Témata
Reklama

Komunikace v reálném čase

Máloco je poslední dobou ve světě automatizace tak intenzivně diskutováno jako Ethernet a reálný čas.

Se vzrůstající složitostí a výkonem strojních zařízení, linek a technologických celků se pro jejich řízení používá stále větší množství relativně samostatně pracujících zařízení. Mluvíme o distribuovaném řízení. Podněty od řízeného zařízení jsou zpracovávány přímo v místě, kde vznikají, aniž by se musely vést k centrálnímu řídicímu systému. To vede k úsporám kabeláže, zjednodušení projektování celého zařízení a ulehčení jeho údržby. Na druhou stranu tento způsob automatizace klade zvýšené nároky na vzájemnou koordinaci jednotlivých autonomních zařízení. Koordinace zařízení, mezi něž může patřit řídicí systém, distribuované ostrůvky vstupů a výstupů, řídicí jednotky pohonů (inteligentní servozesilovače) a třeba i obslužné panely, je možná pomocí síťového propojení. Jedním z výhodných a dostupných řešení rychlé komunikace je Ethernet. A máloco je poslední dobou ve světě automatizace tak intenzivně diskutováno jako právě Ethernet a reálný čas. Dá se téměř říci, že co výrobce, to rozdílná strategie řešení tohoto zadání. Společným jmenovatelem většiny řešení je protokol TCP/IP. Předpokládá se, že jeho pomocí lze komunikovat v reálném čase. Tím se dostáváme k jádru problému: Jaké jsou požadavky na reálný čas v automatizaci?
Na shora položenou otázku nelze odpovědět bez dalšího vysvětlení. Např. při přenosu souborů představuje reálný čas doba odezvy 500 ms a pro přenos hlasu (telefonii) pomocí IP je požadováno 20 ms. V automatizaci nemusí mnohdy ani 10 ms postačovat. Dále přistupuje požadavek minimálního rozptylu v časování telegramů (jitter), tedy dodržení stejné doby mezi přenesením dvou následných vzorků dat. Je-li potřeba řídit pohyby os a synchronizovat je, rostou nároky na rychlost odezvy násobně. V takovém případě se velice zřetelně ukážou omezení, která přináší spojení TCP/IP a Ethernetu.
Reklama
Reklama

Determinismus

Podmínkou řízení v reálném čase je determinismus. Musí existovat možnost exaktně spočítat, za jak dlouho budou data 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 pokud není 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 stanice odmlčí, a podle "náhodného" algoritmu se jedna ze stanic 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 představuje závažný handicap.
I samotný protokol TCP/IP představuje překážku. Uživatelská data jsou nejdříve "zabalena" pomocí TCP a následně IP. V přijímajícím zařízení musí být zabalená data opět rozbalena. Obě procedury realizuje zásobník TCP/IP. Každý paket proběhne tímto zásobníkem dvakrát, přičemž jeden průchod trvá cca 400 µs. Další zvláštností protokolu TCP/IP je tzv. neviditelná komunikace. Ta běží nezávisle v pozadí. Jejím prostřednictvím kontroluje TCP/IP mj. stav zařízení v síti. Tato "neřízená" komunikace může opět vést ke kolizím a tím k omezení determinismu.

Řešení problémů Ethernetu a TCP/IP

Řešení, jak dostat všeobecně známé problémy Ethernetu a TCP/IP pod kontrolu, je několik.
Priorizace paketů s daty
Priorizace (resp. dočasné uschování paketů ve frontách) je umožněna rozšířením v hlavičce protokolu. Tok dat řídí přepínače (switch). Výhodou tohoto řešení je, že pakety s vyšší prioritou jsou přepravovány přednostně a že tuto činnost vykonává čip Ethernetu samostatně a relativně rychle. Nevýhodou je, že tuto funkci podporuje pouze hardware novější konstrukce.
Předpoklad neexistence kolizí
Při slabém provozu na síti je pravděpodobnost kolize velice malá, s rostoucím vytížením sítě ale exponenciálně stoupá. Při vytížení menším než asi 10 % vycházejí některá řešení z předpokladu, že kolize neexistují. Problémem však zůstává jednak skutečnost, že ke kolizím přece jen dochází, 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 tzv. kolizní domény, ve kterých ke kolizím nedochází. Přepínače musí být inteligentní - musí umět analyzovat příchozí pakety a posílat je cíleně dále. Nevýhodou je, vedle nákladů na přepínače, prodlužení doby průchodu informace sítí. Tato doba navíc nemusí být konstantní, a proto se zvětšuje i rozptyl časování telegramů.
Princip master-slave
Alternativně k výše popsaným metodám je myslitelné ještě jedno řešení, založené na principu master-slave. Může být postaveno nad TCP/IP nebo UDP/IP. Nedochází u něj sice ke kolizím, ale není schopno obejít problémy obou protokolů (průchod zásobníkem). Další možností 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).
Slot Communication Network Management
Prohloubením základní myšlenky principu master-slave je metoda označená jako Slot Communication Network Management, která v sobě spojuje výhodu velmi vysoké přenosové rychlosti s optimálním vytížením sítě při minimálním rozptylu v časování telegramů. Každé zařízení v síti má přísně vymezenu dobu k vysílání. Ke kolizím tak nemůže dojít a šířka přenosového pásma sběrnice je optimálně využita. Právě na tomto principu je založen protokol Ethermet Powerlink firmy B&R.

