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.
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