Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Ethernet Powerlink – sériový přeborník v desetiboji

Při výběru komunikačního standardu rozhodují různé argumenty. Jejich priority jsou různé podle požadavků dané úlohy. Někteří uživatelé se rozhodují podle tří nebo čtyř hledisek, jiní jich mohou zvažovat sedm až osm. Ethernet Powerlink však v oblasti ethernetových sběrnic pracujících v reálném čase vede hned v deseti kritériích.
 

První kritérium: výzkum a vývoj

Uživatelé se nestarají o to, zda jsou ve vývoji uplatňovány výsledky nejnovějších výzkumných a vědeckých prací, dokud požadovaný výrobek není na trhu. Význam pro ně mají jen ty výsledky výzkumné práce, které se po zahájení sériové výroby uplatní v praxi. Výrobky, které využívají sběrnice s protokolem Ethernet Powerlink, jsou na trh dodávány od roku 2003, což dává uživatelům jistotu, že jde o vyzkoušený, po léta používaný standard. Specifikace protokolu Ethernet Powerlink byla postupně přizpůsobována požadavkům reálných úloh a v současné době vyzrála do podoby, která splňuje veškeré běžné požadavky průmyslové automatizace a zahrnuje dlouholeté zkušenosti z praxe.
 

Druhé kritérium: nezávislost daná otevřeností

Být na někom závislý znamená vzdát se možnosti ovládat své záležitosti – a to není ideální výchozí bod pro výběr technických prostředků, které mají pro podnik strategický význam. Dostupnost z jiného zdroje je proto při rozhodování často tím kritériem, které je určující pro přijetí nebo odmítnutí navrhovaného řešení. Vzhledem k otevřenosti specifikace protokolu Ethernet Powerlink je zajištěno, že uživatelé mají možnost opatřit si téměř všechny komponenty z více zdrojů – včetně novinek, jejichž vývoj je rychlejší než u proprietárních sběrnic. Etherenet Powerlink je softwarový protokol určený speciálně pro průmyslové úlohy, který využívá hardware sběrnice Ethernet. Jeho komunikační mechanismy jsou standardizované, ale vlastní implementaci protokolu může každý navrhnout a udržovat podle vlastních pravidel. Dodavatelé softwaru nabízejí nástroje ulehčující práci při implementaci protokolu do konkrétního zařízení.
 

Třetí kritérium: kompatibilita s existujícími systémy

Mnozí konstruktéři strojů a výrobních linek dnes používají průmyslovou sběrnici CAN a protokol CANopen – za uplynulé roky vložili do vývoje produktů využívajících tuto sběrnici velké investice. Protokol Ethernet Powerlink v sobě CANopen integruje (tj. přebírá profily zařízení podle normy EN 50325-4), a otevírá tak uživatelům komunikačních systémů s protokolem CANopen velmi pohodlnou cestu do světa Ethernetu. Například konstruktéři pohonů se mohou spolehnout na kombinovaný standardní profil CiA DSP 402/Ethernet Powerlink a velmi rychle začnou u svých zařízení s CAN používat komunikaci po Ethernetu. Je přitom zachována úplná kompatibilita – dokonce ani použití nejnovějších profilů CANopen nevyžaduje instalaci nové verze Powerlink V2, ale lze používat i starší verzi V1.
 

Čtvrté kritérium: rychlost jako u běžného Ethernetu

Ethernet, známý z „kancelářského“ světa, v současné době běžně dosahuje šířky pásma 1 Gb/s. Této šířky pásma mohou dosáhnout i uživatelé protokolu Ethernet Powerlink, jediným nutným krokem je záměna hardwaru 100Mb sítě za hardware gigabitové sítě. Jak je to možné? Protokol Ethernet Powerlink využívá standardní hardware sběrnice Ethernet, a proto může čerpat z rychlého pokroku v jeho vývoji. Tisíce světových firem dodávajících výrobky pro běžné uživatele Ethernetu v domácnostech a kancelářích pracují na technickém vývoji svých zařízení a přísně přitom dbají na zpětnou kompatibilitu. Naproti tomu proprietární řešení komunikačních sítí založených na Ethernetu mnohdy vyžadují speciální elektronické součásti (zákaznické obvody ASIC), které je nutné pro každý případ zvlášť navrhnout a testovat.
 

Páté kritérium: přijetí na trhu

Důležitou roli při rozhodování vždy hrají reference, především v situacích, kdy nejde o standardní úlohu, pro niž by již existovalo připravené řešení. V těchto případech je zvláště nutná důvěra v partnera, a dodavatelé, kteří mohou doložit úspěšná řešení úloh podobného rozsahu a charakteru, mají výhodu. Seznam projektů, kde je použit protokol Ethernet Powerlink, je vpravdě výjimečný: na světě nyní pracuje více než 28 000 typů strojů od více než 400 výrobců s označením POWERLINK inside. Znamená to každodenní provoz 210 000 komunikačních uzlů – to by mohlo stačit pro ověření důvěryhodnosti protokolu Ethernet Powerlink.
 

Šesté kritérium: funkční bezpečnost a spolehlivost

Protokol Ethernet Powerlink Safety zajišťuje bezpečný přenos dat mezi uzly sítě v bezpečnostní doméně. Je použitelný pro stroje a výrobní linky s úrovní funkční bezpečnosti SIL 3. Definice této úrovně funkční bezpečnosti, obsažená v normě IEC 61508, stanovuje, že nesmí nastat více než 10–9 chyb za hodinu. Jinými slovy: selhání sběrnice může způsobit nebezpečnou situaci statisticky pouze jednou za 115 000 let.
 
