이더넷 파워링크

Ethernet Powerlink

이더넷 파워링크는 표준 이더넷을 위한 실시간 프로토콜이다. EPSG(Ethernet POWERLINK Standardization Group)가 관리하는 개방형 프로토콜이다. 오스트리아의 자동화 회사 B&R이 2001년에 도입했다.

이 프로토콜은 이더넷 케이블이나 PoE(Power over Ethernet), 전원 라인 통신이나 Bang & Olufsen의 PowerLink 케이블을 통한 전원 분배와는 무관하다.

개요

이더넷 파워링크는 폴링과 타임라이징 메커니즘이 혼합된 이더넷을 확장한다. 이것은 다음을 제공한다.

  • 구성 가능한 응답 시간으로 매우 짧은 등시 사이클에서 시간 중요 데이터의 전송 보장
  • 매우 정밀도가 높은 서브마이크로초(sub-microsynchronization
  • 예약된 비동기 채널에서 시간 중요도가 낮은 데이터의 전송

현대적인 구현은 200µs 미만의 사이클 타임과 1µs 미만의 시간 정밀(지터)에 도달한다.

표준화

Powerlink는 EPSG(Ethernet Powerlink Standardization Group)에 의해 표준화되었으며, 2003년 6월에 독립 협회로 설립되었다. 작업 그룹은 안전, 기술, 마케팅, 인증, 최종 사용자 등의 작업에 초점을 맞춘다. EPSG는 CAN in Automation(CiA) Group 및 IEC와 같은 표준화 기구 및 협회와 협력한다.

물리층

지정된 원래 물리적 계층은 100BASE-TX Fast Ethernet이었다. 2006년 말부터 기가비트 이더넷을 탑재한 이더넷 파워링크는 10배 높은 전송 속도(1,000Mbit/s)를 지원했다.

지연과 지터를 최소화하기 위해 실시간 도메인 내의 스위치 대신 반복 허브가 권장된다.[1] 이더넷 파워링크는 IAONA의 산업용 이더넷 계획 및 설치 가이드를 산업용 네트워크의 클린 케이블 연결에 사용하며 산업용 이더넷 커넥터 8P8C(일반적으로 RJ45)와 M12가 모두 허용된다.

데이터 링크 계층

표준 이더넷 데이터 링크 계층은 한 번에 하나의 노드만 네트워크에 접속하는 것을 보호하는 추가적인 버스 스케줄링 메커니즘에 의해 확장된다. 스케줄은 등시 단계와 비동기 단계로 나뉜다. 등시 단계에서는 시간에 중요한 데이터가 전송되는 반면 비동기 단계는 시간에 중요하지 않은 데이터의 전송을 위한 대역폭을 제공한다. MN(Managing Node)은 전용 폴링 요청 메시지를 통해 물리적 미디어에 대한 액세스를 허용한다. 그 결과 스위치 이전에 구형 이더넷 허브에 존재하는 충돌을 방지하는 단일 노드(CN)만 한 번에 네트워크에 접속할 수 있게 된다. 비결정론적 이더넷 동작을 일으킨 비스위치 이더넷의 CSMA/CD 메커니즘은 이더넷 파워링크 스케줄링 메커니즘에 의해 회피된다.

기본 사이클

시스템 시작이 완료된 후 Real-Time 도메인은 Real-Time 조건에서 작동한다. 기본 사이클의 스케줄링은 관리 노드(MN)에 의해 제어된다. 전체 사이클 시간은 등시 데이터의 양, 비동기 데이터 및 각 사이클 동안 폴링할 노드 수에 따라 달라진다.

기본 사이클은 다음과 같은 단계로 구성된다.

  • 시작 단계: 관리 노드가 모든 노드에 동기화 메시지를 발송하는 경우. 이 프레임을 SoC—사이클의 시작이라고 한다.
  • 등시 단계: 관리 노드는 Preq - Poll Request - 프레임을 전송하여 프로세스 또는 모션 제어를 위한 시간 중요 데이터를 전송하도록 각 노드를 호출한다. 주소 지정된 노드가 Pre - Poll Response - 프레임으로 응답한다. 다른 모든 노드는 이 단계에서 모든 데이터를 청취하므로 통신 시스템은 생산자와 소비자 관계를 제공한다.

Preq-n과 Pres-n을 포함하는 시간 프레임을 주소 노드의 시간 슬롯이라고 한다.

  • 비동기 단계: 관리 노드는 SoA(비동기식 시작) 프레임을 전송하여 임시 데이터를 전송할 수 있는 특정 노드 하나에 대한 권한을 부여한다. 어드레싱된 노드가 ASND로 응답한다. 이 단계에서 표준 IP 기반 프로토콜과 어드레싱이 사용될 수 있다.

실시간 동작의 품질은 전체 기본 사이클 시간의 정밀도에 따라 달라진다. 개별 단계의 길이는 모든 단계의 총계가 기본 사이클 시간 경계 내에 유지되는 한 달라질 수 있다. 기본 사이클 시간 준수 여부는 관리 노드에 의해 모니터링된다. 등시 및 비동기 단계의 지속시간을 구성할 수 있다.

The Ethernet Powerlink Cycle

그림 1: 시간 라인 위의 프레임은 다른 CN에 의해 시간 라인 아래로 MN에 의해 전송된다.

Epl cycle-2.png

그림 2: 노드 및 비동기 시간 슬롯

대역폭 최적화를 위한 멀티플렉스

각 기본 사이클 동안 등시성 데이터를 전송할 뿐만 아니라, 일부 노드에서는 전송 슬롯을 공유하여 대역폭 활용도를 높일 수 있다. 그러한 이유로, 등시 단계는 모든 기본 사이클에서 데이터를 전송해야 하는 특정 노드 전용 전송 슬롯과 서로 다른 사이클에서 데이터를 전송하기 위해 노드가 공유하는 슬롯을 구별할 수 있다. 따라서 덜 중요하지만 여전히 시간에 중요한 데이터는 기본 사이클보다 더 긴 사이클로 전송될 수 있다. 각 주기 동안 슬롯을 할당하는 것은 관리 노드의 재량에 따른다.

Epl cycle-1.png

그림 3: EPL 멀티플렉스 모드의 시간 슬롯.

폴링 응답 체인

모드는 주로 로봇공학 애플리케이션과 대형 상부구조에 사용된다. 핵심은 프레임 수 감소와 데이터 분포 개선이다.

오픈 세이프티

오늘날 기계, 발전소 및 안전시스템은 하드웨어 기반 안전기능으로 구성된 경직된 계획에 갇혀 있다. 이에 따른 결과는 비용 집약적인 케이블 연결과 제한된 진단 옵션이다. 해결책은 안전 관련 애플리케이션 데이터를 표준 직렬 제어 프로토콜에 통합하는 것이다. OpenSafety는 게시/구독자와 클라이언트/서버 통신을 모두 허용한다. 안전 관련 데이터는 표준 통신 메시지 내부에 내장된 데이터 프레임을 통해 전송된다. 체계적 또는 확률적 오류로 인한 감지되지 않은 고장을 방지하기 위한 조치는 기능 안전 프로토콜의 필수적인 부분이다. OpenSafety는 IEC 61508을 준수한다. 프로토콜은 SIL 3의 요건을 충족한다. 오류 감지 기술은 기존 전송 계층에 영향을 미치지 않는다.

메모들

참조

외부 링크

이더넷 Powerlink 및 OpenSafety Forum on Linked인