Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Průmyslový Ethernet IV: Principy průmyslového Ethernetu

Průmyslový Ethernet IV: Principy průmyslového Ethernetu

František Zezulka, Ondřej Hynčica

Čtvrtá část seriálu o průmyslovém Ethernetu se zabývá důvody, pro které lze ethernetovou techniku – dříve považovanou za typický příklad nevhodného řešení přenosu dat pro účely průmyslové automatizace – masově používat v průmyslových řídicích systémech a v systémech pro sběr dat. Hlavní pozornost je věnována práci systému v reálném čase. Jsou vysvětleny principy determinismu, včasnosti a současnosti při přenosu dat. Je ukázáno, jak Ethernet TCP/IP a zejména následné mechanismy umožňují dosahovat vyhovující úrovně determinismu, včasnosti i současnosti (synchronizace) přenosu dat v průmyslových ethernetových sítích, tzv. průmyslových Ethernetech.

1. Úvod

Jak již bylo uvedeno, průmyslový Ethernet již není standardem IEEE 802.3 z 80. let minulého století. Postupný přirozený vývoj této techniky jí umožnil stát se nejperspektivnějším prostředkem pro přenos dat pro automatizaci průmyslové výroby v blízké budoucnosti. Nedůvěra v toto tvrzení, která přetrvává v části odborné veřejnosti, plyne z dědictví, které na průmyslový Ethernet celkem logicky, byť nechtěně, přešlo z původního standardu IEEE 802.3 a norem s ním souvisejících. Cílem této i následujících částí seriálu je proto vysvětlit současný stav vývoje ethernetových technik, pro který je lze používat i v průmyslu jako nástroj k přenosu dat v reálném čase.

2. Determinismus je podmínkou

Není pochyb o tom, že metoda CSMA/CD je nedeterministickou metodou přístupu k přenosovému médiu, a že tedy Ethernet 802.3 nesplňuje požadavky na práci v reálném čase (real-time), a tudíž je jeho použitelnost v automatizaci omezena. Z hlediska práce v reálném čase nepřispívají k dobrým vlastnostem Ethernetu také protokoly ze skupiny TCP/IP. Naproti tomu je zřejmé, že průmyslový komunikační systém musí splňovat požadavky na jistou úroveň fungování v reálném čase.

Naprosto zásadní otázkou a nejčastější výtkou na adresu Ehernetu z pohledu jeho použití v průmyslové automatizaci je tudíž nedeterminismus Ethernetu TCP/IP. Přitom determinismus komunikačního podsystému decentralizovaného systému řízení (DCS), stejně jako všech řídicích systémů, je nezbytným předpokladem pro jejich činnost v reálném čase.

Protože pojem reálného času je v různých oblastech lidské činnosti různě interpretován, je na tomto místě třeba uvést interpretaci pojmu reálného času platnou pro komunikaci v průmyslu.

3. Reálný čas v průmyslové komunikaci

Systém reálného času, jak se systém pracující v reálném čase běžně označuje, se odlišuje od ostatních technik práce s daty svým explicitním vztahem ke kategorii času. Čas vystupuje ve dvou základních požadavcích uživatelů na systémy reálného času, které tyto musí splňovat i v nejsložitějších situacích. Těmito požadavky jsou:

  • současnost jako schopnost korelovaně zpracovávat data z více než jednoho vstupu v tomtéž časovém horizontu,

  • včasnost reprezentující požadovanou dobu odezvy řídicího (nebo komunikačního) systému vzhledem k časovým požadavkům a parametrům řízeného procesu.

Mnohem podstatnějším rysem než rychlost výpočtu je tedy v průmyslové automatizaci včasné zpracování dané úlohy. Místo požadavku na spravedlivé přidělení zdrojů jednotlivým úlohám a minimalizace průměrné délky odezvy výpočetního systému vystupuje u systému reálného času mnohem více do popředí potřeba upravení kritických stavů, chování v nejméně příznivém případě, pevná doba přístupu k procesoru a definování a dodržení maximální povolené doby odezvy.

Požadavek na maximální využití procesoru je ve většině případů kritériem klasické informatiky. V oboru řídicí techniky je zpravidla zcela irelevantní sledovat, zda použité počítače jsou nebo nejsou optimálně vytíženy, protože náklady jsou posuzovány především z hlediska výkonu řízeného technického procesu a z toho plynoucích výdajů či ztrát při současném splnění požadavků na bezpečnost.

