Aktuální vydání

celé číslo

03

2024

Automatizační technika v energetice a teplárenství, úspory energie

Snímače teploty

celé číslo

Průmyslový Ethernet

číslo 4/2005

Průmyslový Ethernet

Článek obsahuje základní informace o průmyslovém Ethernetu a o jeho základních variantách nabízených v současné době. Jeho cílem je umožnit čtenáři, který pracuje v oblasti průmyslové automatizace a není přitom odborníkem v oboru komunikačních systémů, orientovat se v informacích o posledním vývoji a možném použití Ethernetu v průmyslu.

1. Úvod

Je všeobecně známo, že Ethernet se za více než dvacet let své existence stal nejrozšířenějším komunikačním standardem nejprve pro propojování počítačů a pracovních stanic s výkonnými periferiemi, později a v současné době především pro vzájemné propojování osobních počítačů v lokálních sítích (LAN). Dále je Ethernet základním prostředkem pro účely komunikace v síti Internet. V současné době se lze na mnoha veletrzích, výstavách a v odborné literatuře stále častěji setkat i s pojmem průmyslový Ethernet (Industrial Ethernet) a s informacemi o jeho využití v oblasti průmyslové automatizace. Tyto informace vyvolávají otázky u všech, kteří mají určité znalosti v oblasti průmyslové komunikace a především zkušenosti se zaváděním a používáním měřicí a řídicí techniky v průmyslovém prostředí. Článek se na některé tyto otázky snaží odpovědět.

2. Referenční model komunikačního kanálu ISO/OSI

Nejprve je třeba vymezit pojem Ethernet. Pod pojmem Ethernet se jednak všeobecně skrývá komunikační (informační) síť jako součást počítačové sítě („osobní počítače jsou propojeny Ethernetem„), jednak se pojem Ethernet používá i pro pojmenování protokolů, tedy pravidel, podle kterých se toto propojení uskutečňuje. K vyjasnění tohoto prvního rozporu je nutná krátká exkurze do základů otevřené komunikace.

Mezinárodní standardizační organizace ISO definovala pro účely informačních a komunikačních sítí již na začátku 80. let dvacátého století tzv. referenční model sériového komunikačního kanálu ISO/OSI (Open System Interconnection – propojení otevřených systémů). Tento standard podrobně definuje pravidla pro propojování zařízení od různých výrobců na úrovni hardwaru i softwaru.

Referenční model ISO/OSI je sedmivrstvý. Graficky je znázorněn na obr. 1, kde vazby vyznačené tlustými šipkami představují fyzický směr informačního toku probíhajícího mezi dvěma (nebo větším počtem) účastníky (účastníků) komunikace. Čárkované spoje naznačují virtuální (logické) spojení mezi komunikujícími účastníky.

Obr. 1.

Obr. 1. Referenční model ISO/OSI pro komunikaci po sériových komunikačních linkách

Spodní vrstvy modelu (vrstva 1 až 4) jsou vrstvy orientované na vlastní komunikační síť, vyšší vrstvy jsou orientovány na její použití (aplikačně). Vrstva 1 (fyzická) slouží pro nezabezpečovaný přenos dat ve formě modulovaného a kódovaného proudu bitů, který fyzicky prochází přenosovým médiem. Vrstva 2 (linková) je určena jednak k zabezpečení přenosu bitů, seskupených do bloků, jednak umožňuje komunikující entitě (stanici, účastníkovi přenosu) přístup ke společnému přenosovému médiu. Vrstva 3 (síťová) zaručuje směrování zpráv mezi více než dvěma účastníky a segmenty sítě. Vrstva 4 (transportní) tvoří rozhraní mezi spodními a vrchními vrstvami referenčního modelu a specifikuje způsob adresování a formát adres. Vrstva 5 (relační) slouží k navázání či zrušení spojení mezi komunikujícími účastníky a k dohledu nad ním. Nepoužívá se při komunikaci realizované bez navazování jednotlivých spojení (tzv. connectionless oriented). Ve vrstvě 6 se uskutečňuje konverze syntaxe zpráv. Je tedy překladatelskou vrstvou mezi jednotlivými interpretacemi informace přicházející z vrstvy 7. Vrstva 7 (aplikační) poskytuje služby jednotlivým účastníkům přenosu k tomu, aby mohli předávat zprávy, a je také rozhraním mezi procesy přenosu a vlastního použití dat. Data nesoucí vlastní informační obsah zprávy jsou v jednotlivých vrstvách modelu doplňována zabezpečovacími, kontrolními a dalšími bity a bajty, se kterými dohromady tvoří jednotlivé rámce přenášených zpráv (frame).

