Mitä ovat valmistajakohtaiset rengastopologiat automaatioverkoissa?

Verkkotopologialla tarkoitetaan teollisuusautomaation ja IoT:n yhteydessä ensisijaisesti solmujen ja laitteiden (kuten anturit, aktuaattorit, älykkäät moottorit, moottorikäytöt ja ohjaimet) sekä kytkimien, keskittimien ja yhdyskäytävien välisten kiinteästi johdotettujen tiedonsiirtoyhteyksien rakennetta. Koneen tai laajemman laitoksen asennuksessa käytettävä verkkotopologia määrittää:

• järjestelmän kommunikaation vakauden ja nopeuden
• teollisuusverkon redundanssin määrän ja toipumisajan
• erittäin tärkeän yhteyden toipumiskyvyn (kun johonkin linkeistä on tullut vika).

Tämä artikkeli käsittelee useita verkkotopologioita, kuten erilaisista rengastopologioita sekä muutamaa valmistajakohtaista topologiaa ja siitä, missä niitä käytetään.

Kuva 1: Tässä näytetään teollisuusverkkotopologioiden pääluokat. (Kuvan lähde: Design World)

Lisää teollisuusverkkojen topologiatyypeistä

Teollisuusautomaatioverkon topologia on tapa, jolla linkeiksi (kaapeliyhteydet langallisissa rakenteissa) ja solmuiksi luokitellut verkkokomponentit on sijoitettu toisiinsa nähden. Solmut ovat laitteita, jotka voivat toimia joko uudelleenjakelupisteinä tai tiedonsiirron päätepisteinä. Linkit sen sijaan ovat tapoja, joiden avulla solmut yhdistetään toisiinsa, olivat ne sitten langallisia tai langattomia. Linkit voivat olla muodoltaan:

• yksisuuntaisia – sallii vain yhdensuuntaisen tiedonsiirron
• kaksisuuntaisia – sallii samanaikaisen tiedonsiirron kumpaankin suuntaan
• vuorosuuntaisia – sallii tiedonsiirron kumpaankin suuntaan … mutta vain yhteen suuntaan kerrallaan.

Verkon topologia on tapa, jolla solmut yhdistetään linkkien avulla. Ja tapoja riittää.

Väyläverkkotopologia: Väylätopologiaa käyttävissä verkoissa kaapelilla on yksi pääreitti (jota kutsutaan väyläksi), johon kukin solmu kytkeytyy itsenäisesti tai josta se ”putoaa”, kuten monissa alan viitteissä sanotaan.

Tähtiverkkotopologia: Tähtitopologiaa käyttävät verkot on keskitetty yhden solmun ympärille, joka toimii napana. Muut solmut kytkeytyvät sitten napaan linkkien kautta. Tähtitopologialla on myös joitakin etuja virransäästön kannalta, koska vain ajoittain lähettävät yksittäiset laitteet voidaan kytkeä pois päältä, ja vain napa tarvitsee jatkuvaa virtaa.

Mesh-verkkotopologia: Täysin yhdistettyä, topologiaa käyttävissä verkoissa jokainen solmu on yhdistetty jokaiseen muuhun solmuun. Samalla tavalla Mesh-topologiaa käyttävät verkot (kuten täysin yhdistetyt rakenteet) perustuvat hajautettuihin yhteyksiin – mutta ne eivät vaadi, että kaikki solmuparit ovat yhteydessä toisiinsa. Kokoonpanoja, joissa kaikki solmut eivät ole yhteydessä toisiinsa, kutsutaan joskus osittain yhdistetyiksi mesh-verkoiksi.

