Промислові мережі на базі Ethernet

Переклад "2.3.4. Мережі побудовані на основі Ethernet"  книги Industrial Communication Systems 2 ed. 

 Переклав Олександр Пупена.

 2.3.4. Мережі побудовані на основі Ethernet 

    Поширення Інтернету призвело до широкого розповсюдження Ethernet  як вдома так і на роботі. Через його низьку вартість, широку доступність і високу швидкості зв'язку, Ethernet, був запропонований в якості ідеальної мережі для промислової автоматики [19,70]. До цього деякі ставили під сумнів, що Ethernet стане стандартом де-факто для мереж автоматизації, що зробить усі інші рішення застарілими [27,88]. Основна проблема якраз була в тому, що стандарт Ethernet (IEEE 802.3) не детермінований протокол, і мережні QoS (Quality of Service) не можуть бути гарантовані [19,45]. У мережі можуть виникати колізії, і повідомлення повинні бути передані повторно після випадкового проміжку часу. Для вирішення цього притаманного недетермінізму, для використання в промисловій автоматизації було запропоновано багато різновидів Ethernet.  Деякі з них доповнилися додатковими рівнями поверх стандартного Ethernet або поверх стека TCP/IP, для того, щоб поведінка Ethernet була більш детермінованою [25,27,42]. Таким чином, різні мережні рішення можуть базуватися на тому самому Ethernet, використовувати ті ж апаратні засоби, але бути несумісними. Як зазначено в [48], передача повідомлень не завжди приводить до успішної комунікації: "Саме по собі те, що ви можете подзвонити в Шанхай, ще не значить, що ви зможете говорити китайською".  В останні роки ефективним і прийнятним рішенням для керування смугою пропускання Ethernet для критичних за часом вузлів стало використання комутаторів, що використовують підхід TDM. Замість того, щоб повторювати дослідження щодо підходів до промислової мережі Ethernet які дані в [25], в цьому розділі викладений загальний протокол підрівня МАС мережі Ethernet, і обговорюються загальні підходи, що використовуються в Ethernet для промислових виконань.
    Ethernet являє собою мережу з випадковим доступом, який також називають CSMA. Кожен вузол прослуховує мережу і може починати передачу в будь-який момент часу, якщо мережа вільна. Як правило, як тільки мережа звільнилася, перед відправкою свого повідомлення  вузол повинен очікувати протягом певного періоду часу (міжкадровий інтервал). Для зменшення колізій в мережі, перш ніж почати передачу, вузли додатково ще очікують випадково-згенерований проміжок часу (називається час відстрочки). Деякі типи повідомлень (наприклад, АСК-підтвердження на  MAC-рівні) можуть  бути відправлені після коротшого міжкадрового інтервалу. Високопріоритетний трафік може бути реалізований шляхом використання ще коротших міжкадрових інтервалів. Однак, якщо два вузли почали відправку повідомлення в один і той же час (або, якщо другий вузол починає передачу раніше, ніж туди надходить повідомлення від першого), в мережі буде колізія. Колізія в Ethernet є руйнівною, тобто дані будуть пошкоджені, і повідомлення необхідно буде відправити повторно.
 

2.3.4.1 Ethernet на базі концентраторів (CSMA/CD)

    Hub-based Ethernet для з'єднання пристроїв в мережі  використовує концентратори (Hub).  Цей тип Ethernet в офісному(непромисловому) виконанні являється загальнодоступним. Коли пакет приходить в один інтерфейс (порт) концентратора, той просто відправляє цей пакет на всі інші порти. Таким чином, всі пристрої в тій же мережі отримують той же пакет одночасно, і можлива колізія повідомлень. Колізії вирішуються з використанням протоколу CSMA / CD, як це зазначено в стандарті мережі IEEE 802.3 [9,14,92].
    Цей протокол працює наступним чином: коли вузол хоче щось передати, він прослуховує мережу. Якщо мережа зайнята, вузол чекає, поки вона звільниться. У іншому випадку, він може передавати негайно (з урахуванням міжкадрового інтервалу після останнього повідомлення в мережі). Якщо два або більше вузли вирішили одночасно передавати, їх повідомлення стикаються і пошкоджуються. При передачі, вузол повинен також прослуховувати шину для виявлення зіткнення повідомлень.
    При виявленні колізії між двома або більше повідомленнями, вузол-відправник передає 32 jam-біти (біти глушення) і чекає протягом випадкового інтервалу часу, щоб повторити спробу передачі. Цей випадковий час визначається за допомогою стандартного двійкового експоненціального алгоритму відстрочки: час повторної передачі вибирається випадково між 0 і (2 в степені i) часових інтервалах, де і – значення кількості подій виявлення колізії вузлом, а один часовий інтервал є мінімальний час, що необхідний для передачі туди-назад. Тим не менше, після того, як було досягнуто 10 колізій, інтервал встановлюється на максимум - 1023 слоти. Після 16 колізій, вузол припиняє спроби передачі і повідомляє про невдачу мікропроцесору вузла. Подальше відновлення може бути зроблено на більш високих рівнях мережі [92].
    Розмір корисного навантаження даних Ethernet становить від 46 до 1500 байт. Існує ненульова мінімальна вимога до розміру даних, оскільки в стандартні говориться, що правильні кадри повинні мати принаймні 64 байти (які включають в себе 18 додаткових байтів). Якщо частина даних кадру менша, ніж 46 байт, в кадр вставляється спеціальне поле Pad(наповнювач), щоб доповнити кадр до мінімального розміру.
    Для використання в системах керування цієї форми Ethernet були запропоновані деякі рішення  [19]. Однак, як описано нижче, в значній мірі, з поширенням комутованої мережі Ethernet, ці рішення виявилися спірними. З іншого боку, багато з тих же питань, з’явилися з переходом на використання для керування бездротового Ethernet.
 