Každá z vrstev referenčního modelu má vlastní komunikační protokol a poskytuje již uvedené služby (funkce) vrstvě bezprostředně vyšší. Současně je schopna požadovat služby od vrstvy bezprostředně nižší. Referenční model ISO/OSI pro otevřenou komunikaci není jediným komunikačním modelem. Používá se v lokálních (LAN) a rozlehlých sítích (WAN) a ve zjednodušené podobě také v průmyslových komunikačních sítích. V sítích Ethernet se používá jednodušší model, který však lze do referenčního modelu ISO/OSI přenést, neboť jeho vrstvy svými funkcemi zhruba odpovídají funkcím příslušných vrstev modelu ISO/OSI.

3. Ethernet pro lokální sítě

Ethernet jako standard IEEE 802.3 definuje pouze vrstvu 1 a vrstvu 2 modelu ISO/OSI, tedy fyzické vlastnosti komunikační sítě a zabezpečovací vrstvu včetně mechanismu řízení přístupu k přenosovému médiu. Aby jednotliví účastníci sítě Ethernet (jsou to především PC, tiskárny, skenery, složité přístroje jako analyzátory, kamery a další periferie, ale i programovatelné automaty a vestavěné počítačové systémy) mohli vzájemně komunikovat, doplňuje standard IEEE 802.3 ještě množina protokolů (protocol suite) vyšších vrstev. Jedná se především o protokol vrstvy 3, kterým je v tomto případě Internet Protocol (IP) a protokoly transportní vrstvy 4 (Transmission Control Protocol – TCP, User Datagram Protocol – UDP). Zatímco TCP poskytuje služby spojově orientovaného přenosu dat, protokol UDP poskytuje nespojované služby. Pod názvem lokální počítačová síť (Local Area Network – LAN) je tedy v drtivé většině případů chápána síť Ethernet TCP/IP, tj. fyzický Ethernet doplněný protokoly IP a TCP/UDP. Pro pohodlný, jednoduchý a bezpečný přenos zpráv v lokálních sítích však nestačí ani Ethernet TCP/IP, ale je nutné použít i některé z vhodných protokolů aplikační vrstvy (vrstva 7). Pro různé internetové aplikace se využívají např. protokoly Telnet (protokol pro tvorbu virtuálního internetového terminálu), HTTP (protokol pro internetový přenos hypertextových souborů), SMTP (protokol pro přenos zpráv elektronické pošty), SMP a SNMP (protokoly pro informace o stavu síťových komponent a pro správu sítě), protokoly FTP a SSH pro přenos velkých objemů dat mezi počítači atd.

Síť Ethernet a uvedená množina protokolů vyšších vrstev (TCP/IP a protokoly aplikační vrstvy) zcela ovládly oblast kancelářských aplikačních programů, včetně bankovního, skladového a spedičního sektoru, a dále předvýrobní a výrobní etapy průmyslové výroby a informační systémy ve všech oblastech podnikání a lidské činnosti vůbec. Tento trend je od 90. let minulého století zesílen masovým používáním internetu (webu) jako základního zdroje informací a prostředí pro jejich výměnu, neboť přístup k internetu je možný především a nejsnáze prostřednictvím PC vybavených kartami s fyzickým rozhraním (interface) Ethernet s využitím již uvedené množiny protokolů vyšších vrstev, včetně aplikačních.

Z uvedeného je patrné, že sítě Ethernet TCP/IP byly vyvinuty pro jiné účely, než je průmyslová automatizace. Fyzická vrstva sítě Ethernet není z principu určena do průmyslového prostředí s vysokou úrovní elektromagnetického rušení (EMI), vibracemi, vlhkostí a širokým rozsahem teplot, není dostatečně mechanicky odolná apod. Metoda CSMA/CD, organizující ve vrstvě 2 přístup každého z účastníků k přenosovému médiu, nezaručuje definovaný okamžik přístupu, a tím i včasné a současné předání nebo přijetí zprávy, a proto je v původní podobě a v původní sběrnicové topologii především pro chybějící časový determinismus nevhodná pro měření, ovládání a řízení v reálném čase. Přesto se Ethernet začíná objevovat ve výrobním programu firem, které produkují systémy průmyslové automatizace, a již existující průmyslové sítě hledají řešení pro efektivní symbiózu s Ethernetem. Ve zprávě německé organizace ZVEI za rok 2003 se uvádí, že budoucnost automatizační techniky je úzce spjata s technikou internetu a že do dvou tří let se Ethernet stane nejvýznamnějším komunikačním prostředkem v průmyslové automatizaci [6]. Důvodem této příznivé odezvy je mj. i skutečnost, že současný Ethernet v lokálních sítích, a tím i v prostředí sítě Internet, již není Ethernetem, jak je znám z původní specifikace. Vývoj Ethernetu od počátku v roce 1972 do současné doby stručně zaznamenává tab. 1.

Tab. 1. Vývoj Ethernetu v kostce [2]

Rok

Etapa vývoje

1972

začátek vývoje ve firmě Xerox

1976

první předvedení Ethernetu (přenosová rychlost 3 Mb/s)

1980

standard Ethernet V1.0 (DIX)

1983

standard IEEE 802.3 (médium: koaxiální kabel tlustý i tenký)

1990

Ethernet na kroucené dvoulince (10Base-T)

1995

rychlý (Fast) Ethernet (100Base-X)

1998

gigabitový Ethernet (1000Base-T)

2002

10gigabitový Ethernet

Z tab. 1 je zřejmé, že Ethernet prodělal vývoj především v rychlosti: od standardních 10 Mb/s verze IEEE 802.3 z roku 1983 až po 10 Gb/s ve specifikaci z roku 2002. Proměňovala se i používaná přenosová média – od silného (tlustého) a tenkého koaxiálního kabelu se přes kroucenou nestíněnou dvoulinku v několikažilovém kabelu došlo až k současnému optickému kabelu a rádiovému přenosu. V současnosti se za přenosové médium nejčastěji používají kroucená dvoulinka, optický kabel a bezdrátový přenos podle specifikace IEEE 802.11 (Wi-Fi – WLAN). S vývojem přenosového média se změnila i základní topologie sítě Ethernet. Cesta vedla od sběrnice s odbočovacími členy (T-členy) a krátkými přípojkami na silném koaxiálním kabelu, přes sběrnici s odbočovacími členy (T-člen) s přípojkami nebo bez přípojek (tenký koaxiální kabel) k topologiím hvězda a strom, které se používají v současné době pro všechny varianty standardu IEEE 802.3.

Součástí fyzické vrstvy komunikačních systémů jsou i elektrická rozhraní (interface). Ethernet používá vlastní, standardem IEEE 802.3 definované elektrické rozhraní, které je realizováno s použitím integrovaných prvků a nabízeno mnoha výrobci. Vzhledem k použití přístupové metody CSMA/CD jsou tyto obvody složitější, a tím i dražší než elektrická rozhraní převážné většiny průmyslových komunikačních systémů (Profibus, Modbus, WorldFIP, LonTalk, P-Net atd.), které používají sériové rozhraní RS-485. Podobně i komunikační sítě CAN, DeviceNet, Foundation Fieldbus, AS-interface a další nepoužívají ani RS-485, ani RS-422/423, ale využívají vlastní rozhraní. Rozhraní Ethernet je nejsložitější a i přes hromadnou výrobu integrovaných ethernetových řadičů zatím patrně nejdražší.

