Reálný čas a Ethernet v podniku

Reálný čas a Ethernet v podniku

Pojem reálného času je v automatizaci technologických procesů relativní. Při řízení rychlých pohybů může jít o doby odezvy v řádu mikrosekund, při běžném řízení strojů o milisekundy a např. při dispečerském řízení procesů běžně o jednotky sekund. Takže rozmezí v rozsahu nejméně pěti řádů!

S možností využít Ethernet jako univerzální síť v současných průmyslových podnicích se stává diskuse o Ethernetu v reálném čase nevyhnutelnou. V porovnání s dosavadními firemními (proprietárními) sítěmi představuje Ethernet velký skok směrem vzhůru – jeho větší šířka pásma např. umožňuje přenášet daleko více údajů z prostředí výroby do rozsáhlých podnikových informačních systémů, které je také stále častěji vyžadují.

Služby dostupné v síti Ethernet s protokolem TCP/IP (Ethernet TCP/IP) se v prostředí průmyslové automatizace již používají.

Telemecanique např. využívá protokol Modbus TCP/IP s rozšířenými službami, jako je I/O scanning a Global Data, umožňujícími samočinnou periodickou výměnu dat. Tyto služby jsou provozovány na standardních nižších vrstvách sítě Ethernet TCP//IP, a proto jsou kompatibilní s ostatními službami, které tato síť poskytuje (web, elektronická pošta, přenos souborů) a které vyhovují potřebám automatizačních systémů a usnadňují spolupráci mezi nimi.

Ovšem odezev trvajících několik málo mikrosekund, potřebných např. k řízení rychlých pohybů (a v jiných tzv. tvrdě deterministických systémech), se nejsnáze dosahuje prostřednictvím speciálního softwaru přímo vloženého do příslušného zařízení. Třebaže může být modifikován tak, aby zvládl řízení v reálném čase, nemá zde použití Ethernetu smysl. Jakákoliv změna v jeho nižších vrstvách totiž znamená ztrátu kompatibility se standardním Ethernetem, tudíž i ztrátu základní výhody Ethernetu jako univerzální sítě ideálně vhodné k zajištění vzájemné komunikace systémů přes všechny stupně řídicí hierarchie v podniku.

Mýtus o neexistujícím protokolu

Většina výrobců automatizační techniky v současné době souhlasí s tím, že existuje několik internetových protokolů, které si již našly cestu do průmyslových aplikací, jako např. FTP, SNMP, HTTP aj. Nicméně stále přetrvává mýtus o tom, že na úrovni aplikačních programů v automatizaci v podstatě neexistuje standardní komunikační protokol (tzv. aplikační).

Když tento názor – že automatizace nemá svůj vlastní aplikační protokol – vznikl, tiše se v podstatě předpokládalo, že se tento protokol jednoho dne objeví a nabídne všechny komunikační služby, které jsou pro automatizaci zapotřebí. Ale proč to? Je skutečně ve všech případech nutné pracovat se složitým a vše zvládajícím protokolem? Je efektivní investovat do dlouhé doby vývoje a do dražšího hardwaru, je-li např. třeba vyměnit mezi klientem a serverem jen pár bajtů dat? Jde o efektivní vynaložení nákladů?

Odpověď na všechny tyto otázky je jasná – ne. Stejně jako v případě skupiny internetových protokolů potřebuje i obor automatizace různé aplikační protokoly vycházející z potřeb jednotlivých oblastí použití.

Modbus TCP

Protokol Modbus TCP, vyvinutý firmou Modicon v roce 1979, v současné době levný a jednoduše použitelný protokol, je považován v podstatě za standard. Jako TCP 502 byl začleněn do protokolu IP a nyní se o něj stará organizace Modbus.org, jejímž cílem je Modbus TCP zdokonalovat a propagovat jako první průmyslový internetový protokol.

V oboru průmyslové automatizace je Modbus TCP populární již dlouho. Instalováno je více než milion sériových zařízení s protokolem Modbus TCP a několik stovek tisíc zařízení využívajících Modbus TCP/IP. K dispozici je více než 300 typů zařízení kompatibilních s protokolem Modbus a plných 90 % dodavatelů I/O zařízení ho pro jeho jednoduchost podporuje. Vedle toho přicházejí na trh stále další kompatibilní zařízení a výrobky, jejichž výrobci oceňují stabilitu protokolu Modbus a spoléhají se na ni.

Protokol Modbus sám o sobě je volně dostupný a informace o něm jsou k dispozici na webu. V režimu klient/server v síti Ethernet TCP/IP umožňuje realizovat komunikaci v reálném čase s dobami odezvy od 0,2 do 1 s.

Výkonnost protokolu Modbus dále vzrůstá při zavedení již zmíněné služby I/O scanning, používané zejména pro rychlou výměnu dat se vzdálenými jednotkami I/O nebo měniči frekvence. Skenování je řízeno z řídicího systému (programovatelného automatu) na základě příkazů Modbus TCP Read, Write nebo Read/Write, a to bez nutnosti programování. Stačí pouze jednoduchá parametrizace a dále vše postupuje automaticky. V kombinaci s cenově dostupnými síťovými přepínači lze takto dosahovat periody vzorkování v jednotkách milisekund, a tak ve většině aplikací konkurovat klasickým průmyslovým sběrnicím.

Je-li třeba zajistit synchronizaci v reálném čase v rozsáhlejších distribuovaných řešeních, nemusí již služba I/O scanning, vhodná především pro režim klient/server, plně dostačovat. V takových případech přichází na řadu služba Global Data, založená na protokolu známém jako RTPS (Real Time Publish-Subscribe). Ten umožňuje zařízením připojeným do sítě podle tohoto protokolu zapisovat (publish) do příslušné zprávy data, která dané zařízení vytváří, a jiným zařízením naopak ze zprávy získávat (subscribe) data, která potřebují. Doba výměny dat se v porovnání s metodou master/slave, založenou na dotazování, redukuje na polovinu: o data není třeba žádat, ale jsou poskytovatelem jednoduše publikována pokaždé, když se změní. Data tak, jednoduše řečeno, běhají po síti a každému zařízení je umožněno do zprávy zapisovat nebo z ní číst (obr. 1).

Obě uvedené služby, I/O scanning i Global Data, jsou nyní součástí řešení Transparent Ready od firmy Schneider Electric (obr. 2). Stejně tak je podporují její nejrozšířenější programovatelné automaty značky Telemecanique – řady Modicon TSX Premium a TSX Quantum.

Skutečný reálný čas

Aplikace pro řízení pohybu, vážení nebo rychlou identifikaci vyžadují řízení v tzv. tvrdém reálném čase s dobami odezvy v jednotkách mikrosekund. Standardní Ethernet toto nemůže poskytnout. Může ale být, jak již bylo uvedeno, pro tyto podmínky přizpůsoben úpravou nižších vrstev protokolu. Ovšem bude to za cenu nestandardního řešení a tím i ztráty jeho hlavní přednosti, kterou je univerzálnost.

Obr. 2. (DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol, FDR – Faulty Device Replacement, FTP – File Transfer Protocol, HTTP – HyperText Transfer Protocol, IP – Internet Protocol, NDDS – Network Data Deliver Service, SNMP – Simple Network Management Protocol, TCP – Transmission Control Protocol, TF MIB – Transparent Factory Management Information Base, UDP – User Datagram Protocol)

Jedním z řešení tohoto druhu je např. systém SERCOS (SErial Real-time COmmunications System), určený pro úlohy řízení pohybu, který prostřednictvím vysokorychlostní (16 Mb/s) optické komunikační linky odolné proti rušení umožňuje digitálně v reálném čase ovládat až šestnáct servopohonů. Je-li takový speciální systém třeba začlenit do celkového řešení na bázi standardního Ethernetu, musí být zabudován do zařízení vybaveného standardním ethernetovým rozhraním. Z produkce firmy Schneider Electric může být takovým zařízením samotný programovatelný automat (TSX Premium, TSX Quantum) nebo např. komunikační modul nového systému distribuovaných I/O, Advantys STB, který jako vlastní komunikační sběrnici používá CANopen.

Umožnit spolupráci (komunikaci)

Standard Ethernet TCP/IP se v informatice prosadil jako univerzální síť, protože ve svém komunikačním rámci má standardní protokol nízké úrovně, který je možné kombinovat s aplikačními protokoly určenými pro speciální úlohy. Podobně bude Ethernet dále fungovat i v oblasti automatizace. Na jedné straně nabízí širokou škálu volitelných služeb a na druhé straně umožňuje vybudovat strukturu navzájem velmi těsně spolupracujících (komunikujících) zařízení, vše na univerzálním základě Ethernetu.

Použití Ethernetu v tvrdě deterministických řídicích systémech, potřebných pro řešení některých speciálních automatizačních úloh, ovšem vyžaduje jisté modifikace vedoucí k opuštění univerzálního standardu. Pokud budou tato modifikovaná řešení technicky a cenově výhodná, budou preferována.

V dané chvíli je důležité, že společnost Schneider Electric, která je průkopníkem v zavádění průmyslového Ethernetu, nabízí všem zájemcům obě tyto možnosti, tj. webové služby i průmyslový Ethernet. Současné řešení Transparent Ready tak představuje otevřený automatizační systém založený na internetu a umožňující nepřetržitou komunikaci mezi výrobními a obchodními systémy podniků.

Ing. Tomáš Knobloch,
Schneider Electric CZ, s. r. o.,
marketing