Różne oblicza Ethernetu przemysłowego

Protokoły sieci przemysłowych standardu Ethernet mogą występować w postaci standardowej, czyli bez modyfikacji lub zmodyfikowanej – w celu zwiększenia ich niezawodności w szczególnie wymagających aplikacjach. Dlatego propagatorzy sieci ethernetowych wskazują na różne perspektywy ich rozwoju: zależnie od oczekiwań użytkowników i rodzaju aplikacji. 
Standard Ethernet coraz częściej charakteryzuje się specjalnie wzmocnionymi urządzeniami sieciowymi i bardziej niezawodnym oprogramowaniem, dostosowanym do użycia w tzw. aplikacjach krytycznych. Ulepszenia dotyczą przede wszystkim kwestii bezpieczeństwa danych, ale także fizycznej warstwy sieci. Spotykamy się ze specjalnie wzmocnionymi konstrukcyjnie złączami, kablami i przełącznikami. W oprogramowaniu obsługującym standard Ethernetu przemysłowego pojawiają się dodatkowe narzędzia w warstwie aplikacyjnej. Takie funkcjonalności, jak priorytety czy szeregowanie zadań, zwiększają bezpieczeństwo i pewność wymiany danych. 
Ogłoszony w roku 1983 standard Ethernet (IEEE 802.3 – pierwotnie tylko do zastosowań biurowych) kontynuuje, zwłaszcza w ostatnich latach, ekspansję w branży przemysłowej. W latach 2006-2008 w zasadzie wszystkie bazujące na tym standardzie protokoły wykazały ciągły wzrost zastosowań (patrz: wykres 1.). A to oznacza, że standard Ethernet staje się powoli standardem sieci lokalnej LAN. Choć początkowo był bazą prostych i – co warto podkreślić – często zawodnych sieci wymiany danych, obecnie zapewnia niezawodną, szybką i tanią komunikację z transmisją na poziomie 10/100/1 000 Mb/s, a w perspektywie 10 Gb/s.
– Jednym z powodów tak szerokiej ekspansji standardu Ethernet w aplikacjach biurowych i przemysłowych jest nie do końca trafne przekonanie użytkowników, że Ethernet oznacza w każdym przypadku ten sam rodzaj sieci komunikacyjnej, która niejako łączy w sobie różne standardy sieciowe – zauważa Jeremy Bryant z Siemens Energy & Automation. – Dla niektórych osób w pojęciu tym zawierają się również niektóre elementy sprzętowe, jak np. switche. To jednak nieprawda. Nie ma standardu sieciowego obejmującego sobą wszystkie elementy sieci, jak: protokół, sprzęt, aplikacje programowe itd.
Definicja hasła „Ethernet” obejmuje sobą system kablowy, przeznaczony do transmisji danych pomiędzy połączonymi w sieci urządzeniami. Jak podkreśla Jeremy Bryant, w protokole ISO/OSI standard Ethernet to tylko dwie najniższe warstwy 1. i 2., podobnie jak w popularnym w przemyśle standardzie komunikacji szeregowej RS-485. O ich przydatności komunikacyjnej decydują warstwy położone wyżej, bez których Ethernet to tylko „piękna niemowa”. 
Obecnie na rynku dostępnych jest już kilka systemów komunikacji przemysłowej, które bazują na standardzie Ethernet. Do wspierania większości protokołów przemysłowych i realizowania zadań w czasie rzeczywistym wymagają zwykle dedykowanego oprogramowania do obsługi warstwy 3. i wyższych w modelu ISO/OSI oraz niewielkich modyfikacji sprzętowych w zakresie dostępu do medium komunikacyjnego. Odpowiednie aplikacje są przesyłane do platform sprzętowych, które bazują na procesorach DSP lub programowalnych układach logicznych FPGA, które umożliwiają dobór platformy procesorowej, ustawienie wymaganych opcji i umożliwiają bardziej elastyczne dostosowanie protokołu komunikacyjnego do konkretnych aplikacji. 
„Niestandardowy” standard
Podstawowy protokół standardu Ethernet nie jest w stanie spełnić wymogów aplikacji automatyki przemysłowej. Dlatego też wszystkie protokoły tzw. Ethernetu przemysłowego (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT itd.) stanowią swego rodzaju rozwinięcie klasycznego standardu IEEE 802.3. Innymi słowy: bazują na standardzie IEEE 802.3. Nie można jednak nazywać ich standardami komunikacyjnymi, ponieważ formalnie nie utworzono jeszcze takiej grupy standardów.

– Oprogramowanie obsługujące urządzenia sieciowe dla wymagających aplikacji przemysłowych musi przede wszystkim wspierać obsługę danych w czasie rzeczywistym, działać niezawodnie i przewidywalnie – podkreśla Lee House, wiceprezes GarrettCom. 
Zapewnienie ciągłej aktualizacji danych i niezawodnego funkcjonowania systemu komunikacji wymaga stosowania protokołów redundantnych, odpornych na błędy powstające w oprogramowaniu i spełniających bardzo wysokie wymagania testowe. Warto również pamiętać, że komercyjny sprzęt sieciowy dedykowany jest dla popularnych aplikacji sieci biurowych itp. Z kolei urządzenia sieciowe do zastosowań przemysłowych muszą pozwalać również na obsługę aplikacji krytycznych oraz starszych protokołów komunikacyjnych, wciąż poprawnie funkcjonujących w niektórych aplikacjach.
– Z tych też względów nie jest możliwe opracowanie jednego, uniwersalnego protokołu sieci przemysłowych, który bazuje na standardzie Ethernet – wyjaśnia Irene Bearly z National Instruments.
Użytkownicy systemów sieciowych muszą każdorazowo pójść na pewien kompromis pomiędzy interoperacyjnością systemu, determinizmem czasowym i szybkością transmisji.
Protokoły Ethernetu przemysłowego można podzielić na trzy kategorie:

  • bez zachowania czasu rzeczywistego – protokoły zapewniające największą otwartość komunikacyjną i możliwość połączenia z sieciami komercyjnymi, jednakże przy dłuższych czasach odpowiedzi systemu sterowania; 
  • czasu rzeczywistego – wykorzystuje się w nich specjalne moduły optymalizujące strukturę i konfigurację ścieżek komunikacyjnych w sieci, w celu minimalizacji czasów cykli wymiany danych oraz funkcje priorytetów przesyłanych pakietów danych (np. IEEE 802.1D/Q – QoS) itp., przykładem mogą być protokoły EtherNet/IP i Profinet RT; 
  • tzw. „ścisłego” czasu rzeczywistego (hard real-time) – wykorzystuje się w nich dedykowany sprzęt sieciowy w samych urządzeniach oraz modułach switchy sieciowych lub całkowicie eliminuje się takie przełączniki, stosując tzw. połączenia łańcuchowe (daisy chain); sieci takie przeznaczone są do obsługi bardzo szybkich aplikacji napędowych, a ich przykładem mogą być protokoły EtherCAT i Profinet IRT.

Dla każdej z kategorii pokazano schematyczny rozkład warstw stosu protokołu na rysunku 1. 
– Wspomniane osiągnięcia technologiczne w protokołach Ethernetu przemysłowego wskazują na olbrzymi postęp w tej dziedzinie komunikacji w stosunku do czasów sprzed kilku lat, kiedy to detekcja kolizji komunikatów oraz brak determinizmu czasowego praktycznie eliminowały standard Ethernet z zastosowań przemysłowych – stwierdza Mike Hannah z firmy Rockwell Automation.
Rozmówca Control Engineering podkreśla, że usprawnienia technologiczne protokołów, takie jak: zwiększenie przepustowości, mechanizmy priorytetów pakietów danych i wprowadzenie dedykowanych switchy dla aplikacji przemysłowych, uczyniły standard Ethernet rozwiązaniem realnym do zastosowania w przemyśle, a nawet stworzenia jednolitej sieci wymiany danych w całych przedsiębiorstwach. 
– Aplikacje przemysłowe nakładają szczególne obostrzenia w zakresie zapewnienia determinizmu czasowego komunikacji danych, tak aby docierały one do odbiorcy w określonym czasie – zwraca uwagę Chuck Lukasik, reprezentujący Stowarzyszenie Partnerów CC-Link. – Bez zachowania determinizmu praktycznie niemożliwe jest zachowanie wysokiej jakości produkcji. Inżynierowie automatycy i kontroli jakości bazują w swych działaniach na tych mechanizmach. Polegają całkowicie na sieci komunikacyjnej, która powinna zagwarantować im precyzyjną i szybką wymianę danych w ich systemach sterowania maszynami oraz pomiędzy ich systemem a systemem nadrzędnym wymiany danych w przedsiębiorstwie.
Chuck Lukasik dodaje, że pomimo podejmowania licznych prób adaptacji klasycznego, komercyjnego protokołu Ethernet do obsługi aplikacji przemysłowych jego niedeterministyczna natura i możliwe do stosowania niezabezpieczone media transmisyjne nie zapewniają odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa i niezawodności wymiany danych, niezbędnych we współczesnych systemach automatyki przemysłowej. Klasyczny, niemodyfikowany Ethernet dopuszcza możliwość powstania kolizji pakietów danych w sieci, ich wykrycia i na tej podstawie podejmowania prób ponownej transmisji danych. W związku z tym nie jest możliwe zagwarantowanie determinizmu transmisji bez stosowania specjalnych switchy, które komplikują strukturę sieci wymiany danych. 
Dla zapewnienia szybkiej wymiany danych w czasie rzeczywistym opracowano m.in. protokół CC-Link IE Gigabit Ethernet. Zoptymalizowany został pod kątem determinizmu komunikacji bez konieczności włączania dodatkowych switchy, ale z zarządzaniem warstwą fizyczną sieci.
Dla zapewnienia ciągłej komunikacji danych w środowisku przemysłowym jako medium transmisyjne powinno się stosować przewody światłowodowe. Determinizm czasowy komunikacji w protokole CC-Link IE zagwarantowano poprzez technikę komunikacji z przekazywaniem znacznika (tzw. żetonu). Dla typowej sieci składającej się z 32 węzłów sieciowych (sterowniki, mikrokontrolery, interfejsy HMI itp.), z których każdy transmituje pakiet 4 kilobitów danych, a więc w sumie jednocześnie 128 kilobitów, zajmuje to niecałe 60 mikrosekund. Wszystkie węzły połączone są włóknami światłowodowymi tworzącymi zamkniętą pętlę, znacznie rzadziej w topologii gwiazdy. W jednej sieci może być połączonych w ten sposób do 120 węzłów. Rozkład warstw stosu protokołu CC-Link IE przedstawiono na rysunku 2. 

Profinet: czynniki sprzyjające osiągom
O ile niejednokrotnie o doborze odpowiedniego sprzętu sieciowego decydują czynniki środowiskowe, o tyle w kwestii osiągów i parametrów technicznych samej sieci komunikacyjnej często decydują pewne kwestie i priorytety związane z osiągami danej technologii wymiany danych. Popularny w automatyce przemysłowej protokół Profinet bazuje na czterech czynnikach technologicznych: TCP/IP, czasie rzeczywistym, rezerwacji pasma i szeregowaniu zadań. Są one obecnie nieodłącznym elementem specyfikacji technicznej protokołu Profinet we wszystkich jego odmianach. Stanowią o jego wysokiej wydajności, szybkości i osiągach parametrycznych. Protokół TCP/IP stosowany jest w konfiguracji i diagnostyce komunikacji. W celu eliminacji opóźnień i zachwiań transmisji danych, charakterystycznych dla protokołów TCP/IP i UDP/IP, zdecydowano się na całkowite pominięcie w protokole Profinet warstw 3. i 4. Skupiono uwagę na funkcjonalnościach warstw 1., 2. i 7. Dzięki temu uzyskano czasy reakcji układów We/Wy na poziomie poniżej pojedynczych milisekund. Jeżeli czasy takie okazują się niewystarczające dla poprawnego działania aplikacji (np. precyzyjne sterowanie napędami), stosuje się wówczas dodatkowo wspomniane już rezerwowanie pasma transmisyjnego oraz szeregowanie zadań. 
EtherNet/IP: bez modyfikacji
Międzynarodowa organizacja użytkowników standardów sieci przemysłowych ODVA zaproponowała podejście do zastosowań standardu Ethernet w przemyśle wprost, bez jego większych modyfikacji. Istniejący na rynku standard EtherNet/IP to klasyczny przykład adaptacji protokołu CIP (Common Industrial Protocol) do technologii TCP/IP w połączeniu ze standardem IEEE 802.3 i klasyczną infrastrukturą sieciową Ethernetu.

– Elastyczność w tworzeniu klasycznych sieci Ethernet pozwala użytkownikowi końcowemu na wykorzystanie pełni możliwości funkcjonalnych współczesnych sieci Ethernet i Internet, na przykład zastosowania komunikacji z urządzeniami sieciowymi poprzez strony WWW – mówi Katherine Voss, dyrektor wykonawczy przy organizacji ODVA. – Dzięki całkowitemu oparciu systemu komunikacji na rozwiązaniach Ethernetowych użytkownik otrzymuje system sieciowy otwarty na wszelkie nowinki technologiczne, tworzone zarówno w świecie zastosowań komercyjnych standardu Ethernet, jak też jego przemysłowej odmiany.
W opinii Katherine Voss przy budowaniu urządzeń sieciowych dla takiego systemu nie jest konieczny ani specjalistyczny sprzęt, ani oprogramowanie. Dzięki temu w ramach modułów sprzętowych mogą dobrze współistnieć również inne protokoły komunikacyjne, jak chociażby Modbus TCP. Wszelkie próby tworzenia firmowych, niestandardowych systemów sieciowych wymagają specjalizowanego sprzętu i/lub oprogramowania do ich poprawnego funkcjonowania i możliwości ewentualnej współpracy z modułami innych standardowych systemów sieciowych. Standard EtherNet/IP pozwala na integrację sieci sterowania z klasycznymi sieciami Ethernet, stosowanymi powszechnie w zakładowych systemach MES czy: ERP, kontroli jakości, diagnostyki, analiz itp.
– W ten sposób oszczędza pieniądze użytkownika i pozwala mu na swobodne, pełne korzystanie z dobrodziejstw rozwiązań sieciowych – konkluduje przedstawicielka ODVA.
Zarówno dla użytkowników końcowych, jak też projektantów budujących urządzenia sieciowe, organizacja ODVA udostępnia wyniki badań i testów, które wskazują, jakie typy klasycznych sieci Ethernet mogą być stosowane w warunkach przemysłowych tak, aby tworzona w oparciu o nie sieć działała niezawodnie i funkcjonalnie.  
Mark T. Hoske  
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie