Aktuální vydání

celé číslo

08

2022

MSV 2022

Projektování, konstruování a programování automatizačních a řídicích systémů

celé číslo

Ethernet a USB v automatizačních systémech

Ethernet a USB jsou metody komunikace široce rozšířené a dlouhodobě osvědčené v mnoha úlohách zvláště v méně náročném kancelářském a domácím prostředí. Postupně však nacházejí cestu i do průmyslu. Důvodem jsou především nízké pořizovací náklady i nízké náklady na uvedení komunikační sítě do provozu. K vybudování a správě ethernetových a USB sítí nejsou třeba žádné speciální znalosti.
 

Ethernet

 
Ethernet je zde s námi již docela dlouho. V letošním roce to bude dvacet let od vzniku standardu 10Base-T s rychlostí 10 Mb/s, který přinesl komunikaci prostřednictvím nestíněných kroucených párů vodičů (UTP – Unshielded Twisted Pair) a topologii propojení do hvězdy. Již v roce 1990 byla tedy cesta Ethernetu do průmyslových aplikací otevřena.
Přestože je Ethernet již dávno nejúspěšnějším a nejrozšířenějším typem spojení v počítačových sítích, v systémech průmyslové automatizace se prosazoval dlouho a složitě.
 
V myslích techniků byl nadlouho spojen se sdíleným přenosovým médiem v podobě „tlustého“ a „tenkého“ koaxiálního kabelu nebo i v podobě kroucených dvoulinek s rozbočovači (hub), s rozsáhlými kolizními doménami a především s nedeterministickým principem řešení kolizí metodou CSMA/CD (Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detection). V kolizní doméně mohou současně přijímat všechny stanice, ale vysílat může pouze jedna. Vznikne-li vysíláním několika stanic současně kolize, všechny stanice se na náhodně dlouhou dobu odmlčí, než to některá zkusí znovu. Tato metoda, při malém zatížení sítě velmi efektivní, způsobuje při růstu zatížení exponenciální nárůst počtu kolizí.
 
Zmíněné potíže ale vymizely s používáním přepínačů (switch). Kolizní doména v současné době obvykle obsahuje jen dva účastníky, a to jedno koncové zařízení a přepínač. Kabely obsahují až čtyři kroucené páry vodičů a vysílání probíhá současně s příjmem, tj. v režimu tzv. plného duplexu (full duplex). Přenosové médium není sdíleno a nevznikají na něm kolize. Přenosová rychlost může stabilně dosahovat nejvyšší možné úrovně. Takováto síť potom může být dobrým základem komunikace i pro velmi složité a rozsáhlé automatizační systémy.
 

USB

 
Stejně jako Ethernet představuje nejlepší variantu pro rozsáhlé sítě, v případě připojování periferních jednotek k počítačům je nejlepší volbou propojení pomocí USB. Tento standard univerzální sériové sběrnice vznikl již v roce 1995 a jeho rychlejší varianta USB 2.0 s datovým tokem až 480 Mb/s existuje již také déle než deset let. USB představuje výrazný kvalitativní skok oproti všem dříve používaným sériovým i paralelním rozhraním. Její spolehlivost, odolnost, přenosová kapacita i rychlost odezvy ji předurčují pro velkou většinu připojených periferních jednotek v úlohách sběru dat a řízení v průmyslové automatizaci.
 
Ethernet ani USB nejsou žádnými novými a neprověřenými metodami komunikace. Cestu do oboru průmyslové automatizace tyto standardy neměly jednoduchou, ale jejich dominance je zřejmá a jejich kvality nezpochybnitelné. Vybudování ethernetové sítě je totiž neobyčejně snadné, levné a rychlé a tento úkol bez potíží zvládají všichni systémoví integrátoři. A vybudování sítě periferií komunikující prostřednictvím USB je ještě výrazně snadnější.
 

Komunikace v reálném čase

 
Podstatným požadavkem kladeným na komunikaci v automatizačních systémech je práce v reálném čase. Práce v reálném čase nevyžaduje pouze krátké odezvy a velké přenosové rychlosti, ale především determinističnost. To znamená, že systém musí zaručit odezvu v předepsaném čase – a požadavky na dobu odezvy se liší případ od případu. Se zaručenou dobou odezvy souvisí také stabilita doby odezvy. Požadavky na toleranci doby odezvy se také v jednotlivých aplikacích značně liší.
 
Podle požadavků na dobu a stabilitu doby odezvy komunikační sítě lze přibližně rozlišit tři typy průmyslových ethernetových sítí (obr. 1).
 
V prvním případě je reálný čas zajištěn prostřednictvím softwaru nad standardními vrstvami IP, UDP a TCP. Takové uspořádání funguje ve veškerých standardních sítích a při správné segmentaci sítě dosahuje doby odezev v jednotkách milisekund. Tato standardní architektura je nejlevnější, nejsnáze realizovatelná a vyhoví ve většině průmyslových sítí. Příkladem takovýchto řešení je např. Modbus/TCP nebo DataLab.
 
