Czy gigabitowy Ethernet wpłynie na wydajność sieci przemysłowej?

Wciąż rośnie popularność sieci przemysłowych bazujących na standardzie Ethernet. Jednak w pewnych szczególnych aplikacjach nie sprawdzają się. Czy Ethernet gigabitowy wyeliminuje te niedoskonałości? A może będzie kolejnym rozwiązaniem systemowym, które omija rzeczywiste problemy, znamienne dla sieci sterowania w części aplikacji przemysłowych?
Konstruktorzy maszyn, producenci przemysłowi i integratorzy systemów sieciowych mogą obecnie korzystać z wielu dostępnych na rynku standardów dedykowanych dla automatyki przemysłowej, bazujących na standardzie Ethernet. Większość z nich oferuje szybkość transmisji danych na poziomie 100 Mbit/sek lub działa w oparciu o ideę tzw. szybkiego Ethernetu. W zależności od specyfiki konkretnego protokołu komunikacji parametry te mogą różnić się od znamionowych i komunikacja jest w rzeczywistości wolniejsza. W ostatnim czasie coraz częściej mówi się o możliwości wykorzystania w aplikacjach przemysłowych standardu Ethernetu gigabitowego (1 Gbit/sek.). Czy okaże się on antidotum na wspomniane bolączki, czy w rezultacie końcowym wyprze standardowe sieci ethernetowe? Czy przejście na standard Ethernetu gigabitowego wiąże się zawsze z dodatkowymi kosztami? Czy warto je ponieść i gdzie decydować się na zastosowanie tego standardu? Pytania te mają zasadniczy wydźwięk dla wszystkich, którzy na co dzień użytkują lub instalują systemy automatyki przemysłowej bazujące na standardach ethernetowych. W niektórych kręgach branżowych, dostawców i integratorów panuje przekonanie, że standard Ethernetu gigabitowego charakteryzują przede wszystkim wyższe koszty, a zarazem różne ograniczenia technologiczne, stawiające pod znakiem zapytania jego przydatność w niektórych aplikacjach automatyki przemysłowej. Na rynku są już bowiem dostępne sieci Ethernetu 100 Mbit/sek, sprawdzone i usprawnione pod kątem zapewnienia jak najlepszych parametrów pracy i szybkości w aplikacjach przemysłowych. Pozwalają one na uniknięcie wielu błędów i niedoskonałości, które z kolei charakteryzują nowatorski standard Ethernetu gigabitowego.
W niniejszym tekście przedyskutowano najistotniejsze korzyści i wyzwania dotyczące zastosowań omawianych standardów ethernetowych w odniesieniu do aplikacji sterowania i monitoringu w przemyśle. Wiele uwagi poświęcono aspektom technicznym, tak by wspomóc proces decyzyjny użytkowników, konstruktorów i integratorów.
Ethernet zyskuje popularność
Nie ulega wątpliwości, że w ostatnich kilku latach wykorzystanie standardu Ethernet w sieciach lokalnych/obiektowych w aplikacjach przemysłowych osiągnęło dość znaczący poziom, zyskując akceptację środowisk automatyków i użytkowników końcowych. Dzięki niemu mają oni możliwość korzystania i integracji w systemie sterowania wielu funkcjonalności i technologii dostępnych już od dawna w popularnych sieciach teleinformatycznych na poziomie aplikacji zarządzania i biznesu: standardowe okablowanie sieciowe wraz z infrastrukturą, jednolity protokół komunikacji oraz, co najważniejsze, wysoką szybkość transmisji i przepustowość kanałów danych. W zastosowaniach przemysłowych przekładają się one na przebiegającą w okresach milisekundowych komunikację z tysiącami czujników i elementów wykonawczych – sterowników, modułów I/O, sterowników napędów itp. Ponadto pracownicy grup serwisowych i sektora IT korzystają z tych samych zasad i reguł organizacji systemów transmisji danych, ich obróbki i analizy zarówno w odniesieniu do urządzeń teleinformatycznych, jak i modułów w aplikacjach przemysłowych na poziomie obiektowym. Trzeba jednak pamiętać, że sieć standardu Ethernet działająca w środowisku aplikacji przemysłowych może w niektórych przypadkach charakteryzować się odmiennymi, nieco niższymi parametrami funkcjonalnymi niż w przypadku klasycznych sieci teleinformatycznych. Dlaczego tak się dzieje?

