Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Ethernet v řídicích systémech společnosti ZAT

číslo 4/2005

Ethernet v řídicích systémech společnosti ZAT

Dlouhou dobu nevyjasněná otázka použitelnosti Ethernetu pro průmyslové komunikační systémy je v současné době již jednoznačně zodpovězena. Ethernet v mnoha oblastech vytlačuje ostatní typy sériových komunikačních sběrnic a stává se všeobecně akceptovaným standardem. Důkazem je to, že přední světové firmy mají ve svém dodavatelském programu velký počet produktů založených na tomto typu komunikace. Společnost ZAT v tomto směru nezůstává pozadu a ve svých řídicích systémech využívá Ethernet jako systémovou komunikační sběrnici.

Oblasti použití Ethernetu

Komunikace prostřednictvím Ethernetu se v systémech ZAT používá v horních úrovních provozního řízení (obr. 1). Technologická data jsou z řízeného procesu do podnikových informačních systémů nebo ještě dále do internetu přenášena standardními protokoly. Jsou využívány běžné služby pro sdílení souborů, přístupy do SQL databází a publikace pomocí HTML. Ke spojení mezi úrovní provozní komunikace a administrativní sítí je většinou využíván vyhrazený počítač, který získává data z operátorských stanic, nebo v některých případech přímo programovatelné automaty. Zároveň spojení tvoří účinnou ochranu a zabezpečení technologických dat před komunikačně otevřeným vnějším prostředím. Jednou z možností oddělení provozního řízení od nadřazených informačních systémů je použití serveru Industrial SQL Server od firmy Wonderware.

Obr. 1.

Obr. 1. Komunikace v řídicích systémech ZAT

Komunikace typu Ethernet na provozní úrovni zajišťuje v systémech ZAT spojení mezi programovatelnými automaty (Programmable Logic Controller, PLC) a operátorskými stanicemi (Man Machine Interface, MMI). Technologická data z operátorských stanic do programovatelných automatů a mezi programovatelnými automaty navzájem jsou předávána pomocí firemního protokolu Pernet. Stejně je tomu tak při programování, ladění a diagnostice těchto automatů z inženýrské stanice.

Na nižších úrovních komunikace se Ethernet v systémech ZAT prozatím nevyužívá. U distribuovaných vstupů a výstupů se používá především komunikace Profibus-DP. Pro tyto účely se pracuje na integraci průmyslového Ethernetu Profinet.

Principy protokolu Pernet

Protokol Pernet je postaven nad skupinou protokolů IP (Internet Protocol), která pro implementaci vyšších vrstev poskytuje dva základní protokoly, UDP (User Datagram Protocol) a TCP (Transmission Control Protocol). Protože otázka použití protokolů UDP nebo TCP v průmyslově orientovaných komunikacích je často diskutována, budou zde popsány důvody, které vedly u protokolu Pernet k použití datagramů UDP.

Na první pohled by se mohlo zdát, že pro potřeby předávání procesních dat je výhodnější (resp. minimálně pohodlnější) použít spojově orientovaný protokol TCP se zabezpečením přenosu. Po důkladnějším rozboru lze konstatovat tyto skutečnosti:

  • Protokol TCP vykonává speciální knihovna (obvykle zvaná TCP/IP stack), která je součástí systémového softwaru, většinou přímo operačního systému. Několik parametrů protokolů, zejména časových (různé doby prodlevy – timeouts – pro hlídání chyb), je v této knihovně pevně nastaveno a jen málo jich může o vlivnit uživatel, resp. aplikace používající tento protokol.

  • Navazování spojení mezi stanicemi v protokolu TCP, jeho průběžné udržování a sledování nejsou až takovou výhodou, jak by se na první pohled mohlo zdát. Za prvé, činnosti s tím spojené představují značné režijní zatížení komunikačního procesoru i vlastní sítě a za druhé, parametry vyhodnocení stavu spojení jsou nastaveny spíše pro přenos souborů, a ne „živých“ dat mezi technologickými uzly. Stav spojení se zjišťuje pomocí paketů vysílaných bez cílové adresy všem účastníkům (broadcast). Ty velmi zvyšují zatížení sítě, a v tomto případě vcelku zbytečně, protože v provozním komunikačním systému lze zjistit provozuschopnost protistanic z přijímaných dat. Doby prodlev pro zjištění výpadku spojení jsou běžně nastaveny v řádu desítek sekund. To je pro přenášení technologických dat naprosto nepoužitelná hodnota.

  • Zabezpečení přenosu v protokolu TCP má obdobné časové vlastnosti jako sledování spojení. Po odeslání rámce si vysílající stanice spustí časovač a čeká nastavenou dobu na potvrzení příjmu. Jestliže potvrzení nepřijde, vykoná ještě zadaný počet opakovaných pokusů, a teprve když ani potom protistanice nepotvrdí příjem, ohlásí volající aplikaci chybu. Celková doba mezi odesláním rámce a potvrzením (nebo definitivním nepotvrzením) příjmu může být několik sekund; během nich je zablokována veškerá komunikace. To je opět z pohledu požadovaných časových parametrů v automatizaci naprosto nepřijatelné.

  • Podpora fragmentace dat v TCP způsobí, že větší balík dat je rozdělen do jednotlivých rámců a ty jsou za sebou postupně odvysílány. Přitom neúspěšné doručení např. posledního z rozdělených rámců zapříčiní, že po několika pokusech, a tudíž značné době, je aplikaci ohlášen neúspěch přenosu celého balíku dat. To je pro řízení technologických procesů velmi nepříjemná vlastnost.

Ze všech zmíněných důvodů vyplývá, že pro potřeby provozních komunikačních systémů v průmyslové automatizaci není protokol TCP nejvhodnější.

Daleko vhodnější je použít nespojově orientovaný a nezabezpečený protokol UDP a funkce zabezpečující přenos realizovat v softwaru vyšších vrstev, tedy v komunikačních ovladačích (drivers) protokolu Pernet:

  • Chybějící navazování spojení v protokolu UDP a jeho kontrolu lze nepřímo odvodit od průběhu komunikace s protistanicí. Vzhledem k závažnosti obsahu přenášených technologických dat je stejně třeba potvrzovat každý odeslaný rámec, a to v době řádu maximálně stovek milisekund. Z potvrzení lze odvodit informace o provozuschopnosti protistanice bez nutnosti vysílání speciálních dat nebo dokonce neadresných paketů. Navíc potvrzování rámců je dobře algoritmizováno. Neztrácí se tedy čas, po který by se čekalo na potvrzení a nemohlo by se vysílat – naopak rámce se vysílají podle nastaveného časového schématu a zároveň se paralelně přijímají žádosti a odpovědi od protistanic.

  • Přenos dat je zabezpečen individuálním potvrzováním všech žádostí od protistanice. Ztratí-li se žádost o čtení dat (data nejsou přijata) nebo jsou přijata poškozená data se špatným kontrolním součtem CRC (Cyclic Redundancy Check), vysílá se nová žádost a jsou přijata data s aktuálními hodnotami. Při ztrátě rámce pro zápis nebo jeho poškození (špatný CRC) protistanice nepotvrdí jeho přijetí a ovladač tento rámec posílá znovu. Počet pokusů o odeslání lze nastavit. Všechny chyby se zapisují do systémových proměnných a lze je monitorovat na operátorské stanici. Jestliže se po síti přenášejí jiná než technologická data, např. se aktualizuje software řídicí jednotky z inženýrské stanice, ovladač zabezpečuje doručení všech rámců ve správném pořadí do PLC.

  • Podpora fragmentace pro malé a střední aplikace není potřebná, protože objem dat v jednom rámci UDP (1 420 bytů) je obvykle postačující. Pro rozsáhlé aplikace je fragmentace zajištěna již od úrovně vytváření uživatelského algoritmu automatickým definováním více rámců komunikačních dat.

Topologie komunikačních sítí Ethernet

Používané topologie komunikačních sítí Ethernet důsledně dodržují oddělení provozní sítě automatů a operátorských stanic od administrativní sítě podnikových informačních systémů. Tím se redukuje nekontrolované zahlcení sítě např. při kopírování souborů nebo tisku na síťové tiskárně a je v podstatě zajištěna determinističnost provozní komunikace, která je vyhrazena pouze pro technologická data přenášená protokolem Pernet.

Obr. 2.

Obr. 2. Topologie sítí Ethernet v systémech ZAT

Každá operátorská stanice je obvykle vybavena dvěma komunikačními rozhraními Ethernet, jedním pro napojení do provozní sítě a druhým pro napojení do administrativní sítě. Napojení na podnikovou informační síť je většinou řešeno komponentami běžného provedení (síťové karty, aktivní přepínače – switch). Provozní síť je naopak běžně budována pomocí komponent v průmyslovém robustním provedení a často využívá kombinaci metalického a optického vedení. Bezporuchový provoz této komunikace lze zajistit vytvořením redundantních zdvojených sítí nebo pomocí redundantního kruhového spojení přepínačů (switch) – obr. 2. V tomto případě jsou pro připojení provozní komunikace v operátorské stanici použity buď dvě síťové karty, nebo jedna karta se dvěma porty. Na straně PLC je použito buď uspořádání se dvěma redundantními řídicími jednotkami, z nichž každá má jeden ethernetový port, nebo samostatná komunikační deska se dvěma porty.

