Lanfranco Urli
ARTICS, ASI Real Time Integrated
Control System improvements
using industrial ethernet
INTRODUCTION
Modern automation platforms need to replace legacy field
bus, for drive and remote I/O, based on RS485 standard and
the communication between the control systems, with Ethernet management. This improvement allows an increase in performance of the control system and makes the recovery of
diagnostic information easier. The aim of this paper is to illustrate the application of modern Ethernet communications
to a real time based automation platform: ARTICS.
About 30 years after the first development, made by Xerox,
on Ethernet, IEC (International Electrotechnical Commission)
decided to tackle the standardization of Real-Time Ethernet.
Ethernet was designed for computer networks without realtime requirements. Because of its media access control (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA/CD) it is not deterministic and its behaviour does not
allow the management of real-time constraints.
Today Ethernet is becoming the first solution for industrial
communications in the metals industry, replacing all other
LAN standards such as token ring, Fiber Distributed Data Interface (FDDI) and Attached Resource Computer Network
(ARCNET) based on RS485 standard. Demand for Ethernet
as a real-time control network is increasing because Ethernet
offers many benefits over existing solutions. If Ethernet is
used as a control network, 10 Gbps Ethernet offers much extended bandwidth for field bus networks (such as the 12
Mbps of ProfiBus) and can also support real-time communication.
Industrial applications, such as in the metals industry, implement distributed tasks in their automation systems that require synchronization in order to guarantee the real-time
features. Traditional Ethernet and field bus systems cannot
handle these requirements, but real time Industrial Ethernet
allows cycle times less than one millisecond.
AUTOMATION PLATFORM
An industrial automation platform can be described using five
levels, from fieldbus to production planning to Enterprise Resource Planning.
Different process cycle times, of course, must be assigned to
every layer. This concept can be well illustrated by using the
pyramidal model of fig. 1.
Every automation layer has different necessities, so some protocols can be evaluated (see Table I).
INNOVATION
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PROTOCOL
Protocol based directly
APPLICATION
Field busExit thickness
on layer 2 of ISO/OSI model
Communications between
different control systems
HMI and other types
of data acquisition systems
ARCNET over Ethernet
OPC
Tab. 1 - Protocols and applications
Tab. 1 - Schema operative dello shapemeter: i rotori misurano le forze verticali
ProcessTime
Planning
hours
Production
Level
Level
3 3
minutes
Process
Automation
0.1 sec
Basic
Automation
0.01 sec
0.001 sec
Drives,
Motors,
Sensors
COMPANY
Level
Level
2 2
PLANT
AREA
Level 1 Level 1
Level 0
CELL
FIELD
Level 0
Measures and Events
LEVEL 1
LEVEL 2
Autoadaptive
Mathematical
Models
+
References
-
REG
LEVEL 0
PLANT
Fig. 1 - Conceptual architecture of an industrial control system, where automation levels
with their typical cycle times are highlighted.
Fig. 1 - Architettura concettuale di un sistema di controllo di tipo industriale, in cui
sono evidenziati i livelli di automazione e la durata tipica dei cicli.
INDUSTRIAL ETHERNET IMPROVEMENT
BETWEEN LEVEL 0 AND LEVEL 1
In the metals industry, the automation system is mostly
based on real-time operating systems (RTOS) and hard realtime criteria must be respected. In particular, field bus communication must be faster than the application tasks for
process control.
Till now Profibus was the best solution for communication
between PLC/DCS , sensors and drives and the following
scheme has been used inside many plants
But today we have to speak about “Industrial Ethernet”.
For this reason ARTICS has been upgraded to the modern
communication model for automation platform.
