DEVICE LEVEL RING (DLR)
TOPOLOGIAS DE REDE DE FABRICAÇÃO E
ANEL DE NÍVEL DO DISPOSITIVO (DLR)
PARA ETHERNET/IP
Visão geral
Segmentos lineares e o uso da tecnologia de anel são as diferenças mais notáveis na forma como engenheiros de chão de fábrica e funcionários de TI utilizam as tecnologias Ethernet.
A topologia em anel é uma configuração de rede na qual os dispositivos conectados formam um caminho circular para a transmissão de dados. Cada dispositivo está conectado a outros dois, sendo que o último dispositivo está conectado de volta ao primeiro, criando um circuito de comunicação circular. Os pacotes Ethernet são transmitidos de um dispositivo para outro até alcançarem o destino pretendido ou o dispositivo de origem inicial. No mundo da TI, esse tipo de topologia Ethernet é considerado indesejável. Ela é menos confiável, mais lenta e causa problemas quando novos nós são adicionados.
No entanto, no chão de fábrica, a topologia Device Level Ring (DLR) é uma vantagem. As qualidades que tornam a tecnologia de anel deficiente para TI corporativa são, na verdade, vantajosas para o chão de fábrica e para a implementação específica de anel, Device Level Ring (DLR), discutida neste artigo:
- A tecnologia Device Level Ring foi projetada de forma que a rede possa continuar a operar com uma única falha de nó. Uma única falha não destruirá toda a rede como a perda de um único nó em um sistema de TI.
- Com menos mensagens no anel (às vezes apenas uma), os sistemas de anel podem operar mais lentamente do que outras arquiteturas – mas isso geralmente não é um problema, pois os sistemas de máquinas geralmente são limitados por suas interfaces mecânicas e físicas subjacentes.
- O dispositivo no anel pode interrogar e monitorar o status do anel e agir quando ocorrem interrupções no anel. Os dispositivos podem procurar caminhos alternativos para alcançar outros dispositivos de processo. Os sistemas de TI raramente precisam desse tipo de recurso.
A interrupção de novos nós é outra diferença, mas um ponto discutível para o chão de fábrica. Ao contrário da TI, os sistemas de chão de fábrica raramente são adicionados ou removidos.
O restante deste artigo descreve as topologias utilizadas no chão de fábrica, tecnologias de anel em geral e especificamente, o padrão Device Level Ring (DLR) promovido pela ODVA.
Tipos de rede
Você pode encontrar três tipos de redes em uma planta (Tabela 1). Mesmo que grande parte da infraestrutura que você pode ver nas redes de informação e controle pareça ser idêntica – cabos, switches, roteadores e similares – há uma diferença filosófica e prática em como as redes de chão de fábrica operam.
| Rede de Informação | rede de controle | Rede IO | |
| Escopo | Informações Gerais da Fábrica | Área ampla | Dispositivos de E/S |
| Tamanho típico | 1000s | 10s | 100s |
| Volume de dados | Enorme | Moderado | Baixo |
| Resposta exigida | Melhor esforço | Tempo real suave | Soft ou Hard Tempo real |
| Custo | Alto/Moderado | Moderado | Baixo |
| Dispositivos | Servidores, Computadores de Usuário Final | CLPs, PPCs 1 | Soft ou Hard Tempo real |
| Endereçamento | Dinâmico | Estático | Estático |
| Como é usado | Conecte os usuários finais aos recursos corporativos e à Internet | Coordenação de atividades entre dispositivos | PLC para dispositivo(s) de E/S |
| Interação Típica | Servidor de acesso do usuário final | PLC para PLCs e PPCs usando mensagens implícitas EtherNet/IP bidirecionais | Conexão de mensagem implícita EtherNet/IP do CLP para o dispositivo final |
Tabela 1 – Lista de Diferentes Redes de Chão de Fábrica
Filosoficamente, as redes corporativas ou de TI operam mais como um serviço público. O departamento de TI oferece recursos e serviços a um conjunto de clientes em constante mudança, com requisitos de serviço em constante evolução. A TI adota uma filosofia de gerenciamento centralizado para proteger os ativos corporativos e seus clientes uns dos outros e do mundo exterior. O mundo da TI é altamente dinâmico e é gerenciado por meio de uma infraestrutura bem estruturada, incluindo computadores Microsoft Windows, switches e roteadores Cisco, firewalls e tecnologias similares.
Por outro lado, o mundo da tecnologia operacional (TO) é completamente diferente. As redes de chão de fábrica em uma planta não apenas diferem consideravelmente entre si, mas também são componentes essenciais de máquinas de fabricação ou processos de produção específicos. Essas redes são relativamente estáticas e compostas por uma ampla variedade de controladores, atuadores e sensores desenvolvidos por diversos fornecedores. Os dispositivos de controle possuem uma infinidade de recursos, parâmetros operacionais, capacidades de comunicação e funcionalidades. Nesse mundo estático, mas altamente diversificado, os engenheiros de controle constroem redes personalizadas que devem atender aos requisitos operacionais específicos ditados pelo produto em fabricação.
A filosofia operacional no mundo OT difere bastante do mundo da TI. A abordagem da OT consiste em construir, implementar e testar uma rede de controle até que ela alcance os objetivos de confiabilidade, desempenho e qualidade desejados, e, em seguida, evitar qualquer alteração posterior. Para alcançar isso, a OT utiliza topologias especiais, mecanismos operacionais, protocolos e sistemas adequados.
Topologias
Há muitas maneiras de conectar nós Ethernet em uma rede. No início da vida da Ethernet, a topologia do barramento Ethernet era tudo o que existia. Cada dispositivo Ethernet foi conectado tocando fisicamente no barramento e conectando um dispositivo a esse toque. Hoje, existe uma grande variedade de topologias físicas que podem ser usadas, incluindo anel, barramento, malha e estrela, com a maioria das instalações usando uma topologia em estrela.
Filosoficamente, as redes corporativas ou de TI operam mais como um serviço público. O departamento de TI oferece recursos e serviços a um conjunto de clientes em constante mudança, com requisitos de serviço em constante evolução. A TI adota uma filosofia de gerenciamento centralizado para proteger os ativos corporativos e seus clientes uns dos outros e do mundo exterior. O mundo da TI é altamente dinâmico e é gerenciado por meio de uma infraestrutura bem estruturada, incluindo computadores Microsoft Windows, switches e roteadores Cisco, firewalls e tecnologias similares.
Por outro lado, o mundo da tecnologia operacional (TO) é completamente diferente. As redes de chão de fábrica em uma planta não apenas diferem consideravelmente entre si, mas também são componentes essenciais de máquinas de fabricação ou processos de produção específicos. Essas redes são relativamente estáticas e compostas por uma ampla variedade de controladores, atuadores e sensores desenvolvidos por diversos fornecedores. Os dispositivos de controle possuem uma infinidade de recursos, parâmetros operacionais, capacidades de comunicação e funcionalidades. Nesse mundo estático, mas altamente diversificado, os engenheiros de controle constroem redes personalizadas que devem atender aos requisitos operacionais específicos ditados pelo produto em fabricação.
A filosofia operacional no mundo OT difere bastante do mundo da TI. A abordagem da OT consiste em construir, implementar e testar uma rede de controle até que ela alcance os objetivos de confiabilidade, desempenho e qualidade desejados, e, em seguida, evitar qualquer alteração posterior. Para alcançar isso, a OT utiliza topologias especiais, mecanismos operacionais, protocolos e sistemas adequados.
Segmentos Lineares
Um dos avanços mais significativos para as redes de controle industrial foi a criação de um switch de rede integrado em um circuito integrado (CI). Isso não apenas reduziu drasticamente os custos dos switches de rede, mas também possibilitou o desenvolvimento de um CI especializado de três portas, que poderia ser incorporado aos dispositivos finais e permitir a implementação de redes Ethernet “em cascata” (Figura 2). Com o uso dessa tecnologia, as redes Ethernet podem ser implantadas de maneira semelhante às redes Modbus RS485 de gerações anteriores.