Langattomissa verkoissa käytetään usein mesh-topologioita, koska ne ovat vakaita ja turvallisia sekä vähentävät virrankulutusta – hyödyllinen ominaisuus verkoille, joissa on akkukäyttöisiä solmuja. Mesh-verkot voivat myös parantaa verkon kantamaa samalla johdotusmäärällä, koska yksittäiset linkit voivat olla lyhyempiä kuin verkko kokonaisuudessaan. Tästä on hyötyä suurissa IoT-verkoissa, joissa on paljon pienitehoisia antureita. Kenties tärkeintä on, että mesh-topologialla varustetut verkot tarjoavat kaikista vaihtoehdoista eniten joustavuutta ja redundanssia – erityisesti, jos ne ovat täysin yhdistettyjä. Yksi huono puoli on, että toipuminen linkin vikaantumisesta voi olla hidasta, koska järjestelmän on löydettävä uusi reitti verkon läpi, mikä saattaa edellyttää porttien uudelleenkonfigurointia viallisen linkin ohitse. Langallisissa verkoissa lisäkaapelointi ja -portit tekevät mesh-topologiasta myös kalliimman.

Rengasverkkotopologia: Rengastopologiaa käyttävät verkot linkittävät kunkin solmun kahteen viereiseen solmuun niin, että muodostuu rengas. Tämä tunnetaan myös nimellä redundantti rengas, koska yksi linkki voidaan poistaa käytöstä, kunnes sitä tarvitaan.

Syvempi sukellus teollisuusautomaation rengastopologiaan

Rengastopologiaa käyttävissä verkoissa on hyvät tiedonsiirtonopeudet, ja ne toipuvat melko nopeasti linkin vikaantumisesta. Myös kaapelikustannukset ovat suhteellisen alhaiset. Ei ihme, että rengastopologiat ovat yleensä ensisijainen valinta langallisiin teollisuusautomaatioverkkoihin. Kun yksi redundantti linkki poistetaan käytöstä, rengas muuttuu käytännössä linjaksi – tarjoten nopean ja tehokkaan tiedonsiirron. Linkin vikaantuessa ei tarvita monimutkaista uudelleenreititystä. Sen sijaan yksinkertaisesti vain aktivoidaan redundantti linkki – ja kaikki muut linkit jatkavat järjestelmän oletusporttireittien käyttöä.

Tarkastellaanpa TCP- (Transmission Control Protocol) ja UDP (User Datagram Protocol) -protokollan yleisiä rengastopologiapermutaatioita. Internet-yhteydet ovat TCP IP- ja UDP IP -protokollien ansiosta mahdollisia, koska jokaisella laitteella on IP-osoite. Näiden IP-osoitteiden avulla järjestelmä voi reitittää datapaketteja yhdestä osoitteesta toiseen. Paketit sisältävät varsinaisen datan lisäksi otsikon ja sen sisällä olevan IP-kohdeosoitteen.

TCP (usein kutsutaan nimellä TCP/IP) ohjaa sitä, miten datapaketit kootaan uudelleen niiden määränpäässä. Edellytyksenä tämän toimimiselle on lähettäjän ja vastaanottajan välinen yhteys. Lähettäjä sisällyttää sekvenssinumeron otsikkoon, ja vastaanottajan on lähetettävä takaisin viesti, joka kuittaa paketin vastaanoton. Ellei paketteja kuitata, ne lähetetään uudelleen. Laitteet myös tarkistavat paketit virheiden varalta käyttämällä pakettien otsikoissa olevia tarkistussummia. Tämä TCP-prosessi takaa luotettavan tiedonvaihdon, mutta suhteellisen hitaiden edestakaisten tiedonsiirtoprosessien kustannuksella. UDP (uudempi IP-protokolla) sen sijaan mahdollistaa yksinkertaisemman ja nopeamman tiedonsiirron IP-osoitteiden välillä. Vastaanottavien laitteiden ei tarvitse kuitata pakettien vastaanottoa, joten nopeus kasvaa, mutta luotettavuus hieman heikkenee.

Redundanssin haasteet ja täydentävät ratkaisut

Ethernet-pohjaisten järjestelmien verkonhallintaprotokollat täydentävät redundanssitoimintoja tehokkaan tiedonsiirron takaamiseksi ja samalla ongelmallisten siltasilmukoiden ja niiden aiheuttaman lähetyssäteilyn välttämiseksi. Periaatteessa silta- tai kytkentäsilmukat ovat tarpeettomia ja ongelmallisia toistuvia datasiirtoja. Ne kulkevat laitteiden välisten kaksinkertaisten yhteyksien kautta, silloin kun verkossa on useita polkuja kahden kommunikoivan verkkosolmun välillä.

Kuva 2: Teollisuusautomaation rengastopologiat ovat nopeita ja mahdollistavat nopean toipumisen linkin vikaantuessa. (Kuvalähde: Design World)

Siltasilmukat voivat aiheuttaa toistuvaa datan uudelleenlähetystä, mikä puolestaan ylikuormittaa verkkoa ja hidastaa sitä valtavasti. Ongelma ilmenee todennäköisimmin järjestelmissä, joissa on paljon redundanssia.

Linkkiaggregaatiossa käytetään rinnakkaisia Ethernet-kaapeleita ja -portteja kaistanleveyden kasvattamiseen ja toipumisen nopeuttamiseen. Tämä tarkoittaa, että kun linkkiin tulee vika, yhteys ei katkea, mutta osa datasta voi kadota – ja kaistanleveys laskee. Kaapeleihin tulee yleensä vika jonkin mekaanisen vaurion vuoksi, ja rinnakkaiskaapelit tulisi reitittää eri reittejä pitkin, mikä nostaa huomattavasti asennuskustannuksia. Tämä yksinkertainen lähestymistapa on standardoitu LACP (Link Aggregation Control Protocol) -protokollaksi (IEE 802.1ad).

On mahdollista säilyttää redundanssin edut ja välttää siltasilmukoita. Ratkaisuna siihen ovat rinnakkaisia fyysisiä silmukoita sisältävät topologiat, joita täydennetään kyvyllä poistaa linkit käytöstä valikoivasti verkonhallintaprotokollan avulla. Jos aktiivinen linkki vikaantuu, looginen topologia alkaa käyttämään yhtä redundanteista linkeistä - ja uudelleenreititys tapahtuu kiertämällä vikaantunut linkki. STP (Spanning Tree Protocol) -protokolla, RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) -protokolla ja erilaiset valmistajakohtaiset rengasprotokollat tarjoavat kaikki tämän verkonhallintatoiminnon. Huomaa, että Spanning Tree on toinen nimi näissä protokollissa luotavalle silmukattomalle loogiselle topologialle. Linkit, jotka eivät kuulu STP-topologiaan, poistetaan käytöstä.

STP ja RSTP toimivat sekä mesh- että rengastopologioissa, ja tarjoavat useimpiin sovelluksiin riittävän nopeat toipumisajat. Vaativimmat teollisuusautomaatiosovellukset vaativat kuitenkin usein erittäin nopeita toipumisaikoja, jotka ovat mahdollisia vain valmistajakohtaisten rengasprotokollien avulla.

Esimerkkejä valmistajakohtaisista rengasprotokollista

Kuten nimestä voi päätellä, valmistajakohtaiset rengasprotokollat ovat verkkolaitevalmistajakohtaisia. Esimerkiksi eräät Red Lion N-Tron -kytkimet käyttävät valmistajakohtaista N-Ring-rengasprotokollaa. Nämä valmistajakohtaiset protokollat kontrolloivat verkon silmukoita ja käsittelevät linkkiviat sekä tarjoavat vaihtoehdon STP- tai RSTP-protokollille.

