Czwartek, 08 listopada 2012

Determinizm czasowy transmisji w Ethernecie przemysłowym

W sieciach, w których zagwarantowany jest determinizm czasowy transmisji, okres od wysłania pakietu danych od nadawcy do jego dotarcia do odbiorcy jest z góry określony i pozostaje niezmienny. Wówczas komunikacja między węzłami sieci może być realizowana w czasie rzeczywistym, łatwiejsza jest też ich synchronizacja. Obie te kwestie są kluczowe dla sprawnego działania systemów sterowania. W tym celu w sieciach przemysłowych opartych na Ethernecie stosowane są różne mechanizmy i protokoły, których działanie opisujemy w artykule.

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.

Laserowy skaner bezpieczeństwa w sieci Profinet

W jednym z zakładów z branży motoryzacyjnej planowano dobór wyposażenia zrobotyzowanego stanowiska montażowego. Ponieważ w fabryce działa sieć komunikacyjna Profinet, zdecydowano się kupić komponenty systemu napędowego oraz roboty również z interfejsem tego typu.

Aby zapewnić ochronę personelowi pracującego w pobliżu tego stanowiska, trzeba było uzupełnić je również o zabezpieczenia uniemożliwiające przypadkowe znalezienie się ludzi w zasięgu pracujących maszyn. W tym celu zdecydowano się zainstalować na linii montażowej skanery bezpieczeństwa firmy Sick serii S3000 Profinet IO.

Można je podłączyć bezpośrednio do magistrali sieci zakładowej, co ma wiele zalet - m.in. do zintegrowania tego czujnika nie są wymagane dodatkowe urządzenia sieciowe, ograniczone są również wydatki na okablowanie. Ponadto uproszczona jest zdalna diagnostyka skanera.

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.

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.

Ethernet Powerlink w sterowaniu maszyną do etykietowania

Urządzenie do etykietowania jednego z amerykańskich producentów składa się z systemu serwonapędów podajników i manipulatorów doprowadzających, pozycjonujących i stabilizujących produkt na taśmociągu oraz głowic etykietujących napędzanych silnikiem krokowym. Wszystkim steruje kontroler, który na podstawie danych z czujników (m.in. wizyjnych) ustala pozycję i najważniejsze cechy fizyczne produktu.

Dane te wykorzystywane są później w sterownikach głowic. Wymiana informacji między tymi podsystemami musi być realizowana w czasie rzeczywistym - wymagana jest bowiem duża szybkość nanoszenia etykiet oraz zdolność do szybkiej adaptacji maszyny do często zmieniających się typów znakowanych produktów.

W pierwotnej wersji system sterowania maszyną z dwoma głowicami składał się łącznie z aż siedmiu kontrolerów ruchu. Producent zdecydował się jednak zmodyfikować projekt urządzenia, zastępując dotychczas używane sterowniki trzema kontrolerami serii NextMove e100 firmy Baldor (obecnie firma należy do ABB) wyposażonymi w interfejs Ethernet Powerlink.

Wprowadzenie sieci ethernetowej umożliwiło szeregowe połączenie wszystkich serwomotorów oraz pozostałych urządzeń I/O maszyny. Dzięki temu uzyskano oszczędność miejsca oraz ograniczono wydatki na okablowanie. Łatwiejsza stała się też rozbudowa maszyny.

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.

Ethernet przemysłowy w ofercie producentów automatyki

Wybrani producenci komponentów do sieci:

  • EtherCAT: Beck I PC (układy master), B eckhoff (serwomechanizmy, układy I/O), ACS Motion Control, Baumüller, Danaher, Lust, Servo Dynamics oraz Stöber (napędy), Balluff, Fraba i TR Electronics (enkodery),
  • Ethernet P owerlink: B&R, A MK, B aldor, F raba, L enze oraz Pepperl+Fuchs,
  • Ethernet/IP: Rockwell Automation, Accu-sort Systems, Datalogic, Sick, Acromag, Phoenix, Wago, Bosch Rexroth, Parker Hannifin oraz SMC,
  • Profinet: Beckhoff (PLC oraz moduły I/O), C omtrol (moduły I/O i bramy), Danfoss, Bosch Rexroth, SEW Eurodrive (napędy i sterowniki), Siemens (PLC, napędy, moduły I/O, karty PC), Yokogawa (PLC), HMS, Hilscher (moduły I/O, bramy), WAGO (moduły I/O), Phoenix Contact (moduły I/O).

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.

EtherCAT w sterowaniu pracą pras

Aby zwiększyć długość arkuszy metali, które mogą być obrabiane w prasie, jeden z ich producentów zdecydował się na zaprojektowanie systemu składającego się z dwóch takich urządzeń pracujących równocześnie. Zakładano, że prasy będą mogły pracować również oddzielnie. W tym pierwszym przypadku powinny być zsynchronizowane.

Głównym komponentem systemu sterowania każdej z pras jest komputer przemysłowy Beckhoff C6240 z system operacyjnym Windows oraz oprogramowaniem TwinCAT. Do połączenia urządzeń I/O z systemem sterowania oraz do sprzężenia obu pras wykorzystano sieć EtherCAT. Obie prasy w sieci funkcjonują w konfiguracji master-slave.

W zależności od aplikacji jedno urządzenie pracuje jako węzeł nadrzędny, a drugie jako slave. Przełączenia z trybu pracy oddzielnej na równoczesną dokonuje operator, zmieniając tryb na ten drugi na obu maszynach.

Następnie obsługujący musi też określić, jaką funkcję pełni każda z pras (slave czy master) oraz zaprogramować maszyny. Później operator nadzoruje pracę pras wyłącznie za pośrednictwem panelu sterowniczego mastera.

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

Prezentacje firmowe

Polecane

Nowe produkty