A topologia linear é comum em aplicações de fabricação com muitos dispositivos, devido ao custo reduzido por porta do switch em comparação com outras topologias de rede EtherNet/IP. Em redes lineares, todos os dispositivos utilizam um switch integrado de três portas, com duas portas para conexões de rede e uma porta para conexão interna ao dispositivo. As vantagens dessa topologia são implantação econômica e facilidade de adicionar dispositivos adicionais.
No entanto, uma grande desvantagem das redes lineares é que qualquer falha de cabo ou dispositivo torna todos os dispositivos subsequentes inacessíveis. Por esse motivo, muitos engenheiros de controle evitam conectar equipamentos críticos usando redes lineares. Além disso, as redes lineares podem ocultar problemas de desempenho. Se a negociação automática entre dispositivos em um segmento linear resultar em operação half-duplex ou em uma taxa de baud mais baixa, o tráfego de mensagens nas partes subsequentes do segmento pode ser menos eficiente. Embora seja difícil detectar esse problema, é possível preveni-lo. Todos os dispositivos em um segmento linear devem ser configurados para operação full-duplex com a maior taxa de transmissão possível para a rede, desativando a negociação automática.
Topologia Híbrida
Alguns fabricantes preferem usar uma topologia híbrida, uma combinação das outras topologias (Figura 3). Em redes do tipo híbrido, duas ou mais das outras topologias são implementadas em diferentes partes de um sistema de manufatura para aproveitar os diferentes recursos de cada topologia. Embora isso forneça ao projetista do sistema de controle as várias vantagens das diferentes tecnologias, aumenta a complexidade do sistema e o torna menos sustentável.
Topologia Anel
A topologia em anel (Figura 4) é muito comum em aplicações de manufatura onde a disponibilidade da rede e do processo são requisitos essenciais. Em redes do tipo anel, os dispositivos são encadeados entre si com o último dispositivo conectado de volta ao primeiro dispositivo e as mensagens às vezes viajam em qualquer direção ao redor do anel. Normalmente, algum tipo de mestre de anel gerencia o tráfego na rede, impedindo que as mensagens circulem indefinidamente e gerenciando falhas de dispositivo e rede. Os dispositivos sem a porta Ethernet dupla necessária para participar de um anel podem usar um dispositivo de toque para participar de uma rede em anel. A vantagem significativa de uma topologia em anel é que os sistemas de controle podem continuar a operação após a falha de um cabo ou mesmo de um dispositivo.
Anel de nível de dispositivo
Engenheiros de controle construindo sistemas usando segmentação linear descobriram a grande desvantagem da segmentação linear: quando um dispositivo falhava, todos os dispositivos downstream ficavam inacessíveis. Qualquer falha de dispositivo ou cabo – especialmente perto do switch – pode desabilitar quase todo o segmento. Em sistemas de alta disponibilidade, essas falhas podem ser catastróficas.
O anel de nível de dispositivo para EtherNet/IP é uma especificação ODVA projetada para resolver esse problema. Ele fornece detecção rápida de falhas de rede, detectando e contornando falhas de dispositivos ou cabos em apenas alguns milissegundos. Uma rede DLR (Figura 5) consiste em dispositivos com recursos especializados:
- Um supervisor de anel para gerenciar o anel. No modo DLR, os supervisores de anel enviam quadros Beacon de sua porta principal. Um quadro Beacon chegando na porta secundária valida a integridade do anel. No modo não DLR (modo de falha), os supervisores de anel enviam mensagens nas portas Ethernet primária e secundária.
- Um nó de anel é qualquer nó habilitado para DLR no anel. Os nós do anel monitoram a conexão com os nós vizinhos e relatam falhas ao supervisor do anel.