2.3.4.2 Комутований Ethernet

    Комутований Ethernet використовує комутатори (switch) для розділення архітектури мережі, тим самим уникаючи колізій, підвищуючи ефективність мережі та покращуючи детермінованість. Він широко використовується для виробничих застосувань.
    Основна відмінність між мережами Ethernet на базі комутаторів і концентраторів є інтелектуальне пересилання пакетів. Концентратори просто передають вхідний трафік з будь-якого порту на всі інші порти, в той час як комутатори вивчають топологію мережі і пересилають пакети тільки в порт призначення. У мережі з зірко-орієнтованою топологією, кожен вузол підключений до комутатора одним кабелем і забезпечує повнодуплексне з’єднання «точка-точка». Таким чином, колізіям з пакетами на інших кабелях тут немає місця. Комутований Ethernet спирається на цю властивість  для досягнення безколізійності.
    Для пересилання пакетів з одного порту в інший комутатори можуть використовувати наскрізний режим (cut-through) або режим з попереднім збереженням (store-and-forward), використовуючи для кожного порту буфери для вихідних пакетів, що  очікують відправки.  Комутатори з наскрізним режимом спочатку зчитують MAC-адресу отримувача, а потім відповідно до неї та  таблиці пересилання перемикають відправку пакету в порт призначення. На противагу ним, комутатори з попереднім збереженням спочатку аналізують повний отриманий пакет. Перед передачею пакета в порт призначення,  комутатор спочатку переконується, що кадр був отриманий правильно, звіряючи код CRC. Якщо має місце помилка, кадр буде відкинутий. Комутатори, що працюють з попереднім збереженням, працюють повільніше, але не пересилають пошкоджені пакети.
    Хоч колізії повідомлень в таких мережах немає, всередині комутатора можуть виникнути затори, у випадку коли один порт раптом отримує велику кількість пакетів від інших портів. Якщо буфери всередині комутатора переповнюються, повідомлення будуть втрачені [25]. Всередині комутаторів можуть використовуватися три основні принципи організації черг. Черга «перший зайшов -  перший вийшов» (FIFO),  черга на базі пріоритетів, і черга для кожного потоку.  Використання черги FIFO є традиційним методом, який є чітким і простим. Однак, якщо мережний трафік є дуже великим, мережні QoS (Quality of Service) для своєчасної і чіткої доставки не можуть бути гарантовані. У схемі черг на базі пріоритетів, мережний менеджер комутатора зчитує кілька кадрів даних, щоб визначити, який в черзі буде більш важливим. Таким чином, пакети можуть бути класифіковані на різні рівні черг.  Спочатку будуть оброблятися черги з високим пріоритетом, потім з нижчими, поки буфер не спорожніє.  З операціями над чергами для кожного потоку, чергам призначаються різні рівні пріоритету (або ваги).  Всі черги потім обробляються одна за одною у відповідності з пріоритетом. Таким чином, черги з вищим пріоритетом, як правило, мають більш високу продуктивність і можуть потенційно блокувати черги з низьким пріоритетом [19].
 Рис. 2.7. Залежність часу затримки пакету як функції від вузлового трафіку для концентратора і комутатора [61]. Криві результатів моделювання (затримка величини) побудовані з використанням експериментальних даних.
 
    Таким чином, хоч через комутований Ethernet можна уникнути зайвих затримок через колізії і повтори, тут можуть мати місце затримки, пов'язані з буферизацією і пересиланням. Це компромісні відношення між комутованим та концентрованим Ethernet, можна побачити  на рис.2.7, який показує середню затримку пакетів в залежності від вузлового трафіку. Затримка комутатора невелика, але тримається постійною лиш до того часу, поки буфер насититься і пакети повинні будуть повторно відправлені. Затримка мережі з концентратором зростає більш поступово. Приклади часового аналізу та оцінки ефективності комутованого Ethernet можна знайти в [43,61,72,98].

 

2.3.4.3 Промисловий Ethernet

    У результаті спроб доповнення Ethernet до більш підходящого для промислового застосування, з’явилося декілька промислових протоколів Ethernet. Вони включають в себе EtherNet /IP, Modbus /TCP і PROFINET. У той час як ці специфікації протоколу зміняться до деякої міри на всіх рівнях моделі OSI, всі вони принципово використовують або рекомендують технологію комутованого Ethernet, як визначено в попередньому розділі. Таким чином, різниця в продуктивності між технологіями промислового Ethernet лежать більше в пристроях, аніж протоколах. Для прикладу, щоб спробувати зрозуміти компроміси між технологіями промислового Ethernet були порівняні два загальних протоколи - Ethernet/IP та PROFINET, а саме в контексті архітектурних принципів, технологій об’єднання, продуктивності, простоти використання, діагностики можливостей, і можливості керування мережею * [56]. У рамках цих зусиль, були розроблені паралельні багаторівневі стендові випробування комутованого Ethernet з використанням кожної з цих технологій.
    Результати показали, що обидва протоколи і пристрої протоколу, досить схожі і адекватні для задач забезпечення можливості промислових мереж на рівні ПЛК і вище [56]. Тим не менше, спостерігалися певні відмінності, наприклад, на рис. 2.8 видно, що можуть бути необхідні додаткові поліпшення продуктивності пристрою, якщо рішення має бути
виконано для  рівня задач вводу/виводу.
 

2.3.4.4 Ethernet для високошвидкісних та критичних до часу застосунків

    У контексті мережних систем керування (NCS), комунікаційні мережі, що можуть гарантувати доставку переданого повідомлення за заданий оперативний строк або в інтервал часу називають реал-тайм мережами . Зі збільшенням вимог до швидкості керування та критичності до часу в мережних системах керування, зростає необхідність у постійному скороченні інтервалу часу між повідомленнями і більш точного визначення термінів виконання.
    У той час, як зростає популярність мережних систем керування, мережі Ethernet умовно можна вважати максимально ефективними з доступних,  однак без гарантії забезпечення реального часу. Мережні параметри, такі як пропускна здатність, затримка, і джиттер значно погіршують продуктивність режиму реального часу NCS. Збірним терміном, що застосовується до всіх варіантів технології Ethernet, призначених для задоволення різних вимог до режиму реального часу являється RTE (Real-Time Ethernet). IEC 61784-2 специфікації [36] включають в себе класифікацію існуючих технологій RTE як 16 сімейств профілів зв'язку (CPF) на основі своїх можливостей у реальному часі. Згідно специфікації, можливості реального часу оцінюються на основі дев'яти показників:
1. Середня латентність повідомлення (час доставки)
2. Кількість мережних вузлів
3. Базова топологія мережі
4. Кількість комутаторів між кінцевими вузлами
5. Пропускна здатність (для реал-тайм трафіку)
6. Пропускна здатність (для співіснуючого не реал-тайм трафіку)
7. Точність часової синхронізації
8. Джиттер або зміна періоду циклічних повідомлень
9. Час резервного відновлення
    Як приклад, автомобільна промисловість в даний час визначає високошвидкісну мережу автоматизації, яка буде мати в змозі підтримувати 10 мс інтервал опитування з затримкою менше 5 мс і близько 50 підключених вузлів [77]. Використовуючи специфікації IEC 61784-2, вимоги автомобільного виробництва посилаються на RTE в CPF-2. Мережні системи керування для керування переміщенням (наприклад, серводвигунами і приводами) або для керування високодинамічними хімічними процесами (наприклад, хімічними процесами, що використовуються у виробництві напівпровідникових мікросхем) можуть потребувати  більш короткі інтервали часу з більш точними гарантіями реального часу.