V druhém případě je reálný čas zabezpečen prostřednictvím softwaru nahrazujícího standardní vrstvy IP, UDP a TCP. Tyto sítě pracují se standardními síťovými adaptéry, komunikační software pracuje v reálném čase přímo nad ethernetovými pakety a ve vyhrazených segmentech sítě dosahuje takových dob odezev a jejich přesností, které umožňují využít tyto komunikační systémy i v náročných úlohách, např. v oblasti pohonů a robotiky.
 
Nejvyšší požadavky na reálný čas jsou řešeny kombinací speciálního hardwaru a softwaru. Zde již nelze použít standardní síťové adaptéry; tyto sítě často pracují s vlastní identifikací jednotlivých uzlů bez nutnosti přidělovat IP adresy. Komunikační pakety nebývají čteny, interpretovány a následně dále odesílány, ale jednotlivými uzly procházejí s minimálním zpožděním v řádu jednotek nanosekund k dalšímu zařízení. Data jsou vkládána na vyhrazená místa v datovém telegramu, který obíhá po síti. Pakety komunikace reálného času mají v síti prioritu před pakety standardních síťových vrstev IP, UDP a TCP.
 
V různých řešeních sítí průmyslového Ethernetu se pro dodržení požadavků na včasnost doručení zpráv může využívat:
  • hvězdicová struktura s přepínači (switch), a nikoliv rozbočovači (hub),
  • komunikační modely publisher/subscriber a producer/consumer namísto modelu client/server,
  • prioritní ethernetové pakety,
  • vysokorychlostní varianty Ethernetu,
  • segmentace sítě,
  • synchronizace na principu distribuovaných hodin reálného času.

Centrálně spravované aplikace

 
Ethernetová síť je důležitým médiem při propojení a integraci mnoha automatizačních aplikací do jednoho rámce s možností centrální správy a dohledu. Jednotlivé aplikace v rámci podniku mohou pracovat samostatně, bez nutnosti komunikovat s jinými systémy v reálném čase, a přesto mohou být součástí jednoho centrálně spravovaného celku. Samostatné aplikace nemusí mít vlastní zobrazovače nebo jiné rozhraní člověk-stroj, mohou mít zálohované napájení a mohou trvale běžet i bez ohledu na stav podnikové počítačové sítě.
 
V prostředí ethernetové sítě mohou být provozovány i aplikace, které nejen že nemají vlastní zobrazovače, ale nemají dokonce ani vlastní počítače. Řada samostatných aplikací může běžet na jediném vyhrazeném serveru. Správa a údržba systému se tak ještě dále zjednoduší a rovněž lze ušetřit značné prostředky na pořízení a modernizaci počítačů a řídicích jednotek. Spolehlivost síťové infrastruktury je zde ovšem podstatná, avšak zajistit ji v současné době obvykle není problém.
V tab. 1 je srovnání komunikace prostřednictvím Ethernetu a USB.
 

Jednotky DataLab IO

 
Jednotky DataLab IO/ETH s ethernetovým rozhraním jsou plně kompatibilní se všemi moduly I/O systému DataLab IO. Pouze rozhraní USB je nahrazeno ethernetovým rozhraním full duplex s přenosovou rychlostí 10/100 Mb/s a jednotka komunikuje prostřednictvím protokolu TCP/IP. Protokol TCP/IP je možné směrovat a přenášet prostřednictvím různých počítačových sítí, fyzická vzdálenost jednotky od počítače tak v podstatě není limitována. Z hlediska aplikačního programového vybavení není mezi jednotkami s rozhraním USB a ethernetovým rozhraním rozdíl. Stačí v parametrickém souboru shodného ovladače zvolit způsob komunikace a nastavit patřičné adresy. Aplikace pak s jednotlivými jednotkami komunikují shodně. Komunikace s ethernetovými jednotkami je kryptována, a tím je zabráněno neoprávněným zásahům do technologie.
 
Komponenty pro průmyslovou automatizaci s možností ethernetového připojení a připojení prostřednictvím USB usnadňují integraci aplikací do jednotného centrálně spravovatelného prostředí a významně zlevňují budování moderních integrovaných systémů.
Roman Cagaš, Moravské přístroje
 
Obr. 1. Tři principy řešení komunikace v reálném času v ethernetových sítích; a) Ethernet TCP/IP (EtherNet/IP, Modbus/TCP, DataLab), b) softwarový by-pass (Ethernet Powerlink, Sercos, Profinet V2), c) hardwarový by-pass (EtherCAT, Profinet V3)
Obr. 2. Příklad architektury automatizačních aplikací postavené na kombinaci Ethernetu a USB
Obr. 3. Jednotlivé aplikace sdílejí společný server, nemají vlastní počítače ani zobrazovače
 

Tab. 1. Výhody a nevýhody propojení pomocí Ethernetu a USB