Rozmowa z Stefanem Korfem z firmy Harting

Harting to firma znana na polskim rynku automatyki głównie jako dostawca złączy silnoprądowych, sygnałowych i innych, które stosowane są w maszynach i różnego rodzaju aplikacjach w przemyśle. Jednym z obszarów jej działalności jest również wytwarzanie urządzeń sieciowych, w szczególności zarządzanych i niezarządzanych przełączników oraz okablowania do zastosowań w przemysłowych sieciach Ethernet. 

Podczas tegorocznych targów Automaticon firma Harting zapowiedziała wprowadzenie nowej grupy produktów, które wykorzystują opracowaną przez nią technologię Fast Track Switching. Komercyjna premiera tych urządzeń planowana jest na listopadowe targi SPS/IPC/Drives, gdzie zaprezentowane zostaną dziesięcioportowe przełączniki sieciowe. O szczegółach nowego rozwiązania, celach jego wprowadzenia i przyszłych planach firmy rozmawiamy ze Stefanem Korfem, menedżerem produktu odpowiedzialnym za grupę produktów Fast Track Switching.

• Na rynku automatyki dostępnych obecnie jest wiele własnościowych rozwiązań sieciowych. Z drugiej strony stosuje się też systemy oparte o tradycyjne sieci Ethernet. Jaki był cel opracowania nowej technologii?

W standardowych sieciach Ethernet wykorzystywane mogą być różnego rodzaju urządzenia sieciowe, stosowana mieszana topologia sieciowa, a użytkownicy mają do dyspozycji szereg produktów pochodzących od różnych dostawców. Problemy pojawiają się jednak wtedy, gdy konieczne jest utworzenie sieci gwarantującej determinizm transmisji i zapewnienie określonych, nieprzekraczalnych czasów przesyłania danych. Taka sytuacja jest dosyć częsta w zastosowaniach związanych z automatyką. 

Z tych powodów producenci rozwinęli wiele specjalizowanych i bazujących na Ethernecie rozwiązań, takich jak Profibus czy Interbus, które spełniają wymogi transmisji w czasie rzeczywistym. Dzieje się to jednak często kosztem ograniczenia swobody w zakresie topologii sieci lub doboru komponentów. W rozwoju technologii sieciowych kierujemy się ideą stosowania jednolitych rozwiązań od poziomu maszyn w zakładzie przemysłowym, do obszaru sieci biurowych i poziomu zarządzania. Dlatego też rozwijamy konsekwentnie systemy oparte o standardowy Ethernet. Elementem tego rozwoju są przełączniki sieciowe Fast Track Switching, które służyć mogą w aplikacjach automatyki m.in. do komunikacji między PLC, modułami I/O, napędami i innymi komponentami. 

Omówienie nowej technologii rozpocząć należy jednak od dyskusji sposobu wymiany danych w klasycznych sieciach Ethernet. W ich przypadku pakiet danych przesyłany może być przez szereg przełączników, a czas transmisji wahać się może od bardzo krótkiego do długiego, w zależności od bieżącego ruchu w sieci. Jeżeli przez przełącznik przesyłane są różne ramki z danymi – określmy je mianem „ramek IT”, a musi zostać też w danym momencie wysłana informacja np. ze sterownika do napędu – nazwijmy ją „ramką automatyki”, ta ostatnia jest kolejkowana, a więc też opóźniana ze względu na już zachodzącą transmisję. Ponieważ ramki IT mogą być długie – mieć np. po 1500 bajtów, całkowity czas transmisji przez wiele przełączników może być różny i często zbyt długi, jak na wymogi systemów automatyki.

• Czy w tym przypadku nie można oznaczać ramek automatyki wyższym priorytetem?

Taki był rzeczywiście pierwszy krok naszego postępowania w tworzeniu technologii Fast Track Switching. Postanowiliśmy zidentyfikować ramki z danymi z systemów automatyki i przyznać im najwyższe priorytety. Tego typu mechanizm wykorzystuje się już w innych sieciach – przykładowo w Profinecie w ramce danych znajduje się blok Ethertype, natomiast w Ethernet/IP czy Modbus/TCP znaleźć można tzw. Port Number. Możliwe jest więc oznaczanie ramek już w warstwie sprzętowej sieci.

Nie rozwiązuje to jednak problemów z blokowaniem przesyłu w przypadku, gdy w sieci transmitowane są już inne dane. Dlatego postanowiliśmy wykorzystać technologię cut-through zamiast klasycznie stosowanej w przełącznikach store-and- -forward. Dla tej ostatniej przed dalszym przesłaniem pakietu przez dany port przełącznika czeka się na jego kompletne odebranie przez switch. Z kolei dla cut-through przełącznik może zacząć wysyłać ramkę przed otrzymaniem jej w całości. Zdecydowanie przyspiesza to transmisję, ale wciąż nie rozwiązuje jednak pierwszego z omawianych problemów, tj. konieczności dokończenia transmisji danych IT, zanim wysłana zostania ramka automatyki.

• Sposobem może być tutaj wywłaszczanie ramek z danymi IT...

