Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Průmyslový Ethernet CC-Link IE controller network

Článek popisuje průmyslovou komunikační síť CC-Link IE controller network (CC-Link IE), která byla vyvinuta firmou Mitsubishi, je podporována mezinárodním sdružením firem a institucí CLPA a spolu se skupinou protokolů CC-Link je velmi úspěšným prů­myslovým komunikačním prostředkem, především na asijském trhu. Síť CC-Link IE je určena obecně pro účely průmyslové automatizace na úrovni propojení řídicích členů (PLC, IPC a dalších počítačových ří­dicích systémů).
 

Skupina protokolů CC-Link

Protokol CC-Link IE (Control and Com­munication Link Industrial Ethernet) je dal­ším úspěšným představitelem systémů typu průmyslového Ethernetu [4]. Byl vyvinut fir­mou Mitsubishi jako velmi výkonný průmys­lový komunikační systém pro účely automati­zace. Je patrně jen otázkou krátké doby, kdy bude začleněn do normy IEC 61158-2 k do­savadním jedenácti standardům průmyslové­ho Ethernetu, o nichž autoři podrobně refe­rovali mj. v [1], [2] a [3]. Protokol CC-Link IE je nejvýkonnější ze skupiny komunikač­ních protokolů a systémů firmy Mitsubishi a organizace podporující rozvoj těchto prů­myslových sítí (CC-Link Partner Association – CLPA), a to především, ale nejen na asij­ském trhu. Organizace CLPA má již více než 800 partnerů po celém světě.
 
Budoucí skladbu skupiny protokolů CC--Link (Control and Communication Link) ukazuje obr. 1. Zatímco na úrovni standard­ní výkonné průmyslové sběrnice jsou již od roku 2000 standardizovány jako IEC 15745-5 protokoly CC-Link a CC-Link/LT (sběr­nice nejnižší úrovně pro připojení snímačů a akčních členů), bezpečné (safety) prove­dení průmyslové sítě CC-Link je standardi­zováno od roku 2006 jako CC-Link safety (podle IEC 61508 a ISO 13849-1). Další ko­munikační sítě hierarchické řídicí struktury budou tvořeny sběrnicemi CC-Link IE con­troller network (již k dispozici) a dále sítě­mi CC-Link IE motion network (průmyslový Ethernet pro řízení pohonů) a CC-Link IE fi­eld network (průmyslový Ethernet pro říze­ní spojitých technologických procesů), které jsou v poslední fázi vývoje. Celá skupina pro­tokolů CC-Link bude umožňovat bezproblé­mově přenášet data mezi libovolnými kompo­nentami nacházejícími se v jednotlivých seg­mentech hierarchické řídicí struktury.
 
Článek je věnován systému CC-Link IE controller network (dále jen CC-Link IE). Jde o systém určený obecně pro účely průmys­lové automatizace na úrovni propojení řídi­cích členů jako programovatelných automa­tů (PLC), průmyslových počítačů (IPC) a dal­ších řídicích počítačových systémů.
 
Systém CC-Link IE představuje konzis­tentní integrovanou průmyslovou komunikač­ní síť řešenou na fyzické úrovni podle stan­dardu IEEE 802.3z (1000BASE-SX) s mno­havidovým optickým vláknem s přenosovou rychlostí 1 Gb/s. Pro účely komunikace kaž­dá stanice (komunikující zařízení) disponu­je sdílenou síťovou pamětí pro cyklická data velikosti až 256 kB, což umožňuje realizo­vat totálně distribuovaný řídicí systém vy­užívající sítě autonomních, dostatečně inte­ligentních komunikujících uzlů. V praxi to znamená, že perioda cyklu sítě CC-Link IE se 64 uzly je 5 ms nebo kratší. Jak je uvedeno v přehledu vlastností sítě v tab. 1, je k řízení sítě použita metoda předávání pověření (to­ken passing), což umožňuje dosáhnout velké propustnosti sítě současně se zajištěním de­terministického přístupu komunikujících en­tit k datům a konstantní periody komunikač­ního cyklu a důsledně zabránit vzájemné ko­lizi dat při přenosu.
 

Konfigurace sítě CC-Link IE

Síť CC-Link IE se skládá z jedné řídi­cí stanice a jedné nebo několika řízených stanic (slave), jak je patrné z obr. 2. Maxi­mální počet stanic v jednom segmentu sítě CC-Link IE je 120.
 
Jednoduché segmenty sítě CC-Link IE s jednou řídicí stanicí podle obr. 2 lze navzá­jem propojovat do složených sítí (uspořádání multinetwork). K propojení se používají sta­nice fungující jako řídicí stanice v jedné ze sítí a jako stanice řízená v síti druhé. Sché­ma složené sítě tvořené třemi základními seg­menty sítě CC-Link IE je na obr. 3.
 
Komunikaci v každém segmentu sítě řídí jeho řídicí stanice prostřednictvím sekven­ce pověření zasílané řízeným stanicím. Ří­dicí stanice, která obdrží pověření, provede příslušnou operaci přenosu cyklických dat a pak pověření předá další stanici v pořadí. Poslední stanice v segmentu předá pověře­ní pro uskutečnění cyklického přenosu ří­dicí stanici, která opět zahájí další cyklus. Ve složené síti (multinetwork) může praco­vat až 239 jednoduchých segmentů sítě CC--Link IE. Adresy jednotlivých stanic odka­zují na číslo segmentu ve složené síti a číslo uzlu v segmentu.
 

Komunikační protokol CC-Link IE

Systém CC-Link IE je založen na využi­tí techniky Ethernetu. Protokolem prvních dvou vrstev je tedy protokol Ethernet. K při­pojení k optickým kabelům ethernetové sítě lze tak použít komerční připojovací karty a rovněž lze používat komerční analyzátory sítě. Sestavit a zkonfigurovat síť CC-Link IE a uvést ji do chodu po fyzické i softwarové stránce tudíž není složité. Kanál TCP/IP za­jišťující kompatibilitu s internetem je využí­ván v acyklické fázi protokolu CC-Link IE. Systém CC-Link IE využívá k přenosu dat standardní ethernetový rámec, do jehož dato­vé části se vkládá rámec CC-Link IE (obr. 4).
 
Jednotlivé vrstvy protokolu jsou namapo­vány do standardního modelu komunikačního kanálu ISO/OSI na obr. 5, přičemž CC-Link IE využívá jen pět vrstev modelu ISO/OSI. V pravé části modelu na obr. 5 je znázorněn kanál reálného času CC-Link IE, zatímco ko­munikační tok asynchronních zpráv (internet, parametrizační a konfigurační data) znázor­ňuje levá část modelu.
 

Základní komunikační funkce

Při řízení výrobních linek musí stroje CNC, řídicí počítače, programovatelné au­tomaty a další řídicí členy navzájem komu­nikovat za účelem předávání zpráv o stavu a dalších acyklických údajů o dalších řídicích členech. Ovšem nejvýznamnější úlohou prů­myslové řídicí sítě je výměna dat v reálném čase, garantující koordinovanou činnost v si­tuacích, kdy je vyžadována synchronizovaná činnosti jednotlivých řídicích členů.
 
Základním režimem sítě CC-Link IE je tu­díž režim cyklické komunikace, který se stá­lou periodou aktualizuje v reálném čase data pro řízení stanic připojených k síti. U sítě CC-Link IE se k přenosu dat v reálném čase mezi řídicími členy využívá sdílená síťová pa­měť cyklické komunikace.
 

Komunikace prostřednictvím sdílené síťové paměti

Způsob, jakým je režim cyklické komuni­kace zaveden v síti CC-Link IE a jak umožňu­je výměnu dat mezi stanicemi navzájem (sta­tion-to-station) prostřednictvím sdílené síťové paměti, je ukázán na obr. 6. Díky použité me­todě umožňuje sdílená paměť sítě přenášet až 4 kB bitově orientovaných dat a až 256 kB slov mezi všemi stanicemi v síti. Každá stanice při­stupuje ke své vlastní sdílené paměti, která ob­sahuje data ze všech stanic. Protože síť pracu­je s přenosovou rychlostí 1 Gb/s, lze přenést data ze všech stanic bez významného zpoždění. Například při 32 stanicích, z nichž každá přenáší 4 kB dat, lze všech­na data přenést během 60 μs. Cyk­lická výměna dat má vždy přednost před acyklickým režimem sítě. Síťo­vá sdílená paměť umožňuje také síť snadno modifikovat (např. změny typu přidání nebo odebrání stanice nevyžadují žádnou znalost způsobu připojení k síti). Síť je tudíž z prin­cipu flexibilní a snadno použitelná.
 

Deterministický režim sítě s předáváním pověření

Každá stanice může posílat (za­pisovat) data jen tehdy, vlastní-li pověření, a má má právo zapisovat pouze do určité vyhrazené oblasti sdílené paměti. Z ostatních oblastí může pouze číst. Stanice vlastnící pověření zasílá zapisovaná data kaž­dé stanici v síti. Řízené stanice (slave), které data přijímají, je kopírují do příslušné vyhra­zené části sdílené paměti. Jakmile je tento je­den přenos uskutečněn, je pověření předáno další řízené stanici atd. Perioda cyklu musí být zcela deterministická. Na obr. 7 je vidět, jak se data přenášejí ze stanice vlastnící po­věření do ostatních stanic. Při plánování pře­nosu je možné určit periodu cyklu i jednotli­vých dílčích cyklů zasílání dat z jednotlivých stanic, což je důležité pro zachování přísného determinismu sítě.
 
Princip sdílené paměti má výhodu mj. v tom, že přenos dat v reálném čase z jednot­livých stanic nezávisí na stavu spojení mezi vysílací a přijímací stanicí.
 

Acyklická komunikace peer-to-peer

Zatímco základním režimem sítě CC-Link IE je cyklický režim pro předávání dat, pro časově nekritické acyklické zprávy je v síti použita přímá metoda komunika­ce mezi stanicemi (peer-to-peer). Využívá se k přímému předávání acyklických zpráv (stav, parametrizační data atd.) mezi dvěma stanicemi. Tyto nepravidelné, občasné zprá­vy jdou mimo standardní cyklický přenos dat v reálném čase a nenarušují jeho základ­ní režim přesného časování. Aby byl tento základní přenos časově kritických dat v re­álném čase skutečně zaručen, používá sys­tém CC-Link IE zvláštní přenosové pásmo, které je vyhrazeno pro přenosy uvedených necyklických zpráv a nenarušuje cyklickou výměnu dat. Tím je zajištěn determinismus tam, kde je nezbytný, a přitom zůstává do­statek prostoru pro výměnu necyklických zpráv přímo mezi stanicemi. K hladkému přenosu acyklických dat mezi jednotlivými stanicemi stačí určit adresu segmentu sítě a vlastní adresu cílové stanice v segmentu.
 
Přenos probíhá tak, že každá stanice šíří svá řídicí data přes sdílenou síťovou paměť. To znamená, že uživatelský program komu­nikuje tak, že zapisuje nebo čte data přes sdí­lenou paměť. Přes sdílenou paměť může po­sílat i dostávat data každá stanice připojená k síti, aniž je k tomu nutná zvláštní znalost protokolu CC-Link IE. Je základním princi­pem tohoto protokolu, že nekritické občasné zprávy z jednotlivé stanice do několika stanic zapojených v síti, potřebné pro nastavení řídi­cího programu, se předávají logickými spoji na jedné hierarchické úrovni bez ohledu na skutečnou fyzickou strukturu sítě.
 

Topologie sítě CC-Link IE

Podobně jako v jiných moderních sítích v oblasti IT, jejichž požadavkům na přenoso­vou rychlost již nestačí metalické přenosové médium, je i v systému CC-Link IE použito propojení optickými kabely. Lze tedy použí­vat kompaktní přístroje s levným optickým rozhraním. Fyzickým médiem je ethernetový mnohavidový optický kabel pro IEEE 802.3z (pro gigabitový Ethernet) s konektory podle IEC 61754 20 LC (duplex). Toto řešení zvy­šuje odolnost sítě proti elektromagnetickému rušení v průmyslovém prostředí, prodlužuje maximální přípustnou vzdálenost mezi stani­cemi na 550 m, a tím i celkovou délku seg­mentu na 66 km. Protože vlast­nosti fyzických komponent jsou určeny mezinárodními standar­dy, nejsou při instalaci sítě nut­né žádné úpravy.
 
Systém CC-Link IE používá duplexní kruhovou topologii. Ta sice vede k poněkud vyšším nákladům na instalaci, přesto­že celková délka kabelu je ob­vykle menší než u zapojení typu hvězda, avšak současně přináší významnou výhodu odolnosti proti poruše ze společné příči­ny při přerušení kabelu a umož­ňuje použít automatickou de­tekci chyby v propojení (au­to-negotiation) dvou stanic [5]. Dojde-li k chybnému zapojení typu vstup-vstup nebo výstup--výstup, nepřipojí se takové sta­nice k síti. S touto funkcí se lze vyhnout zdržení při spouštění systému zapříčiněnému použi­tím vadného kabelu.
 
Zavedením funkce obnovy smyčky (loop-back) lze při pře­rušení duplexní sítě v důsledku poruchy kabelu uzavřít spoje­ní v jejích fungujících částech (obr. 8). Při poruše kabelu mezi stanicemi nebo poruše jedné sta­nice je síť následně automatic­ky překonfigurována, takže je obnovena cyklická výměna dat v síti mezi fungujícími stanice­mi. Jde o základní vlastnost sys­tému CC-Link IE nevyžadují­cí žádné nastavování ani žádná přídavná zařízení.
 

Funkce řídicí stanice

Řídicí stanice systému CC-Link IE řídí cyklický režim přenosu dat mezi všemi sta­nicemi. Při její poruše přebírá řídicí funk­ci jiná stanice připojená v síti (funkce floa­ting master), což zvyšuje spolehlivost celé­ho systému.
 
Řídicí stanice v systému spravuje parame­try sítě, např. celkový počet stanic, přiřazení oblastí sdílené paměti apod., a je odpovědná za konzistenci a neporušenost (integritu) sítě. Po spuštění sítě distribuuje požadované para­metry do všech podřízených stanic. Jestliže se některá stanice v důsledku poruchy kabe­lu nebo chybou vlastní stanice zastaví, řídi­cí stanice automaticky aktivuje funkci loop--back. Vypoví-li ve stejném okamžiku funk­ce dvě stanice, síť se rozdělí, protože funkce loop-back ještě nestačila zapůsobit. V rozdě­lené síti se v jedné části jedna ze stanic stává záložní řídicí stanicí obr. 9.
 

Další vývoj protokolu CC-Link IE

Průmyslový Ethernet CC-Link IE control­ler network je již zavedená vysokorychlostní komunikační síť na bázi Ethernetu. Profituje jednak ze svých kvalit a dobrého technického řešení, jednak ze schopnosti téměř bezproblé­mově komunikovat s ostatními sítěmi skupiny CC-Link. Staví především na optickém vlák­nu, přenosovém médiu, a tím na odolnosti pro­ti elektromagnetickému rušení, velké přenoso­vé rychlosti (1 Gb/s) a velkém dosahu a rozsa­hu (celková délka kabelu až 66 km při až 256 segmentech sítě) a na unikátním řešení předá­vání zpráv prostřednictvím sdílené distribuo­vané virtuální síťové paměti.
 
V nejbližší době tento systém bude prav­děpodobně dále expandovat jak směrem k sí­tím IT, tak i směrem dolů, do výrobních pro­vozů, kde jsou před dokončením varianta velmi rychlé sítě CC-Link motion control pro úlohy spjaté s řízením elektrických po­honů a varianta CC-Link network pro úče­ly automatizace spojitých technologických procesů.
 
Třebaže protokol CC-Link IE controller network není prozatím součástí normy IEC 61158, lze očekávat jeho další rozšíření ne­jen na asijském, ale i na celosvětovém poli automatizačních prostředků díky jeho vel­mi dobrým vlastnostem a podpoře od před­ního japonského dodavatele automatizač­ní techniky.
 
Další informace lze získat na webových stránkách www.clpa-europe.com nebo www.cclinkamerica.org.
 
Literatura:
[1] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet VII: Přehled současných standardů. Automa, 2008, roč. 14, č. 2, s. 26–29.
[2] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet VIII: Ethernet Powerlink, Profinet. Automa, 2008, roč. 14, č. 5, s. 62–66.
[3] LUEDER, A. – LORENTZ, K.: IAONA Han­dbook – Industrial Ethernet, 3rd edition. IAO­NA, Magdeburg, 2005, ISBN 3-00-016934-2.
[4] JONES, S. – TURNBULL, G.: Spotlight on indu­strial protocols: CC-Link IE controller network. The industrial Ethernet book, Nov. 2008.
[5] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet III: Fyzické provedení sítě Ethernet. Automa, 2007, roč. 13, č. 6, s. 40–44.
 
prof. Ing. František Zezulka, CSc.
Ing. Ondřej Hynčica
ústav automatizace a měřicí techniky,
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně
 
Obr. 1. Přehled protokolů skupiny CC-Link v hierarchické řídicí struktuře [4]
Obr. 2. Základní konfigurace sítě CC-Link IE [4]
Obr. 3. Složená síť tvořená třemi segmenty sítě CC-Link IE
Obr. 4. Zapouzdření rámce CC-Link IE do standardního ethernetového rámce
Obr. 5. Protokol CC-Link IE namapovaný do modelu komunikačního kanálu podle ISO/OSI
Obr. 6. Logická struktura sdílené distribuované virtuální síťové paměti
Obr. 7. Přenos dat mezi stanicemi metodou předávání pověření při existenci sdílené síťové paměti: způsob odesílání dat mezi jednotlivými stanicemi [4]
Obr. 8. Funkce loop-back vytvoří dva logické komunikační okruhy – dopředný a zpětný – a síť lze při poruše kabelu nebo účastníka přenosu automaticky překonfigurovat
Obr. 9. Při poruše dvou stanic současně se síť rozdělí: v levé části zůstává původní řídicí stanice a v pravé části jedna z podřízených stanic převezme roli záložní řídicí stanice a řídí pravou část rozdělené sítě [4]
 
Tab. 1. Základní vlastnosti systému CC-Link IE controller network