Průmyslový Ethernet VII: Přehled současných standardů

 

Mezinárodní elektrotechnická komise (International Electrotechnical Commission – IEC) v současné době připravila rozšíření a modifikaci standardu pro sériové průmyslové sběrnice IEC 61158 World fieldbus, a to především směrem ke standardizaci průmyslového Ethernetu (Industrial Ethernet). Stejně jako při předcházející standardizaci průmyslových sběrnic (fieldbus) byla IEC přinucena stavem vývoje a v podstatě živelným nárůstem počtu variant průmyslového Ethernetu standardizovat téměř všechny jeho varianty, které mají národní podporu a jsou používány v praxi. V dokumentech typu IEC/PAS (Publicly Available Standard) je tedy nyní na cestě ke standardizaci deset variant průmyslového Ethernetu. V pořadí podle abecedy jsou stručně charakterizovány v tab. 1 a dále podrobněji popsány v následujících kapitolách.

 

Varianta Ethernet for Plant Automation (EPA) byla vyvinuta čínskou společností Sulfon jako nový systém podporující deterministickou komunikaci na bázi protokolů Ethernet TCP/IP nebo UDP/IP. Pro dosažení determinismu využívá prioritní sloty. Mechanismus prioritních časových slotů je zajištěn použitím ECSME (EPA Communication Scheduling Management Entity), což je rozšíření spojové vrstvy, jak ukazuje komunikační model na obr. 1.

 

Komunikační makrocyklus je zde rozdělen na fázi přenosu cyklicky se opakujících zpráv a na fázi přenosu necyklických (asynchronních) zpráv. Proces přenosu dat v reálném čase je mapován s použitím funkce EPA Function Block Application Process, zatímco data nevyžadující přenosy v reálném čase jsou přenášena standardní cestou prostřednictvím TCP/IP nebo UDP/IP. Předpokládané periody makrocyklu v délce několika milisekund lze dosáhnout při použití synchronizačního mechanismu vycházejícího z distribuovaných hodin reálného času podle IEEE 1588.

 

Standard EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) byl vyvinut firmou Beckhoff pro účely řízení v reálném čase. Organizace ETG (EtherCAT Technology Group), sdružující výrobce a uživatele této výkonné sběrnice, má v současné době více než 180 členů. Na rozdíl od ostatních sběrnic není u standardu EtherCAT paket rámce Ethernetu přijímán každým účastníkem déle, než jsou interpretována a kopírována přenášená technologická data. Namísto standardního ukládání je rámec Ethernetu zpracováván během příjmu rámce. Každé zařízení pro síť EtherCAT má dva porty, a komunikační rámec tak doslova prochází skrz zařízení. Zařízení v síti EtherCAT, pro který jsou data určena, data čte, zatímco rámec již putuje k dalšímu zařízení. Podobně modul ukládá data do rámce při jeho průchodu rozhraním, takže zdržení v každém účastníku sítě činí pouze několik nanosekund, což znamená výrazně větší rychlost přenosu dat v porovnání s jinými systémy založenými na Ethernetu. Poslední účastník (zařízení) v síti posílá rámec zpět na její začátek, a síť má tudíž topologii logického kruhu. Přenášená data obsahují kompatibilní ethernetové rámce, konvertované uvnitř segmentu sítě na vnitřní sběrnici (E-Bus), kterou je vybaven každý účastník.

 

Ethernetové rámce s tvrdými požadavky na dodržení doby odezvy (tzv. real-time frames) mají prioritu před ostatními daty (např. konfiguračními, diagnostickými atd.), realizovanou prostřednictvím vnitřního systému priorit. Konfigurační data jsou přenášena v časových přestávkách, jestliže je k dispozici dostatečně dlouhý časový interval při použití speciálního servisního kanálu. Plně zachovaná funkční schopnost Ethernetu umožňuje operačnímu systému dosáhnout plné kompatibility vrstev Ethernetu s protokolem IP.