Pierwszym czynnikiem determinującym jest fakt, że standard Ethernet od swego zarania tworzony był i optymalizowany pod kątem zastosowań w sieciach teleinformatycznych, ukierunkowanych na transmisję dużych pakietów i zasobów danych cyfrowych, takich jak strony WWW, grafika, arkusze kalkulacyjne, pliki tekstowe, multimedia. W tego typu zastosowaniach sprawdza się on najlepiej. Aplikacje przemysłowe i obsługa dedykowanych dla nich modułów ma jednak zupełnie odmienną specyfikę, wiąże się bowiem z koniecznością przesyłania bardzo małych pakietów informacji – pojedynczych bitów i bajtów, z danymi z czujników, enkoderów, modułów I/O, sterowników, sygnałów zał/wył itp. Tymczasem zgodnie z zapisami standardu IEEE 802.3 każda ramka danych w sieciach Ethernet musi obejmować przynajmniej 84 bajty, tak by obsłużyć wysłanie danych i potwierdzenie zwrotne ich otrzymania (np. wysłanie danych ze sterownika do urządzenia oraz potwierdzenie zwrotne z urządzenia o przyjęciu danych i realizacji zapisanego w nich zadania). W efekcie pasmo transmisji jest zajęte znacznie dłużej przez dane nieistotne z punktu widzenia funkcjonalności systemu, a wynikające z konieczności utrzymania przyjętego standardu komunikacji.
Ethernet gigabitowy – antidotum?
Niektórzy ze specjalistów branżowych rozpoczęli w ostatnich kilku latach akcję propagowania idei wdrożenia standardu Ethernetu gigabitowego jako technologii przyszłości w aplikacjach przemysłowych. Motywując swe wskazania, bazują oni zwykle na dwóch podstawowych założeniach:
Większość protokołów Ethernet 100 Mbit jest zbyt wolna i zawodna do zastosowań w systemach sterowania aplikacjami przemysłowymi. Niestety wiele z tego typu protokołów wykazuje się bardzo niskim parametrem odświeżania danych (na poziomie 10 ms i większych), co w znaczącym stopniu utrudnia lub wręcz uniemożliwia realizację większości procedur synchronizacyjnych, tak istotnych w sterowaniu skomplikowanymi i precyzyjnymi procesami. Cóż zatem zrobić, by standard sprostał tym zadaniom? Zasadniczo podejście jest proste – można zastosować standard z większą szybkością transmisji danych. Na zasadzie implementacji większego silnika do maszyny, która jest bardziej obciążana. Ale czy taka filozofia jest słuszna?
W systemach charakteryzujących się niską wydajnością efekt przynosi zwiększenie szybkości. W takiej sytuacji z pomocą przychodzi standard gigabitowy, nie prowadzi to jednak do rozwiązania zasadniczych kwestii, które sprawiają, że standardy ethernetowe są z zasady zbyt wolne dla zastosowań w aplikacjach przemysłowych. Podobnie jak w samochodzie – nie zawsze włożenie do niego większego i mocniejszego silnika powoduje oczekiwany przyrost prędkości i wzrost komfortu użytkowania. Ważna jest również konstrukcja, wytrzymałość elementów itp. To samo odnosi się do rozwiązań sieci automatyki. Zmiana standardu komunikacji na dysponujący tak wysokimi parametrami transmisji wymaga dopasowania infrastrukturalnego. Dlatego też przede wszystkim nie powinno się zadawać pytania: czy powinniśmy za wszelką cenę decydować się na wdrożenie standardu gigabitowego, ale pytanie: dlaczego ekspansja i wdrożenia technologii Ethernetu gigabitowego postępuje znacznie wolniej, niż można by się tego spodziewać, porównując ją z tempem wdrożenia standardu 100 Mbit?
Czy jesteśmy gotowi?
Technologiczne korzyści z zastosowania standardu Ethernetu przemysłowego są niezaprzeczalne. Jest jednak sporo kwestii i czynników, które każą zastanowić się nad koniecznością i tempem jego wdrażania w konkretnych aplikacjach przemysłowych. Poniżej przestawiono kilka z nich:
 Wiele protokołów komunikacyjnych w systemach przemysłowych, bazujących na standardzie Ethernet, boryka się z problemami związanymi z opóźnieniami w wyniku powstających tzw. stosów zadań/telegramów oraz opóźnieniami sprzętowymi wprowadzanymi przez moduły systemowe. Część z tego typu protokołów powstała jako swoista hybryda standardu TCP/IP z popularnymi w przemyśle standardami komunikacji sieciowej. Przykładem mogą być powstałe rozwiązania – Modbus/TCP, EtherNet/IP. Trzeba mieć świadomość, że tego typu standardy wymagają ciągłej pracy jednostki CPU obsługującej protokół w modułach przyłączanych do sieci, wraz z dodatkowymi, aktywnymi modułami systemowymi (np. switche), które spowalniają funkcjonowanie sieci, transmisji oraz zwiększają koszt jej wykonania, implementacji. Jednak chyba największą bolączką tego typu systemów w zastosowaniach przemysłowych jest fakt, że w bardzo dużym stopniu ograniczenie ich szybkości zależy bezpośrednio od samej konstrukcji kolejnych warstw modelu protokołu oraz opóźnień spowodowanych przez niezbędne moduły systemowe infrastruktury sieciowej (switche, routery itp.), których nie może zniwelować sama, choćby największa dopuszczalna prędkość transmisji medium komunikacyjnego. Informacje marketingowe publikowane zaraz po wstępnym opracowaniu protokołu Ethernetu gigabitowego, a dotyczące szybkości jego funkcjonowania, utwierdziły wiele osób ze środowiska automatyków przemysłowych w przekonaniu, że będzie ona 10-krotnie większa w stosunku do standardu Ethernetu 100 Mbit. Z czasem informacje te weryfikowano a wręcz stopniowo anulowano, jednak w świadomości większości ludzi funkcjonują nadal. Okazało się bowiem, że w rzeczywistych aplikacjach, po uwzględnieniu wspomnianych wcześniej parametrów pracy modułów systemowych i konstrukcji samego modelu protokołu TCP/IP, zwiększenie prędkości transmisji wynosi jedynie ok. 30%, a jej uzyskiwany poziom wciąż pozostaje daleko w tyle za niektórymi protokołami dedykowanymi do komunikacji na poziomie obiektowym. Jest tak dlatego, że czynnikiem determinującym rzeczywistą szybkość transmisji niejest maksymalna szybkość przesyłu danych w medium komunikacyjnym, ale, jak już wspominano, ograniczenia wprowadzane przez elementy infrastruktury.
Standard Ethernet do przemysłowych sieci obiektowych wiąże się z reguły z koniecznością wprowadzenia nowych wersji stosowanych dotychczas w nich protokołów, przy jednoczesnym zachowaniu ich kompatybilności ze starszymi wersjami. Wprowadza to dodatkowe komplikacje i przy błędnym przeprowadzeniu odpowiednich procedur może skutkować brakiem kompatybilności czy ograniczeniem bezpieczeństwa danych w sieciach. Zasadniczo każda zmiana w standardowych protokołach sieci przemysłowych może być przyczyną istotnych zmian w ich funkcjonowaniu, które są trudne do opanowania ze strony dostawców, użytkowników i integratorów tego typu systemów. Przykładowo warto wyobrazić sobie zakład, firmę, która korzysta z sieci automatyki określonego standardu. Jej załoga przeszła przez serię odpowiednich szkoleń, dostosowano zakładową infrastrukturę sprzętową do tego właśnie standardu, niejednokrotnie opracowując specjalne, dedykowane dla niektórych z nich moduły sterujące lub monitorujące. W momencie wprowadzenia nowego, zmodyfikowanego standardu komunikacji, konieczna może się okazać zmiana całej strategii funkcjonowania takiego zakładu, wymiana urządzeń, ponowne szkolenie pracowników itd. Korzystanie z istniejącej dotąd infrastruktury może zostać znacznie ograniczone lub stać się wręcz niemożliwe. Może się pojawić konieczność wprowadzenia nowego oprogramowania, nowych urządzeń, nowych modułów, wraz z ich przetestowaniem i weryfikacją funkcjonowania w rzeczywistych aplikacjach.
W rzeczywistości działania te w zasadzie nie różnią się niczym od tych wymaganych przy rozwoju i wprowadzeniu nowych produktów. Jednakże, jeżeli celem jest wprowadzenie zupełnie nowych standardów w komunikacji i znaczące zwiększenie szybkości transmisji danych w systemach obiektowych wraz z ułatwieniem ich integracji z systemami nadrzędnymi, podjęcie takich działań jest konieczne.
Rozwiązanie problemów praktycznych
O ile obecnie zastosowanie w przemyśle standardu Ethernetu przemysłowego napotyka na wiele ograniczeń, nie oznacza to, że z idei tej należy rezygnować. Wręcz przeciwnie – wydaje się ona już dziś przyszłością tej branży. Dlatego też warto zwrócić uwagę na najważniejsze kwestie konieczne do rozwiązania przy praktycznych wdrożeniach Ethernetu gigabitowego w rzeczywistych aplikacjach przemysłowych. Oto kilka z nich:
Urządzenia dedykowane do pracy w standardzie gigabitowym zużywają zwykle sześciokrotnie więcej energii w stosunku do podobnych modułów standardu 100 Mbit. W związku z tym wytwarzają też więcej ciepła, które musi być odprowadzone. Pojawia się zatem problem rozwoju odpowiednich technik zarządzania dużą ilością ciepła; wzrasta też cena modułów ze względu na implementacje drogich elementów chłodzenia aktywnego i pasywnego.
Kwestia ta często jest pomijana i bagatelizowana. Okazuje się jednak, że np. projektując obudowy do nowych modułów standardu gigabitowego, producenci tych urządzeń muszą odpowiednio zwiększyć ich gabaryty w stosunku do modułów przeznaczonych do sieci 100 Mbit oraz stosować nowsze techniki chłodzenia. Wiąże się to oczywiście ze wzrostem kosztów produkcji oraz koniecznością rezerwacji większych przestrzeni w miejscach lokalizacji modułów, przy maszynach lub w szafach sterowniczych.
Kable dedykowane dla Ethernetu gigabitowego wymagają użycia czterech par przewodów zamiast dwóch, jak to ma miejsce w sieciach 100 Mbit, co komplikuje samą instalację kanałów transmisji danych. Kable gigabitowe są znacznie trudniejsze w tzw. terminowaniu (obróbka, elementy łączeniowe), wymagają zastosowania nowych narzędzi, przez co wzrasta czas niezbędny do przeprowadzenia procesu instalacji. To kolejna poważna kwestia, która musi być rozważona przy podejmowaniu decyzji o przejściu na nowy standard komunikacji w sieciach automatyki przemysłowej.
Transmisja w sieciach Ethernetu gigabitowego jest znacznie bardziej podatna na wpływ zewnętrznych zaburzeń występujących powszechnie w środowisku przemysłowym (zaburzenia elektromagnetyczne, wyładowania elektrostatyczne). Ze względu na wykorzystywanie większej liczby żył w przewodach oraz większej liczby poziomów sygnałów w stosunku do sieci megabitowych, szczególną uwagę należy poświęcić projektowaniu urządzeń, złączy oraz samych przewodów, tak by zapewnić bezpieczną transmisję danych, bez wpływu sygnałów zewnętrznych. Istotne jest dobre uziemienie i odprowadzenie napięć i prądów indukowanych w liniach transmisyjnych oraz dobór samych kabli, złączy, terminatorów itp.
Skoro technologia Ethernetu gigabitowego wymaga uwzględnienia tak istotnych kwestii utrudniających jej bezpośrednią implementację, jakie czynniki mogą przekonać użytkowników systemów automatyki do podjęcia kroków w kierunku jej wdrożenia? Czy wybrać Ethernet gigabitowy czy raczej sprawdzony 100-mbitowy? Na jakie parametry, czynniki zwrócić największą uwagę, wybierając konkretny standard bazujący na rozwiązaniach ethernetowych IP? Oto kilka najważniejszych:
Wydajność. Technologie szybkiego Ethernetu 100 Mbit oferują bardzo wysokie szybkości transmisji, oczywiście tylko wtedy, gdy są prawidłowo wdrożone i zainstalowane. Dzięki jednolitości standardu systemy takie mogą być znacznie łatwiej integrowane z systemami nadrzędnymi, trzeba jednak pamiętać, że w zastosowaniu do danych przemysłowych sieci IP charakteryzuje znacznie niższy stopień wykorzystania dostępnego pasma transmisji (rysunek 1). Każdy standard automatyki przemysłowej który do przesłania pojedynczej informacji potrzebuje pełnej ramki telegramu protokołu IP, działa bowiem wysoce nieefektywnie – korzystając z oferowanej dostępności pasma transmisji w ok. 5%!
Eliminacja „zatorów” w systemie. Do typowych obszarów, gdzie transmisja w standardzie Ethernet może ulegać spowolnieniu, należą: moduły systemowe działające w trybie Slave, switche, huby, routery. Większość tego typu urządzeń działa jak bufor – odbiera pełną ramkę telegramu z danymi, zatrzymuje ją i dopiero potem przesyła dalej.
Komunikacja sprzętowa. Warto zwrócić uwagę na rozwiązania alternatywne w stosunku do sprzętu bazującego na skomplikowanych układach CPU, współpracujących z dużymi pamięciami RAM przechowującymi dane. Z pomocą przychodzą tu technologie wysoce wydajnych układów FPGA czy ASIC. Dzięki nim szybkość działania całego systemu nie musi być determinowana przez jeden układ, działający według wspomnianych wcześniej klasycznych reguł. Ponadto rozwiązania sprzętowe obsługujące warstwy protokołu komunikacji działają zwykle szybciej i bardziej niezawodnie, niż oferowane algorytmy programowe.
Technologia na dziś
Podsumowując, standard Ethernetu gigabitowego w sieciach automatyki przemysłowej to niewątpliwie rozwiązanie przyszłości wskazujące trend rozwojowy tej branży. Jednakże obecnie wdrożenie tego standardu w praktycznych aplikacjach przysparza sporo problemów i wymaga dodatkowych nakładów finansowych oraz czasowych, nie zawsze współmiernych do korzyści oferowanych przez samą technologię w stosunku do innych rozwiązań systemowych. Stąd bardziej rozsądnym wydaje się wybranie jednego z popularnych już standardów 100 Mbit – wydajnych, sprawdzonych, opłacalnych. Jednym z przykładowych może być standard EtherCAT, który dzięki wprowadzonym w nim zaawansowanym mechanizmom efektywnego wykorzystania pasma transmisji (komunikacja między wieloma węzłami sieci z wykorzystaniem tylko jednej standardowej ramki telegramu IP), pozwala na obsłużenie bardzo wymagających urządzeń automatyki, takich jak wieloosiowe układy serwomechanizmów i napędów z precyzyjną regulacją prędkości.
Omawiane rozwiązanie umożliwia skomunikowanie nawet 1000 rozproszonych punktów I/O w ciągu 30 µs, tworzenie praktycznie nieograniczonych konfiguracyjnie systemówsieciowych, przy jednoczesnym zachowaniu integralności z systemami nadrzędnymi wysokiego poziomu, ponieważ wciąż jest to standard bazujący na protokole IP. Dzięki standardowi EtherCAT można zastąpić kosztowne systemy ethernetowe z topologią star, strukturami typu linia-drzewo, dla których moduły sieciowe i systemowe są znacznie tańsze. Wszystkie moduły mogą być zintegrowane za pomocą tradycyjnych switchy. Ponadto nie są wymagane indywidualne adresy IP dla poszczególnych węzłów w sieci. Możliwe jest również wprowadzenie znaczników czasowych oraz tzw. nadpróbkowania, dzięki czemu uzyskuje się precyzyjne przesyłanie danych w ustalonych odstępach czasowych. Wszystkie wymienione argumenty, przedstawione wnioski analiz korzyści i trudności wskazują, że obecnie lepiej decydować się jeszcze na wdrożenie systemów standardu 100 Mbit niż wymagających dodatkowych działań systemów Ethernetu gigabitowego.
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE