ETHERNET POWERLINK

Rys. 4. Proces synchronizacji według wytycznych standardu IEEE 1588 rozpoczyna się od wyznaczenia różnicy czasów zegarów master i slave

Protokół ten został opracowany w 2001 roku przez firmę B&R, a obecnie jego rozwojem zajmuje się organizacja Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG). W zakresie kontroli dostępu do łącza jest w nim wykorzystywany mechanizm szczelin czasowych (timeslots), które są przyporządkowywane poszczególnym stacjom oraz procedura odpytywania (polling).

W sieci funkcję nadrzędną pełni węzeł typu MN (Managing Node), którego zadaniem jest koordynacja transmisji danych. Przydziela on uprawnienia do nadawania węzłom podrzędnym typu CN (Controlled Node) oraz synchronizuje je. W każdym cyklu transmisji wyróżnić można trzy przedziały (rys. 2). W pierwszym MN wysyła do wszystkich CN ramkę SoC (Start of Cycle), która synchronizuje te węzły.

Następnie zachodzi wymiana danych izochronicznych. MN wysyła kolejno w stałym porządku do poszczególnych CN zapytanie (Poll Request). Każdy z węzłów podrzędnych natychmiast na nie odpowiada, dzięki czemu unika się kolizji. Ramka odpowiedzi (Poll Response) jest dostępna także dla pozostałych CN (broadcast).

W trzeciej fazie cyklu przesyłane są dane asynchroniczne. Mogą to być duże pakiety danych o niekrytycznym znaczeniu, które są dzielone na części i transmitowane oddzielnie, w kilku cyklach. W ten sposób przesyła się na przykład dane konfiguracyjne lub ramki TCP/IP.

By dany węzeł mógł rozpocząć transmisję takich informacji, musi o tym poinformować wcześniej w odpowiedzi na zapytanie MN. Na tej podstawie węzeł nadrzędny tworzy listę oczekujących CN, według której dane asynchroniczne są później nadawane.

ETHERCAT

Rys. 5. TH-Link służą do podłączenia komputera z aplikacją diagnostyczną do sieci Profinet

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) został opracowany przez firmę Beckhoff Automation, a obecnie w jego rozwój i popularyzację jest też zaangażowana organizacja ETG (EtherCAT Technology Group). Komunikacja w sieci zorganizowana jest według modelu master-slave z dodatkowym mechanizmem przetwarzania ramki w locie - węzeł nadrzędny wysyła jedną ramkę ethernetową, w której umieszczane są wiadomości przeznaczone dla wszystkich węzłów podrzędnych, a nie tylko dla jednego odbiorcy.

Ramka taka dociera po kolei do wszystkich stacji w sieci (rys. 3). Każda z nich najpierw sprawdza, czy w ramce znajdują się dane, których jest odbiorcą. Jeżeli tak, to odczytuje odpowiedni fragment, a następnie dodaje swoją odpowiedź - na przykład potwierdzającą odbiór wiadomości. Ramka jest wówczas przesyłana dalej, a kiedy dotrze do ostatniego węzła, zostaje zawrócona.

Sieci EtherCAT pracują zatem w topologii logicznego pierścienia. Dzięki temu, że w ramce przenoszone są dane do i od wielu węzłów sieci jednocześnie, zostaje rozwiązany problem nieprzystosowania Ethernetu do transmisji małych pakietów danych. W standardowej ramce ethernetowej dane kontrolne mogą bowiem zajmować więcej miejsca niż zasadnicza informacja.

Najkrótsza ramka ethernetowa ma rozmiar 84 bajtów. Jeżeli przykładowo urządzenie okresowo przesyła 4 bajty informacji, to wykorzystuje ją w niespełna 5%, podczas gdy dla EtherCAT jest to nawet w ponad 90%. W sieciach przemysłowych ma to ogromne znaczenie, ponieważ za ich pośrednictwem najczęściej przesyłane są właśnie małe ilości informacji - na przykład wyniki pomiarów oraz instrukcje sterujące.

