Determinizm czasowy transmisji w Ethernecie przemysłowym

źródło: Siemens

Ethernet, którego specyfikację zawarto w zestawie standardów IEEE 802.3, definiuje dwie najniższe warstwy modelu OSI - fizyczną i łącza danych. W normach tych określono parametry elektryczne transmisji, charakterystykę okablowania oraz format ramek i sposób kontroli dostępu do łącza. Od czasu opracowania tego standardu w latach 70. zeszłego wieku powstało już kilkanaście jego wersji.

W pierwszych z nich - 10Base2 oraz 10Base5 - prędkość przesyłu danych wynosiła 10 Mb/s, a długość segmentu sieci odpowiednio maksymalnie 185 m oraz 500 m. Medium transmisyjnym były wówczas kable koncentryczne, a do łączenia węzłów z siecią używano trójników lub, w wypadku konfiguracji wielopunktowej - tzw. AUI (Attachment Unit Interface).

W wersji 10Base-F można już było korzystać ze światłowodów, a w 10Base-T ze skrętki dwuprzewodowej kategorii 3. Następnie opracowano standard Fast Ethernet, który zapewniał prędkość transmisji 100 Mb/s. W wersji 100Base-TX medium transmisyjnym była skrętka kategorii 5, a w 100Base-FX światłowód. W sieciach ostatniego typu maksymalna długość segmentu wynosiła 2 km.

Kolejne wersje to Gigabit Ethernet oraz 10 Gigabit Ethernet. Ethernet w połączeniu z protokołami warstw: transportowej - TCP/UDP, sieci - IP oraz aplikacji (HTTP, FTP, STMP) jest wykorzystywany w sieciach LAN i do łączenia ich z Internetem. Od lat rośnie także jego popularność w sieciach przemysłowych.

PLUSY I MINUSY

źródło: Phoenix Contact

Do głównych zalet Ethernetu zalicza się dużą prędkość transmisji oraz, w razie zastosowania światłowodów, możliwość budowy rozległych sieci. To ostatnie jest szczególnie ważne w przemyśle, ponieważ ułatwia organizację rozproszonych systemów sterowania. Użycie światłowodów pozwala również ograniczyć zakłócenia transmisji występujące w sieciach z okablowaniem miedzianym pod wpływem zaburzeń elektromagnetycznych emitowanych przez maszyny.

Popularność Ethernetu w LAN sprawia także, że niezbędny sprzęt sieciowy jest powszechnie dostępny. Ponadto na jego produkcję nie ma monopolu żaden konkretny producent, a urządzenia różnych marek są ze sobą kompatybilne. Dzięki temu rozbudowa instalacji, integracja z innymi sieciami w przedsiębiorstwie oraz podłączenie do Internetu, jak również wymiana uszkodzonych lub awaryjnych urządzeń są łatwe.

Konkurencja między dostawcami sprawia również, że urządzenia sieciowe są stosunkowo tanie. Powszechna jest też wiedza na temat Ethernetu, dzięki czemu nie brakuje kadry wykwalifikowanej w zakresie instalacji i konserwacji takich sieci. W pierwszych wersjach Ethernetu wykorzystywano komunikację typu half-duplex, tzn. w danym momencie węzeł mógł pracować wyłącznie w trybie nadawania lub odbioru, rywalizując o dostęp do medium transmisyjnego (shared Ethernet) z innymi węzłami.

Aby usprawnić zarządzanie tym ostatnim, wprowadzono protokół wielodostępu z badaniem zajętości kanału i wykrywaniem kolizji CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Niestety z powodu rozwiązań w nim zastosowanych determinizm czasowy transmisji nie był zapewniony. Dlatego ze współdzielonego Ethernetu nie można było korzystać w sieciach przemysłowych czasu rzeczywistego.

Komunikacja czasu rzeczywistego w przemyśle Rys. 1. Wymagany czas dostępu do danych w różnych aplikacjach Wymiana danych między elementami systemów automatyki przemysłowej powinna być realizowana w czasie rzeczywistym (real time). Idealnie nie może w takim wypadku występować żadna zwłoka czasowa, ale w praktyce nie da się jednak tego zrealizować. Dlatego czas dostępu do danych powinien być przynajmniej określony ściśle lub mieścić się w konkretnym przedziale. W przypadku danych krytycznych, od których zależy na przykład ciągłość funkcjonowania całego systemu, opóźnienia i retransmisje nie są w ogólne dopuszczalne (tzw. systemy hard real time). W niektórych wypadkach akceptuje się jednak w tym zakresie pewne odchylenia (soft real time). W zależności od aplikacji wymagany jest również różny czas dostępu do danych. Płynność sterowania dynamicznie zmieniającymi się procesami może wymagać aktualizacji danych - nawet co kilka µs. W zadaniach takich jak na przykład wyznaczanie trajektorii ruchu robota lub sterowanie obrabiarką dane o położeniu należy z kolei odświeżać co od kilkuset µs do kilkudziesięciu ms. Czas dostępu do informacji w aplikacjach biznesowych (MES, ERP) jest natomiast mierzony w sekundach lub minutach (rys. 1).