Tak też ma to miejsce w przypadku Fast Track Switching. Identyfikujemy dane automatyki, następnie korzystamy z technologii cut-through, dając im możliwość „wyprzedzenia” innych danych, nawet gdy te ostatnie są już wysyłane. W tym celu możemy wstrzymać transmisję ramki IT i przechowywać ją w przełączniku do czasu zakończenia transmisji danych automatyki. Ważny jest tutaj również fakt, że nasze produkty sieciowe cechują się dużą pamięcią wewnętrzną pełniącą rolę bufora. 

Wykorzystujemy w nich także, jako główny element sterujący, dedykowany układ scalony opracowany przez firmę Harting wspólnie z dwoma naszymi partnerami. Suma wykorzystanych technologii daje gwarancję, że ramki automatyki przesyłane są zawsze jako pierwsze oraz, co ważniejsze, możemy obliczyć maksymalne opóźnienie dla całej transmisji. Standardowo szacować możemy czas transmisji na poziomie 5μs dla każdego przełącznika i jest on niezależny od istnienia innego ruchu w sieci. Podsumowując – otrzymujemy rozwiązanie deterministyczne, a jednocześnie możemy stosować go jako standardową sieć Ethernet

• Czy w przypadku systemu, gdzie występuje wiele sterowników i urządzeń automatyki, które muszą komunikować się jednocześnie, możliwa jest również priorytyzacja pakietów w tej grupie?

Obecnie nie jest wspierana taka funkcjonalność, lecz planujemy ją w przyszłości wprowadzić. W szczególności chcemy zapewnić możliwość priorytyzacji danych w sieciach mieszanych – takich, gdzie np. przesyłane są dane zgodnie z protokołami Profinet, Ethernet/IP i innymi. Wtedy użytkownik może chcieć przesyłać Wielu dostawców automatyki oferuje obecnie urządzenia sieciowe czasu rzeczywistego bazujące w części na Ethernecie, przy czym w większości są to rozwiązania własnościowe.

Chcielibyśmy tymczasem zaoferować otwarty system, spełniający wymogi pracy real-time, ale mogący łatwo być integrowany ze standardowymi sieciami ethernetowymi przykładowo w pierwszej kolejności ramki Profinet, potem Ethernet/IP, a następnie cały inny ruch sieciowy. Jeżeli zaś chodzi o systemy, gdzie z danego portu korzystać mogą np. dwa PLC w tym samym czasie, rzeczywiście zdarzyć się może, że jednocześnie będą przesyłane dane automatyki. Wtedy stosowane jest kolejkowanie FIFO. Oczywiście sytuacja taka musi być uwzględniona przez inżyniera projektującego system, gdyż czas maksymalnego opóźnienia może wzrosnąć dwukrotnie.

• Jaka jest wydajność przesyłu danych w nowej technologii?

Według naszych pomiarów transmisja z wykorzystaniem Fast Track Switching jest znacznie szybsza niż w standardowych sieciach Ethernet i porównywalna z niektórymi rozwiązaniami Fieldbus, takimi jak choćby Profinet-IRT. W przypadku tego ostatniego i jemu podobnych konieczny jest jednak podział dla różnego typu ruchu sieciowego, a także często stosowanie odpowiednich urządzeń do synchronizacji czasowej. W naszym przypadku możemy łączyć elementy standardowego Ethernetu, co sprzyja obniżaniu kosztów wdrożenia.

• Jakie produkty z Fast Track Switching prezentujecie na tegorocznych targach SPS/IPC/Drives?

Pierwszym urządzeniem jest switch smart FTS z 10 portami 100Mb/s. Jest to switch konfigurowalny poprzez port USB i ma funkcje: rozpoznanie-przyspieszenie-wyprzedzenie, które zgodne są z techniką cut-through dla ramek automatyki. Urządzenie pozwala na pracę w trybach half- i full-duplex. W pierwszej połowie przyszłego roku wprowadzimy na rynek w pełni zarządzane switche 10-portowe z interfejsami optycznymi wspierające funkcje VLAN, RSTP, QoS, MRP i inne technologie. Urządzenia Fast Track Switching wytwarzane będą w dwóch standardach obudów – o stopniu ochrony IP20 z przeznaczeniem do szaf sterowniczych oraz w obudowach IP65/67 do montażu na liniach produkcyjnych.

• Gdzie tego typu przełączniki znajdą w pierwszej kolejności zastosowanie?

Ponieważ produkty te dedykowane są do zastosowań wymagających bardzo krótkich czasów transmisji, powinny one trafić w pierwszej kolejności do maszyn produkcyjnych. Zainteresowani nimi będą również producenci z branży motoryzacyjnej oraz przemysł drukarski. Obszarem zastosowań mogą stać się również aplikacje bezpieczeństwa typu Safety-over-Ethernet. Jeżeli chodzi o geograficzny obszar zastosowań, naszym zdaniem pierwszym rynkiem, gdzie nastąpić może adaptapcja tych produktów, jest Europa. Wynika to m.in. z faktu, że działa tutaj bardzo wielu producentów maszyn, którzy poszukują wydajnych, a jednocześnie otwartych rozwiązań komunikacyjnych.

• Dziękujemy za rozmowę.