Tunneling ethernet traffic via redundant low bandwidth communication links

Abstract

In vernetzten Regelsystemen werden Regelkreise durch ein Kommunikationsnetzwerk geschlossen. Sinn und Zweck solcher Regelsysteme ist es Verkabelung zu eliminieren. Dadurch werden die Komplexität und die Gesamtkosten von Entwicklung und Implementierung reduziert. Fügt man Sensoren und Aktuatoren hinzu, können diese sehr einfach mit geringen Kosten und ohne signifikante Veränderungen der Systeme modifiziert und erweitert werden. Als Kommunikationsnetzwerk werden klassische Feldbusse, industrielles Ethernet oder drahtlose Netzwerke verwendet. In vernetzten Regelsystemen ist die Distanz zwischen zwei Steuergeräten oft größer als 100 Meter. Diese Distanz ist aber gleichzeitig die maximal zulässige Distanz zwischen zwei Ethernet-Netzwerkgeräten. Eine existierende Plattform löst dieses Problem, in dem sie Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Alliance (TIA/EIA)-485 verwendet. TIA/EIA-485 ist ein differenzieller, halb-duplex Bus, mit dem Buslängen von bis zu 1200 Metern erreicht werden können. Zusätzlich ist es eine effiziente und vor allem robuste Lösung. Ein Mikrocontroller wird dafür eingesetzt, um die Schnittstelle zwischen dem Ethernet-Netzwerk und TIA/EIA-485 zu realisieren. Dies ermöglicht ein weit ausgedehntes Netzwerk, wie es in vernetzten Regelsystemen oft Bestandteil ist. Die Schwierigkeit dabei ist, die Ethernet-Daten nachvollziehbar via TIA/EIA-485 zu übertragen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein effizientes Protokoll für die Übertragung von Ethernet-Frames über redundante TIA/EIA-485-Leitungen entwickelt. Dabei wurde der Datendurchsatz im Vergleich zu einem bestehenden Protokoll erheblich verbessert. Ein Mikrocontroller empfängt die Daten von einem Ethernet-Endpunkt und leitet diese im Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART)-Datenformat über zwei TIA/EIA-485-Schnittstellen weiter. Wenn während der Übertragung ein Fehler auftritt oder eine der beiden TIA/EIA-485-Schnittstellen ausfällt, wird diese Situation erkannt und es muss nur ein Teil des Ethernet-Frames neu übertragen werden. Das ist möglich, indem Ethernet-Frames in kleine Frames aufgespalten werden. Jeder Frame darf nur ein Mal gesendet und empfangen werden. Das System soll trotzdem weiterhin mit der verbleibenden Verbindung funktionieren. Wie hoch die Datenrate ist, kann abhängig von der Leitungslänge der TIA/EIA-485-Schnittstelle konfiguriert werden. Das neu entworfene Protokoll wurde erfolgreich auf der Microchip-Entwicklungsplatine Explorer 16 implementiert. Wie effizient das Konzept ist, wird im Evaluierungsteil bewertet. Am Ende der Diplomarbeit wird das alte und neue Protokoll verglichen, um die Verbesserung zu verdeutlichen.

A Network Control System (NCS) is a control system where control loop signals are exchanged via digital communication networks. The aim of those control systems is to eliminate discrete cabling. Hence, the complexity and the total cost for the development and implementation are reduced. If sensors and actuators are added, it is easy to modify and extend them at low cost and without significant change of the system. As communication networks, classical fieldbus systems, Industrial Ethernet or wireless networks are used. The distance covered between two network devices is often larger than 100 meters. However, this distance equals the maximum possible distance between two Ethernet network devices. An existing platform solves this problem by using TIA/EIA-485. TIA/EIA-485 is a halfduplex differential network bus being able to reach a bus length of up to 1200 meters. Moreover, it is an efficient and robust solution. A micro-controller is utilized to realize an interface between an Ethernet network and TIA/EIA-485. This allows to build wide spread networks, which are often part of NCS. The difficulty still is to transmit Ethernet data transparently. Within the scope of this thesis, a more efficient protocol for the transmission of Ethernet frames via redundant TIA/EIA-485 interfaces is developed. Thereby, the data throughput is significantly improved compared to the existing protocol. A micro-controller receives data from an Ethernet endpoint and forwards it in the UART data format via two TIA/EIA-485 interfaces. If an error occurs during transmission or one of the two TIA/EIA-485 interfaces fails, it is detected and only a part of the Ethernet frame has to be retransmitted. This is achieved by splitting the Ethernet frames into smaller frames. It has to be assured that all frames are only transmitted and received once. Nevertheless, the system continues the operation with the remaining TIA/EIA-485 interface. The data rate of the TIA/EIA-485 interface is configurable depending on the network length. The protocol is successfully implemented as a proof-of-concept on Microchip development boards Explorer 16. A sound evaluation shows the feasibility and efficiency of the proposed approach. At the end of the thesis, a detailed comparison with the initial approach is given to show the improvements concerning performance and reliability of the concept.