2.3.4.4.1 Real-Time Ethernet

    Більшість протоколів RTE намагалися спочатку вирішити недетермінізм в затримці зв'язку, що вносяться алгоритмом CSMA-CD, шляхом використання мережного арбітражу. Щоб виключити необхідність вирішення колізій, використовується  загальний підхід, при якому вказується один керуючий вузол, або ведучий в мережі (Master), який по принципу Master-Slave заплановано в часі проводить опитування для всіх підключених вузлів (наприклад, EtherNet/IP і PROFINET RT). Багато реал-тайм протоколів додатково вимагають використання спеціалізованих мережних комутаторів, щоб мінімізувати колізії пакетів. Сучасні керовані комутатори здатні значно поліпшити мережний детермінізм і швидкість за допомогою пріоритетності пакетів Ethernet, якщо вони генеруються програмним реал-тайм додатком, частково з високим пріоритетом сеансу зв'язку, або містять чутливі до часу дані. Комутатори, які здатні аналізувати кожен пакет на декількох рівнях моделі OSI і відповідним чином адаптуватися під діалог називаються Інтелектуальними. З метою подальшого забезпечення того, щоб мережна затримка була детермінованою і єдиною для всіх вузлів в мережі, деякі протоколи RTE використовують ізохронний зв'язок, який базується на передачі маркеру або на таблиці напередвстановлених запланованих часів комунікацій. Наприклад, це EtherCAT, SERCOS, Ethernet Powerlink, TCnet і CIP motion.  EtherCAT, наприклад, використовує ізохронну передачу, щоб забезпечити дуже високу швидкість (60 мкс час туди-назад для мережі з 1000 вузлами) і дуже низьким джиттером (1 мкс варіації) між повідомленнями [24]. Як і багато інших високошвидкісних протоколів автоматизації мережі EtherCAT потребують точної синхронізації годин між всіма підключеними вузлами. Саме синхронізовані годинники дають можливість протоколу більш ефективно використовувати доступну пропускну здатність за рахунок зниження накладних витрат і часу простою, пов'язаного із синхронізацією несучої. Синхронізація годинників має настільки важливе значення для функціонування протоколів RTE, що багато з них включають в себе спеціальні алгоритми синхронізації. CIP motion, наприклад, включає в себе алгоритм синхронізації годинників під назвою CIP Sync [18].

2.3.4.4.2 Точна синхронізація годинників

    Необхідність точної синхронізації годинників по мережі виходить за межі вимог RTE. Сучасні виробничі процеси все більше керовані даними. Точні з відміткою часу вимірювання від машин дозволяють поліпшити діагностику, керування та оптимізацію.
    Мережні системи керування в теперішніх виробництвах, як правило, працюють з періодичними інтервалами в 10 мс або більше[6]. А в роботі [85] автори припускають, що для того, щоб забезпечити точність відібраних подій, точність синхронізації між мережними вузлами повинні бути в межах 1 мс. Точність синхронізації годинників, яка потрібна для системи визначається або максимальною частотою проведення вимірювань або мінімальним часом різниці між контрольованими подіями. Зі збільшенням вимог до керування процесом, інтервали часу проведення вимірювань в мережних системах керування постійно скорочуються. Наприклад, автори в роботі [71,87] визначають аварійні умови, такі як електрична дуга в процесі виготовлення напівпровідників, що відбуваються протягом часу 1-100 мкс і заявляють, що ці швидкі події також повинні бути точно зафіксовані і розглянуті NCS в майбутньому [44]. Для того, щоб точно реєструвати і реагувати на події, що відбуваються в межах декількох мікросекунд, годинники мабуть, повинні бути синхронізовані з точністю до мікросекунди.
    Для більшості додатків вбудованих в персональні комп'ютери та операцій через Інтернет, для синхронізації годинників  використовується Network Time Protocol (NTP) [50]. NTP є протоколом Ethernet прикладного рівня, що  призначений для синхронізації годинників поверх мережної змінної затримки. У роботі [63] було показано, що при використанні алгоритму NTP для синхронізації часового серверу і декількох ведених в локальній мережі можна досягти точності порядку частки мілісекунд. Сьогодні найбільш передовим Ethernet алгоритмом синхронізації годинників є IEEE 1588 Version 2 Precision Time Protocol (PTP) [23,37]. Він забезпечує синхронізацію годинників вузлів по локальній мережі Ethernet  з точністю до часток мікросекунд[2]. Значне (у кілька порядків) покращення точності роботи PTP порівняно з NTP досягається за рахунок використання спеціалізованого апаратного інтерфейсу мережі що формує відмітки часу і декодує PTP пакети. Потреба в спеціалізованих мережних інтерфейсах і комутаторах обмежує PTP для використання тільки в промислових локальних мережах, де потрібна синхронізація на рівні частки мікросекунди. Як правило використання PTP необхідне в застосунках, де діагностичні дані повинні бути з відмітками часу з точністю до мікросекунди, або де вимірювані дані повинні бути представлені з частотою декількох кілогерц. Деякі RTE, такі як SERCOS і EtherCAT за замовчуванням використовують в якості алгоритму синхронізації годинників саме PTP [24,83].
     Рис. 2.9 показує результат експерименту, де PTP і NTP були використані для синхронізації по локальній мережі Ethernet годинників декількох ведених з одним часовим сервером, за умови фонового мережного трафіку відповідно до типового в середовищі автоматизації (<50% використання смуги пропускання). Рисунок показує, що точність PTP близька до п'яти порядків краще для одних і тих же умовах мережі.