Zatímco krátké přípojky a T-členy v topologii sběrnice byly zcela pasivními komponentami fyzické vrstvy sítě Ethernet, topologie typu hvězda a strom – ale i další, např. řetěz (daisy chain) – používají aktivní prvky, kterými jsou přepínače (switch) a rozbočovače (hub). Segment sítě Ethernet v topologii sběrnice může mít téměř neomezený počet účastníků, kteří se v jednom okamžiku mohou ucházet o přístup k přenosovému médiu. Důsledkem je velká pravděpodobnost vzniku kolize, a tím zcela nedeterministické chování sítě. V případě topologie hvězda a strom při použití přepínačů a rozbočovačů může být síť Ethernet rozdělena na segmenty, ve kterých je vždy jen jeden účastník, jak je patrné z obr. 2, a zprávy tedy mohou být směrovány jen do segmentu příjemce (popř. segmentů příjemců) zprávy a ne všem účastníků, při čemž by mohla nastat kolize s dalšími zprávami, produkovanými účastníky, kteří nejsou účastníky uvažovaného přenosu.

Obr. 2.

Obr. 2. Topologie typu hvězda s přepínačem/rozbočovačem (switch/hub)

Popsané uspořádání výrazně zmenšuje pravděpodobnost kolize zpráv, avšak poněkud zpomaluje přenos v důsledku zpoždění v aktivních rozbočovačích a přepínačích. Nevýhodu přístupové metody CSMA/CD z pohledu reálného času výrazně eliminují zejména přepínače, neboť jsou vybaveny pamětí pro ukládání zpráv, které nelze okamžitě předat v důsledku obsazené cílové stanice (segmentu). Proto je tzv. přepínaný Ethernet jedním z možných řešení umožňujících použití Ethernetu jako průmyslové komunikační sítě. Dalším faktorem, který posouvá Ethernet i přes použitou přístupovou metodu CSMA/CD blíže k reálnému času, a tím i k využití jako průmyslové komunikační sítě, je stále rostoucí rychlost přenosu v sítích Ethernet. Tato rychlost výrazně převyšuje rychlosti i těch nejrychlejších průmyslových sítí, jako je Profibus-DP (12 Mb/s při použití kroucené stíněné dvoulinky s rozhraním RS-485). Díky velké rychlosti – při uvážení např. varianty Fast Ethernet s rychlostí přenosu 100 Mb/s v porovnání se standardem 10Base-T – se kolizní interval zpráv zmenšuje desetkrát na hodnotu 5,12 ms a prodleva mezi pakety na 0,9 ms [3]. Další posun směrem k reálnému času umožňuje varianta sítě Fast Ethernet s plným duplexem, kdy stanice jsou k rozdělovačům nebo přepínačům připojeny dvěma kroucenými páry nebo dvěma optickými kabely, a tak zpráva může do stanice přicházet a ze stanice odcházet v tomtéž časovém okně.

Celý dosavadní vývoj vedl a nadále povede k dalšímu rozšiřování lokálních sítí založených na technice TCP/IP jak v kancelářském prostředí, tak ve všech aplikacích využívajících síť Internet. To je velmi lákavé i pro oblast průmyslové automatizace. Využitím Ethernetu s jeho stále rostoucí rychlostí přenosu a stále klesající cenou komunikačních modulů by sektor průmyslové automatizace mohl ušetřit značné prostředky na vývoj zvláštních rychlejších průmyslových komunikací, určených jen pro použití v průmyslovém prostředí.

Předpokladem pro využití sítě Ethernet TCP/IP a následně i internetových technik pro průmyslovou automatizaci ve smyslu sběru technologických dat, binárního řízení a ovládání a dynamické optimalizace je, že budou správně specifikovány a poté prostřednictvím „kancelářské„ metody komunikace, tj. metody Ethernet TCP/IP, splněny požadavky kladené při automatizace strojů, výrobních linek i technologických procesů.

Použití sítě Ethernet TCP/IP v průmyslové automatizaci s sebou na jedné straně přináší i lákavou možnost vizualizace řízeného procesu při použití libovolného počítače zapojeného v intranetu závodu nebo internetu propojujícího dva výrobní celky jednoho výrobce na dvou i vzdálených kontinentech, na druhé straně vyvolává potřebu účinné ochrany proti zneužití tohoto globálního přístupu do prostředí zcela „soukromého„ sektoru průmyslového měření, ovládání, řízení. Otázky zabezpečení sítí Ethernet a Internet jsou však již řešeny v bankovním a jiných sektorech a obor průmyslové automatizace může dosavadní výsledky využít bez vynakládání prostředků na vlastní vývoj.

Odpovědí na naznačené výzvy a možnosti jsou metody komunikace nazývané průmyslový Ethernet.

4. Průmyslový Ethernet

Především je nutné zdůraznit, že u průmyslového Ethernetu (Industrial Ethernet) nejde o jednotnou metodu komunikace vyvíjenou a dodávanou jedním výrobcem, nýbrž o několik způsobů řešení, na nichž se podílí několik výrobců, v lepším případě sdružení výrobců, a v nejlepším případě sdružení výrobců a uživatelů, popř. jde o aktivity a řešení sdružení podporujících některé z významných a rozšířených průmyslových sběrnic. Společným prvkem všech těchto řešení je snaha jednak použít techniku Ethernetu a v jistém ohledu i množinu protokolů TCP/IP a internetových technik a zároveň splnit požadavky kladené na sběr technologických dat a komunikaci za účelem ovládání a řízení procesů, strojů a linek. Současně se však tato řešení musí přizpůsobovat současným řešením průmyslových sběrnic, ze kterých vycházejí nebo jejichž inovaci se touto cestou snaží vyřešit.

Na obr. 3 je ukázána standardní situace při použití Ethernetu v kancelářské praxi. Určitý počet kancelářských PC, servery a několik výkonných periferních jednotek tvoří dohromady množinu zařízení propojených sítí Ethernet (při použití přepínačů nebo rozbočovačů nebo i přímo sběrnicí) s přístupem do sítě Internet. Kancelářské prostředí neklade na mechanické ani elektrické provedení sítě Ethernet žádné zvláštní požadavky. Případné přerušení činnosti sítě je nepříjemné, ale nezpůsobí větší ekonomické ztráty a téměř jistě nezpůsobí žádné škody na životním prostředí ani zranění nebo dokonce smrt osob. Komunikační vztahy mezi těmito účastníky jsou vyjádřeny převážně architekturou klient/server, kdy servery plní požadavky klientů na předání větších objemů dat v rozsahu od několika kilobajtů až po stovky megabajtů. Aplikační programy jednotlivých účastníků přenosu používají standardní internetové protokoly jako HTTP, FTP atd.

Obr. 3.

Obr. 3. Ethernet v kancelářském prostředí

Úloha sítě Ethernet v průmyslovém prostředí je naznačena na obr. 4. Podobně jako některá z průmyslových sběrnic propojuje navzájem odloučené jednotky I/O zajišťující sběr dat a přenos řídicích signálů, elektronické systémy hydraulických, pneumatických a elektrických pohonů, programovatelné automaty (PLC), řídicí PC (IPC), systémy CNC, průmyslové a mobilní roboty, složitější přístroje (analyzátory, kamerové systémy, skenery atd.), periferie osobních počítačů, vestavěné zobrazovací a ovládací displeje a panely, průmyslové regulátory, koncentrátory dat (datalogger) a popř. i jednotlivé snímače a akční členy s vestavěnými ethernetovými rozhraními [7].

Na rozdíl od kancelářské sítě z obr. 3 musí průmyslová síť Ethernet nad rámec požadavků kladených na kancelářskou síť splňovat i požadavky na:

  • včasné a současné splnění požadavků jednotlivých komponent podílejících se na komunikaci podle předem daných priorit,

  • včasné a současné zareagování na výstražná hlášení,

  • minimalizaci kolísání doby odezvy (jitter),

  • stabilitu hardwaru (ochrana před výpadkem hardwaru),

  • stabilitu softwaru (stabilní operační systémy účastníků sítě i velmi stabilní síťový operační systém),

  • odolnost proti vibracím, rázům a dalším mechanickým vlivům,

  • odolnost proti působení vlhkosti (až do IP67), prachu, olejů a chemikálií,

  • přístup ze strany uživatele.