- Um toque de toque é um dispositivo que pode fornecer recursos de toque para um dispositivo não DLR.
- Dispositivos não DLR com funcionalidade de comutação incorporada são dispositivos com portas Ethernet duplas, mas sem capacidade DLR. A localização da falha em um anel de nível de dispositivo é mais difícil com o aumento do número de dispositivos não-DLR.
Na operação DLR normal, o supervisor do anel envia continuamente quadros Beacon através do anel para verificar a integridade do anel. Os quadros beacon que chegam à porta secundária validam a integridade do anel. Falha de cabo ou dispositivo é detectada quando o supervisor de anel não recebe quadros Beacon em sua porta secundária. Quando uma falha é detectada, um supervisor de anel muda para o modo de operação não DLR, tratando o anel como dois segmentos lineares – um operando a partir de sua porta primária e outro operando a partir de sua porta secundária.
Durante a operação linear, o supervisor de anel continua a enviar quadros Beacon de sua porta principal. Uma vez que a falha é reparada, os quadros Beacon novamente começam a chegar na porta secundária, e o supervisor restaura o status DLR ativo para o anel.
Uma das vantagens das redes em anel é a capacidade de detectar a localização de uma falha. Os nós do anel que detectam a perda de um vizinho relatam a falha à porta principal do supervisor do anel. Esse processo funciona melhor se ambos os vizinhos tiverem recursos DLR.
Na Figura 2, uma falha em ‘A’ seria relatada ao supervisor do anel pelo DLR Node Y. Uma quebra em ‘B’, porém, seria relatada pelo Tap no DLR Node Z e só poderia ser localizada em algum lugar entre o nó Z e nó Y.
A tecnologia DLR é tolerante a falhas únicas. A rede falha em várias falhas simultâneas no anel. Outra desvantagem do DLR é a complexidade adicional. O objeto DLR deve ser configurado em cada nó de anel.
Anel de nível de dispositivo e EtherNet/IP
É possível argumentar que o Device Level Ring é irrelevante ao discutir a operação de uma rede EtherNet/IP. Device Level Ring é uma arquitetura física que descreve uma topologia e organização para uma rede. Não diz nada sobre como essa rede é usada. EtherNet/IP, por outro lado, trata de mensagens e organização de dados. Ele não diz nada sobre como suas mensagens se movem e sobre qual rede física.
Onde a EtherNet/IP e o Device Level Ring se juntam é no switch Ethernet embutido no dispositivo EtherNet/IP. O switch Ethernet deve processar as mensagens que recebe. As mensagens EtherNet/IP da camada de aplicação são processadas normalmente em uma rede de topologia em estrela. As mensagens do protocolo DLR são processadas de acordo com a especificação Device Level Ring. Essas mensagens mantêm o anel e nunca são recebidas pela camada de aplicação do dispositivo EtherNet/IP.
O switch Ethernet é a chave para a operação de EtherNet/IP em uma rede Device Level Ring. Se você consultar as especificações ODVA, verá que existem vários switches integrados Ethernet qualificados para operação EtherNet/IP.
O funcionamento da chave incorporada é descrito pelos parâmetros do objeto Anel de nível de dispositivo EtherNet/IP, assunto da próxima seção.
O objeto de anel de nível de dispositivo (objeto EtherNet/IP nº 71)
DESCRIÇÃO: O objeto Device Level Ring (DLR) é a interface de configuração e status para uma rede Device Level Ring. Ele contém os parâmetros de configuração que descrevem como o switch embutido funciona na rede Device Level Ring. Um controlador ou ferramenta de configuração de rede usa comandos CIP para definir os parâmetros do objeto DLR de cada dispositivo na rede Device Level Ring.
O objeto Device Level Ring é necessário para dispositivos que suportam o protocolo Device Level Ring.
INSTÂNCIAS: Os dispositivos EtherNet/IP podem ser conectados a várias redes Device Level Ring. Uma instância do objeto Device Level Ring é necessária para cada rede Device Level Ring.