Komunikační systémy s protokolem Ethernet Powerlink lze přizpůsobit také požadavkům na velkou dostupnost. To je vyžadováno např. v elektrárnách, kde jsou opatření pro zvýšení dostupnosti součástí projektu řídicího systému. Často se využívá redundantní architektura: jsou instalovány dva řídicí systémy, z nichž vždy jeden řídí technologii a druhý je připraven v pohotovostním režimu, sleduje přitom všechny události a veškerou komunikaci, a jestliže zjistí selhání prvního systému, okamžitě převezme jeho funkci. Protože jsou nainstalovány také dvě samostatné redundantní sběrnice, mohou např. při poruše kabelu všechny uzly sběrnice komunikovat prostřednictvím záložní linky.
 

Sedmé kritérium: libovolná topologie sítě

Hvězdicová, liniová i kruhová topologie – Ethernet Powerlink podporuje všechny možnosti. Stroje, výrobní linky i zařízení pro zpracovatelský průmysl lze integrovat do sítě bez jakýchkoliv omezení a s různými stupni redundance. Zatímco u kancelářských sítí se nejčastěji používá hvězdicová topologie, v průmyslu bývá běžná liniová topologie. Je-li třeba zajistit její redundanci, je spolehlivým řešením záložní kabel, ale náklady na jeho pořízení a instalaci jsou poměrně velké. Ve strojní výrobě se proto často upotřebí levnější řešení s kruhovou topologií. Zde je redundance zajištěna tím, že při přerušení kabelu jsou data posílána druhým směrem. To znamená, že jednotlivé uzly musí mít dvě rozhraní, ale jinak není třeba pro zajištění redundance používat žádná speciální zařízení – navíc je tu vlastně jen datový kabel, kterým se komunikační sběrnice uzavře do kruhu. Je ovšem třeba myslet na problémy, které mohou vzniknout zpožděním dat, než řídicí jednotka rozpozná, že kruh je přerušen. Existují různé metody, jak po poruše co nejrychleji obnovit běžnou komunikaci.
 
Komunikační systémy využívající Ethernet Powerlink mohou mít i složité kombinované topologie – uživatel má při návrhu topologie sítě úplnou volnost.
 

Osmé kritérium: přímá komunikace mezi uzly

Tou nejrychlejší a nejsnadnější cestou pro přenos dat je vždy přímá komunikace mezi dvěma inteligentními účastnickými uzly. Použije-li se podobenství z kanceláře, je to situace, kdy se dva lidé přímo domluví. Jinou možností je, že vedoucí rozesílá své zprávy v kopiích všem svým podřízeným, kteří si z nich musí vybrat ty, jež jsou pro ně důležité. To zbytečně zatěžuje podřízené, protože se musí starat o filtrování příchozích dat, i komunikační prostředky (ať jde o papírové dokumenty, nebo elektronickou poštu). Třetí možností je oběžník: zpráva, která postupně obíhá jednotlivé podřízené. To méně zatěžuje komunikační prostředky, ale doba od odeslání informace k jejímu přijetí se prodlužuje.
 
V systémech s protokolem Ethernet Powerlink se „oběžníky“ posílat nemusí. Účastníci si mohou posílat data přímo (cross traffic), komunikovat spolu nezávisle na řídicí jednotce a používat k tomu nejefektivnější přímou trasu. Ale využívání společné komunikační architektury by mohlo vést k nedeterministickým kolizím zpráv. Protokol Ethernet Powerlink zajišťuje, podobně jako CANopen, aby datová komunikace na sběrnici dodržovala přesně stanovenou dobu cyklu, kterou lze při návrhu komunikačního systému snadno vypočítat.
 

Deváté kritérium: nízké náklady na hardware

Jaké výhody má softwarové řešení komunikačního protokolu Ethernet Powerlink? Jedna z nich je nasnadě: na rozdíl od mnoha proprietárních sběrnic, jež vyžadují speciální hardware se zákaznickými obvody ASIC, protokol Ethernet Powerlink pracuje na víceméně libovolném hardwaru. Tím se šetří náklady, protože hardware lze kdykoliv používat i s jinými protokoly. Komunikační systémy s protokolem Ethernet Powerlink jsou navíc úsporné i proto, že pro jejich údržbu lze využívat standardní diagnostické nástroje používané pro kancelářské sítě.
 

Desáté kritérium: zapojování za provozu

Možnost zapojení zařízení do existující sítě je dobře známa z domácího i kancelářského prostředí – stačí zapojit do notebooku síťový kabel a komunikace se sdílenými zařízeními je na světě. Také odpojení konektoru zpravidla neohrozí stabilitu celé sítě. U průmyslových komunikačních systémů to ale nestačí. Ethernet Powerlink proto zajišťuje dynamickou konfiguraci sítě, tzn. že jednotlivé uzly lze snadno vyměňovat, odpojovat i přidávat do sítě, aniž by bylo nutné zastavovat provoz zařízení. To zjednodušuje diagnostiku, ladění i zotavování z chyb a také umožňuje výměnu samostatných agregátů pracujícího stroje.
[Ahead In Ten Fields: Serial Champion Powerlink. Ethernet Powerlink Facts, duben 2007, vol. 2, č. 1.]
(B+R automatizace, spol. s r. o.)