Oba klíčové pojmy v oboru systémů reálného času – včasnost a současnost – jsou znázorněny na obr. 1, kde vlevo je pojem včasnost ukázán jako definovaný interval, ve kterém musí řídicí (komunikační) systém zajistit odpovídající reakci na událost. Na obr. 1 vpravo je současnost (synchronismus) znázorněna jako povolené toleranční časové pásmo v okolí jmenovitého okamžiku realizace požadované odezvy, ve kterém se musí uskutečnit obě události vstupující do korelace.

Uvedené kategorické požadavky na systém činný v reálném čase klasický Ethernet nesplňuje.

Avšak současný průmyslový Ethernet již není důsledně nedeterministickým Ethernetem s protokoly TCP/IP, který se nadále používá v kancelářských sítích a pro účely internetu. I ethernetovou techniku je totiž možné přizpůsobit požadavkům na práci v reálném čase, a to několika způsoby.

Jak lze Ethernet TCP/IP (s přístupovou metodu CSMA/CD) upravit a doplnit tak, aby bylo možné dosáhnout potřebného stupně determinismu, ukazuje následující kapitola.

4. Ethernet s vlastnostmi systému reálného času

4.1 Metody modifikace Ethernetu
K posílení vlastností Ethernetu jako systému reálného času se v současné době použí vají následující metody, zčásti již využívané v Ethernetu TCP/IP pro účely internetu:

  • tvorba bezkolizních domén přepínáním při použití přepínačů (switch),

  • vysokorychlostní přenos dat (rychlostí 100 Mb/s a větší),

  • plně duplexní přenos dat,

  • použití protokolu UDP namísto TCP (náhrada pomalejší spojované služby ve čtvrté vrstvě referenčního modelu ISO/OSI rychlejší nespojovanou službou),

  • použití komunikace způsobem producer-consumer nebo publisher-subscriber,

  • prioritní sloty v protokolu Ethernetu ve druhé vrstvě modelu komunikace podle standardu IEEE 802.1p,

  • segmentace sítě na časově kritické a časově nekritické segmenty,

  • synchronizace metodou PTP podle standardu IEEE 1588 (synchronizace komunikujících entit prostřednictvím distribuovaných hodin reálného času).

V dalších odstavcích budou uvedené metody představeny podrobněji.

4.2 Přepínání (switching)
Použití rozdělovačů (hub) ve strukturované kabeláži informačních systémů (IT) má za následek, že původní jedna doména, zahrnující v topologii sběrnice jeden celý segment sítě Ethernet, je rozbita, a tím zmenšena na mnohem menší segmenty, v nichž je fyzicky přítomen vlastně jen rozdělovač a cílová stanice. Avšak z hlediska přístupu k síti metodou CSMA/CD rozdělovač obecně nezmenší pravděpodobnost vzniku kolize, a tím neposouvá CSMA/CD směrem k charakteristikám systémů reálného času. Jiná situace nastane, použije-li se místo rozdělovače (hub) přepínač (switch) pracující na principu „ulož a pošli“ (store and forward). Přepínač umožní vytvořit velmi malý segment a je zároveň vybaven mechanismy ukládání paketů a jejich směrování jen jednomu cílovému účastníku, a tím posiluje vlastnosti Ethernetu jako systému reálného času směrem k vyššímu stupni determinismu.

4.3 Vysokorychlostní Ethernet
V současné době pracuje většina ethernetových sítí přenosovou rychlostí 10 nebo 100 Mb/s. Rychle se však rozšiřuje použití sítí Ethernet s přenosovými rychlostmi 1 Gb/s, popř. 10 Gb/s, a je dokončena standardizace sítě s rychlostí přenosu 100 Gb/s. Není pochyb o tom, že vývoj k větším rychlostem půjde dál. S každým desetinásobným nárůstem rychlosti sítě se zkrátí doba potřebná na přenos jednoho paketu na desetinu. Při přenosové rychlosti 10 Mb/s trvá přenos ethernetového paketu délky 1 522 bajtů asi 1,2 ms. Použije- li se rychlý Ethernet, je potřebná doba jen asi 120 µs, atd. Zkracování doby potřebné pro přenos zpráv logicky podporuje v chování systémů vlastnosti reálného času.

