Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Komunikace v reálném čase
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

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.

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.

Další články

Automatizace, regulace
Převody/pohony/ložiska/spojky

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: