Aktuální vydání

celé číslo

01

2024

Automatizace skladování, logistiky a manipulace s materiálem

Programovatelné automaty, průmyslové počítače, jednotky I/O, bezpečnostní systémy

celé číslo

Industrial Ethernet v názorech odborníků

číslo 5/2006

Industrial Ethernet v názorech odborníků

V rámci příprav konference Indetcon 2006 (bližší informace o konferenci viz samostatný článek na str. 67) byli autoři tří přehledově zaměřených přednášek požádáni o odpovědi na několik otázek ohledně současnosti a budoucnosti průmyslového Ethernetu (Industrial Ethernet – IE). Jejich názory jako odborníků systematicky se věnujících komunikaci v průmyslových a jim podobných systémech jsou uvedeny ve strukturované formě (v závorkách za jmény a názvy pracovišť přednášejících jsou uvedeny hlavní oblasti jejich odborného zájmu).


 
Prof. Dipl.-Ing. Reinhard Keller
, Fachhochschule Esslingen, Fakultät Informationstechnik, místopředseda IAONA Executive Board (digitální technika, systémy pracující v reálném čase, digitální regulační systémy)

Ing. Tomáš Zelinka, CSc.
, katedra informatiky a telekomunikací, Dopravní fakulta ČVUT v Praze (komunikační systémy pro telematiku)

prof. Ing. František Zezulka, CSc.
, ústav automatizace a měřicí techniky, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně (průmyslová automatizace, distribuované systémy pro řízení procesů, průmyslové komunikační sběrnice, vestavné mikropočítačové systémy)

Budou tradiční průmyslové komunikační sběrnice (fieldbus) nahrazeny sběrnicemi založenými na Ethernetu?

Ethernet TCP/IP je v oboru průmyslové komunikace očividně novým standardem, a tudíž nahradí, pokud se tak již nestalo, stávající typy sběrnic ve všech odpovídajících odvětvích, tj. při automatizaci spojitých i nespojitých průmyslových procesů, technického vybavení budov i v dopravě. Neočekávám ale, že k tomu dojde brzy. Podle zkušeností se změnami v jiných oblastech techniky je třeba uvažovat v časovém horizontu asi deseti let.

K takovýmto soudům nejsem dostatečně kvalifikovaný. Nicméně dlouhodobý vývoj v této oblasti vykazuje evidentní stále častější používání sběrnic na bázi Ethernetu, nahrazujících “tradiční” sběrnice. Záměr vývoje sběrnic založených na Ethernetu přitom ovšem není pevně vymezen a jde o koncepci s tendencí přerůstat za hranice vymezené “Ethernetem”, tj. standardy IEEE 802.3 a 802.1d, p, q.

Ano, průmyslový Ethernet postupně nahradí většinu tradičních průmyslových sběrnic, jejichž původci či podpůrné organizace již teď vyvíjejí svoje varianty IE.

Jaký je hlavní motiv k využívání Ethernetu v průmyslu?

Je to velmi jednoduché. Zásadním přínosem pro uživatele v průmyslu ve skutečnosti není Ethernet jako fyzické médium, ale software, tzv. zásobník protokolu (protocol stack). Je-li zásobník TCP/IP v uzlu průmyslové sítě, je možné využívat všechny standardní metody z oblasti IT, a dokonce i přístup k internetu. Hlavní motiv lze stručně vyjádřit heslem “S prohlížečem odkudkoliv až ke snímači”. A zůstane-li IE kompatibilní se standardy řady IEEE 802, bude možné v průmyslu snadno využívat jak levných hromadně vyráběných komponent pro IT, tak i inovací v oboru IT.

Ethernet dosáhl unikátního postavení v oblasti “standardní”, tj. “neprůmyslové” komunikace. Je také chápán jako most mezi těmito dvěma oblastmi. Hranice mezi “standardním” a “průmyslovým” použitím je ovšem neurčitá a postupné pronikání Ethernetu do průmyslových systémů se zdá být logické. Parametry “standardního” Ethernetu jsou stále zdokonalovány a přibližují se požadavkům kladeným při řešení složitých průmyslových úloh (i když jich ve všech ohledech zatím nedosahují).

IE přináší do celé řídicí pyramidy jednotný způsob komunikace. Umožňuje otevřenost směrem k internetu a komunikace obecně je i stále rychlejší, bezpečnější a používá účinné zabezpečovací mechanismy.

Pronikne Ethernet také do úrovní snímačů a akčních členů?

To je jedna z otevřených otázek. S inteligentnějšími provozními přístroji porostou přínosy Ethernetu-TCP/IP. Zbývat bude ovšem mnoho jednoduchých přístrojů, jako např. binární přepínače. Uvažovat každý z nich jako uzel Ethernetu asi nemá a nebude mít smysl. Bude nutné hledat jiné cesty, mimo Ethernet-TCP/IP. Uplatnění mohou dojít již zavedená sběrnice AS-Interface i některá novější řešení tohoto typu, jako je např. systém IO-Link anebo nejnovější CompoNet, podsystém sběrnice EtherNet/IP.

Průnik Ethernetu na úroveň snímačů a akčních členů je těsně spjat s trendem směřování ke složitým provozním přístrojům s výkonnými čipy a čipovými sadami často podporujícími rozličné pozemní i bezdrátové komunikační funkce včetně Ethernetu. Například vzdálený telematický subsystém systému ITS (Intelligent Transport System) je kombinací přijímačů signálů družicového navigačního systému a snímačů teploty, tlaku atd. a mnohočetného systému komunikace obsahujícího i Ethernet.

Průmyslový Ethernet pronikne také do inteligentních senzorů a akčních členů, ne však dříve než za pět let.

Jaké je hlavní kritérium hodnocení výkonnosti Ethernetu vedle schopnosti práce v reálném čase?

Aby byla v široké míře přijatelná pro průmysl, musí být řešení založená na Ethernetu cenově efektivní při spolehlivosti odpovídající průmyslovým standardům. Současně musí, vedle práce v reálném čase, plnit i všechny ostatní tradiční technické požadavky na odolnost, zvláště pokud jde o EMC, požadavky na informační a neoddiskutovatelnou funkční bezpečnost atd.

Záleží na typu úlohy. V ITS je známa metoda, jak transformovat klíčové ukazatele výkonnosti telematického subsystému na parametry komunikačního systému a naopak. K danému telekomunikačnímu subsystému TS lze tedy najít optimální komunikační systém. Pro ITS se hlavním kritériem jeví konvergence sítě, tj. doba potřebná k zotavení sítě z lokální poruchy. Zde Ethernet zaznamenává velmi dobré výsledky, a to jako Ethernet/SDH (50 ms), Hiper-Ring (Ethernet/ATM) či ethernetové subsekundové sítě s RSTP. Alternativy s IP nebo MPLS/L3 jsou daleko pomalejší.

Otevřenost k internetu současně se zajištěním jednotného způsobu komunikace v celé řídicí pyramidě a z toho plynoucí transparentnosti a menších nákladů na pořízení i provoz instalace.

Nepřipomíná současná situace s mnoha různými variantami IE období označované jako “war of fieldbuses” před asi patnácti lety? Jaké to může mít důsledky pro uživatele?

Na první pohled zde značná podoba je. Uvědomme si ale, že všechny existující standardy IE používají jak stejnou fyzickou vrstvu, tak i, nutně, TCP/IP. Rozličné jsou způsoby zajištění odezvy v reálném čase a není zde interoperabilita mezi komponentami příslušejícími různým metodám. Takže sice nemáme válku, ale ani harmonii. Co máme, je konkurence mezi různými řešeními. Které z nich bude schopno získat patřičný podíl na trhu, ukáže budoucnost.

Stará “zlatá” doba, např. centrické vlády ITU v telekomunikacích je pryč. Nahradil ji “evoluční proces”, který není zase tak chaotický, jak někdy vypadá. Nezbývá než věřit, že silná konvergence “osobitosti” Ethernetu pomůže minimalizovat přirozené odstředivé úsilí výzkumných a vývojových týmů vedených snahou uspět se svou “lepší” alternativou. A možnost, že jejich řešení bude uznáno za lepší, vždy existuje. Ve zmíněném “evolučním procesu” ovšem “být lepší” vždy neznamená také “být úspěšný”.

Zákazník sice opět bude muset zvolit jednu z několika vzájemně nekompatibilních variant. V tomto případě s průmyslovým Ethernetem, ale jde vždy o řešení na kvalitativně vyšší úrovni.

Jaké je, ve stručnosti, hlavní poselství vašeho vystoupení na konferenci Indetcon 2006?

Průmyslový Ethernet ve svých reálných variantách dokáže vyhovět požadavkům kladeným v průmyslové automatizaci, včetně bezpečnostních. V souhrnu ale IE nabízí více než jen náhradu stávajících průmyslových komunikačních sběrnic. Jde o techniku přinášející do oboru průmyslové automatizace výraznou inovaci v podobě nových funkčních schopností, které najdou uplatnění v budoucích generacích distribuovaných systémů založených na komunikaci s použitím Ethernetu.

Představená metoda návrhu komunikačního systému pro telematické subsystémy ITS je založena na dekompozici systému a správném nastavení příslušných ukazatelů výkonnosti každého ze subsystémů. Takový přístup je klíčem k úspěchu při syntéze celého systému, jak je ukázáno na případu řešení úlohy Sledování a navigace pohyblivých objektů v areálech letišť. Paradoxní je, že v takovýchto případech složitý MPLS/L3 selhává, zatímco levnější řešení na bázi Ethernetu dokážou dané extrémní požadavky na komunikační subsystém splnit.

Průmyslový Ethernet není Ethernetem podle IEEE 802.3 z 80. i 90. let minulého století. Jde o prostředek překračující meze pouhého “kancelářského” použití a připojení k internetu. Jako výkonný komunikační systém úspěšně směřuje do postavení nejvýkonnější průmyslové sběrnice, přičemž si zachovává svoji otevřenost k internetu a rovněž vykazuje všechny důležité vlastnosti průmyslové sběrnice, které jsou potřebné při řízení strojů, výrobních linek i technologických procesů.