ETHERNET/IP

Protokół Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol, EIP) został opracowany w 2000 roku przez firmę Rockwell Automation, natomiast jego rozwojem obecnie zajmuje się m.in. organizacja ODVA (Open DeviceNet Vendors Association). EIP opiera się na protokole CIP (Common Industrial Protocol). Definiuje on profile różnych urządzeń przemysłowych, w których scharakteryzowane są ich właściwości i metody komunikowania się.

W Ethernet/IP wyróżniono też dwa rodzaje wiadomości. Do pierwszej grupy zaliczane są dane o znaczeniu niekrytycznym, na przykład diagnostyczne lub konfiguracyjne (Explicit Messages). Do ich transmisji wykorzystywany jest protokół TCP. Dane, które muszą być transmitowane w czasie rzeczywistym (Implicit Messages), są z kolei przesyłane za pośrednictwem protokołu UDP.

Zastosowanie priorytetyzacji Quality of Service gwarantuje, że pakiety drugiego typu będą miały wyższy priorytet. Ethernet/ IP korzysta również z protokołu CIPsync, który zapewnia synchronizację zegarów czasu rzeczywistego w rozproszonych systemach. Taka możliwość jest wymagana w systemach koordynujących działanie kilku podsystemów - na przykład w wieloosiowych systemach sterowania ruchem.

CIPSync bazuje na protokole PTP (Precision Time Protocol) opisanym w normie IEEE 1588. PTP to protokół typu master-slave. Tym pierwszym jest najdokładniejszy zegar w sieci, z którym synchronizowane są pozostałe zegary typu slave. Proces synchronizacji jest podzielony na dwie fazy. Podczas korekcji off setu wyrównywana jest różnica między czasem zegara master i pozostałych.

W tym celu master wysyła do wszystkich zegarów slave wiadomość synchronizującą (Sync Message), która zawiera swój przewidywany czas wysłania. Równocześnie czas ten jest mierzony, a wynik pomiaru jest przesyłany w kolejnej wiadomości (Follow-up Message) (rys. 4). W węzłach slave czas odbioru obu tych wiadomości jest precyzyjnie mierzony.

Różnica między tą wartością a danymi z wiadomości od mastera (off set) służy do korekcji czasu w poszczególnych zegarach slave. Jeżeli nie występują opóźnienia na linii transmisyjnej, zegary mastera i pozostałe są wówczas zsynchronizowane. To ewentualne opóźnienie jest wyznaczane w drugiej fazie synchronizacji poprzez pomiar czasu propagacji pakietu. Wartość ta jest w zegarach podrzędnych używana do ustawienia dokładnego czasu.

PROFINET

Rys. 6. Bramy sieciowe firmy HMS z oferty Elmark Automatyka

Profinet (Process Field Network) opracowała firma Siemens we współpracy z PNO (Profibus User Organization). Standard ten występuje w kilku wersjach przeznaczonych do aplikacji różniących się pod względem wymagań czasowych transmisji. Każdą z odmian Profinetu zalicza się również do innej grupy w zależności od stopnia zgodności ze standardem Ethernet TCP/ IP.

Wersja podstawowa Profinetu powinna być używana do przesyłu danych niekrytycznych czasowo, na przykład parametrów konfiguracyjnych oraz do wymiany informacji między systemami automatyki a tymi wyższego poziomu (na przykład MES, ERP). W tym celu wykorzystywany jest kanał TCP/UDP i IP, nie są też wymagane żadne modyfikacje sprzętowe.

W przypadku przesyłu danych krytycznych czasowo należy używać Profinetu w wersji real time. Nie wymaga ona korzystania z dodatkowych rozwiązań sprzętowych, natomiast wprowadza modyfikacje w standardowej ramce ethernetowej. W tym wypadku dane o największym znaczeniu są przesyłane w pierwszej kolejności (priorytetyzacja VLAN), natomiast dane konfiguracyjne i diagnostyczne za pośrednictwem UDP/IP.

W aplikacjach wymagających synchronizacji czasowej (na przykład w sterowaniu numerycznym) używany jest natomiast Profinet w trybie transmisji izochronicznej (Isochronous Real Time). Wykorzystuje się w nim oddzielne kanały do komunikacji real time i standardowej TCP/UDP, natomiast synchronizację uzyskuje, stosując specjalne switche wyposażone w układy ASIC.

DIAGNOSTYKA I INTEGRACJA

Rys. 7. Prognoza udziału różnych protokołów sieciowych bazujących na Ethernecie w 2015 roku

Główne obawy na etapie podejmowania decyzji o wykorzystaniu w zakładzie sieci Ethernetu przemysłowego dotyczą zwykle możliwości ich diagnostyki oraz integracji z innymi sieciami używanymi w przedsiębiorstwie. Najwięcej niepewności występuje zazwyczaj w przypadku tych protokołów, które wymagają zastosowania niestandardowych rozwiązań w zakresie urządzeń sieciowych.

Rozwiązaniem pierwszego problemu są narzędzia programowe i sprzętowe przeznaczone do nadzoru oraz wykrywania nieprawidłowości w pracy sieci opartych na protokołach Ethernetu przemysłowego. Znaleźć je można w ofercie producentów komponentów sieciowych oraz dostawców urządzeń automatyki wyposażonych w interfejs komunikacyjny tego typu.

Przykładem jest oferowany przez firmę Encon (www.encon.pl) tester sieci Ethernet/Profinet BC-200-ETH (fot. 1). Jego wybrane funkcje to: testowanie okablowania i urządzeń podłączonych do sieci, monitorowanie ruchu w sieci oraz podgląd przechwyconych ramek. Inny przykład to TH Scope, oprogramowanie służące do diagnostyki oraz analizy wydajności sieci przemysłowych Profinet/Industrial Ethernet.

Aplikacja ta znajduje się w ofercie m.in. firmy Simlogic. (www.sieciprzemyslowe.pl). Dostęp do sieci na przykład z komputera PC, na którym zainstalowane jest oprogramowanie TH Scope, uzyskiwany jest za pośrednictwem urządzenia TH Link (rys. 5), również z asortymentu tego dostawcy. Producent TH Link i TH Scope, firma Trebing+Himstedt, oferuje te produkty też w wersjach dla sieci EtherNet/IP oraz Modbus TCP (www.t-h.de).

W zakresie integracji różnych sieci Ethernetu przemysłowego producenci automatyki również wychodzą naprzeciw oczekiwaniom klientów. Niektórzy z nich oferują urządzenia sieciowe kompatybilne z wieloma protokołami Ethernetu przemysłowego. Przykładem są switche zarządzalne firmy Hirschmann (www.hirschmann.pl), które są zgodne ze standardami Profinet oraz Ethernet/IP.

W ofercie firmy Beckhoff (www.beckhoff.com) można z kolei znaleźć terminale, które umożliwiają połączenie sieci różnego typu. Przykładem jest EL6631-0010 stanowiący interfejs między sieciami EtherCAT i Profinet.

Bramy sieciowe znajdują się również w asortymencie firmy Elmark. Przykładem są produkty firmy HMS (rys. 6) serii AnyBus X-Gateway, m.in. bramy AB7682 Ethernet/IP-EtherCAT, AB7632 Ethernet/IP-Ethernet Modbus TCP czy przykładowo AB7684 Profinet IO - EtherCAT.

PODSUMOWANIE

TABELA. Tematy numerów APA w kolejnych miesiącach

Zdaniem analityków popularność sieci przemysłowych opartych na Ethernecie będzie stopniowo rosnąć. Jak oszacowało IMS Research ponad 23% z około 31 mln węzłów sieci przemysłowych używanych na świecie w 2011 roku wykorzystywało jako medium transmisyjne Ethernet.

Udział ten w 2015 roku wzrośnie do ponad 26% spośród około 45 mln węzłów sieciowych. W okresie tym swoją pozycję w rankingu popularności protokołów Ethernetu przemysłowego utrzymają kolejno: Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP/IP, Ethernet-Powerlink, Ether- CAT oraz Sercos-III (rys. 7).

Monika Jaworowska