Principali protocolli di ridondanza per le reti Ethernet macchina (OT)

Declinato in ambito OT, esistono protocolli di ridondanza a livello di collegamento dati derivati dalle reti IT, specifici per la comunicazione industriale.

Volendo dare una panoramica tra i principali costruttori di dispositivi, la fotografia che appare è di protocolli specifici fortemente legati al fieldbus ethernet based che si sceglie.

Media Redundancy Protocol (MRP): è un protocollo standardizzato IEC 62439-2 che consente di creare una topologia ad anello chiusa, bloccando i percorsi alternativi. Un dispositivo funge da Media Redundancy Manager (MRM) per gestire lo stato dell'anello. MRP funziona selezionando un percorso attivo per la In caso di guasto del percorso attivo, MRP sblocca uno dei percorsi alternativi per mantenere attiva la comunicazione.

MRPD è una variante di MRP che si concentra sulla ridondanza a livello del dispositivo. Questo protocollo è progettato per garantire che un dispositivo possa commutare tra diverse interfacce di rete in modo affidabile, garantendo continuità nelle comunicazioni.

MRRT: La Stazione 1 spedisce il FRAME DATI sui due lati del ring. In caso di interruzione del bus dati, il FRAME arriva dall’altra parte del ring, cioè il ricevitore riceve due volte lo stesso telegramma IRT. Se non vi è errore nella rete verrà utilizzato il primo telegramma IRT ricevuto; il secondo non sarà considerato.

DLR (Device Level Ring)

Il Device Level Ring (DLR) è un protocollo di livello 2 che consente la ridondanza in una topologia ad anello, fornendo un rapido rilevamento dei guasti di rete e una riconfigurazione per le reti industriali. Il DLR è un protocollo EtherNet/IP™ definito dall’Open DeviceNet® Vendors’ Association (ODVA).

Il DLR include almeno un nodo configurato come supervisore dell’anello e un numero qualsiasi di nodi normali dell’anello. Tutti i nodi dell’anello DLR devono avere almeno due porte Ethernet e incorporare la tecnologia di switch integrata. I dispositivi multiporta non-DLR, finali, possono essere presenti nell’anello, soggetti a determinate limitazioni di implementazione.

Il DLR supporta una topologia ad anello singolo e semplice. Tuttavia, un’installazione di rete può utilizzare più di un anello basato su DLR, purché ogni anello sia isolato in modo che i messaggi del protocollo DLR di un anello non siano presenti su un altro anello. Il DLR supporta gateway ridondanti per la connessione con l’infrastruttura di rete esterna alla rete DLR.

Il DLR supporta due classi di dispositivi:

• Supervisore dell’anello: su ogni rete DLR, è necessario configurare almeno un dispositivo come supervisore dell’anello. Il supervisore dell’anello verifica l’integrità dell’anello inviando costantemente un frame beacon per verificare la rete. In caso di rottura dell’anello, lo riconfigura e raccoglie informazioni diagnostiche.

• Nodo dell’anello basato su Beacon: questa classe di dispositivo implementa il protocollo DLR, ma non ha la capacità di supervisore dell’anello.

POWERLINK consente l'implementazione di due tipi di ridondanza: ridondanza ad anello e ridondanza Master.

Ridondanza piena o parziale dell’anello.

Le applicazioni sono collegate sotto forma di anello; entrambe le estremità esterne della linea dati che attraversa la rete sono collegate al controller.

Quando viene rilevata un'interruzione della linea, il sistema passa dalla modalità ripristino dell’anello, nel tempo di un ciclo. Questo tipo di ridondanza viene tipicamente utilizzata per soluzioni esposte a notevoli stress meccanici. La ridondanza parziale dell'anello è una forma di ridondanza dell'anello limitata a una parte specifica della rete.

Ridondanza del Master

Il secondo tipo di ridondanza è la ridondanza Full Master, o Managing Node, che svolge un ruolo chiave per i sistemi ad alta disponibilità e viene utilizzata per i sistemi energetici nell'industria di processo.

La ridondanza del master si basa su due o più Managing Node ridondanti al vertice della gerarchia di rete. Solo uno di essi funge da Managing Node attivo, gli altri rimangono in hot standby e agiscono come Nodi Controllati dal punto di vista del Managing Node attivo.

La ridondanza ad anello nelle reti CC-Link IE funziona attraverso l’impiego della tecnologia ad anello ridondante o dual loop: due anelli ridondanti che collegano tutti i dispositivi sulla rete. E’ una ridondanza a livello di dispositivo, ovvero ogni dispositivo sulla rete ha due porte CC Link IE, una per ciascun anello.

Protocollo di ridondanza: Il protocollo di ridondanza specifico di CC Link IE viene utilizzato per monitorare lo stato di ciascun anello e per attivare l'anello di backup in caso di guasto.

Commutazione automatica: In caso di guasto di un anello, il protocollo di ridondanza rileva il problema e attiva automaticamente l'anello di backup.

Riconfigurazione trasparente: I dispositivi sulla rete vengono automaticamente riconfigurati per utilizzare l'anello di backup, senza richiedere alcun intervento manuale.

EtherCAT consente due differenti meccanismi di ridondanza:

Hot Connect e ridondanza di cavo.

Hot Connect, consente di connettere o disconnettere parti della rete senza influire sul funzionamento generale della rete, funzionamento molto utile anche in caso di perdita di uno slave per malfunzionamento. Tassello fondamentale è la configurazione di segmenti specifici della rete in modo che siano hot-connectable.

Funzionamento: dispositivi o segmenti possono essere aggiunti o rimossi dinamicamente dalla rete mentre è in esecuzione. Il master può riconfigurare la topologia di rete al volo per adattarsi a queste modifiche.

EtherCAT consente di ottenere una ridondanza di cavo connettendo un cavo tra l’ultimo slave e il master della rete (MainDevice), creando così una topologia ad anello. L’interruzione di un cavo o il danneggiamento di un nodo, è individuato rapidamente dal MainDevice. Gli slave non saranno a conoscenza del fatto che stiano lavorando in condizioni di rete ridondata.

I protocolli di ridondanza sono un componente fondamentale nelle reti di macchina OT. Questi protocolli consentono di mantenere attiva la comunicazione anche in caso di guasto di un nodo della rete, garantendo così la continuità operativa del sistema e impendendo un fermo macchina improvviso e costoso.

La scelta del protocollo di ridondanza dipende dalle esigenze specifiche della rete di macchina, dalle modalità applicative, oltre che a requisiti di criticità e prestazioni. Va poi considerato anche che non tutti i costruttori di dispositivi, supportano gli stessi protocolli di ridondanza, spesso legati ad uno specifico fieldbus ethernet based.