ATRIBUTOS DE CLASSE: Não há atributos específicos de classe no objeto de anel de nível de dispositivo.
ATRIBUTOS DE INSTÂNCIA: O objeto de anel de nível de dispositivo suporta apenas 19 atributos:
| EU IA# | ID do atributo | Descrição |
| 1 | Topologia de rede | Identifica o modo de tecnologia atual (Linear ou Anel) |
| 2 | Status da rede | Indica o status atual da rede Device Level Ring |
| 3 | Status do Supervisor de Anel | Indica se o dispositivo está funcionando como um supervisor de dispositivo |
| 4 | Configuração do Supervisor de Anel | Fornece acesso aos parâmetros de configuração para operação de anel de nível de dispositivo |
| 5 | Contagem de falha de toque | Número de vezes que uma falha de anel foi detectada desde a inicialização |
| 6 | Último nó ativo 1 | Identifica o último nó alcançável na 1ª porta quando o dispositivo está funcionando como supervisor de anel ativo |
| 7 | Último nó ativo 2 | Identifica o último nó alcançável na 2ª porta quando o dispositivo está funcionando como supervisor de anel ativo |
| 8 | Contagem de participantes do toque | Indica o número de participantes no ringue. Definido como zero quando o dispositivo não é o supervisor ativo |
| 9 | Lista de participantes do anel | Identifica a lista de nós de anel que participam do protocolo de anel |
| 10 | Endereço do Supervisor Ativo | Identifica o endereço IP do supervisor de anel ativo |
| 11 | Precedência do Supervisor Ativo | AUSENTE |
| 12 | Sinalizadores de capacidade | Identifica os recursos de anel de nível de dispositivo de um dispositivo, incluindo se é baseado em anúncio ou beacon, compatível com supervisor ou gateway redundante |
| 13 | Configuração de gateway redundante | Fornece acesso aos parâmetros de configuração para operação de gateway redundante |
| 14 | Status do gateway redundante | Indica o status do dispositivo como um gateway |
| 15 | Status do gateway ativo | O endereço IP do dispositivo de gateway ativo |
| 16 | Precedência de gateway ativo | O valor de precedência do dispositivo de gateway ativo |
| 17 | Instância de objeto de link de porta de anel 1 | A instância do Link Object para a Porta 1 |
| 18 | Instância de objeto de link de porta de anel 2 | A instância do Link Object para a Porta 2 |
| 19 | Habilitar anel no nível do dispositivo | Identifica se as operações de anel de nível de dispositivo estão habilitadas para as portas associadas à instância de anel de nível de dispositivo |
SERVIÇOS COMUNS: O objeto de anel de nível de dispositivo oferece suporte a vários serviços comuns, incluindo obter todos os atributos e obter/definir um único atributo.
SERVIÇOS ESPECÍFICOS DE OBJETOS: O objeto anel de nível de dispositivo suporta quatro serviços específicos de objetos:- Verify Fault Location – Faz com que um dispositivo funcionando como um supervisor de anel emita a mensagem de protocolo Locate Fault ring.
- Clear Rapid Faults – Faz com que um dispositivo funcionando como um supervisor de anel retorne à operação normal após um ciclo de falha/restauração.
- Reiniciar logon – faz com que um dispositivo funcionando como um supervisor de anel atualize a lista de participantes do anel de nível de dispositivo.
- Clear Gateway Partial Fault – Faz com que um dispositivo funcionando como um gateway redundante retorne à operação normal.
1 PPCs – Controladores de Processo Periféricos (PPCs) são dispositivos Ethernet inteligentes, como bombas, aplicadores de fluidos, sistemas de cola, controladores de tinta, etc.
2 O ARC Advisory Group, uma empresa líder em pesquisa e consultoria com foco em tecnologias e melhores práticas em tecnologia de automação, desenvolveu a versão original desta tabela.