Kuten aiemmin mainittiin, rengastopologioita käytetään ensisijaisesti fyysisesti johdotetuissa teollisuusautomaatioverkoissa niiden alhaisen viiveajan ja parhaan mahdollisen luotettavuuden – sekä nopeimpien mahdollisten tiedonsiirto- ja linkkivikojen toipumisnopeuksien vuoksi. Redundanssi on avain linkkivioista toipumiseen. Redundanssi voi kuitenkin aiheuttaa ongelmia datan kiertäessä silmukassa toistuvasti. Tämän ongelman estäminen edellyttää verkkoprotokollia, jotka kykenevät estämään silmukat ja mahdollistamaan nopean toipumisen linkin vikaantumisesta. Tätä vaaditaan erityisesti teollisuuden automaatiotoiminnoissa, joissa käyttökatkot eivät ole hyväksyttäviä. Valmistajakohtaiset rengasprotokollat ovat usein paras valinta tällaisiin sovelluksiin, joissa tarvitaan nopea toipumisaika vioista.

Tarkastellaanpa muutamia yleisimmin käytettyjä valmistajakohtaisia rengasprotokollia.

Hirschmann ja Siemens julkaisivat valmistajakohtaisen HiPER ring -rengasprotokollan vuonna 1999. Se on nyt standardisoitu IEC 62439 -standardissa ja sen yleisnimenä on Media Redundancy Protocol (MRP) -protokolla. Se voi tukea jopa 200 solmua. Vaikka standardiversion toipumisaika on 500 ms, Fast HiPER -renkaan palautumisaika on paljon kilpailukykyisempi, 60 ms.

Resilient Ethernet Protocol (REP) on Ciscon valmistajakohtainen protokolla, jota käyttävät myös Rockwell Automation ja Westermo. REP tarjoaa nopean ja ennustettavan verkkokäyttäytymisen, ja sen toipumisaikojen on luvattu olevan jopa 20 ms. Eräitä rajoituksia ovat, ettei REP tue plug-and-play-toimintoa eikä se automaattisesti estä silmukoita. Sen sijaan REP on konfiguroitava oikein näitä toimintoja varten. REP toimii luomalla yhteenketjutettuja porttijoukkoja, joita kutsutaan verkkosegmenteiksi.

X-ring on Advantechin valmistajakohtainen rengastekniikka, jolla ehkä nopein luvattu toipumisaika, vain 10 ms. Haittapuolena on, että X-ring-protokollaa voidaan käyttää vain suhteellisen pienissä verkoissa, joissa on enintään 20 solmua.

Aiemmin mainitulla Red Lionin valmistajakohtaisella N-Ring-protokollalla on 30 millisekunnin toipumisaika ja kyky tukea suuria verkkoja – joissa on jopa 250 solmua.

Edellä mainituille melko suurille nopeuseroille on syynsä. Vaikka TCP- ja UDP-verkkoprotokollien nopeudet eroavat hieman toisistaan, teollisuusverkon topologialla ja hallintaprotokollalla on paljon merkittävämpi vaikutus verkon nopeuteen. Esimerkiksi redundanttien STP-rengasverkkojen toipumisnopeudet ovat 30–90 sekuntia käytettäessä TCP-protokollaa ja 10–50 sekuntia käytettäessä UDP-protokollaa. RSTP laskee nämä arvot yhdestä kolmeen sekuntiin. Mesh-verkkojen toipumisajat ovat vieläkin pidempiä. Eräät valmistajakohtaiset rengasverkot voivat sen sijaan toipua linkkivioista vain 0,3 sekunnissa käytettäessä TCP-protokollaa – tai 0,2 sekunnissa käytettäessä UDP-protokollaa. Eräät valmistajat itse asiassa lupaavat heidän valmistajakohtaisten rengasverkkojensa toipumisaikojen olevan paljon parempia – joskus jopa vain 10 ms.

Yhteenveto teollisuusautomaation rengastopologioista

Rengastopologiat ovat yleisiä langallisissa teollisuusautomaatioverkoissa. Niiden alhaista latenssia ja erinomaista luotettavuutta täydennetään usein valmistajakohtaisilla menetelmillä silmukoiden muodostumisen estämiseksi ja linkkivikojen käsittelemiseksi perinteistä STP- tai RSTP-protokollaa paremmin.