Campionamento dei protocolli di anello proprietari

Come suggerisce il nome, i protocolli di anello proprietari sono specifici dei produttori di hardware di rete. Per esempio, alcuni switch N-Tron di Red Lion utilizzano il protocollo di anello proprietario N-Ring. Questi protocolli proprietari controllano i loop di rete e gestiscono i guasti dei collegamenti, fornendo un'alternativa a STP o RSTP.

Come indicato in precedenza, le topologie ad anello sono utilizzate principalmente per le reti di automazione industriale fisicamente cablate per la loro bassa latenza e la capacità di fornire la massima affidabilità - così come il più veloce trasferimento di dati e i tassi di recupero dai guasti dei collegamenti disponibili. La ridondanza è la chiave per il recupero dai guasti dei collegamenti. Il rovescio della medaglia qui è che la ridondanza può causare problemi con i dati problematicamente ripetuti del looping. Per la prevenzione di questo problema sono necessari protocolli di rete in grado di prevenire i loop e il recupero rapido dei collegamenti - specialmente per le operazioni di automazione industriale che non perdonano i tempi morti. I protocolli di anello proprietari sono spesso le scelte migliori per le applicazioni che hanno bisogno di tempi rapidi di recupero dai guasti.

Consideriamo alcuni dei protocolli di anello proprietari più utilizzati.

HiPER Ring è stato rilasciato come protocollo di anello proprietario nel 1999 da Hirschmann e Siemens. Ora è standardizzato in IEC 62439 e ha il nome generico di Media Redundancy Protocol (MRP). Può supportare fino a 200 nodi. Anche se la versione standard ha un tempo di recupero di 500 msec, Fast HiPER Ring ha un recupero dichiarato di 60 msec, molto più competitivo.

Resilient Ethernet Protocol (REP) è un protocollo proprietario di Cisco utilizzato anche da Rockwell Automation e Westermo. REP fornisce un comportamento di rete veloce e prevedibile e ha bassi tempi di recupero, dichiarati di 20 msec. Alcune limitazioni sono che REP non è plug-and-play e non impedisce automaticamente i loop. REP deve essere configurato correttamente per fornire queste funzioni e funziona creando collezioni di porte concatenate in sequenze chiamate segmenti di rete.

X-ring è la tecnologia ad anello di proprietà di Advantech, con forse il più veloce tempo di recupero dichiarato di soli 10 msec. X-ring però è limitato a reti relativamente piccole con 20 nodi o meno.

Il protocollo proprietario N-Ring di Red Lion menzionato prima ha tempi di recupero di 30 msec e può supportare reti con anche 250 nodi.

C'è una ragione per l'ampia gamma delle velocità elencate sopra. Anche se i protocolli di rete TCP e UDP hanno velocità leggermente diverse, la topologia di una rete industriale e il protocollo di gestione hanno un impatto molto più significativo sulla velocità della rete. Ad esempio, le reti ad anelli ridondanti STP hanno velocità di recupero da 30 a 90 sec su TCP e da 10 a 50 sec su UDP; RSTP riduce questi valori a uno o tre secondi. I tempi di recupero per le reti a maglie sono ancora più alti. Al contrario, alcune reti ad anello proprietarie possono recuperare dai guasti dei collegamenti in soli 0,3 secondi su TCP ... o 0,2 secondi su UDP. In realtà, alcuni produttori affermano tempi di recupero molto migliori per le loro reti ad anello proprietarie ... a volte fino a 10 msec.

Conclusione sulle topologie ad anello nell'automazione industriale

Le topologie ad anello sono comuni nelle reti di automazione industriale cablate. La loro bassa latenza e la massima affidabilità sono spesso affiancate da metodi proprietari per prevenire il looping e gestire i guasti dei collegamenti meglio dei tradizionali STP o RSTP.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner è un ingegnere che ha progettato segherie e dispositivi medici; ha affrontato l'incertezza nei sistemi di produzione aerospaziale e ha creato strumenti laser innovativi. Ha pubblicato in numerose riviste peer-reviewed e sintesi governative ... e ha scritto rapporti tecnici per Rolls-Royce, SAE International e Airbus. Attualmente è a capo di un progetto per sviluppare una bicicletta elettrica, i cui dettagli si trovano su betterbicycles.org. Muelaner si occupa anche degli sviluppi relativi alle tecnologie di decarbonizzazione.

Informazioni su questo editore

Editori nordamericani di Digi-Key