Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Reálný čas a Ethernet v podniku

číslo 6/2004

Reálný čas a Ethernet v podniku

Pojem reálného času je v automatizaci technologických procesů relativní. Při řízení rychlých pohybů může jít o doby odezvy v řádu mikrosekund, při běžném řízení strojů o milisekundy a např. při dispečerském řízení procesů běžně o jednotky sekund. Takže rozmezí v rozsahu nejméně pěti řádů!

S možností využít Ethernet jako univerzální síť v současných průmyslových podnicích se stává diskuse o Ethernetu v reálném čase nevyhnutelnou. V porovnání s dosavadními firemními (proprietárními) sítěmi představuje Ethernet velký skok směrem vzhůru – jeho větší šířka pásma např. umožňuje přenášet daleko více údajů z prostředí výroby do rozsáhlých podnikových informačních systémů, které je také stále častěji vyžadují.

Služby dostupné v síti Ethernet s protokolem TCP/IP (Ethernet TCP/IP) se v prostředí průmyslové automatizace již používají.

Telemecanique např. využívá protokol Modbus TCP/IP s rozšířenými službami, jako je I/O scanning a Global Data, umožňujícími samočinnou periodickou výměnu dat. Tyto služby jsou provozovány na standardních nižších vrstvách sítě Ethernet TCP//IP, a proto jsou kompatibilní s ostatními službami, které tato síť poskytuje (web, elektronická pošta, přenos souborů) a které vyhovují potřebám automatizačních systémů a usnadňují spolupráci mezi nimi.

Ovšem odezev trvajících několik málo mikrosekund, potřebných např. k řízení rychlých pohybů (a v jiných tzv. tvrdě deterministických systémech), se nejsnáze dosahuje prostřednictvím speciálního softwaru přímo vloženého do příslušného zařízení. Třebaže může být modifikován tak, aby zvládl řízení v reálném čase, nemá zde použití Ethernetu smysl. Jakákoliv změna v jeho nižších vrstvách totiž znamená ztrátu kompatibility se standardním Ethernetem, tudíž i ztrátu základní výhody Ethernetu jako univerzální sítě ideálně vhodné k zajištění vzájemné komunikace systémů přes všechny stupně řídicí hierarchie v podniku.

Mýtus o neexistujícím protokolu

Většina výrobců automatizační techniky v současné době souhlasí s tím, že existuje několik internetových protokolů, které si již našly cestu do průmyslových aplikací, jako např. FTP, SNMP, HTTP aj. Nicméně stále přetrvává mýtus o tom, že na úrovni aplikačních programů v automatizaci v podstatě neexistuje standardní komunikační protokol (tzv. aplikační).

Když tento názor – že automatizace nemá svůj vlastní aplikační protokol – vznikl, tiše se v podstatě předpokládalo, že se tento protokol jednoho dne objeví a nabídne všechny komunikační služby, které jsou pro automatizaci zapotřebí. Ale proč to? Je skutečně ve všech případech nutné pracovat se složitým a vše zvládajícím protokolem? Je efektivní investovat do dlouhé doby vývoje a do dražšího hardwaru, je-li např. třeba vyměnit mezi klientem a serverem jen pár bajtů dat? Jde o efektivní vynaložení nákladů?

Odpověď na všechny tyto otázky je jasná – ne. Stejně jako v případě skupiny internetových protokolů potřebuje i obor automatizace různé aplikační protokoly vycházející z potřeb jednotlivých oblastí použití.

Modbus TCP

Protokol Modbus TCP, vyvinutý firmou Modicon v roce 1979, v současné době levný a jednoduše použitelný protokol, je považován v podstatě za standard. Jako TCP 502 byl začleněn do protokolu IP a nyní se o něj stará organizace Modbus.org, jejímž cílem je Modbus TCP zdokonalovat a propagovat jako první průmyslový internetový protokol.

V oboru průmyslové automatizace je Modbus TCP populární již dlouho. Instalováno je více než milion sériových zařízení s protokolem Modbus TCP a několik stovek tisíc zařízení využívajících Modbus TCP/IP. K dispozici je více než 300 typů zařízení kompatibilních s protokolem Modbus a plných 90 % dodavatelů I/O zařízení ho pro jeho jednoduchost podporuje. Vedle toho přicházejí na trh stále další kompatibilní zařízení a výrobky, jejichž výrobci oceňují stabilitu protokolu Modbus a spoléhají se na ni.

Protokol Modbus sám o sobě je volně dostupný a informace o něm jsou k dispozici na webu. V režimu klient/server v síti Ethernet TCP/IP umožňuje realizovat komunikaci v reálném čase s dobami odezvy od 0,2 do 1 s.

Výkonnost protokolu Modbus dále vzrůstá při zavedení již zmíněné služby I/O scanning, používané zejména pro rychlou výměnu dat se vzdálenými jednotkami I/O nebo měniči frekvence. Skenování je řízeno z řídicího systému (programovatelného automatu) na základě příkazů Modbus TCP Read, Write nebo Read/Write, a to bez nutnosti programování. Stačí pouze jednoduchá parametrizace a dále vše postupuje automaticky. V kombinaci s cenově dostupnými síťovými přepínači lze takto dosahovat periody vzorkování v jednotkách milisekund, a tak ve většině aplikací konkurovat klasickým průmyslovým sběrnicím.

Obr. 1.

Je-li třeba zajistit synchronizaci v reálném čase v rozsáhlejších distribuovaných řešeních, nemusí již služba I/O scanning, vhodná především pro režim klient/server, plně dostačovat. V takových případech přichází na řadu služba Global Data, založená na protokolu známém jako RTPS (Real Time Publish-Subscribe). Ten umožňuje zařízením připojeným do sítě podle tohoto protokolu zapisovat (publish) do příslušné zprávy data, která dané zařízení vytváří, a jiným zařízením naopak ze zprávy získávat (subscribe) data, která potřebují. Doba výměny dat se v porovnání s metodou master/slave, založenou na dotazování, redukuje na polovinu: o data není třeba žádat, ale jsou poskytovatelem jednoduše publikována pokaždé, když se změní. Data tak, jednoduše řečeno, běhají po síti a každému zařízení je umožněno do zprávy zapisovat nebo z ní číst (obr. 1).

Obě uvedené služby, I/O scanning i Global Data, jsou nyní součástí řešení Transparent Ready od firmy Schneider Electric (obr. 2). Stejně tak je podporují její nejrozšířenější programovatelné automaty značky Telemecanique – řady Modicon TSX Premium a TSX Quantum.

Skutečný reálný čas

Aplikace pro řízení pohybu, vážení nebo rychlou identifikaci vyžadují řízení v tzv. tvrdém reálném čase s dobami odezvy v jednotkách mikrosekund. Standardní Ethernet toto nemůže poskytnout. Může ale být, jak již bylo uvedeno, pro tyto podmínky přizpůsoben úpravou nižších vrstev protokolu. Ovšem bude to za cenu nestandardního řešení a tím i ztráty jeho hlavní přednosti, kterou je univerzálnost.

Obr. 2.

Obr. 2. (DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol, FDR – Faulty Device Replacement, FTP – File Transfer Protocol, HTTP – HyperText Transfer Protocol, IP – Internet Protocol, NDDS – Network Data Deliver Service, SNMP – Simple Network Management Protocol, TCP – Transmission Control Protocol, TF MIB – Transparent Factory Management Information Base, UDP – User Datagram Protocol)

Jedním z řešení tohoto druhu je např. systém SERCOS (SErial Real-time COmmunications System), určený pro úlohy řízení pohybu, který prostřednictvím vysokorychlostní (16 Mb/s) optické komunikační linky odolné proti rušení umožňuje digitálně v reálném čase ovládat až šestnáct servopohonů. Je-li takový speciální systém třeba začlenit do celkového řešení na bázi standardního Ethernetu, musí být zabudován do zařízení vybaveného standardním ethernetovým rozhraním. Z produkce firmy Schneider Electric může být takovým zařízením samotný programovatelný automat (TSX Premium, TSX Quantum) nebo např. komunikační modul nového systému distribuovaných I/O, Advantys STB, který jako vlastní komunikační sběrnici používá CANopen.

Umožnit spolupráci (komunikaci)

Standard Ethernet TCP/IP se v informatice prosadil jako univerzální síť, protože ve svém komunikačním rámci má standardní protokol nízké úrovně, který je možné kombinovat s aplikačními protokoly určenými pro speciální úlohy. Podobně bude Ethernet dále fungovat i v oblasti automatizace. Na jedné straně nabízí širokou škálu volitelných služeb a na druhé straně umožňuje vybudovat strukturu navzájem velmi těsně spolupracujících (komunikujících) zařízení, vše na univerzálním základě Ethernetu.

Použití Ethernetu v tvrdě deterministických řídicích systémech, potřebných pro řešení některých speciálních automatizačních úloh, ovšem vyžaduje jisté modifikace vedoucí k opuštění univerzálního standardu. Pokud budou tato modifikovaná řešení technicky a cenově výhodná, budou preferována.

V dané chvíli je důležité, že společnost Schneider Electric, která je průkopníkem v zavádění průmyslového Ethernetu, nabízí všem zájemcům obě tyto možnosti, tj. webové služby i průmyslový Ethernet. Současné řešení Transparent Ready tak představuje otevřený automatizační systém založený na internetu a umožňující nepřetržitou komunikaci mezi výrobními a obchodními systémy podniků.

Literatura:

[1] – : Scalable real time is the key to collaborative automation. Control Engineering Europe, 2003, roč. 4, č. 5, s. 21–24.

Ing. Tomáš Knobloch,
Schneider Electric CZ, s. r. o.,
marketing

Inzerce zpět