 
 
 
 
 
1. K. Acton, M. Antolovic, N. Kalappa, J. Luntz, J. Moyne, and D. Tilbury, Practical metrics for evaluating network system performance. UM-ERC/RMS Network Performance Workshop, Ann Arbor, MI, April 2006. Available at http://erc.engin.umich.edu/publications.
2. J. Amelot, Y. Li-Baboud, C. Vasseur, J. Fletcher, D. M. Anand, and J. Moyne. An IEEE 1588 performance testing dashboard for power industry requirements. In Proceedings of IEEE ISPCS, 2011.
3. American National Standards Institute. OSI Basic Reference Model. ANSI, New York, 1984. ISO/7498.
4. D. Anand, M. Bhatia, J. Moyne, W. Shahid, and D. Tilbury, Wireless Test Results Booklet. University of Michigan, Ann Arbor, MI, 2010. Available at
http://www.umich.edu/~tilbury/WirelessTestResults2010.pdf.
5. D. Anand, J. Fletcher, Y. Li-Baboud, and J. Moyne. A practical implementation of distributed system control over an asynchronous Ethernet network using time stamped data. In Proceedings of IEEE CASE, 2010.
6. V. Anandarajah, N. Kalappa, R. Sangole, S. Hussaini, Y. Li, and J. R. Moyne. Precise time synchronization in semiconductor manufacturing. In Proceedings of IEEE ISPCS, 2007.
7. P. Antsaklis and J. Baillieul (eds.). Special issue on networked control systems. IEEE Transactions on Automatic Control, 49(9):1421–1597, September 2004.
8. AS-I Standard, 2005. Available at
http://www.as-interface.net.
9. D. Bertsekas and R. Gallager. Data Networks, 2nd edn. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1992.
10. M. Biggs, A. Henley, and T. Clarkson. Occupancy analysis of the 2.4 GHz ISM band. IEE Proceedings Communications, 151:481–488, 2004.
11. Bluetooth Special Interest Group (SIG). Available at
https://www.bluetooth.org/.
12. G. Brown, What is the future for safety networking? Control Engineering Magazine, February, 2012. Available at
http://www.controleng.com/home/single-article/what-is-the-future-for-safety-networking/10bd161b4a9ba727aa747b5d59a3005b.html.
13. D. Caro. Wireless Networks for Industrial Automation, 2nd edn. The Instrumentation, Systems and Automation Society, Research Triangle Park, NC, 2005.
14. B. J. Casey. Implementing Ethernet in the industrial environment. In Proceedings of IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, vol. 2, pp.1469–1477, Seattle, WA, October 1990.
15. G. Cena, L. Seno, A. Valenzano, and S. Vitturi, Performance analysis of Ethernet Powerlink networks for distributed control and automation systems. Computer Standards and Interfaces, 31:566–572, 2009.
16. M.-Y. Chow (ed.). Special section on distributed network-based control systems and applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 51(6):1126–1279, December 2004.
17. D. Christin, P. S. Mogre, and M. Hollick, Survey on wireless sensor technologies for industrial automation: The security and quality of service perspectives, Future Internet, 2:96–125, 2010.
18. CIP. Integrated Architecture and CIP Sync Configuration Rockwell Automation Technical Report-IA-AT003B-EN-P, June 2011, (
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/at/ia-at003_-en-p.pdf)
19. J.-D. Decotignie. Ethernet-based real-time and industrial communications. Proceedings of the IEEE,93(6):1102–1118, June 2005.
20. DeviceNet specifications, Open DeviceNet Vendor Association. DeviceNet specifications Volume I:DeviceNet communication model and protocol release 2.0. 1997.
21. L. Dugyard and E. I. Verriest. Stability and Control of Time-Delay Systems. Springer, New York, 1998.
22. D. Dzung, M. Naedele, T. P. Von Hoff, and M. Crevatin. Security for industrial communication systems. Proceedings of the IEEE, 93(6):1152–1177, June 2005.
23. J. C. Eidson. Measurement, Control, and Communication Using IEEE 1588, Springer, London, U.K., 2006.
24. EtherCAT 2013.
http://www.ethercat.org/.
25. M. Felser. Real-time Ethernet—Industry prospective. Proceedings of the IEEE, 93(6):1118–1129, June 2005.
26. M. Felser and T. Sauter. The fieldbus war: History or short break between battles? In Proceedings of the IEEE International Workshop on Factory Communication Systems (WFCS), pp. 73–80, Våsteras, Sweden, August 28, 2002.
27. M. Felser and T. Sauter. Standardization of industrial Ethernet—The next battlefield? In Proceedingsof the IEEE International Workshop on Factory Communication Systems (WFCS), pp. 413–421,Vienna, Austria, September 2004.
28. M. Fondl. Network diagnostics for industrial Ethernet. The Industrial Ethernet Book, September 16,2003. Available at
http://ethernet.industrial-networking.com.
29. G. F. Franklin, J. D. Powell, and A. Emani-Naeini. Feedback Control of Dynamic Systems, 3rd edn. Addison-Wesley, Reading, MA, 1994.
30. G. F. Franklin, J. D. Powell, and M. L. Workman. Digital Control of Dynamic Systems, 3rd edn. Addison-Wesley, Reading, MA, 1998.
31. B. Galloway and G. P. Hancke, Introduction to industrial control networks. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 15(2):860–880, 2013.
32. Grid Connect. The Grid Connect Fieldbus comparison chart. Available at
http://www.er-soft.com/files/ER-soft–Fieldbus–Comparison–Chart.pdf.
33. W. S. Harrison, D. M. Tilbury, and C. Yuan. From hardware-in-the-loop to hybrid process simulation: An ontology for the implementation phase of a manufacturing system. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, 9(1):96–109, January 2012.
34. D. W. Holley. Understanding and using OPC for maintenance and reliability applications. IEEE Computing and Control Engineering, 15(1):28–31, February/March 2004.
35. IEC standard redefines safety systems. InTech, 50(7):25–26, July 2003.
36. IEC 61784-2. Industrial communication networks—Profiles—Part 2: Additional fieldbus profiles for real-time networks based on ISO/IEC 8802-3, 2007.
37. IEEE. 1588: Standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems, 2002. Available at
http://www.nist.gov/el/isd/ieee/ieee1588.cfm.
38. International SEMATECH. Proceedings of the International SEMATECH e-Manufacturing/e-Diagnostics Workshop, April 2004. Available at
http://ismi.sematech.org/emanufacturing/meetings/20040419/index.htm.
39. S.-L. Jämsä-Jounela, Future trends in process automation. Annual Reviews in Control, 3:211–220, 2007.
40. H. Kaghazchi and D. Heffernan. Development of a gateway to PROFIBUS for remote diagnostics. In PROFIBUS International Conference, Warwickshire, U.K., 2004. Available online at
http://www.ul.ie/~arc/techreport.html.
41. S. A. Koubias and G. D. Papadopoulos. Modern fieldbus communication architectures for real-time industrial applications. Computers in Industry, 26:243–252, August 1995.
42. L. Larsson. Fourteen industrial Ethernet solutions under the spotlight. The Industrial Ethernet Book, (37): March 2007. Available at
http://ethernet.industrial-networking.com.
43. K. C. Lee and S. Lee. Performance evaluation of switched Ethernet for networked control systems. In Proceedings of IEEE Conference of the Industrial Electronics Society, 4:3170–3175, November 2002.
44. Y. Li-Baboud, X. Zhu, D.M. Anand, S. Hussaini, and J.R. Moyne. Semiconductor manufacturing equipment data acquisition simulation for timing performance analysis. In Proceedings of IEEE ISPCS, 2008.
45. F.-L. Lian, J. M. Moyne, and D. M. Tilbury. Performance evaluation of control networks: Ethernet, ControlNet, and DeviceNet. IEEE Control Systems Magazine, 21(1):66–83, February 29, 2001.
46. F.-L. Lian, J. M. Moyne, D. M. Tilbury, and P. Otanez. A software toolkit for design and optimization of sensor bus systems in semiconductor manufacturing systems. In AEC/APC Symposium XIII Proceedings, Banff, Alberta, Canada, October 2001.
47. F.-L. Lian, J. R. Moyne, and D. M. Tilbury. Network design consideration for distributed control systems. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 10(2):297–307, March 2002.
48. P. S. Marshall. A comprehensive guide to industrial networks: Part 1. Sensors Magazine, 18(6):28–43, June 2001.
49. P. Marti, J. Yepez, M. Velasco, R. Villa, and J. M. Fuertes. Managing quality-of-control in networkbased control systems by controller and message scheduling co-design. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 51(6): 1159–1167, December 2004.
50. D. L. Mills. Internet time synchronization: The network time protocol. IEEE Transactions on Communications, 39(10):1482–1493, October 1991.
51. G. A. Mintchell. OPC integrates the factory floor. Control Engineering, 48(1):39, January 2001.
52. J. Montague. Safety networks up and running. Control Engineering, 51(12):38, December 2004. Available at
http://www.controleng.com/article/CA484725.html.
53. J. Montague. Networks busting out all over. Control Engineering, 52(3):69, March 2005. Available at
http://www.controleng.com/article/CA509788.html.
54. J. Moyne, B. Triden, A. Thomas, K. Schroeder, and D. Tilbury. Cost function and tradeoff analysis of dedicated vs. shared networks for safety and control systems, ATP International Journal, 4(2):22–31, September 2006.
55. J. Moyne and D. Tilbury. Determining network control solution designs for manufacturing systems. In Proceedings of 9th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis (ESDA’08), Haifa, Israel, July 2008.
56. J. Moyne and D. Tilbury, Performance metrics for industrial Ethernet. The Industrial Ethernet Book, 38: April 2007. Available at
http://ethernet.industrial-networking.com.
57. J. Moyne and D. Tilbury, The emergence of industrial control networks for manufacturing control, diagnostics and safety data. IEEE Proceedings, Special Issue on the Emerging Technology of Network Control Systems, 95(1):29–47, January 2007.
58. J. Moyne, J. Korsakas, and D. M. Tilbury. Reconfigurable factory testbed (RFT): A distributed testbed for reconfigurable manufacturing systems. In Proceedings of the Japan–U.S.A. Symposium on Flexible Automation, Denver, CO, July 2004. American Society of Mechanical Engineers (ASME).
59. J. Moyne and F. Lian. Design considerations for a sensor bus system in semiconductor manufacturing. In International SEMATECH AEC/APC Workshop XII, September 2000.
60. J. Moyne, N. Najafi, D. Judd, and A. Stock. Analysis of sensor/actuator bus interoperability standard alternatives for semiconductor manufacturing. In Sensors Expo Conference Proceedings, Cleveland, OH, September 1994.
61. J. Moyne, P. Otanez, J. Parrott, D. Tilbury, and J. Korsakas. Capabilities and limitations of using Ethernet-based networking technologies in APC and e-Diagnostics applications. In SEMATECH AEC/APC Symposium XIV Proceedings, Snowbird, UT, September 2002.
62. J. Moyne, D. Tilbury, and H. Wijaya. An event-driven resource-based approach to high-level reconfigurable logic control and its application to a reconfigurable factory testbed. In Proceedings of the CIRP International Conference on Reconfigurable Manufacturing Systems, Ann Arbor, MI, 2005.
63. T. Neagoe, V. Cristea, and L. Banica. NTP versus PTP in computer networks clock synchronization. In Proceedings of IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2006.
64. P. Neumann, Communication in industrial automation—What is going on? Control Engineering Practice, 15:1332–1347, 2007.
65. Neumann 2010.
66. NIST 2013
http://bigdatawg.nist.gov/home.php.
67. OPC Foundation. OPC data access automation interface standard Version 2.02. 1999.
http://www.opcfoundation.org.
68. OPC Foundation. OPC DA 3.00 specification, March 30, 2003. Available at
http://www.opcfoundation.org/ua; www.opcfoundation.org/ua.
69. P. G. Otanez, J. R. Moyne, and D. M. Tilbury. Using deadbands to reduce communication in networked control systems. In Proceedings of the American Control Conference, pp. 3015–3020, Anchorage, Alaska, May 2002.
70. P. G. Otanez, J. T. Parrott, J. R. Moyne, and D. M. Tilbury. The implications of Ethernet as a control network. In Proceedings of the Global Powertrain Congress, Ann Arbor, MI, September 2002.
71. J. Parker, M. Reath, A. F. Krauss, and W. J. Campbell. Monitoring and preventing arc-induced wafer damage in 300 mm manufacturing. In Proceedings of International Conference on IC Design and Technology, 2004.
72. J. T. Parrott, J. R. Moyne, and D. M. Tilbury. Experimental determination of network quality of service in Ethernet: UDP, OPC, and VPN. In Proceedings of the American Control Conference, Minneapolis, MN, 2006.
73. R. Piggin and D. Brandt. Wireless ethernet for industrial applications. Assembly Automation, 26:205–215, 2006.
74. PROFIBUS Standard. IEC 61158 type 3 and IEC 61784. Available at
http://www.profibus.com.
75. Railway applications—Communication, signalling and processing systems. Part 1: Safety-related communication in closed transmission systems, 2001. Irish Standard EN 50159-1.
76. T.S. Rappaport. Wireless Communications: Principles and Practice, 2nd edn. Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, NJ, 2002.
77. M. Read. Wireless Requirements—USCAR plant floor controllers committee. Presented at the University of Michigan Network Performance Workshop, May 2008.
78. J.-P. Richard. Time-delay systems: An overview of some recent advances and open problems. Automatica, 39(10):1667–1694, 2003.
79. T. Sauter, The three generations of field-level networks—Evolution and compatibility issues. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57(11):3585–3595, November 2010.
80. K. Schroeder, A. Khan, J. Moyne, and D. Tilbury. An application of the direct integration of industrial
safety and diagnostics systems. In Proceedings of the 2008 International Manufacturing Science and Engineering Conference (MSEC2008), Evanston, IL, October 2008.
81. C. Scott, G. Law et al. Integrated diagnostics in a process plant having a process control system and a safety system. U.S. Patent 6975966. United States of America, Fisher-Rosemount Systems, Inc., Austin, TX, 2005.
82. L. Seno, F. Tramarin, and S. Vitturi, Performance of industrial communication systems: Real application contexts. IEEE Industrial Electronics Magazine, pp. 27–37, June 2012
83. SERCOS 2013.
www.sercos.com.
84. A. Shah and A. Raman. Factory network analysis. In Proceedings of the International SEMATECH e-Diagnostics and EEC Workshop, July 2003. Available at
http://ismi.sematech.org/emanufacturing/meetings/20030718/index.htm.
85. D. Sharma, D. M. Anand, Y. Li-Baboud, and J. R. Moyne. A time synchronization testbed to define and standardize real-time model-based control capabilities in semiconductor manufacturing. In Proceedings of AEC/APC Symposium, 2009.
86. B. Shetler. OPC in manufacturing. Manufacturing Engineering, 130(6): June 2003.
87. S. Singlevich and K.V.R. Subrahmanyam. Detecting arcing events in semiconductor manufacturing equipment. In Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC), 23rd Annual SEMI, vol., pp. 102, 105, May 15–17, 2012
88. P. Sink. Industrial Ethernet: The death knell of fieldbus? Manufacturing Automation Magazine, Aurora, Ontario, Canada, April 1999.
89. S. Soucek and T. Sauter. Quality of service concerns in IP-based control systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 51:1249–1258, December 2004.
90. Z. Stank, Bridging safety onto automation networks. Plant Engineering, June 2013. Available at
http://www.plantengineering.com/single-article/bridging-safety-onto-automation-networks/46dfcf0d84d5d5a1e56010320fce9674.html.
91. Y. Takayanagi and M. Ichikawa, Up-to-date trend of real-time ethernet for industrial automation systems. In ICROS-SICE International Joint Conference, Fukuoka, Japan, August 2009.
92. A. S. Tanenbaum. Computer Networks, 3rd edn. Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 1996.
93. F. Tao, L. Zhang, V. C. Venkatesh, Y. Luo, and Y. Cheng, Cloud manufacturing: A computing and service-oriented manufacturing model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 225:1969–1976, 2011.
94. J.-P. Thomesse. Fieldbus technology in industrial automation. Proceedings of the IEEE, 93(6):1073–1101, June 2005.
95. F. Tobagi and L. Kleinrock. Packet switching in radio channels: Part II—The hidden terminal problem in carrier sense multiple-access and the busy-tone solution. IEEE Transactions on Communications, 23:1417–1433, 1975.
96. A. Treytl, T. Sauter, and C. Schwaiger. Security measures for industrial fieldbus systems—State of the art and solutions for IP-based approaches. In Proceedings of the IEEE International Workshop on Factory Communication Systems (WFCS), pp. 201–209, Vienna, Austria, September 31, 2004.
97. USCAR Web site:
www.uscar.org.
98. E. Vonnahme, S. Ruping, and U. Ruckert. Measurements in switched Ethernet networks used for automation systems. In Proceedings of IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, Porto, Portugal, pp. 231–238, September 2000.
99. J. D. Wheelis. Process control communications: Token bus, CSMA/CD, or token ring? ISATransactions, 32(2):193–198, July 1993.
100. A. Willig, K. Matheus, and A. Wolisz. Wireless technology in industrial networks. Proceedings of the IEEE, 93(6):1130–1151, June 2005.
101. Y. Zhao, B. G. Agee, and J. H. Reed. Simulation and measurement of microwave oven leakage for 802.11 WLAN interference management. In Proceedings of IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies, 2005.
102. ZigBee Alliance. IEEE 802.15. 4, ZigBee standard. 2009. Available at
http://www.zigbee.org.
Comments