Several communication protocols using Ethernet for field
bus have emerged over the past years: some of them are
based on TCP (Modbus TCP) or UDP (Modbus UDP) and
some others are built directly using Ethernet link layer (Ethernet Powerlink, EtherCAT, Profinet RT, Profinet IRT, Eth-
Miglioramenti del sistema
integrato di controllo ARTICS,
legati all’uso di ethernet di tipo
industriale
INTRODUZIONE
Le piattaforme moderne di automazione richiedono
la sostituzione del bus di campo legacy, per il comando e l’ I/O remoto, basato sullo standard RS485
e la comunicazione tra sistemi di controllo, con la gestione Ethernet. Questo miglioramento permette un
incremento delle prestazioni del sistema di controllo
e facilita il recupero delle informazioni diagnostiche.
Lo scopo del presente articolo è di illustrare l’applicazione delle comunicazioni moderne Ethernet su
una piattaforma di automazione operante in tempo
reale: ARTICS.
Circa 30 anni dopo il primo sviluppo, realizzato da
Xerox, sull’Ethernet, l’IEC - International Electrotechnical Commission (Commissione elettrotecnica internazionale) ha deciso di standardizzare il “Real-Time
Ethernet” (Ethernet per applicazioni in tempo reale).
Ethernet è stato progettato per reti di computer senza
requisiti di funzionamento in tempo reale. A causa del
proprio controllo dell’accesso al mezzo (accesso multiplo tramite rilevamento della portante con rilevamento delle collisioni - CSMA/CD), esso non è
deterministico ed il proprio comportamento non permette la gestione di vincoli in tempo reale.
Oggi Ethernet sta diventando la prima soluzione per
le comunicazioni industriali nell’industria metallurgica, sostituendo tutti gli altri standard LAN quali
reti “Token ring”, Fiber Distributed Data Interface
(FDDI) e Attached Resource Computer Network
(ARCNET) basati sullo standard RS485. La richiesta
di Ethernet come rete di controllo in tempo reale è
in aumento poiché Ethernet offre innumerevoli vantaggi sulle soluzioni esistenti. Utilizzando Ethernet
come una rete di controllo, Ethernet a 10 Gbps offre
una banda molto più estesa (quale il 12 Mbps di
ProfiBus) e può inoltre supportare la comunicazione
in tempo reale.
I sistemi di automazione delle applicazioni industriali, quali ad esempio dell’industria metallurgica,
presentano task distribuiti che richiedono la sincronizzazione, per poter garantire il funzionamento in
tempo reale. I sistemi con Ethernet tradizionale e con
bus di campo non possono soddisfare questi requisiti,
mentre l’Ethernet industriale in tempo reale permette
cicli inferiori ad un millisecondo.
PIATTAFORMA DI AUTOMAZIONE
Una piattaforma di automazione industriale può essere descritta utilizzando cinque livelli, dal bus di
campo alla pianificazione della produzione e delle risorse di impresa (ERP).
Naturalmente ad ogni livello dovranno essere assegnati diversi cicli di durata del processo. Questo concetto può essere illustrato chiaramente utilizzando il
modello piramidale rappresentato in Fig. 1.
Ciascun livello di automazione presenta necessità diverse, quindi alcuni protocolli possono essere valutati
(vedere Tabella I).
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ernet/IP, Sercos III). The best performance can be obtained by using the last family of protocols based directly on layer 2 of ISO/OSI model, as shown in the
following table.
Today, EtherCAT is becoming the most important fieldbus inside ARTICS platform. EtherCAT (IEC 61158 –
IEC 61784) is a master-slave communication protocol,
based on IEEE 802.3 standard and the master cycle
time can be in the microsecond range and can use the
standard infrastructure elements as switches for the
networking of devices.
INDUSTRIAL ETHERNET IMPROVEMENT
INSIDE LEVEL 1
ARCNET is an embedded networking technology wellsuited for real-time control applications in both the industrial and commercial marketplaces.
ARCNET was originally developed by the Datapoint
Corporation as a high-speed local area network (LAN)
and has been frequently used in office automation applications. Like Ethernet and Controller Area Network
(CAN), ARCNET is a data-link layer technology with
no defined application layer. Designers write their own
DP master (class 1)
AMS
PROFIBUS-DP
Adaptor
Sensor
Decentralized inputs and outputs
DP slaves
FIELD BUS
AS-Interface
CANOpen
ControlNet
CC-Link
DeviceNet
EtherCAT
Ethernet Powerlink
EtherNet/IP
Interbus
LanWorks
Modbus
PROFIBUS DP
PROFIBUS PA
PROFINET IO
PROFINET IRT
SERCOS III
SERCOS interface
Foundation Fieldbus H1
MAX DEVICES
62
127
99
64
64
65536
240
almost unlimited
511
32000
246
126
126
almost unlimited
almost unlimited
511
254
240
APPLICATION
NO
NO
NO
NO
NO
YES
YES
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
YES
YES
YES
NO
AMS
application layer to meet their particular needs and frequently do not advertise the fact that ARCNET is being
used in their product. ARCNET receives no name
recognition, but is frequently the network of choice in
embedded applications.
MIGLIORAMENTO DELL’ETHERNET INDUSTRIALE
TRA LIVELLO 0 E LIVELLO 1
Nell’industria metallurgica, i sistemi di automazione sono
principalmente basati su sistemi operativi in tempo reale
(RTOS) e si devono rispettare severi criteri riguardo alla
capacità di funzionamento in tempo reale. In particolare,
la comunicazione del bus di campo deve essere più veloce
dei task dell’applicazione per il controllo del processo.
Fino ad ora Profibus ha rappresentato la soluzione migliore
per la comunicazione tra PLC/DCS, sensori e comandi, e
lo schema seguente è stato utilizzato in molti impianti.
Oggi invece si deve parlare di “Ethernet industriale”.
Per questo motivo ARTICS ha subito un aggiornamento al
modello di comunicazione moderna per piattaforme di automazione.
Negli anni passati sono emersi parecchi protocolli di comunicazione che utilizzano Ethernet per il bus di campo:
alcuni di essi basati su TCP (Modbus TCP) o UDP (Modbus UDP) ed altri costruiti direttamente utilizzando il livello di collegamento Ethernet (Ethernet Powerlink,
EtherCAT, Profinet RT, Profinet IRT, Ethernet/IP, Sercos
III). Le prestazioni migliori possono essere ottenute utilizzando l’ultima famiglia di protocolli basati direttamente
sul livello 2 del modello ISO/OSI, come mostrato nella tabella seguente. Oggi EtherCAT sta diventando il bus di
campo più importante all’interno della piattaforma ARTICS. EtherCAT (IEC 61158 - IEC 61784) è un protocollo
di comunicazione del tipo master-slave, basato sullo standard IEEE 802.3 e la durata del ciclo master può essere
nell’ordine dei microsecondi e può utilizzare elementi standard dell’infrastruttura, quali switch, per il collegamento
in rete dei dispositivi.
MIGLIORAMENTO DELL’ETHERNET INDUSTRIALE
NEL LIVELLO 1
ARCNET è una tecnologia di rete integrata adatta per applicazioni di controllo in tempo reale sia in ambito industriale sia in ambito commerciale. ARCNET in origine è
stato sviluppato da Datapoint Corporation come rete locale (LAN) ad alta velocità ed è stato utilizzato frequentemente in applicazioni di burotica.
Analogamente all’Ethernet ed al Controller Area Network
(CAN), ARCNET è una tecnologia di collegamento dati a
livelli, senza alcun livello applicazioni definito. I progettisti
compilano il proprio livello applicazioni in modo da sod-
Originally introduced at about the same time as Ethernet, ARCNET incorporates a token-passing protocol
where media access is determined by the station with
the token.
When a station receives the token, it can either initiate
a transmission to another station or it must pass the
token to its logical neighbor.
disfare le proprie particolari esigenze e frequentemente non
pubblicizzano il fatto che si utilizzi ARCNET nei loro prodotti. ARCNET, sebbene non abbia alcuna notorietà, rappresenta spesso la scelta utilizzata per le reti in applicazioni
integrate.
