Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Ethernet Powerlink – komunikace v reálném čase

Automa 3/2001

Karel Bílek,
B&R automatizace s. r. o.

Ethernet Powerlink – komunikace v reálném čase

Článek shrnuje požadavky kladené na komunikační podsystémy z hlediska řízení v reálném čase a uvádí možnosti, které v tomto ohledu nabízí síť Ethernet. Stručně popisuje plně deterministický firemní protokol Ethernet Powerlink.

Sotva co je poslední dobou ve světě automatizace tak intenzivně diskutováno jako Ethernet a reálný čas. Lze téměř říci, že co výrobce nebo organizace, které se touto problematikou zabývají, to rozdílná strategie řešení tohoto zadání. Společným jmenovatelem většiny řešení je protokol TCP/IP. Předpokládá se, že s jeho pomocí lze komunikovat v reálném čase. Tím se však dostáváme k jádru problému: jaké jsou vlastně požadavky na reálný čas v automatizaci?

Obr. 1.

Požadavky na reálný čas
Na položenou otázku nelze odpovědět jen tak bez dalšího vysvětlení. Při přenosu souborů představuje reálný čas odezvy např. 500 ms, při přenosu paketů s videosignálem leží hranice u 100 ms a pro přenos hlasu (telefonii) pomocí IP je požadováno 20 ms. V automatizační technice může být 10 ms dostatečných, avšak v mnoha případech tomu tak není. Cyklus obnovy dat musí být mnohdy mnohem kratší, nehledě na požadavek minimálního rozptylu v časování telegramů (jitter), tedy dodržení konstantní doby mezi přenesením dvou následných vzorků dat. Přichází-li v úvahu potřeba řídit pohyby os, a ještě navíc je i synchronizovat, vzrůstají nároky na rychlost odezvy opět násobně. V takovém případě se velmi rychle a zřetelně ukážou omezení, která z hlediska činnosti v reálném čase (tj. deterministického chování), přináší spojení TCP/IP a Ethernetu.

Ethernet a reálný čas Podmínkou řízení v reálném čase je determinismus. Musí existovat možnost exaktně spočítat, za jak dlouho budou data bezpodmínečně přenesena. V této souvislosti představuje zásadní problém Ethernetu jím používaný způsob řízení přístupu zařízení na sběrnici, označovaný jako CSMA/CD. Zařízení sleduje provoz na sběrnici, a není-li sběrnice obsazena, začne vysílat svá data. Pokusí-li se o vysílání dvě zařízení současně, dojde ke kolizi. Mechanismus přístupu na sběrnici zabezpečí, že se obě zařízení odmlčí a podle definovaného „náhodného“ algoritmu se jedno z nich po čase znovu pokusí vyslat svoje data. To se opakuje tak dlouho, dokud nejsou všechna data bez kolizí přenesena. Mechanismus CSMA/CD sice zabezpečí, že data budou přenesena, nicméně z hlediska determinismu je závažným handicapem.

Většina řešení komunikace v síti Ethernet staví na TCP/IP jako na nadřazeném protokolu. Uživatelská data jsou nejdříve „zabalena“ pomocí TCP a následně IP. V přijímajícím zařízení musí být zabalená data opět rozbalena. Obě procedury realizuje tzv. zásobník TCP/IP (TCP/IP stack – obr. 1). Znamená to, že každý paket proběhne tímto zásobníkem dvakrát. Při měření na procesoru Pentium 166 MHz trval jeden průchod paketu zásobníkem 400 µs. Přenos paketu z jednoho zařízení do druhého trvá o to déle.

Další zvláštností protokolu TCP/IP je tzv. neviditelná komunikace. Ta je v chodu v pozadí, nezávisle na uživateli. Jejím prostřednictvím kontroluje TCP/IP mj. stav zařízení v síti. Tato „neřízená“ komunikace může opět vést ke kolizím a tím k omezení determinismu.

Řešení, jak dostat tyto všeobecně známé problémy Ethernetu a TCP/IP pod kontrolu, je několik, např.:

  • priorizace paketů s daty podle IEEE 802.1Q/802.1p,
  • spolehnutí se na neexistenci (malou pravděpodobnost vzniku) kolizí,
  • segmentace pomocí přepínačů do tzv. kolizních domén,
  • použití principu master-slave,
  • Slot Communication Network Management.

Stručně si je popíšeme.

Priorizace paketů s daty
Priorizace, resp. dočasné uschování paketů ve frontách podle doporučení IEEE 802.1Q/802.1p, je umožněna rozšířením v hlavičce protokolu. Tok dat řídí převážně přepínače (switch). Výhodou tohoto řešení je, že pakety s vyšší prioritou jsou přepravovány přednostně a že tuto činnost vykonává čip Ethernetu samostatně, a tudíž relativně rychle. Nevýhodou je, že touto vlastností oplývá pouze hardware novější konstrukce a že nelze hovořit o zpětné kompatibilitě. Kromě toho není zabezpečeno pořadí telegramů, nicméně protokol TCP/IP si s tím dokáže poradit.

Obr. 2.

Předpoklad neexistence kolizí
Při slabém provozu na síti je pravděpodobnost kolize velmi malá, s rostoucím zatížením sítě ale exponenciálně vzrůstá. Při vytížení sítě menším než asi 10 % vycházejí některá řešení z předpokladu, že kolize téměř neexistují. Problémem však zůstává jednak skutečnost, že ke kolizím přece jen dochází, byť s velmi malou pravděpodobností, a jednak fakt, že z celé šíře přenosového pásma Fast Ethernetu je při tomto řešení využita jen velmi malá část.

Segmentace pomocí přepínačů
Úplně jiným způsobem je segmentace, tedy rozčlenění, sítě pomocí přepínačů. Každé zařízení je k síti připojeno přes přepínač. Tím vznikají pouze samá jednoduchá propojení, tzv. kolizní domény. Tím se úplně zamezí kolizím. Přepínače musí být inteligentní, protože musí umět analyzovat příchozí pakety a posílat je dále jen cíleně. Nevýhodou je, kromě nákladů na přepínače, prodlužení doby průchodu dat sítí. Tato doba navíc nemusí být konstantní, a toto řešení tudíž přináší i větší rozptyl časování telegramů.

Princip master-slave
Alternativně k již popsaným metodám je myslitelné ještě jedno řešení, jež je založeno na principu master-slave (řídicí zařízení – řízené zařízení). Může být postaveno nad TCP/IP nebo UDP/IP a má tu výhodu, že u něj nedochází ke kolizím, ale naproti tomu není schopno obejít problémy obou protokolů (průchod zásobníkem). Další možnost je opustit platformu TCP/IP a použít speciální protokol. Výhodou řešení na principu master-slave je velmi velká propustnost sběrnice a možnost využít téměř celou šíři pásma, kterou nabízí Fast Ethernet. Nevýhodou je, že řízená zařízení nemohou komunikovat přímo mezi sebou (na úrovni slave-slave), ale pouze přes řídicí zařízení (master).

Slot Communication Network Management
Prohloubením základní myšlenky principu master-slave je metoda označená Slot Communication Network Management, spojující v sobě výhodu velmi velké přenosové rychlosti s optimálním vytížením sítě při minimálním rozptylu v časování telegramů. V tomto případě má každé zařízení v síti přísně vymezenou dobu k vysílání. V té smí vysílat data kterékoliv stanici, několika stanicím nebo i všem stanicím v síti. Tím je zaručeno, že vysílá právě jen jedna stanice. Ke kolizím nemůže dojít a šířka přenosového pásma sběrnice je optimálně využita. Právě na tomto principu je založen protokol Ethernet Powerlink firmy B&R.

Ethernet Powerlink

Za jakým cílem je Ethernet Powerlink vyvinut?

Cílem bylo vybudovat na platformě Fast Ethernet velmi rychlou sběrnici s deterministickými odezvami a s minimálním rozptylem časování telegramů. Kromě rychlé cyklické výměny dat musí přitom existovat možnost acyklické komunikace, která však cyklickou nesmí nijak ovlivnit. Další podmínkou bylo umožnit synchronizaci vstupních/výstupních (v/v) dat a parametrů pohonů navzájem mezi sebou i s řídicím systémem. Výsledkem je sběrnice na bázi standardního řešení Fast Ethernet, která představuje optimální platformu pro sběr a rychlou distribuci v/v dat, vzájemnou koordinaci pohonů i pro konvenční výměnu dat a programování systémů pomocí B&R Automation Net™.

Jaké vlastnosti má Ethernet Powerlink?

Nejkratší nastavitelná doba cyklu (perioda) sběrnice je 400 µs, což odpovídá periodě regulátoru polohy digitálních servozesilovačů B&R ACOPOS. V periodě 400 µs může být plně obslouženo až osm, v 500 µs asi 10 a v 1 ms asi 30 zařízení. Protože jsou do sítě začleněna také tzv. pomalá zařízení, je možné i ve 400µs cyklu poslat data většímu počtu zařízení než jen osmi. Rozdíl mezi tzv. rychlým a pomalým zařízením spočívá v tom, že rychlá zařízení mohou vysílat v každém taktu sběrnice, kdežto z pomalých zařízení může v každém taktu posílat data právě jen jedno. Přijímají samozřejmě všechna – jsou-li data pro ně určena. Tak je možné významně zvětšit počet zařízení v síti i při krátké periodě cyklu sběrnice. Při návrhu periody cyklu sběrnice je třeba zohlednit počet rychlých stanic +1 (pomalá stanice). Celkem je v síti přípustných 254 řízených (slave) zařízení a jeden tzv. Slot Communication Network Manager.

Důležité je, že díky implementaci mechanismu broadcast je možné synchronizovat všechny digitální servopohony připojené na sběrnici během jednoho jejího taktu. Protože servozesilovače jsou autonomní, není nutné, aby posílaly data v každém taktu. Stačí, aby servozesilovač pouze obdržel zprávu s daty nutnými pro synchronizaci. Počet synchronizovaných os tak může být bez problémů větší než osm. Rozptyl v časování samotné sběrnice je menší než 1 µs! Jen pro srovnání – rozptyl u sběrnice CAN při přenosové rychlosti 500 kb/s leží někde u 254 µs.

Obr. 3.

Takt sběrnice může být synchronizován s taktováním třídy úloh v řídicím systému. V každém taktu sběrnice je navíc vyhrazen interval pro acyklickou komunikaci mezi zařízeními pomocí protokolů ze sady nástrojů B&R Automation Net. Tím protokol Ethernet Powerlink plně zapadá do integrované komunikační strategie firmy B&R a jako takový může být použit k přenosu dat pro vizualizaci, výměně dat mezi řídicími systémy i k programování.

Do jaké míry staví Ethernet Powerlink na standardech?
Protože Ethernet Powerlink je kompletně postaven na standardu Fast Ethernet, odpovídá i topologie a provedení fyzické vrstvy přesně standardu. Přenosová rychlost je 100 Mb/s a standardní kabelové rozvody se splétanými žilami s konektory RJ45. Délka segmentu je maximálně 100 m, přičemž je možná topologie ve tvaru hvězdy i stromu. Z propojovacích zařízení je přípustný pouze rozdělovač (hub), nikoliv přepínač (důvodem je požadavek na přesné časování sběrnice).

Na schématu začlenění protokolů Ethernet Powerlink a B&R Automation Net do komunikačního modelu ISO/OSI (obr. 2) je dobře vidět, že Ethernet Powerlink staví na dvou nejnižších vrstvách a nahrazuje druhou dvojici vrstev TCP/UDP a IP. Stejně tak dobře je vidět, že B&R Automation Net může pro komunikaci po Ethernetu používat jak protokol TCP/IP nebo UDP/IP, tak Ethernet Powerlink. Aplikace se k potřebným datům může dostat prostřednictvím B&R Automation Net nebo pomocí rychlé výměny cyklických dat přes Ethernet Powerlink.

Závěr
Síť optimální po všech stránkách, která velmi rychle v reálném čase vyřeší komunikaci od senzoru až po systém řízení podniku (ERP), není zatím z ekonomických důvodů myslitelná. Řešením je definovat odpovídající cíle a ty pokud možno optimálně naplnit. Technické „střety zájmů“ je nutné vybalancovat vhodným kompromisním řešením – viz obr. 3.

Co se týče protokolu Ethernet Powerlink, domníváme se, že se podařilo vytvořit komunikační médium vhodné pro obsluhu distribuovaných v/v, synchronizaci a parametrizaci pohonů i pro B&R Automation Net, která na bázi standardního Ethernetu velmi dobře vyhovuje požadavkům na práci v reálném čase. Vzhledem k vynikajícím parametrům sběrnice se otevírá možnost řešit problémy distribuce řídicích systémů mnohem elegantněji než dříve a otevírá se i cesta k řešení problémů, které doposud bylo možné řešit jen velmi obtížně nebo byly zcela neřešitelné.

Českou premiéru bude mít Ethernet Powerlink v expozici firmy B&R na veletrhu AMPER 2001 v Praze.

B&R automatizace, s. r. o.
Kalvodova 23
602 00 Brno
tel.: 05/43 23 60 46
fax: 05/43 23 60 47
e-mail: office@br-automation.cz
http://www.br-automation.cz

Názvosloví
CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection – nedeterministická metoda přístupu k přenosovému médiu v počítačové síti
ERP
Enterprise Resource Planning – podnikový informační systém
IP
Internet Protocol – síťový unixový protokol vycházející z modelu ISO/OSI (vrstva 3)
ISO/OSI
International Organization for Standartization/Open Systems Interconnection – definice sedmivrstvého modelu komunikace mezi počítači v síti
MAC
Medium Access Control – obecné označení pro metodu, kterou zařízení získává přístup k přenosovému médiu
TCP
Transmission Control Protocol – protokol pracující v modelu ISO/OSI (vrstva 4); poskytuje bezchybné spojení mezi dvěma spolupracujícími aplikacemi pracujícími i na vzdálených počítačích
UDP
User Datagram Protocol – transportní protokol negenerující spojení; pracuje nad IP v protokolu TCP/IP