Jako modely komunikace mezi jednotlivými účastníky sítě se vedle běžného modelu klient/server, používaného především pro výměnu dat mezi dvěma entitami (kancelářské sítě), využívají i protokoly nabízející efektivnější výměnu dat mezi více než dvěma účastníky přenosu dat. Jde o protokoly založené na modelech označovaných jako publisher – subscriber a producent – consumer. Objemy dat přenášené v průmyslových sítích se pohybují od jednotlivých bajtů (naměřené hodnoty ze snímačů, řídící údaje pro vestavěné akční členy) až po stovky megabajtů předávaných mezi zobrazovacími panely a na úrovni řídicích PC.

Obr. 4.

Obr. 4. Ethernet v prostředí průmyslové automatizace

Uvedené rozdíly a výrazně větší požadavky na spolehlivost, deterministickou odezvu a robustnost provedení sítě Ethernet pro použití v průmyslu vedly a dále povedou k vývoji doplňkových a alternativních systémů a metod při zachování plné kompatibility s Ethernetem pro kancelářské prostředí – tedy ke vzniku průmyslového Ethernetu. Jak definuje průmyslový Ethernet Perry S. Marshall, jeden z jeho předních propagátorů, v [1], je uvedeno v rámečku vloženém do textu článku.

Jak již bylo řečeno, vyvinulo a uvedlo nebo uvádí na trh jednotlivé realizace průmyslového Ethernetu mnoho firem a sdružení. V následující kapitole jsou stručně ukázány způsoby, kterými síť Ethernet může splňovat požadavky průmyslu na sběr dat, ovládání a řízení.

5. Možná řešení průmyslového Ethernetu

Po stránce mechanické je průmyslový Ethernet řešen výrobci tak, že namísto běžných konektorů typu RJ45, obvyklých u techniky určené pro kancelářské prostředí, jsou tyto konektory vyráběny v průmyslovém provedení až do stupně krytí IP67, zpravidla s označením RJ45-IP67 apod. S vyšším stupněm krytí jsou vyráběny také konektory standardu DB-9. Dále je možné použít konektor M12, velmi častý v průmyslových sítích, v provedení Micro. Jeho poslední varianta je již standardizována i pro Ethernet s napájením zařízení po síti (IEEE 802.3af).

Klíčovou otázkou při řešení průmyslového Ethernetu jsou činnost systému v reálném čase na jedné straně a vlastnosti sítě Ethernet na druhé straně. Pod pojmem činnost systému v reálném čase se rozumí provedení požadovaných akcí do daného časového okamžiku (deadline) nebo v daném časovém okamžiku. To lze vyjádřit i tak, že systém (řídicí, komunikační) musí splňovat požadavky na včasné (dodržení daného času) a současné (synchronizace akcí jednotlivých účastníků řídícího nebo komunikačního procesu) provedení každé z vyskytujících se akcí. S druhou částí uvedené definice činnosti práce v reálném čase úzce souvisí toleranční časové pásmo při současném uskutečňování akcí. Toto toleranční pásmo se nazývá časová nejistota (jitter). Je-li časová nejistota nulová, je činnost komponent systému pracujícího v reálném čase plně synchronizována.

V současných řešeních průmyslového Ethernetu se včasného doručení zpráv dosahuje prostřednictvím těchto mechanismů [2]:

  • komunikační modely publisher – subscriber a producer – consumer,
  • přepínače (switch),
  • mechanismus prioritních slotů ve formátu protokolu Ethernet (podle standardu IEEE 802.1p),
  • použití tzv. vysokorychlostních variant Ethernetu,
  • segmentování sítě Ethernet.

Komunikační modely publisher – subscriber a producer – consumer jsou rychlejší v prostředí více než dvou komunikujících stanic a jsou vhodnější pro cyklickou výměnu dat, např. signálů ze snímačů technologických veličin, než model klient/server, používaný v kancelářských lokálních sítích a vyžadující vyslání požadavku na předání dat v každém cyklu.

Přepínače umožňují rozdělit síť na menší segmenty, kde – přes použití přístupové metody CSMA/CD – nemůže nastat kolize, protože v každém segmentu se nachází jen přepínač a jeden účastník. Včasné doručení zpráv účastníkovi od několika dalších účastníků (jednomu procesoru IPC současně z několika snímačů) musí být zajištěno odpovídajícím časovým rozvrhem komunikačního procesu.

Mechanismus prioritních slotů ve formátu protokolu je používán také v některých průmyslových sítích (LonTalk) a řeší právě již zmíněný problém plánování doručení zpráv z několika zdrojů, kdy zprávy s vyšší prioritou se doručují přednostně.

Vysokorychlostní varianty Ethernetu zvětšují propustnost sítě tím, že s rostoucí rychlostí přenosu zkracují časové okno vymezené pro přenos paketu i mezeru mezi pakety.

Segmentování sítě Ethernet znamená, že se pomocí přepínačů oddělí segmenty, ve kterých je požadována komunikace v reálném čase, od segmentů, v nichž není požadována činnost v reálném čase. Tvrdé požadavky na činnost v reálném čase (přísný determinismus) se v mnoha oblastech průmyslové automatizace vyskytují jen v minimálním počtu případů.

Co je to průmyslový Ethernet?

Průmyslový Ethernet je úspěšně použitý standard IEEE 802.3 v oblasti konektorů, přenosového média a dalšího obvodového řešení, které splňuje požadavky na odolnost proti elektrickému šumu, mechanickým vibracím a vlivům teploty a má potřebnou životnost. Je rovněž úspěšnou realizací v oblasti komunikačních protokolů, která řeší interoperabilitu inteligentních zařízení a dalších přístrojů a přenosy dat mezi nimi, včetně řízení těchto přenosů.

Perry S. Marshall [1]

Zdá se, že vážnějším problémem komunikace v reálném čase při použití průmyslového Ethernetu je časová nejistota při požadavcích na současné provedení akcí. Tato nejistota přímo plyne z principu nedeterministické přístupové metody jako základu Ethernetu. Minimalizovat časovou nejistotu a tím dosáhnout časového determinismu sítě a synchronní činnosti jejích jednotlivých účastníků lze několika způsoby. Jednou z možností je přesné deterministické plánování komunikace na principu synchronizace a tím dosažení současného provedení souvisejících akcí jednotlivými komunikujícími entitami. Uvedený princip, používaný např. v průmyslových sběrnicích, využívají i některé verze průmyslového Ethernetu. Takto pracují Ethernet Powerlink, Profinet IRT a SERCOS-III. Avšak použití synchronizačních principů obvyklých v průmyslových sítích částečně omezuje kompatibilitu takové realizace průmyslového Ethernetu s Ethernetem TCP/IP [2]. Další možností je vývoj nových synchronizačních mechanismů s plným respektování konformity základních funkcí Ethernetu TCP/IP. Řešením je synchronizace komunikace decentralizovanými hodinami. Tak je možné uskutečnit synchronní decentralizované akce bez synchronní organizace komunikace. Znamená to, že je vyjmut rozvrh jednotlivých úloh z celkového časového rastru komunikace. Tento způsob synchronizace procesů v síti Ethernet je definován standardem IEEE 1588 jako Precision Time Protocol (PTP). To vede k závěru, že problém reálného času v síti Ethernet je řešitelný [2], [3].

Obr. 5.

Obr. 5. Komunikační modely současných realizací průmyslového Ethernetu [2]

V důsledku nekoordinovaného vývoje nyní existuje několik více či méně úspěšných, avšak navzájem nekompatibilních realizací průmyslového Ethernetu. Nejznámějšími jsou Ethernet Powerlink (firma Bernecker & Rainer), Profinet (organizace PNO), Ethercat (organizace Ethercat Technology Group), EtherNet/IP (organizace PNO), Modbus TCP (IEC PAS 62030 – pre-standard) a SERCOS-III. Jejich uplatnění je nyní směrováno především do oblasti řízení rychlých procesů, jako je řízení pohybu a polohy při použití elektrických pohonů, zejména v pružných výrobních celcích, při výrobě automobilů a v další strojírenské výrobě. Na obr. 5 jsou znázorněny principy realizace komunikačního modelu u jednotlivých současných realizací průmyslového Ethernetu.

6. Závěr

Článek si klade za cíl odpovědět technické veřejnosti i odborníkům z oblasti průmyslové automatizace na otázky, které je třeba si klást v souvislosti s nástupem informatiky (IT) do průmyslového prostředí. Uvádí čtenáře do problematiky otevřené komunikace, historie, vývoje a současného stavu Ethernetu jako nejpoužívanější komunikační sítě v kancelářském prostředí a dalších činnostech a jako komponenty sítě Internet. Autoři specifikují požadavky průmyslu na Ethernet jako komunikační prostředek, vymezují pojem průmyslového Ethernetu a zamýšlejí se nad problémy provázejícími využití sítě Ethernet, a tím i internetových technik v oblasti průmyslové automatizace. Specifikují možnosti řešení a dokládají je na současných modelech již existujících variant průmyslového Ethernetu, kterými jsou Ethernet Powerlink, Ethercat, EtherNet/IP, Modbus/TCP, Profinet a SERCOS-III.

Poděkování
Článek vznikl v rámci řešení projektu GA 102/03/1097 a GA 102/05/0663. Autoři děkují Grantové agentuře České republiky za poskytnutou podporu.

Literatura:
[1] MARSHALL, P. S.: Industrial Ethernet, A pocket guide. ISA, 2002, ISBN 1-55617-774-7.
[2] LÜDER, A.: IAONA Handbuch – Industrial Ethernet. IAONA, Magdeburg, 2004.
[3] KABEŠ, K.: Použití sítě Ethernet v průmyslové automatizaci. Automatizace, 2002, č. 4, s. 267–268, ISSN 0005-125X.
[4] ZEZULKA, F.: Prostředky průmyslové automatizace. Vutium Brno, 2004, ISBN 80-214-2610-1.
[5] IEEE 1588: Ethernet im Takt. SPS Magazin – Special 2004, s. 32–34, ISSN 0935-0187.
[6] ZVEI: Automation stärker als erwartet. SPS Magazin, März 2004, s. 7, ISSN 0935-0187.
[7] ZEZULKA, F. – CACH, P. – BRADÁČ, Z. – FIEDLER, P.: Snímače s přímým připojením k internetu. Automa, 2004, roč. 10, č. 7, s. 37–39, ISSN 1210-9592.

prof. Ing. František Zezulka, CSc.
(zezulka@feec.vutbr.cz),
Ing. Ondřej Hynčica
(xhynci00@stud.feec.vutbr.cz),
ústav automatizace a měřicí techniky,
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VÚT v Brně

Ing. Ondřej Hynčica je absolventem oboru kybernetika, automatizace a měření na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Inženýrský titul získal v roce 2003 na základě obhajoby diplomové práce vypracované na University of Aalborg, Dánsko. V současné době je interním doktorandem v ústavu automatizace a měřicí techniky FEKT VUT. Zabývá se řízením programovatelnými automaty, použitím bezdrátových a internetových technik pro účely automatizace a teorií hybridních systémů.

Prof. Ing. František Zezulka, CSc., je absolventem oboru technická kybernetika na nynější Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Po tříletém zaměstnání jako výzkumný pracovník působil v letech 1971 až 1986 jako vysokoškolský učitel v nynějším ústavu automatizace a měřicí techniky FEKT VUT. V letech 1987 až 1989 pracoval jako výzkumný pracovník ve Šmeralových závodech a ve Výzkumném ústavu stavebních hmot na vývoji řídicích systémů lisů a počítačového řízení technologických procesů. Od roku 1990 opět působí na původním vysokoškolském pracovišti, nejprve jako docent a od roku 2004 jako profesor. Projektuje systémy s programovatelnými automaty a průmyslovými PC a zabývá se využitím moderních komunikačních a vestavných systémů pro účely automatizace.