 

Synchronizační mechanismus je založen na IEEE 1588, a EtherCAT tak dosahuje výkonu, který umožňuje realizovat řízení pohonů i bezpečnostních systémů kategorie až SIL 3. Komunikační model EtherCAT je na obr. 2.

Základem sběrnice EtherNet/IP je Ethernet TCP/IP s přenosem dat prostřednictvím protokolu TCP nebo UDP. Zkratka IP v názvu indikuje průmyslový protokol (Industrial Protocol) na bázi Ethernetu. Jeho model představuje rozšíření komunikačního zásobníku pro průmyslovou komunikaci (obr. 3). Ve vrstvě 7 modelu se nachází protokol aplikační vrstvy CIP (Control and Information Protocol), vytvořený pro průmyslové sítě DeviceNet a ControlNet a v systému Ethernet/IP použitý nad protokoly TCP/IP. Příslušné specifikace jsou volně k dispozici od sdružení ODVA, které zajišťuje vývoj standardu Ethernet/IP.

 

Pro přenos časově kritických zpráv mezi řídicími prvky a moduly I/O používá Ethernet/IP metodu producer-consumer. Ostatní data lze přenášet s použitím standardních protokolů běžných v oboru IT (např. HTTP, FTP, SMTP, SNMP). Necyklická data (konfigurační a parametrizační data, nahrání programu apod.) jsou zabezpečeným způsobem přenášena spojovanou službou protokolem TCP, zatímco časově kritická data jsou přenášena nespojovanou službou protokolem UDP. Systém využívá osvědčenou knihovnu profilů automatizačních zařízení vytvořenou již v systému DeviceNet.

Systém Ethernet/IP je dále rozšiřován o mechanismy práce v reálném čase a o bezpečnostní mechanismy. Například CIPsync je rozšíření realizující mechanismus časové synchronizace v distribuovaném systému (podle standardu IEEE 1588). Naproti tomu rozšíření CIPsafety přináší do systému Ethernet/IP prvky bezpečné komunikace vyhovující požadavkům normy IEC 61508 až do kategorie SIL 3.

 

Komunikační systém Ethernet Powerlink (EPL) vznikl v rakouské automatizační firmě Bernecker and Rainer (B&R) a je podporován mnoha významnými evropskými výrobci automatizační techniky, organizovanými ve sdružení EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group). Jde o jeden z nejrozšířenějších standardů průmyslového Ethernetu s velmi dobrými vlastnostmi reálného času nad standardním provedením fyzické a spojové vrstvy Ethernetu. Z komunikačního modelu tohoto systému (obr. 4) je patrné, že zatímco přenosy časově nekritických dat, jako jsou např. internetové zprávy, se uskutečňují protokoly TCP/UDP/IP, přenosy časově kritických dat (izochronní přenos) probíhají mezi standardní vrstvou 2 a aplikační vrstvou speciálním protokolem při využití principů standardu IEEE 1588. Komunikační zásobník řídí kompletně celý přenos dat v síti. Řídicí metoda má název Slot Communication Network Management (SCNM) a zabezpečuje komunikaci v reálném čase. Každá stanice má přesně stanovená komunikační práva, na jejichž základě může posílat data libovolné stanici na síti. V daném čase má přístup k přenosovému médiu jen jedna stanice. Nemůže tedy docházet ke kolizím a je zajištěn striktně deterministický přenos. Vedle těchto individuálních časových slotů pro operace v reálném čase zabezpečuje SCNM také časové sloty pro standardní časově nekritické zprávy v asynchronním datovém provozu. Vlastnosti bezpečného přenosu jsou realizovány v rozšíření EPL safety, a to na úrovni SIL 3 podle IEC 61508. Varianta EPL version 2 obsahuje profily automatizačních přístrojů a profily komunikačních podsystémů.

 

Jde o americký protokol vycházející ze současné varianty Modbus/TCP a podporovaný organizaci IDA. Úkolem verze Modbus-RTPS (Real Time Publish-Subscribe) je posílit u systému Modbus/TCP vlastnosti reálného času. Dobrou startovní pozici jí zajišťuje skutečnost, že Modus/TCP vychází z velmi úspěšného a v oboru automatizace patrně vůbec nejrozšířenějšího komunikačního protokolu Modbus, který byl vyvinut firmou Modicon (později AEG a následně Schneider Electric) již v roce 1989 a postupně se stal de facto komunikačním standardem v automatizaci. Jeho specifikace je volně dostupná a nedošlo v ní od té doby k žádné změně. To vše dává systémům Modbus/TCP a Modbus-RTPS dobré předpoklady pro úspěch na trhu. O systému Modbus-RTPS nejsou dosud k dispozici úplné informace [1], způsob jeho činnosti však vyplývá z komunikačního modelu Modbus na obr. 5.

 

Datagram je v protokolu Modbus zabalen do ethernetového rámce s protokoly TCP/IP a standardní přístupovou metodou (přepínaný Ethernet TCP/IP) je přenášen fyzickou vrstvou. Standardní rámec protokolu Modbus se skládá z adresy řízené stanice (slave), kódu operace podle specifikace Modbus, bloku přenášených dat a kontrolního součtu. V systému Modbus/TCP není kontrolní součet přenášen, neboť chyby přenosu jsou kontrolovány ve vrstvách 1 až 4. Kód funkce říká řízené stanici, co má s daty udělat. Nejjednodušší řízené stanice (např. modul I/O programovatelného automatu) mohou být v systému Modbus/TCP řízeny velmi jednoduchou množinou funkcí protokolu Modbus. Modbus je tedy nejstarším průmyslovým komunikačním protokolem. Nepřekvapuje tudíž, že je pro něj volně k dispozici velký počet profilů automatizačních zařízení.

 

Vedle popsaného způsobu komunikace typu master-slave existuje v současné době již v Ethernetu/TCP rozšíření podle IEC/PAS, které definuje protokol s vlastnostmi reálného času umožňující komunikovat způsobem publish-subscribe při využití standardní cesty UDP/IP, např. pro synchronizaci distribuovaných automatizačních komponent. Toto rozšíření je základem protokolu Modbus-RTPS. Vlastnosti požadované pro řízení v reálném čase jako determinismus a spolehlivost (bezpečnost) budou předmětem konkrétních řešení při jeho vlastní implementaci.

Standard průmyslového Ethernetu s označením P-net on IP je založen na dánském průmyslovém komunikačním standardu P-Net (EN 50160 část 1 z roku 1996). Protokol P-Net je podporován mezinárodní organizací uživatelů sítě P-Net (International P-Net User Organization – IPUO). Standard P-Net on IP je navržen pro použití tohoto protokolu v prostředí IP. Systém umožňuje použít protokol P-Net i v úlohách vyžadujících přenosy v reálném čase, kde časově kritická data jsou zabalena do rámce UDP/IP. Pro standardní funkční nezabezpečenou komunikaci je vyhrazen port 34378 a pro přenos zabezpečený proti vnějšímu i vnitřnímu útoku port 34789. Tam již přenášené zprávy potřebují odpovídající heslo.

 

Z komunikačního modelu průmyslového Ethernetu s protokolem P-Net na obr. 6 je zřejmé, že pro zprávy v protokolu P-Net se využívá cesta UDP/IP. K tomu je nutné rozšířit existující adresovací mód protokolu P-Net (který může být např. jednoduchý, rozšířený nebo komplexní) o IP, a to včetně vložení příslušných směrovacích definic. Použití systému P-Net on IP pro Ethernet s vlastnostmi reálného času znamená, že pakety protokolu P-Net mohou být směrovány prostřednictvím sítě s protokolem IP přesně stejným způsobem, jako kdyby byly přenášeny obyčejnou průmyslovou sítí P-Net.

Komunikační systém Profinet byl vyvinut organizaci PNO (Profibus Nutzerorganisation) s významným přispěním firmy Siemens a je k dispozici od roku 2002. Na obr. 7 vlevo je znázorněn komunikační model Profinet Verse 2 (V2), který je označován jako Profinet IO. Pracuje tak, že standardní zprávy bez požadavků na přenos v reálném čase (non real-time) jsou přenášeny standardní cestou TCP/UDP/IP, zatímco druhý, paralelní kanál obsahuje programové překlenutí (SW by-pass) vrstev 3 a 4 komunikačního zásobníku, takže lze dosáhnout dokonalejších vlastností reálného času. K jejich dalšímu vylepšení je u systému Profinet redukována délka přenášeného bloku dat a je zaveden mechanismus prioritních slotů podle standardu IEEE 802.1p (až do priority 7 u komunikace v reálném čase). V systému Profinet verze V3, známém jako Profinet IRT (Isochronous Real Time) a určeném pro úlohy probíhající v reálném čase s tvrdými požadavky na dodržení doby odezvy a synchronizace, je pro vrstvy Ethernetu použit speciální hardware realizující hardwarové překlenutí vrstev TCP/IP (HW bypass, obr. 7 napravo). Spolu s přepínanou sítí Ethernet dosahuje Profinet V3 izochronnosti a je vhodný k řízení např. pohonů. Přenos běžných zpráv bez požadavků na přenos v reálném čase, včetně přístupu k internetu, je zajištěn paralelní cestou TCP/UDP/IP.

 

Celkově probíhá komunikace v systému Profinet ve dvou módech. Prvním módem je tzv. Profinet IO, určený k obsluze distribuovaných jednotek I/O (přenos v reálném čase a izochronní přenos). Druhý mód je označen Profinet CBA (Component Based Automation), což je přenos zpráv prostřednictvím protokolů TCP/IP bez požadavku na doručení v reálném čase. Dalším rozšířením systému Profinet je zavedení bezpečných mechanismů komunikace ve variantě označené Profisafe.

 

Systém SERCOS (Serial Real Time Communications System) byl vyvinut v Německu konsorciem složeným z firem a organizace ZVEI již v průběhu 80. let minulého století. Dále jsou jeho další vývoj a využití podporovány od roku 1990 organizací IGS (Interest Group SERCOS interface). Jde o systém používaný zejména v technice pohonů k řízení os a spolupracujících strojů ve strojírenství a úspěšná sběrnice SERCOS II je typickou průmyslovou komunikační sběrnicí s vlastnostmi reálného času. Systém SERCOS III je průmyslový Ethernet, který vychází ze systému SERCOS a k dosažení vlastností reálného času (včetně izochronnosti) používá princip tzv. software bypass, jak je patrné z pravé časti jeho modelu na obr. 8.

 

Mechanismy posilujícími vlastnosti reálného času systému SERCOS směrem k determinismu (již ve verzi SERCOS II) jsou prioritní sloty a hardwarová synchronizace na principu distribuovaných hodin reálného času.

 

Japonským příspěvkem do skupiny průmyslových Ethernetů je TCnet (Time-Critical Control Network), produkt firmy Toshiba. Disponuje cyklickým režimem pro přenos technologických dat a přenosem necyklických zpráv standardní cestou TCP/IP. Směrem k reálnému času je rozšířen ve vrstvě MAC pod označením DOMA (Deterministic Ordered Multiple Access), což je mechanismus bránící kolizím a zajišťující definovanou dobu odezvy. Cyklická výměna dat může být uskutečněna v režimu velké, střední nebo malé rychlosti, tj. rychlost přenosu lze přizpůsobit požadované periodě cyklu obnovy dat. Ve službách aplikační vrstvy je definována společná paměť, která je distribuována po celé síti a využívá jednotlivé uživatelské programy běžící na jednotlivých stanicích připojených k síti TCnet. Komunikační model systému TCnet je na obr. 9.

 

Systém Vnet/IP vytvořila firma Yokogawa k použití v systémech určených k řízení kontinuálních a vsádkových technologických procesů. Časově nekritická data (data pro inženýrské činnosti a údržbu, nadřazené řízení, zobrazení) jsou přenášena standardní cestou TCP/IP, časově kritická data jsou přenášena kanálem UDP/IP. Pro přenosy dat v reálném čase je v systému implementován speciální modul RTP (Real-Time and Reliable Datagram Protocol). Spolu s použitím prioritních slotů dosahuje systém doby odezvy v řádu milisekund, což je pro účely řízení technologických procesů dostačující. Pro standardní protokoly jako FTP a HTTP se využívá kanál TCP/IP. Pro zvýšení spolehlivosti komunikačního kanálu je síť provedena jako redundantní. Síť Vnet/IP je jednou ze systémových sběrnic použitelných v distribuovaných řídicích systémech Centum.

 

Systém Vnet/IP má rozhraní pro připojení podřízených průmyslových sítí (např. Modbus/TCP, DeviceNet). Jeho komunikační model je na obr. 10.

 

Vedle již uvedených komunikačních standardů na bázi systému Ethernet IP se prosazují i další firemní a jiné systémy, které zatím na trhu nemají takový význam. Přesto jsou mnohdy zajímavě řešeny a pravděpodobně budou i komerčně úspěšné. Jde např. o protokoly FTE, HSE, JetSync, Renet, Safeethernet, SynqNet, SynUTC atd., které vesměs posilují jen některou ze slabých stránek Etherentu TCP/IP a nečiní si nárok na roli průmyslové sběrnice jako takové. Již tak, jak je z přehledu patrné, je připravovaných standardů (IEC/PAS, viz. tab. 1) průmyslového Ethernetu více než dost.

V článku je stručně charakterizováno deset hlavních variant průmyslového Ethernetu spějících v současné době ke standardizaci na mezinárodní úrovni a zmíněny jsou i některé další jeho varianty, méně rozšířené. Celkově lze konstatovat, že množství úspěšných řešení průmyslových komunikačních sběrnic vycházejících z Ethernetu je důkazem, že průmyslový Ethernet se stane nejvýznamnějším komunikačním prostředkem nejen v lokálních sítích (LAN) pro kancelářská použití, ale i pro automatizaci v průmyslu. Zatímco v oboru automatizace strojů a výrobních linek se tento vývoj více méně očekával, některé z uvedených standardů jsou určeny k použití především při automatizaci technologických procesů, což se již tak jednoznačně neočekávalo.

 

Následující, závěrečný díl seriálu bude podrobněji informovat o těch vybraných systémech průmyslového Etherentu, které se v současné době jeví jako nejperspektivnější.

 

[1] LÜDER, B. – LORENZ, K. (ed.): IAONA Handbook – Industrial Ethernet. IAONA e. V., 3^rd edition, Magdeburg, 2005, ISBN 3-00-016934-2.

[2] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet I: Historický úvod. Automa, 2007, roč. 13, č. 1, s. 41–43.

[3] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet II: Referenční model ISO/OSI. Automa, 2007, roč. 13, č. 3, s. 86–90.

[4] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet III: Fyzické provedení sítě Ethernet. Automa, 2007, roč. 13, č. 6, s. 40–44.

[5] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet IV: Principy průmyslového Ethernetu. Automa, 2007, roč. 13, č. 10, s. 57–60.

[6] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet V: Bezpečná komunikace po Ethernetu. Automa, 2007, roč. 13, č. 12, s. 58–61.

[7] ZEZULKA, F. – HYNČICA, O.: Průmyslový Ethernet VI: Informační bezpečnost. Automa, 2008, roč. 14, č. 1, s. 58–62.

http://www.ethercat.org (EtherCAT)

http://www.epa.org.cn (EPA)

http://www.odva.org (Ethernet/IP)

http://www.ethernet-powerlink.com (Ethernet Powerlink)

http://www.jetter.de (JetSync)

http://www.modbus-ida.org (Modus-RTPS)

http://www.p-net.org (P-Net on IP)

http://www.profibus.com (Profinet)

http://www.sercos.de (SERCOS III)

http://www.toshiba.com (TCnet)

http://www.yokogawa.com (Vnet/IP)