Przekraczanie granic Ethernetu

Protokół Ethernet został stworzony na potrzeby komunikacji między komputerami przy wykorzystaniu pojedynczego kabla tak, aby możliwa była prosta wymiana danych. Największą zaletą Ethernetu jest możliwość szybkiego transferu bardzo dużej ilości danych oraz dowolnej komunikacji między użytkownikami sieci.
Kiedy producenci komponentów automatyki zaczęli dostrzegać zalety Ethernetu, wielu z nich rozpoczęło badania nad możliwością implementacji tego protokołu w systemach sterowania. Standard TCP/IP Ethernetu nie był jednak ani zaprojektowany, ani nawet przystosowany do wykorzystania w tych systemach. W ten sposób rozpoczęła się dyskusja, jak wykorzystać Ethernet w zastosowaniach przemysłowych.
Ethernetowe zagadnienia
Sieci wykorzystujące oryginalny protokół Ethernet komunikują się, wysyłając i odbierając pakiety danych w postaci ramek. Dane znajdujące się w pakiecie mogą mieć rozmiar od 64 do 1055 bajtów i być przesyłane z prędkością 1 GB/s i większą. Sposób, w jaki przesyłane są dane, stanowi pierwszą barierę ku przemysłowemu zastosowaniu Ethernetu.
Ethernet został stworzony tak, aby przesyłać dużo większe ilości danych niż w sieciach przemysłowych, ale za to znacznie rzadziej. Dodatkowo Ethernet jest protokołem niedeterministycznym, co oznacza, że nadawca wysyłający dane nie może w sposób pewny określić, kiedy dane te dotrą do odbiorcy. W większości komercyjnych zastosowań – w przeciwieństwie do zastosowań przemysłowych – nie stanowi to problemu, gdyż czas dostarczenia danych nie jest aż tak istotny.
Następnym zagadnieniem przemysłowego wykorzystania Ethernetu jest problem opóźnień kojarzony często z jitterem (jitter to krótkookresowe odchylenie od ustalonych, okresowych charakterystyk sygnału; odchylenie może dotyczyć częstotliwości, amplitudy lub fazy danego sygnału – określenie to nie ma odpowiednika w języku polskim). Jitter powoduje, że nie można przewidzieć opóźnień – przesłanie tej samej ilości danych w jedną stronę może zająć 10 sekund, a w drugą 30.
Zagadnienia związane z determinizmem, opóźnieniami i jitterem to największe problemy stojące na drodze Ethernetu do przemysłu, bo choć większość sieci przemysłowych przesyła jedynie małe pakiety danych, to robi to z częstotliwością większą niż Ethernet. Dodatkowo czas dostarczenia informacji w tych sieciach jest ściśle określony.
Ważenie zalet Ethernetu
Pomimo opisanych wcześniej problemów zastosowanie Ethernetu w automatyce przynosi wiele korzyści. Choć częstotliwość transmitowania pakietów w Ethernecie jest ograniczona, to zapewnia on możliwość szybkiej wymiany danych, przydatną także w warunkach przemysłowych. Ponieważ producenci oczekują w czasie podejmowania decyzji wyczerpującej i łatwo dostępnej informacji, a Ethernet może takie informacje dostarczyć szybko, oznacza to, że decyzje będą również podejmowane szybciej. Dodatkowo implementacja Ethernetu nie jest kosztowna i możliwa w wielu wariantach dostosowanych do potrzeb.
Jedną z dużych zalet Ethernetu jest możliwość tworzenia rozproszonego systemu poprzez podział globalnej sieci na podsieci. Dzięki temu samo sterowanie zostaje również zdecentralizowane – zamiast jednego szybkiego sterownika pracującego w dużej sieci, można stosować wiele mniejszych, co często przynosi znaczne korzyści.
Nadrzędny PLC (master) wysyła komendy do lokalnych sterowników. Potwierdzają one otrzymanie informacji i realizują zadaną akcję. Po jej zakończeniu sterownik podrzędny (slave) wysyła do sterownika nadrzędnego potwierdzenie wykonania. W tej typowej konfiguracji ujawniają się jednak ograniczenia Ethernetu – wrażliwa czasowo informacja wysyłana do sterownika typu slave może zostać opóźniona ze względu na obciążenie sieci. Im jest ono większe (więcej komend) tym późniejsza jest reakcja sterownika slave.
W rozproszonym systemie automatyki sterowanie przekazywane jest ze sterownika master do sterowników slave. Każdy slave na podstawie polecenia ze sterownika master i stanu swoich wejść steruje podłączonymi do niego urządzeniami i przekazuje do głównej jednostki jedynie raporty. Chociaż raporty te obciążają sieć, to ilość przesyłanych danych jest znacznie mniejsza niż w przypadku tradycyjnejtopologii z jedną szybką jednostką CPU.
Dodatkową korzyścią ze stosowania rozproszonego sterowania jest to, że slave jest w stanie funkcjonować i poprawnie sterować obiektem, nawet jeśli połączenie z głównym CPU zostało przerwane. Jeśli połączenieto zostanie wznowione, wymiana danych master-slave zostanie wznowiona przy następnym cyklu PLC.
Pewną odmianą rozproszonego systemu automatyki jest topologia, w której dane wrażliwe czasowo przesyłane są siecią czasu rzeczywistego typu multi-master, a dane o niekrytycznym czasie doręczenia przesyłane są siecią Ethernet w topologii master-slave, w której to nadrzędna jednostka odpytuje urządzenie podrzędne.
Moduły pozwalające realizować takie połączenia pozwalają wypełnić lukę między warstwą sterowania a warstwą wymiany danych. To bardzo ciekawa propozycja dla tych, którzy mają już rozbudowaną warstwę sieciową opartą na sieci czasu rzeczywistego, a chcieliby skorzystać z zalet Ethernetu. Przy wykorzystaniu takich modułów warstwa sterowania nie zmienia się, natomiast warstwa wymiany danych realizowana jest przez Ethernet. Dzięki temu uprawnieni użytkownicy mogą obserwować, co dokładnie dzieje się z procesem, mając pewność, że nie zostanie on zakłócony. Co więcej, lokalna sieć Ethernet może być podłączona do Internetu, pozwalając na obserwację procesu z dowolnego punktu na ziemi. Należy jednak w tym przypadku pamiętać o stosowaniu mechanizmów zapewniających bezpieczeństwo nie tylko danych, ale i całego systemu sterowania.
Karie Daudt pracuje w TURCK, ma ponad 17 lat doświadczenia w pracy z przemysłowym IT i rozproszonymi systemami wejść/wyjść
Artykuł pod redakcją mgr. inż. Łukasza Urbańskiego, doktoranta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie
Przemysłowy Ethernet
Przemysłowe systemy automatyki często wykorzystują deterministyczne sieci czasu rzeczywistego, takie jak DeviceNET, PROFIBUS czy CANopen, w sterowaniu najważniejszymi elementami systemu. Widoczna jest jednak coraz większa popularność przemysłowych protokołów Ethernet pracujących w rygorze czasu rzeczywistego: EtherNet/IP, PROFINET, Modbus/TCP, EtherCAT, Powerlink. Chociaż protokoły te mają tę samą warstwę fizyczną i mogą pracować na tym samym kablu, nie ma możliwości  komunikacji między urządzeniami wykorzystującymi różne protokoły.
Obecnie nie istnieje norma opisująca wymianę danych przemysłowych z wykorzystaniem Ethernetu czasu rzeczywistego, dlatego też użytkownicy sami muszą wybrać jeden z protokołów, który będzie najlepiej odpowiadał ich wymaganiom.