Pomocí dostupných komunikačních prostředků lze podle potřeby vytvořit topologie sítí Ethernet od jednoduchého spojení bod-bod s využitím kříženého kabelu až po složité komunikační sítě s možností zdvojeného zapojení přepínačů, řídicích jednotek a operátorských stanic. Taktéž je možné využít kruhové propojení přepínačů optickým vláknem, které eliminuje výskyt jednoduché poruchy.

Používané technické prostředky ZAT

V moderních automatizačních prostředcích ZAT jsou využívány mnohé technické prostředky umožňující napojení na komunikační sítě Ethernet.

  • Nejnovější řídicí jednotky D362 a D363 systému ZAT-E mají standardně vestavěn jeden ethernetový port 10 Mb/s. Vzhledem ke kompatibilitě této desky se staršími typy řídicích jednotek je možné jejich záměnou velmi efektivně modernizovat dosavadní aplikace souboru ZAT-E z hlediska výpočetního výkonu i z hlediska moderního způsobu komunikace.

  • Řídicí jednotky pro sběrnici VME používané v systému ZAT-MP obsahují jeden vestavěný ethernetový port 10 Mb/s. V řídicí jednotce, jež je v současnosti nejvýkonnější, je standardně vestavěn ethernetový port 100 Mb/s. To v kombinaci s moderními aktivními prvky druhé generace umožňuje vybudovat i velmi rozsáhlé komunikační sítě s velmi dobrými časovými parametry.

  • Samostatná komunikační deska na sběrnici VME obsahuje dva nezávislé ethernetové kanály 10 Mb/s a umožňuje vytvořit konfiguraci automatu s dvojitou redundantní komunikací Ethernet.

  • Počítače PC (používané jako operátorské a inženýrské stanice) standardně obsahují jeden ethernetový port (v současnosti běžně 1 Gb/s) a existuje pro ně široká škála přídavných adaptérů pro vytváření redundantních topologií a vazbu na různé komunikační úrovně.

  • Sortiment komerčně dostupných aktivních prvků určených pro běžné pracovní podmínky (teplota, vlhkost atd.) obsahuje množství typů, od jednoduchých přepínačů s osmi porty bez možnosti správy až po stohovatelné přepínače s aktivní správou a konfigurací, určené k montáži do standardních 19" mechanik. Na produkty je poskytována celoživotní záruka a představují optimální volbu pro běžné použití.

  • Komerčně dostupné aktivní prvky pro průmyslové použití s odpovídajícími provozními parametry se dodávají ve dvou typových řadách. První řada obsahuje běžné prvky pro samostatnou montáž nebo do 19" mechanik. Tyto prvky existují rovněž v provedení pro rozšířený rozsah provozních teplot a mají garantované parametry spolehlivosti. Druhá řada je určena zejména do průmyslového prostředí a obsahuje prvky v odolném provedení (i pro montáž na lištu DIN) s podporou patentově chráněné metody komunikace po světlovodném kabelu s kruhovou topologií. Prvky si v tomto případě samy řídí směr přenosu dat, a dojde-li k jednomu porušení kruhu, jsou schopny se samy rekonfigurovat a poruchu eliminovat.

Výhody použití Ethernetu

Schopnost komunikovat pomocí sériových sběrnic a tím předávat velké objemy dat v reálném čase patří k základním vlastnostem moderních automatizačních prostředků. Průnik komunikačních sítí typu Ethernet do této oblasti vedl k podstatnému zkvalitnění přenosu dat především na vyšších úrovních řízení, přičemž vývoj pokračuje směrem k pokrytí i nižších úrovní řízení, kde jsou velké požadavky na rychlost odezvy. Vzhledem k využívání masově rozšířených komponent dovolují sítě Ethernet s rozumnými náklady propojit poměrně velké množství účastníků (až 128 stanic v jednom segmentu sítě). Parametrizovatelné časování vyhrazeného segmentu sítě pro přenos technologických dat a použití moderních aktivních prvků (switch) druhé generace s konfigurovatelnou správou umožňují optimalizovat výkon pro libovolný počet účastníků a množství přenášených dat, přičemž celá komunikace se chová v podstatě deterministicky. Zároveň tyto sítě zachovávají značnou flexibilitu řešení, díky čemuž je možné během životního cyklu systému bez větších problémů modifikovat jejich strukturu. V řídicích systémech společnosti ZAT splňuje uvedené vlastnosti systémová komunikační sběrnice Ethernet s firemním protokolem Pernet.

ZAT a. s.

ZAT a. s.
K Podlesí 541
261 80 Příbram VI
tel.: 318 652 111, fax: 318 627 471
e-mail: zat@zat.cz
http://www.zat.cz