Ethernet Powerlink

Cílem vývoje Ethernet Powerlinku bylo vybudovat na platformě Fast Ethernet velice rychlou sběrnici s deterministickými odezvami a s minimálním rozptylem časování telegramů. Vedle rychlé cyklické výměny dat musí existovat i možnost acyklické komunikace. Výsledkem je sběrnice na bázi standardního řešení Fast Ethernet, která představuje optimální platformu pro sběr a rychlou distribuci vstupně-výstupních dat, vzájemnou koordinaci pohonů i pro konvenční výměnu dat a programování systémů promocí B&R Automation Net.

Vlastnosti Ethernet Powerlinku

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 1 ms asi 30 zařízení. Protože jsou do sítě začleněna také tzv. pomalá zařízení, je možné ve 400 µs cyklu poslat data většímu počtu zařízení než jen osmi. Rychlá zařízení mohou vysílat v každém taktu sběrnice, kdežto z pomalých zařízení může v každém taktu posílat data právě jen jedno. Tak je možné významně zvětšit počet zařízení v síti (max. 254) i při krátké době cyklu sběrnice.
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.
V každém taktu sběrnice je navíc vyhrazen interval pro acyklickou komunikaci mezi zařízeními pomocí protokolů 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, k výměně dat mezi řídicími systémy i k programování.

Ethernet Powerlink a standardy

Ethernet Powerlink přesně odpovídá standardu Fast Ethernet. Přenosová rychlost je 100 Mb/s a je používána běžná kroucená kabeláž. Délka segmentu sítě je maximálně 100 m, přičemž je možná topologie ve tvaru hvězdy i stromu. Na schématu začlenění protokolů Ethernet Powerlink a B&R Automation Net do komunikačního modelu ISO/OSI 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. A konečně aplikace se k potřebným datům může dostat jak prostřednictvím B&R Automation Net, tak pomocí rychlé výměny cyklických dat přes Ethernet Powerlink.

Závěr

Síť optimální po všech stránkách, která velice 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.
V případě protokolu Ethernet Powerlink se domníváme, 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 velice dobře vyhovuje požadavkům na práci v reálném čase. Odpadá tak nutnost používání více specializovaných sběrnic na jednom zařízení. 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 byly řešitelné jen velice obtížně nebo vůbec.
Českou premiéru bude mít Ethernet Powerlink v expozici firmy B&R automatizace, s. r. o., na veletrhu Amper 2001 v Praze.
Reklama
Vydání #3
Kód článku: 10331
Datum: 05. 03. 2001
Rubrika: Trendy / Automatizace
Autor:
Firmy
Související články
Originální řešení osy Z pro manipulátory

Osa Z lineárního systému Hiwin HD4 představuje originální řešení, které rozšiřuje možnosti automatizace a robotizace. Je určena pro kompaktní manipulátory, zakladače a pro aplikace typu pick-and-place.

Řešení pro logistiku letecké nákladní dopravy

Když byl na jaře roku 2018 uveden do provozu nový nákladní terminál na letišti Helsinki-Vantaa, posílila největší finská letecká společnost - jedna z předních, které zajišťují leteckou dopravu mezi Evropou a Asií - své vedoucí postavení leteckého přepravce v severském regionu. Zásadním rozhodnutím pro budoucí rozvoj bylo rozšíření flotily o 19 nových Airbusů A350, z nichž 11 již bylo dodáno. Investice do pozemní infrastruktury i do letadel vytvářejí základnu pro posílení objemu přepravy pasažérů a nákladu v rámci evropských a mezikontinentálních destinací. Řešení pro kompletní tok materiálu pochází od společnosti Lödige Systems z Warburgu a pohonná technika od firmy Lenze.