CSMA/CD

Rys. 2. W każdym cyklu transmisji w sieci Ethernet Powerlink wyróżnić można trzy przedziały

W CSMA/CD każdy węzeł, zanim rozpocznie nadawanie, sprawdza, czy aktualnie żadna inna stacja nie korzysta z sieci. Jeżeli łącze jest zajęte, transmisja zostaje wstrzymana, w przeciwnym wypadku dane są wysyłane. W trakcie transmisji węzeł stale monitoruje łącze i jeżeli wykryje, że równocześnie nadawać zaczął inny użytkownik, odnotowuje zdarzenie kolizji.

Ponieważ oznacza to, że w wyniku nałożenia się na siebie sygnałów wysyłanych przez różnych nadawców dane uległy zmianie, konieczna jest ich retransmisja. Może to jednak nastąpić dopiero po pewnym czasie, wybranym losowo i innym dla każdej stacji. Jeśli opóźnienia te będą różne, jeden z węzłów rozpocznie nadawanie.

Fot. 1. Tester sieci Ethernet/Profinet BC-200-ETH

Jeżeli jednak po przerwie kolizja wystąpi ponownie, automatycznie zwiększany jest zakres wartości, z których wybierane są kolejne opóźnienia. Zmniejsza to prawdopodobieństwo ponownego jednoczesnego rozpoczęcia transmisji przez obie stacje. Im więcej węzłów w sieci, tym większe jest natężenie ruchu i częściej występują kolizje.

W rezultacie opóźnienia transmisji są dłuższe oraz mniej przewidywalne. Następcą Ethernetu współdzielonego z komunikacją w trybie half-duplex był Ethernet przełączany (switched Ethernet), w którym wprowadzono transmisję w trybie full-duplex. W tym podejściu każdy węzeł może nadawać i odbierać dane jednocześnie, a cała sieć jest podzielona na segmenty składające się par węzeł-switch.

Realizuje się to przez dołączanie węzłów sieci do kolejnych portów przełącznika. Dzięki temu, że zrezygnowano z bezpośredniej łączności między stacjami, wyeliminowano możliwość kolizji danych, w efekcie czego stosowanie mechanizmu CSMA/CD przestało być konieczne.

ETHERNET PRZEŁĄCZANY

Rys. 3. W sieci EtherCAT jedna ramka jest przetwarzana w locie przez wszystkie węzły po kolei

Switch pośredniczy w przekazywaniu wiadomości od nadawcy do odbiorcy, przekierowując pakiety danych między odpowiednimi portami. Jeżeli któryś z tych ostatnich jest zajęty, to transmisja zostaje wstrzymana, a dane są buforowane w switchu. Problem oczekiwania wiadomości w kolejce jest rozwiązywany dzięki priorytetyzacji.

Polega ona na różnicowaniu ważności wiadomości na podstawie ich priorytetu. Ten najwyższy przyznawany jest danym o największym znaczeniu, dzięki czemu takie pakiety w przełącznikach obsługujących mechanizm QoS (Quality of Service) są przesuwane na początek kolejki. Gwarantuje to ich dostarczenie na czas, wyklucza losowe opóźnienia oraz konieczność retransmisji.

Na determinizm czasowy transmisji nie wpływają również opóźnienia wprowadzane przez same switche, które są określone oraz pomijalnie małe (rzędu ns). Przełączniki mają jednak kilka wad, m.in. zwiększają koszty budowy sieci.

Ponadto jako dodatkowe komponenty, które mogą się zepsuć, wymagają kontroli oraz konserwacji. Dlatego w protokołach Ethernetu przemysłowego wprowadzane są różne rozwiązania, dzięki którym także bez użycia przełączników można w warstwie aplikacji zapewnić determinizm czasowy transmisji.

ETHERNET PRZEMYSŁOWY

Dotychczas opracowano około trzydziestu protokołów tzw. Ethernetu przemysłowego, z których jednak w powszechnym użyciu jest tylko kilka. Są to m.in. Ethernet/IP, Modbus/TCP, EtherCAT, Profinet, Ethernet Powerlink, Sercos-III i, popularny głównie w Azji, CC-Link IE. Różnią się one między sobą stopniem zgodności z Ethernetem TCP/IP.

Niektóre protokoły, na przykład Ethernet/IP, są w pełni kompatybilne, tzn. zarówno w warstwie sprzętowej, jak i programowej. Z kolei m.in. w Ethernet Powerlink wykorzystuje się rozwiązania standardowe wyłącznie w warstwie sprzętowej.

EtherCAT natomiast wymaga specjalnych rozwiązań sprzętowych w kontrolerach węzłów slave, a równocześnie wprowadza modyfikacje w warstwie programowej w celu implementacji funkcjonalności węzłów master.

Rozwiązania wprowadzane w protokołach Ethernetu przemysłowego mają na celu przede wszystkim zorganizowanie wymiany danych w sieci w taki sposób, aby wykluczyć możliwość równoczesnego rozpoczęcia nadawania przez kilka węzłów. Osiąga się to, wykorzystując mechanizm odpytywania (pooling) w konfiguracji master- slave, metodę token passing lub schemat wymiany danych producent-dystrybutor-konsument.

Można również stosować połączenie lub modyfikacje tych metod. Dalej wyjaśniamy, jak determinizm czasowy uzyskiwany jest w protokołach Ethernet Powerlink, EtherCAT, Ethernet/IP oraz Profinet. Na przykładzie dwóch ostatnich przedstawiamy również dodatkowe mechanizmy, które pozwalają spełnić wymagania stawiane sieciom komunikacyjnym w środowisku produkcyjnym.