4.4 Plný duplex
Je-li součástí strukturované kabeláže místo koaxiálního kabelu několikažilový kabel, lze snadno použít úplný duplexní přenos. Stanice mohou současně zprávy vysílat i přijímat, čímž vzroste rychlost obousměrné komunikace dvakrát. Zmenšuje se také pravděpodobnost kolize. V současnosti je už velmi nepravděpodobné setkání s polovičním duplexem, neboť pro většinu instalací se využívají nestíněné kabely s kroucenými páry vodičů (UTP) s plným duplexem.

4.5 UDP místo TCP
Protokol TCP (Transmission Control Protocol) je orientován na ustavení virtuálního spojení mezi vysílací a přijímací stanicí (connection oriented) na začátku přenosu a ukončení virtuálního spojení po ukončení relace. Zajišťuje tedy potvrzování a přeposílání předávaných zpráv. V důsledku toho se pozná, zda předávaná data byla doručena. Jestliže nebyla, jsou automaticky poslána znovu. Protokol TCP dokonce zaručuje, že předávané pakety dojdou v pořadí, v jakém byly odvysílány. Protokol UDP (User Datagram Protocol) naopak představuje nespojovanou službu (connectionless oriented). Poslaná data jsou navzájem zcela nezávislá. Protokol UDP nezná potvrzování zpráv ani ustavení a ukončení spojení. Proto při chybě při přenosu mohou být protokolem UDP přenesena data znovu, a to hned v dalším cyklu, což u protokolu TCP není možné. Protokol TCP při poruše opakuje přenos dat tak dlouho, dokud nejsou správně přijata. Protokol UDP je proto mnohem „rychlejší“ a jednodušší protokol čtvrté vrstvy modelu ISO/OSI než TCP, a proto se mu v průmyslových variantách Ethernetu dává přednost.

4.6 Metody typu producer-consumer a publisher-subscriber
Metody navazování, udržování a ukončování spojení v sítích Ethernet TCP/IP podle modelů producer-consumer nebo publisher-subscriber, které se již v informatice používají, jsou pro dosahování vyššího stupně determinismu v ethernetových sítích vhodnější než způsob client-server. V obou případech jde o multicasting, tedy posílání zpráv většímu počtu účastníků současně. Smyslem uvedených metod je sloučit příjemce určitých dat do skupin. V případě modelu publisher-subscriber se zájemci (subscribers) o příjem dat registrují u poskytovatelů těchto dat. S využitím tabulek příjemců (subscribers) potom poskytovatelé (publishers) data rozesílají. V případě modelu producer-consumer nejsou udržovány žádné tabulky zájemců. Data jsou místo toho opatřena identifikátorem, na základě kterého příjemci (consumers) odebírají zprávy od poskytovatele (producer) [1].

4.7 Prioritní sloty v protokolu sítě Ethernet
Dalším mechanismem, s nímž lze dosáhnout vyššího stupně determinismu některých časově kritických zpráv při použití metody CSMA/CD, je využití tzv. prioritních slotů na úrovni druhé vrstvy podle standardu IEEE 802.1p.

Při použití metody prioritních slotů je uvnitř rámce protokolu spojové vrstvy v síti Ethernet umístěno pole s názvem tag, nesoucí informaci o prioritě předávané zprávy (obr. 2). Zprávám s nejvyšší prioritou jsou vyhrazeny první prioritní sloty. Přepínače podporují nárůst determinismu sítě tím, že segmenty sítě (kanály) jsou rozděleny podle priorit. Časově kritické zprávy jsou pak přepínači směrovány do příslušných segmentů (kanálů) podle úrovně priority.

4.8 Segmentace sítě na deterministické a ostatní části
Protože síť průmyslový Ethernet se používá a bude používat nejen pro přenos technologických dat, ale i pro vizualizaci, sledování na dálku přes internet, ovládání prostřednictvím e-mailových zpráv a zpráv SMS i dalších služeb, je efektivní oddělit zprávy vyžadující přenos v reálném čase od ostatních zpráv, které striktně deterministický přenos nevyžadují. Proto jsou zařízení komunikující v reálném čase spojována přes co nejmenší počet přepínačů, neboť čím větší počet přepínačů je v cestě signálu, tím větší je jeho zpoždění. Možný způsob koexistence ethernetových sítí reálného času (deterministických) a sítí charakteru „bez“ reálného času (nedeterministických) je naznačen na obr. 3.

Zvlášť náročnou částí návrhu takové smíšené sítě je projekt oddělení segmentů s převážně internetovým (nedeterministickým) provozem a segmentů s provozem převážně deterministickým. Rozhraní mezi těmito dvěma druhy provozu musí být přesně řízena přepínačem. Aby se předešlo přetížení segmentu s deterministickým provozem, musí být limitováno množství dat, která do něj vstupují. Nedeterministická část sítě bude např. používat rychlost 10 Mb/s a deterministická 100 Mb/s (a obdobně u větších rychlostí).

Jiný způsob, jak oddělit deterministický provoz od nedeterministického, spočívá v použití směrovačů a firewallů [3].

Faktorem ovlivňujícím zatížení sítě je také počet zpráv typu broadcast v síti. Zatěžována jsou jak koncová zařízení (musí vyhodnotit každou zprávu typu broadcast), tak i přepínače (protože přepínač musí kopírovat každou zprávu typu broadcast na všechny výstupní porty). U některých přepínačů lze proto limitovat počet zpráv typu broadcast zpracovaných např. za sekundu.

4.9 Synchronizace v ethernetových sítích
K řešení široké škály deterministických úloh přenosu dat postačují dosud uvedené mechanismy, které dokážou zajistit dodržení požadované doby odezvy sítě (deadline). Také se již ve značné míře používají jak v ethernetových sítích pro oblast informačních systémů, tak zejména v různých průmyslových variantách Ethernetu (Industrial Ethernet). Druhé vlastnosti systémů reálného času – synchronizace (jitter) – však současnými variantami Ethernetu TCP/UDP/IP nelze dosáhnout pro poměrně velkou třídu deterministických úloh. A to ani při použití již uvedených mechanismů. Typickými příklady takových úloh je řízení pohonů (polohy a pohybu) a realizace bezpečných systémů. Podívejme se proto nyní na problematiku synchronizace předávání zpráv v síti Ethernet.

Průmyslové sběrnice, které jsou vyvinuty speciálně pro systémy reálného času, řeší otázku synchronizace tak, že řídicí systém sběrnice jednoznačně plánuje čas předávání zpráv jednotlivými účastníky. Časový rozvrh komunikace a časový rozvrh provedení akcí si jsou jednoznačně přiřazeny. Systém je deterministický, tj. lze přesně určit okamžik provedení akcí. Při řízení sběrnice způsobem master-slave, používaným u průmyslových sběrnic kategorie fieldbus, je zcela pod kontrolou synchronní chod komunikujících řídicích systémů (např. řídicích jednotek dvou a více pohonů os obráběcích strojů). Naproti tomu protokol Ethernet v principu tuto synchronizaci nezajišťuje (v důsledku použití přístupové metody CSMA/CD). Časový rozvrh komunikace a provedení akcí si nejsou jednoznačně přiřazeny. Systém je zatížen velkým tolerančním pásmem (jitter) okolo požadovaného okamžiku provedení akce (deadline), a je tudíž nedeterministický (obr. 1).

Synchronizační mechanismy použité v sítích LAN, např. NTP a SNTP, uspokojivě neřeší požadavky průmyslové automatizace, třebaže je někteří dodavatelé „průmyslového“ Ethernetu zavedli. Pro účely automatizace je třeba do sítě Ethernet TCP/IP pro jejich přizpůsobení pro práci v reálném čase zavést levný synchronizační prostředek, takový, který nebude mít velké dodatečné požadavky na výkonnost jednotlivých účastníků sítě.

Jedním z nových způsobů převodu sítě Ethernet TCP/IP na deterministický systém je metoda podle standardu IEEE 1588 s označením PTP (Precision Time Protocol). Princip této metody, který spočívá v synchronizaci účastníků sítě prostřednictvím distribuovaných hodin reálného času, je použitelný v libovolné síti, do níž může vstupovat větší počet uživatelů. Z našeho pohledu tedy především v lokálních sítích Ethernet TCP/IP. Praxe ukázala, že metoda PTP umožňuje Ethernetu TCP/IP dosáhnout lepší synchronizace, než jaké dosahují současné sběrnice typu fieldbus. Proto se tato metoda používá v současných variantách průmyslového Ethernetu určených pro časově zvlášť kritické úlohy (v režimu tzv. hard real-time). Jde o elektrické pohony (synchronizace řízených os), systémy distribuce energie (korelování dat naměřených v prostorově distribuované energetické síti), systémy zálohující jiné informační kanály (ztráta spojení prostřednictvím GSM), bezpečné (safety) systémy a další.

Podrobnější rozbor problematiky synchronizace v síti Ethernet, standardu IEEE 1588 a protokolu PTP přesahuje rámec tohoto seriálu (připravován je samostatný článek v některém z dalších čísel časopisu – pozn. red.).

5. Komunikační modely průmyslových ethernetových sítí

Z výsledků uvedené analýzy determinismu a možných řešení tohoto problému u Ethernetu pro kancelářské a internetové použití (Ethernet TCP/IP) vycházejí tvůrci i sdružení výrobců a uživatelů průmyslových variant Ethernetu.

Na obr. 4 jsou vyobrazeny tři architektury komunikačních modelů současných variant průmyslového Ethernetu [1]. Nalevo je standardní komunikační zásobník (stack) Ethernetu TCP/IP, ve kterém se časově kritická (real-time, deterministická) data i časově nekritické zprávy přenášejí protokoly TCP/UDP/IP. Determinismu se dosahuje kombinací prostředků uvedených v kap. 4. Uprostřed a napravo na obr. 4 jsou architektury, v nichž časově kritická data a nekritické zprávy prostupují odděleně. Nekritické zprávy (internet, konfigurační a parametrizační data atd.) jdou standardní cestou TCP/UDP/IP, zatímco časově kritická data obcházejí protokoly TCP/UDP/IP buď programově, nebo hardwarově. Nynější varianty průmyslového Ethernetu modifikují tyto tři principy v detailech vlastních řešení jednotlivých dodavatelů či sdružení uživatelů.

6. Závěr

Čtvrtá část seriálu o průmyslovém Ethernetu je věnována způsobům, jakými Ethernet, přenosová technologie navržená bez zřetele na požadavky na činnost sv reálném čase a funkční bezpečnost systémů, může dosáhnout parametrů požadovaných od systémů reálného času (včasnosti a současnosti). Jsou vysvětleny principy deterministického přístupu komunikujících stanic k médiu, což je důležité v systémech s nepominutelnými požadavky na dodržení doby odezvy (deadline). Dále jsou probrány principy synchronní činnosti spolupracujících řídicích stanic (princip současnosti), velmi významné zejména pro synchronizaci spolupracujících elektrických pohonů.

Problematika bezpečné komunikace a systémy realizující bezpečnou komunikaci ve smyslu normy IEC 61508 ohledně funkční bezpečnosti elektrických i elektronických a programovatelných elektronických systémů (E/E/PE) bude probrána v další části seriálu.

Literatura:
[1] LÜDER, A. – LOR ENTZ , K.: IAONA Handbook – Industrial Ethernet. IAONA e. V., 2nd edition, Magdeburg, 2005.
[2] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet I: Historický úvod. Automa, 2007, roč. 13, č. 1, s. 41–43.
[3] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet II: Referenční model ISO/OSI. Automa, 2007, roč. 13, č. 3, s. 86–90.
[4] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet III: Fyzické provedení sítě Ethernet. Automa, 2007, roč. 13, č. 6, s. 40–44.

Odkazy na internet:
http://support.automation.siemens.com/WW/view/en/21978204
http://www2.automation.siemens.com/cd/safety/html_76/produkte/feldbus?systarchi.hlm

prof. Ing. František Zezulka, CSc.
(zezulka@feec.vutbr.cz),
Ing. Ondřej Hynčica
(hyncica@feec.vutbr.cz),
UAMT FEKT VUT v Brně

Obr. 1. Včasnost a současnost – dva základní pojmy v systémech reálného času
Obr. 2. Prioritní sloty ve druhé vrstvě protokolu Ethernet (IEEE 802.1p)
Obr. 3. Segmentování sítě Ethernet
Obr. 4. Principiální architektury vybraných variantních řešení průmyslového Ethernetu (RT – Real-Time, reálný čas)

Příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde