Aktuální vydání

celé číslo

10

2019

Automatizace v chemii a petrochemii

Hladinoměry

celé číslo

Ethernet v průmyslové automatizaci

Automa 7/2000

doc. Ing. František Zezulka, CSc., Ing. Petr Fiedler,
Ústav automatizace a měřicí techniky, FEI VUT v Brně

Ethernet v průmyslové automatizaci

Příspěvek pojednává o různých aspektech trendu pronikání technologie Ethernet do průmyslové automatizace. V první části je stručně popsána technologie Ethernet, která je nejrozšířenějším komunikačním prostředkem sítí typu LAN. V další části se autoři zabývají nejvýznamnějšími průmyslovými komunikačními sběrnicemi (fieldbus) v porovnání s technologií Ethernet, hodnotí šance Ethernetu v roli průmyslové sběrnice a specifikují podmínky příslušné transformace. Docházejí k závěru, že v nejbližší době  nebudou vytlačeny stávající průmyslové sběrnice technologií Ethernet. V závěrečné kapitole jsou uvedeny řídicí a komunikační struktury kombinující technologii Ethernet s některými průmyslovými sběrnicemi.

1. Úvod
V oblasti kancelářských aplikací výpočetní techniky se během posledních asi patnácti let vytvořily přirozenou cestou tyto standardy:

Obr. 1.

  • PC jako jednotná počítačová architektura,
  • Microsoft Windows jako operační systém,
  • síť Ethernet jako technický prostředek komunikace,
  • TCP/IP jako protokol spodních vrstev komunikačního modelu,
  • internetové technologie jako prostředí různých druhů aplikací.

Podobná standardizace by přinesla výhody i v oblasti automatizace v průmyslu (dále jen automatizace).

Jinými slovy, jestliže by se uvedené standardy de facto důsledně použily jednotným způsobem při průmyslovém řízení, přinesl by tento vývoj průmyslové výrobě značné výhody. Při stále rostoucím tlaku na cenu projektů a implementací automatizace si průmysl nebude moci již dlouho dovolovat používat systémy, které jsou vyvinuty právě a jen pro účely automatizace. Jedním z projevů tohoto trendu jsou vážné a stále častěji se vyskytující snahy nabídnout v oblasti průmyslové komunikace poslední tři zmíněné standardy, totiž Ethernet, TCP/IP a internetové technologie jako komunikační systém mezi PLC, snímači a akčními členy ve výrobních zařízeních a provozech a operátorskou úrovní řízení. V odborných kruzích ve vyspělých zemích se o budoucnosti Ethernetu v automatizaci vede bouřlivá diskuse, která v posledním roce zesílila a je provázena nárůstem počtu řídicích systémů a vzdálených periferií přímo napojených na Ethernet. Tento vývoj ukázal veletrh v Hannoveru v dubnu 1999 a potvrdila jej Interkama 99 v říjnu v Düsseldorfu i veletrh SPS/IPC/Drives v listopadu v Norimberku. Zastánci Ethernetu předpokládají, že se tato komunikační technologie, léta velmi úspěšně používaná v sítích typu LAN, rozšíří také do oblasti, ve které zatím dominují roztříštěné aktivity kvazistandardů i standardů průmyslových sběrnic (průmyslových sítí). Abychom mohli lépe posuzovat tuto problematiku, je nutné si zopakovat vlastnosti jednotlivých řešení.

2. Ethernet
Ethernet je sériová sběrnice vyvinutá na konci 70. let firmou Xerox. Vychází ze specifikace IEEE 802.3 pro fyzickou vrstvu a doplňuje ji o specifikaci linkové vrstvy, a to zejména její horní podvrstvy, definující LLC. Dolní podvrstva linkové vrstvy, definující způsob přístupu k přenosovému médiu (MAC), je u Ethernetu i u IEEE 802.3 charakteristická nedeterministickou přístupovou metodou CSMA/CD. Zatímco specifikace IEEE 802.3 vymezuje několik variant fyzické vrstvy, Ethernet původně využíval jen jednu specifikaci, pro kterou jsou charakteristické přenosová rychlost 10 Mb/s, přenos v základním pásmu, délka segmentu do 500 m, topologie sběrnice a tlustý koaxiální kabel s charakteristickou impedancí 50 W. Kromě této původní varianty Ethernetu se již delší dobu využívají i další varianty fyzické vrstvy, které jsou přizpůsobeny tenkému koaxiálnímu kabelu a kroucené dvoulince. V poslední době se dále objevuje rychlý (fast) Ethernet s fyzickou vrstvou řešenou tak, že je možné dosáhnout přenosové rychlosti 100 Mb/s. Teprve tyto velké rychlosti a úpravy topologie sítí Ethernet rozhodují o použití tohoto systému  také v průmyslové komunikaci. To, co je v průmyslových sítích dále specifikováno ve druhé vrstvě komunikačního modelu, totiž tvar rámce dat, mechanismus rozpoznání chyby, adresování apod., v původním Ethernetu rovněž chybí. Sítě LAN, pro které je technologie Ethernet velmi vhodná, vesměs nevyužívají pro otevřenou komunikační strukturu referenční model ISO/OSI, nýbrž jednodušší a méně striktní síťový model TCP/IP s příslušnými protokoly definujícími způsob přenosu dat. V ekvivalentu referenčního modelu ISO/OSI by tyto protokoly představovaly třetí – síťovou (IP) a čtvrtou – transportní (TCP) vrstvu.

Souvislost obou síťových komunikačních modelů (ISO/OSI a TCP/IP) a protokoly použité v modelu TCP/IP znázorňuje tab. 1.

Tab. 1. Protokol TCP/IP ve vztahu k referenčnímu modelu ISO/OSI

7 Network File Server (NFS), Telnet, File Transfer Protocol (FTP) aplikační vrstva
6      
5      
4 TCP/UDP nespojovaná služba transportní vrstva
3 IP   síťová vrstva
2b. IEEE 802.2 LCC linková vrstva
2a. CSMA/CD MAC
1 Ethernet, CCITT X.21   fyzická vrstva

Ethernet dále nespecifikuje také interpretaci obsahu datových souborů. Například u průmyslových sítí je součástí specifikace sedmé vrstvy mj. definice tzv. typu dat. Podle této definice je např. analogová veličina vždy reprezentována číslem zapsaným jako typ float, tj. s pohyblivou řádovou čárkou podle normy IEEE 754, což každý účastník v dané síti správně interpretuje. Další rozdíl spočívá v tom, že zatímco průmyslové sítě jsou navrženy především pro použití v průmyslovém prostředí jako sítě menšího rozsahu, Ethernet je využíván v sítích rozsáhlejších a umožňuje bezproblémové napojení na intranet/internet. Také vlastní protokoly internetu, jako HTTP, FTP a SMTP, využívají protokol TCP/IP. Proto je napojení řídicích systémů a přístrojů na internet snazší při použití Ethernetu než při použití průmyslových sítí.

3. Průmyslové sítě a sériové komunikační sběrnice nižších úrovní
Pro účely komunikace mezi přístroji v technologii a první úrovní řízení, reprezentovanou programovatelnými automaty, mikrořadiči anebo řídicími stanicemi v DCS, a dále mezi řídicími členy první úrovně řízení navzájem a popř. také s vyšší – operátorskou úrovní řízení byly od 80. let vyvíjeny speciální sériové sběrnice (sítě) typů sensor/aktor bus, devicebus a fieldbus. V průběhu 80. a 90. let se mnohé z nich staly národními standardy, jiné průmyslovými standardy de facto a v poslední době nastal i významný posun v mezinárodní standardizaci. Jde o sběrnice důsledně přizpůsobené potřebám první úrovně řízení technologických procesů, výrobních linek a strojů i menších technologických celků. Ve většině případů nejsou zvlášť přizpůsobeny pro připojení k internetu ani k technologii Ethernet.

Pozice těchto sériových průmyslových sběrnic je také poněkud oslabována tím, že jich existuje velké množství a že se IEC dosud nepodařilo prosadit jedinou celosvětovou normu pro průmyslové sítě. V roce 1999 ukončila IEC období volného vývoje průmyslových sériových sběrnic tím, že do normy IEC 1158 přijala většinu stávajících národních a proprietárních standardů. Jde o návrh označovaný jako Multi-system-standard, který zahrnuje sedm dosavadních kvazistandardů průmyslových sítí, byl odsouhlasen a vstoupil v platnost koncem roku 1999. Otevřená je ještě otázka sběrnice Foundation Fieldbus, která již je součástí mezinárodní normy IEC 1158 a má být zahrnuta i do evropské normy EN 50170. Stav procesu standardizace v oblasti průmyslových sítí ze strany IEC i evropské organizace CENELEC je ukázán v tab. 2.

Tab. 2. Standardizační aktivity IEC a CENELEC v oblasti průmyslové komunikace

IEC: IEC 1158 Profibus, WorldFIP, P-Net, Foundation Fieldbus, Interbus, ControlNet, Swift-Net
CENELEC: EN 50170 Profibus, WorldFIP, P-Net, (Foundation Fieldbus)
EN 50254 Profibus, WorldFIP, Interbus
pr EN 50325 DeviceNet, SDS, (CANopen)

4. Průmyslové sítě a Ethernet

4.1 Základní pro a proti
Při veškerém nadšení pro Ethernet je nutné mít na zřeteli, že průmyslové sítě na jedné a Ethernet s protokolem TCP/IP na druhé straně jsou dvě dost odlišné věci. Z mnoha důvodů proto nelze očekávat, že by průmyslové sítě byly v nejbližších letech vytlačeny Ethernetem.

V porovnání s průmyslovými sítěmi je možné u technologie Ethernetu pozorovat tyto výhody:

Obr. 2.

  • větší přenosová rychlost,
  • kompatibilita s dalšími místními sítěmi (LAN), s intranetem a internetem,
  • jednoduché a levné spojení s PC,
  • široká podpora různých médií.

Mezi nevýhody technologie Ethernetu v daných souvislostech patří:

  • nedefinovaný čas přístupu účastníka k přenosu (nedeterministické chování),
  • neukončený vývoj (protokolů) a v důsledku toho další náklady na vývoj,
  • délka pole dat ve zprávě není přizpůsobena potřebám průmyslové komunikace,
  • velké náklady na implementaci Ethernetu do snímačů a akčních členů.

Skutečnost, že není definován okamžik přístupu účastníka do sítě, je při řízení v průmyslu velmi omezujícím faktorem. Tuto vlastnost však zčásti lze obejít tím, že se celá síť Ethernet rozdělí mosty na logické segmenty. Zprávy se pak pohybují jen v rámci daného segmentu, a tudíž i vznikající kolize plynoucí z podstaty náhodného přístupu k médiu v síti Ethernet se omezují na daný segment. Pravděpodobnost kolize se tak výrazně zmenšuje i při značném zatížení sítě. Přepínače (směrovače nebo mosty) přepínají zprávu pouze do toho segmentu, ve kterém se nachází její adresát. Zprávy se tak pohybují jen v tom nejmenším nutném počtu segmentů.

Přepínaná struktura sítě Ethernet tedy do značné míry řeší průchodnost sítě a při extrémně velkých přenosových rychlostech (Fast Ethernet při 100 Mb/s) může zaručit pracovní režim blízký režimu práce v reálném čase. Ethernet se tak stává velmi atraktivní variantou k průmyslovým sítím i pro propojení řídicích členů, přístrojů a jisté třídy inteligentní instrumentace (inteligentních čidel a akčních členů).

Obr. 3.

4.2 Jak reagují na pronikání Ethernetu stávající průmyslové sítě?
Pomocí Ethernetu při kombinování dosavadních průmyslových sítí a Ethernetu lze propojovat složitější zařízení (přístroje a řídicí členy, panely apod.) s požadavky na velký objem přenášených dat (mnohdy nikoliv časově kritických). Standardní průmyslové sítě (a zejména nižší sběrnice typů sensor/aktor bus a devicebus) obstarají rychlou výměnu malého objemu dat ze snímačů a akčních členů. Nižší sériová sběrnice se musí umět přizpůsobit protokolům TCP/IP. V tom okamžiku má otevřený přístup do prostředí internetu.

V případě sítě Profibus, která je co do počtu instalací vedoucí průmyslovou sítí v Evropě (50 % trhu v Německu a 20 % světového trhu sériových průmyslových sběrnic), je vyvinuta implementace verze Profibus-DP do prostředí Ethernetu tak, aby aplikace vytvořená pro Profibus-DP mohla být jednoduše přenesena na Ethernet s protokolem TCP/IP v hierarchicky vyšší komunikační úrovni. Představa možného dalšího vývoje sítě Profibus je na obr. 1, ze kterého je také patrné jasné oddělení kompetence systému Profibus a průmyslového Ethernetu s protokolem TCP/IP. Je nutné říci, že Profibus-FMS z trhu v podstatě zmizí. Veškeré informace uvedené v předcházejícím textu proto platí především pro Profibus-DP.

Sběrnice Interbus se nástupu technologie Ethernetu do oblasti řídicích systémů přizpůsobuje ještě více než Profibus, a to vývojem mezisběrnicového spoje (gateway, brána), po jehož implementaci budou protokoly TCP/IP využívány pro služby orientované na internet, zatímco Interbus bude pracovat jako podřízená síť na úrovni senzorů a akčních členů (obr. 2). Firma Phoenix Contact, která vede sdružení uživatelů a výrobců prvků pro sběrnici Interbus, však již s firmou Hirschmann vyvíjí distribuované moduly pro optické spínače s přímým napojením na Ethernet [7].

Obr. 4.

Podobně na vývoj reaguje i sdružení výrobců jednoduché sběrnice pro úroveň snímačů a akčních členů, známé jako AS-Interface.

Zde je třeba si uvědomit, že technologie Ethernetu – přes všechny své pozitivní rysy – nemá v současné době šanci se cenově prosadit na úrovni jednoduchých (binárních) snímačů a akčních členů. Tuto instrumentaci, která má převažující podíl ve velmi početné třídě řízených strojů, linek a procesů, nelze z cenových ani prostorových důvodů vybavit obvody pro přímé připojení k síti Ethernet (elektronika pro připojení snímače k síti musí být dostupná za cenu nižší než 3 DEM). Pro tyto případy by bylo nutné připojovat k síti Ethernet multiplexery binárních vstupů/výstupů (v/v). Z cenových důvodů přitom nelze u multiplexeru uvažovat o počtu menším než šestnáct v/v. Takové řešení je však krokem zpět v decentralizaci přístrojů na úrovni technologie a prodražuje dvoubodovou kabeláž od  multiplexerů k jednotlivým snímačům a akčním členům.

V dané situaci se nabízí rozumná kombinace Ethernetu jako páteřní sítě s jednoduchou sběrnicí pro snímače a akční členy (sensor/aktor bus) a jejich propojení odpovídající bránou. Na obr. 3 je naznačeno jedno z možných řešení s použitím sítě AS-Interface. Je zde ukázána modelová aplikace, ve které jsou k Ethernetu přímo připojena inteligentní zařízení (PC, PLC, analyzátor, servopohon). Binární signály ze snímačů a k akčním členům jsou k Ethernetu připojeny pomocí podřízené sběrnice AS-Interface prostřednictvím brány Ethernet/AS-Interface. Tato brána může být realizována v podobě karty v PLC, karty v PC nebo jako samostatně stojící zařízení.

Tam, kde je účelné použít jen konvenční Ethernet (časově nekritické aplikace, jako např. řízení budov), lze podsystém v/v připojit způsobem podle obr. 4.

Projektovat a diagnostikovat takové smíšené systémy lze buď lokálně přes bránu, nebo centrálně po Ethernetu. Lokálního ovládání se využívá ve fázi projektování a konfigurování systému. Ukázané řešení využívá na úrovni Ethernetu otevřený průmyslový standard Modbus aplikovaný na protokol TCP/IP.

Budoucí aplikace lze tedy vidět asi tak, že PC bude sloužit pro nadřazené řízení a vizualizaci. Inteligentní akční členy (servomechanismy, měniče frekvence, identifikační systémy a další složitější přístroje, jako třeba čtečky čárového kódu apod.) budou připojeny přímo k síti Ethernet, zatímco binární signály přes bránu pro AS-Interface. Architektura podle obr. 4 tak umožní i na dálku prostřednictvím internetu vizualizovat celý systém.

5. Závěr
Aplikace komunikačního standardu Ethernet TCP/IP v průmyslové automatizaci je velmi aktuálním tématem. V současné době se na trhu automatizačních prostředků stále častěji objevují moduly s přímým připojením k síti Ethernet. To vyvolává bouřlivou diskusi mezi výrobci, systémovými integrátory a konečnými uživateli na téma, zda a v jakém časovém horizontu se Ethernet TCP/IP stane standardem komunikace i v průmyslovém prostředí. Článek polemizuje s názory, že v dohledné budoucnosti  budou vytlačeny dosavadní průmyslové sítě a Ethernet TCP/IP se stane jediným celosvětovým standardem. Na modelových příkladech kombinovaných struktur je ukázán nejpravděpodobnější vývoj symbiózy průmyslového Ethernetu a standardizovaných průmyslových sítí.

Článek je v drobných detailech aktualizovanou verzí stejnojmenného příspěvku [8], předneseného na konferenci konané v rámci doprovodného programu veletrhu Pragoregula 2000. Je otištěn se svolením autorů i vydavatele sborníku z konference, kterým je Masarykova akademie práce, strojní společnost na ČVUT (MAP).

Názvosloví:
CENELEC – Comité Européen de Normalisation Electrotechnique, evropský orgán pro standardizaci v elektrotechnice
CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, nedeterministická metoda přístupu k přenosovému médiu v počítačové síti
DCS – Distributed Control System, distribuovaný řídicí systém
FTP – File Transfer Protocol, způsob interaktivního přenosu souborů používaný v sítích s protokolem TCP/IP
HTTP – HyperText Transport Protocol, protokol pro přenos hypertextových souborů v prostředí internetu
IEC – International Electrotechnical Commission, mezinárodní elektrotechnická komise
IP – Internet Protocol, síťový unixový protokol vycházející z modelu ISO/OSI (vrstva 3)
ISO/OSI – International Organization for Standartization/Open Systems Interconnection, definice sedmivrstvého modelu komunikace mezi počítači v síti
LAN – Local Area Network, místní počítačová síť
LLC – Logical Link Control, protokol v linkové vrstvě vyžadující potvrzení pro každý zaslaný rámec
MAC – Medium Access Control, obecné označení pro metodu, kterou stanice získává přístup k přenosovému médiu
PLC – Programmable Logic Controller, programovatelný automat
Profibus-DP (Dezentrale Peripherie), varianta komunikačního standardu Profibus určená pro komunikaci mezi řídicím systémem a vzdálenými periferními zařízeními
Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification), varianta komunikačního standardu Profibus určená pro komunikaci mezi řídicími systémy
SMTP – Simple Mail Transfer Protocol, protokol pro přenos zpráv elektronické pošty prostřednictvím internetu
TCP – Transmission Control Protocol, protokol pracující v modelu ISO/OSI (vrstva 4); poskytuje bezchybné spojení mezi dvěma spolupracujícími pracujícími i na vzdálených počítačích
UDP – User Datagram Protocol, transportní protokol negenerující spojení; pracuje nad IP v protokolu TCP/IP
Literatura:

[1] MAES, A. – BUCHWITZ, M. u. a.: Ethernet TCP/IP in der Automatisierungstechnik. SPS Magazin, Ausgabe 10, Oktober 1999, s. 41-44.

[2] Interbus und Ethernet. SPS Magazin, Ausgabe 7, Juli 1999, s. 14.

[3] SOMMER, R.: Trends in der industriellen Kommunikation, Teil2. SPS Magazin, Ausgabe 7, Juli 1999, s. 33-34.

[4] Ethernet plus AS-Inteface: Die neue Steuerungsarchitektur? SPS Magazin, Ausgabe 7, Juli 1999, S. 36-37.

[5] BOETCHER, J.: Feldbusse in industrielles Ethernet – aktuelle Trends. Elektronik, Nr. 19, 1999, s. 80-84.

[6] KRIESEL, W. R. – MADELUNG, O. W. (eds): AS-Inteface. München, Hanser Verl. 1999, ISBN 3-446-21064-4.

[7] http://www.phoenixcontact.de

[8] ZEZULKA, F. – FIEDLER, P.: Ethernet v průmyslové automatizaci. In: Sborník referátů z doprovodné konference veletrhu Pragoregula 2000. Praha, MAP, březen 2000, s. 37-42, ISBN 80-902131-4-6.