Doživotní přesnost servopohonů s dutou hřídelí

Požadavky, se kterými se obor pohonné techniky dlouhodobě setkává, jsou velmi různorodé. Kompaktnost a velký výkon se jako klíčové atributy staly standardem v mnoha aplikacích. Zástavbový prostor, který je k dispozici, je stále zmenšován, avšak požadavky na výkon zůstávají buď stejné, nebo se zvyšují. Stále rostoucí globální konkurence vyžaduje trvalou optimalizaci výkonu.

Související články
Textilní tkanina zajímavá v mnoha ohledech

Zušlechtěné textilie – nepatří mezi ně pouze pestrobarevně potištěná košile, impregnovaná větrová bunda či obzvláště měkké ložní prádlo. Také při létání a cestování do vesmíru se používají moderními postupy zušlechtěné materiály. Například vnější plášť Airbusu A380 tvoří ze 70 procent textilie. Dnes už proto nehovoříme o látkách, ale o plošných textiliích. Výrobou příslušných textilních strojů se zabývá společnost Monforts, která společně s firmou Lenze realizovala pokrokový projekt, jenž svými vlastnostmi odpovídá nárokům na špičkovou technologii. K jeho vlastnostem patří propracovaná automatizace, detailně seřízené procesy a vizualizace stroje, jaká aktuálně nemá obdoby.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Když jde o prostor…

Současné trendy směřují k mnohem větší míře využití elektroniky než doposud. To je hlavní, nikoliv však jediný důvod, proč se množí automatizace výroby menších zařízení, jakými jsou například mobilní telefony, tablety i ostatní elektronika. Ale nejde jen o ni, ale i o laboratoře, farmacii apod.

Vše je uvnitř!

Pokud potřebujete elektrický pohon a uvažujete o tom, zda máte dostatečné kapacity a čas na řešení své aplikace, je na místě uvažovat o elektrickém pohonu EMCA od firmy Festo.

Novinky reagují na vývoj průmyslové výroby

„Korporace Hiwin Technologies reaguje na změny v průmyslovém odvětví a vstupuje do období Industry 4.0. Základním projevem nového období je nástup robotizace,“ vysvětluje Ing. Pavel Cach, výkonný ředitel společnosti Hiwin, s. r. o.

Rychlá a přesná lineární jednotka

Uplatnění a význam lineárních jednotek v domácím průmyslu neustále roste. Proto se dodavatelé snaží neustále přicházet s inovacemi, které jsou zároveň ekonomicky úsporné. S takovým řešením přichází i odštěpný závod Lin-Tech litoměřické společnosti Hennlich.

Downsizing v elektrických pohonech? Proč ne!

V oblasti automobilů je tento pojem jistě jedním z nejvíce diskutovaných. Proč se vlastně pohony zmenšují? Jednoznačně kvůli úspoře nákladů. Je možné podobný jev vypozorovat v elektrických pohonech pro automatizaci? Odpověď zní: ano! I když se to na první pohled nezdá, je tomu tak.

Novinky na veletrhu Amper 2013

Společnost Siemens se zúčastní 21. ročníku mezinárodního veletrhu elektrotechniky a elektroniky Amper, který se uskuteční od 19. do 22. března letošního roku na veletržním výstavišti v Brně.

Použití RCD s frekvenčními měniči

Jak vybrat správný RCD pro použití s frekvenčními měniči a vyhnout se tak nežádoucímu vypínání a dosáhnout maximální doby nepřetržitého provozu?

Šetřete svoje síly!

Jednou ze zásadních myšlenek vedoucích k pokroku a zvyšování produktivity je dělba práce. Specializace na různé technologie umožňuje posouvat jejich hranice.

Nová generace pojezdových drah

Společnost Hiwin, tradiční účastník Mezinárodního strojírenského veletrhu v Brně, představí v nové expozici na více než 150 m2 výstavní plochy ucelenou nabídku polohovací lineární techniky, které dominuje nová generace pojezdových drah pro průmyslové roboty

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit