Charakterystyka czasowa w systemie Profinet

Zdolność pracy w czasie rzeczywistym należy do podstawowych wymogów techniki automatyzacji. W przypadku automatyzacji procesu technologicznego stosuje się często koncepcje rozproszonych systemów sterowania. Na ogół przyjmuje się, że system jest zdolny do pracy w czasie rzeczywistym, jeśli spełnione są parametry dotyczące terminowości i jednoczesności, wynikające z danego zastosowania. 

Terminowość opisuje wymóg dotrzymania ograniczeń czasowych, zaś z warunku, że systemy automatyki powinny reagować na procesy przebiegające w ich otoczeniu, wyłania się wymóg jednoczesności. Wymagania dotyczące komunikacji na poziomie eksploatacyjnym wyrażane są często przez podanie czasu trwania cyklu tcycle i jego rozsynchronizowaniem. Można je podzielić na trzy większe klasy QoS (Quality of Service ? jakość usługi) (tabela 1.).

Tabela 1. Wymagania z poziomu eksploatacji dotyczące dopuszczalnego czasu cyklu i jego rozsynchronizowania

Od topologii drzewiastej do liniowej

Ważnym wymogiem strukturalnym w technice automatyzacji jest specyficzna struktura okablowania (rys. 1.). Podczas gdy w strukturalnym, niezależnym od systemu okablowaniu biurowym ? zgodnym z ISO/IEC 11801 ? poprzez opisane tam poziomy hierarchiczne wykształcają się struktury drzewiaste, struktury okablowania na poziomie eksploatacji są zorientowane na mechaniczną budowę maszyn i urządzeń. Dlatego często tworzą one struktury liniowe z kilkoma tylko odgałęzieniami. 

Rys. 1. Strukturalne różnice w konfiguracji sieci dla komunikacji biurowej i w technice automatyzacji

Jeśli tę ważną dla poziomu eksploatacji topologię liniową realizuje się opierając się na Ethernecie, urządzenia przełączające ? switche ? wyposażone w kilka portów, muszą być umieszczone w pobliżu urządzeń lub nawet wbudowane w tych urządzeniach. Z tego powodu pojawia się kaskada przełączników o niekorzystnych, jeśli chodzi o pracę w czasie rzeczywistym, charakterystykach czasowych i rozsynchronizowaniu. W przypadku używania topologii liniowej ? bez stosowania specjalnych zabiegów ? nie można zapobiec opóźnieniu ważnych danych procesowych na każdym z przełączników, z powodu niskopriorytetowych i czasami bardzo długich ramek. Dzieje się tak również w przypadku stosowania mechanizmów z uwzględnieniem priorytetów. W jednej z publikacji (wymieniona na końcu artykułu) pokazano, że w przypadku systemu z 50 abonentami w strukturze liniowej można zagwarantować 10 ms czas cyklu. Może jednak występować znaczne rozsynchronizowanie. W tej sytuacji w każdym uczestniku sieci wbudowany jest przełącznik, który przekazuje ramki metodą store-and-forward (zapamiętaj i wyślij).

Czas przejścia poniżej 3 ?s

Za pomocą odpowiednich optymalizacji sytuację tę można poprawić. Z jednej strony w systemie o przepustowości 100 Mbit/s można zastosować symetryczne przełączanie metodą cut-through (przetnij-przepuść). Za jej pomocą przyjęta ramka jest przekazywana dalej zaraz po analizie adresu docelowego. Dzięki temu w porównaniu do metody store-and-forward czas przejścia t_DLZ przez przełącznik jest wyraźnie krótszy i stały. Typowe wartości czasu przejścia mieszczą się w przedziale kilku mikrosekund ? zwykle poniżej 3 ?s.

Z drugiej strony struktura liniowa jest korzystna, jeśli ramka jest przesyłana najpierw do urządzenia najbardziej oddalonego od sterownika. Do pierwszego urządzenia ramka jest wysyłana na końcu. Jeśli suma czasu przebiegu t_DLZ i czas zwłoki na nośniku transmisji t_PH pomiędzy abonentami jest mniejsza od czasu przesłania ramki t_Frame, można wykorzystać tak zwany ?efekt ssania?.

Rozproszone urządzenia obiektowe z zintegrowanym switchem

Warunek ten jest możliwy do spełnienia w przypadku wykorzystywania metody cut-through i stosowania szybkości 100 Mbit/s. Należy to wyjaśnić na przykładzie (rys. 2.). Sterownik PLC jest połączony siecią o strukturze liniowej z czterema rozproszonymi urządzeniami obiektowymi. Każde urządzenie ma wbudowany przełącznik ethernetowy. W przykładzie tym dane przesyłane są w postaci jednej ramki o minimalnej wielkości 64 bajtów. W przypadku sieci Profinet można jednak w takiej ramce przenosić jeszcze 44 bajty danych. Łącznie z nagłówkiem (8 bajtów) i przerwą międzyramkową (12 bajtów) daje to czas transmisji takiej ramki t_Frame = 6,7 ?s ? a więc około 7 ?s. Poza tym, w przypadku maksymalnego, bazującego na przewodach miedzianych odcinka o długości 100 m pojawia się czas opóźnienia t_PH wynoszący ok. 0,5 ?s. Czas cyklu t_cycle oznacza czas, po którym wszyscy użytkownicy wymienili jeden raz swoje dane. 

Rys. 2. W przypadku umiejętnego uporządkowania ramek przeznaczonych do wysłania w strukturze liniowej występuje ?efekt ssania?

W związku z tym, że w przypadku sieci Profinet transmisja danych ze sterownika do urządzeń obiektowych (downstream) następuje równolegle do transmisji danych w kierunku przeciwnym (upstream), rozpatrywać należy tylko jeden kierunek. Na wykresie rozprzestrzeniania się sygnału (rys. 2.) można zauważyć, że czas transmisji ramki do abonentów da się określić następującą, prostą zależnością liniową:

gdzie t_cycle jest czasem cyklu, i liczbą urządzeń obiektowych, t_DLZ czasem przejścia przez przełącznik i t_PH czasem przebiegu na nośniku transmisji. 

Rys. 3. W strukturze liniowej czas cyklu można przedstawić w funkcji liczby abonentów

Gdy spełniony jest warunek t_Frame (t_DLZ+t_PH) i przedstawiona kolejność ramek, występuje wyżej wspomniany ?efekt ssania?. Czas rozprzestrzeniania się ramki do oddalonych abonentów jest wtedy zawsze mniejszy od t_cycle i dlatego można go pominąć w tym rozważaniu (rys. 3.). W naszym przykładzie czas cyklu t_cycle wynosi 31,5 ?s. Często muszą być przesyłane jednocześnie dane, dla których szybkość transmisji jest bez znaczenia ? na przykład w przypadku usług informatycznych bazujących na protokole IP. Konieczna jest wtedy synchronizacja w systemie i zarezerwowanie dodatkowego czasu na transmisję takich danych. W ten sposób można oddzielić wyżej opisywaną transmisję danych procesowych od transmisji danych, dla których szybkość nie ma znaczenia.

Prof. dr Jürgen Jasperneite kieruje laboratorium technik sieciowych w dziedzinie elektrotechniki i techniki informatycznej w wyższej szkole zawodowej Lippe und Höxter w Lemgo. Opublikował m.in. Bestimmung oberer Zeitschranken in Ethernet-Netzwerken. (2003).
E-mail: juergen.jasperneite@fh-luh.de