Ethernet-based inter-drive communication for data sharing and to support multi-drive operation

Abstract

Electric drives are in a key role in the majority of industrial automation systems and applications, which is why their development is essentially a continuous process. Many large companies such as ABB invest a great deal on the research and development of new drive systems, and to improve existing drive systems in which Ethernet-based communication has become increasingly important. Today, Ethernet-based communication is a dominant communications solution in industrial automation systems. The goal of this thesis was to develop a new Ethernet-based communication solution for ABB ACS880 variable speed drives to enable direct data exchange between the drives over a network. This work involved investigation of existing drive-to-drive communication methods and applications (such as Drive-to-Drive communication and Master/Follower (M/F) functionality) and determination of requirements and use cases for the new communications scheme. However, existing methods utilize a separate physical communication channel incompatible with Ethernet. Additionally, other more general data sharing use cases between drives needed to be considered. The development of new communications model, called Inter-Drive Communication (IDC), was based on the defined set of new requirements and mainly utilized component-based and object-oriented modelling. The proposed solution utilize client-server communications architecture with some aspects of peer-to-peer communication model. Based on message-oriented communication and a two-level hierarchical protocol over the standard Internet protocol stack, most aspects of the design requirements, features and contraints were met. However, due to the use of standard communication protocols in lower OSI model layers (L2-L4), the real-time communication capabilities are limited. The design should be capable of soft-real time communications, using a solution somewhat similar to EtherNet/IP, but the exact applicability remain unverified due to the lack of an implementation or a prototype. However, using communcations diagnostics to monitor and capture communication faults and to trigger appropriate actions on the networked drives, the IDC communication model should be applicable for the most use cases, apart from the M/F functionality which requires deterministic hard real-time communication.

Taajuusmuuttajat ovat avainasemassa useimmissa teollisuuden sovelluksissa ja automaatiojärjestelmissä, mistä johtuen taajuusmuuttajien kehittäminen on jatkuva prosessi. Useat suuret teollisuuden yrityksen, kuten ABB, investoivat vahvasti uusien taajuusmuuttajajärjestelmien tutkimukseen ja kehittämiseen, sekä olemassaolevien järjestelmien päivittämiseen. Näissä järjestelmissä Ethernet-pohjaiset kommunikointimenetelmät ovat tulleet yhä tärkeämmäksi, ja viimeaikoina niistä on muodostunut teollisuuden automaatiojärjestelmien merkittävin kommunikointiratkaisu. Diplomityön tavoitteena oli kehittää uusi Ethernet-pohjainen kommunikointiratkaisu ABB:n ACS880 taajuusmuuttajien väliseen kommunikointiin ja tiedon jakamiseen. Työssä perehdyttiin olemassaoleviin kommunkointimenetelmiin ja sovelluksiin (kuten Drive-to-Drive ja Master/Follower (M/F) toiminnallisuus), minkä lisäksi käsiteltiin uuden kommunikointimallin vaatimuksia ja käyttötapauksia. Olemassaolevat menetelmät perustuvat erillisen fyysisen kommunikointiväylän käyttämiseen, joka on epäyhteensopiva Ethernetin kanssa. Näiden menetelmien lisäksi suunnittelussa huomioitiin joitakin yleisempiä käyttötapauksia taajuusmuuttajien välisessä kommunikoinnissa. Uusi vuorovaikutusmenetelmä, Inter-Drive Communication (IDC), joka perustui työssä määriteltyihin vaatimukseen ja käyttötapauksiin, kehitettiin käyttäen komponentti ja olio-pohjaista mallinnusta. Esitelty kommunikointiratkaisu perustuu asiakas-palvelin vuorovaikutusmalliin, mutta sisältää myös joitakin piirteitä vertaisverkko-tyyppisestä arkkitehtuurista. Kommunikointi käyttää viestipohjaista vuorovaikutusta sekä kaksitasoista hierarkista, Internet-protokollapinon päälle rakennettua, uutta protokollaa, jolloin suurin osa ohjelmiston vaatimuksista ja suunnittelun ominaisuuksista saatiin täytettyä. Sen sijaan, IDC:n soveltuvuus reaaliaikaiseen vuorovaikutukseen on rajallinen, johtuen standardinmukaisten protokollien käyttämisestä OSI mallin 2-4 kerroksissa. Tästä huolimatta, IDC:n pitäisi olla sovellettavissa ”pehmeän” reaaliaikaisuuden (engl. soft real-time) järjestelmiin (vastaavasti kuten esim. EtherNet/IP), vaikkakin tätä ei voida verifioida ilman IDC:n toteutusta. Käyttäen lisäksi diagnostiikkaa mahdollisten kommunikointiongelmien ja virheiden tunnistamiseksi, taajuusmuuttajat saadaan ongelmatilanteisissa reagoimaan halutulla tavalla. Siten IDC on sovellettavissa useimpiin eri käyttötapauksiin, lukuunottamatta M/F-käyttötapausta, joka edellyttää ”kovan” reaaliaikaisvaatimuksen omaavaa determinististä kommunikaatiota.