Introdotto originariamente nello stesso periodo dell’Ethernet, ARCNET incorpora un protocollo “token passing” in
cui l’accesso è determinato dalla stazione con il token.
Quando una stazione riceve il token, può iniziare la trasmissione ad un’altra stazione o dovrà passare il token alla
stazione vicina. Tutte le stazioni sono considerate alla pari
e nessuna stazione può consumare tutta la banda disponibile, poiché ad ogni passaggio del token può essere inviato
un solo pacchetto. Questo schema evita collisioni e fornisce
ad ARCNET il maggior vantaggio nelle applicazioni in
tempo reale: essere un sistema deterministico. Essendo deterministico, il progettista può calcolare precisamente il
tempo richiesto da una particolare stazione per accedere
alla rete ed inviare un messaggio. Ciò si rivela particolarmente importante per applicazioni di controllo e/o di robotica, in cui sono richieste risposte tempestive o
movimenti coordinati.
ARCNET su Ethernet permette l’uso di mezzi più potenti
per lo scambio di dati. Tutte le caratteristiche tipiche di ARCNET, innanzitutto il determinismo, sono conservate, ma
con un miglioramento significativo delle prestazioni.
Oggi il protocollo di livello fisico RS485 è sostituito dal
protocollo Fast Ethernet con prestazioni ad alta velocità.
Questo protocollo è chiamato EtherARC (ARCNET su
mezzi Ethernet). Inoltre, il mezzo Ethernet permette unlayout con topologia a stella, con un’ottimizzazione significativa del cablaggio. È inoltre più facile utilizzare la fibra
ottica senza la necessità di inserire particolari convertitori,
come nel caso dell’RS485.
Il protocollo EtherARC, basato sull’IEEE 802.3, è stato
implementato per la piattaforma ARTICS su scheda PMC.
CONCLUSIONI
I miglioramenti descritti nei capitoli precedenti permettono
ad ARTICS di incrementare le prestazioni dello scambio
dati tra i vari livelli della piattaforma di automazione ASI
e permettono ad ARTICS di essere competitivo nel mondo
dell’automazione industriale del futuro.
All stations are considered peers and no station can
consume all the bandwidth since only one packet can
be sent at each token pass. This scheme avoids collisions and gives ARCNET its greatest advantage in realtime applications: it is deterministic.
By being deterministic, the designer can accurately calculate the time that a particular station requires to gain
access to the network and send a message.
INNOVATION
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This is of particular importance for control and/or robotic applications where timely responses or coordinated motions are needed.
ARCNET over Ethernet allows the use of a newer and
more powerful media for data exchange. All characteristic features of ARCNET, first of all determinism, are
preserved but with a significant improvement in performance.
Today the RS485 physical layer protocol is replaced by
Fast Ethernet protocol with high speed performance .
This protocol is named EtherARC (ARCNET over Ethernet media). Further, Ethernet media allows a star
EtherARC
topology layout which significantly streamlined the
wiring. It is also easier to use optical fiber without
using special media converter, as in the case of RS485.
EtherARC protocol , based on IEEE 802.3, was implemented for ARTICS platform on PMC card.
CONCLUSIONS
The improvements described in the previous chapters
allows ARTICS to increase the performances for data
exchange between different layers of ASI automation
platform and allows ARTICS to be competitive in the
future of industrial automation world.
AMS: Ansaldo Micro System
SWITCH ETHERNET
EtherARC Station
EtherARC Station
AMS
EtherARC Station
AMS
AMS
Mathematical models and production planning stations
Level 2 Fast Ethernet, TCP/IP
Operator and engineering stations
HMI & Maintenance Fast Ethernet, TCP/IP
Power AMS high speed
multiprocessing controllers
SmartPRO
AMS control unit
Third Party Products
Real Time Network
Field Bus
Third Party Products
(remote I/O, Sensors etc.)
Field Bus
Drives
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