Ethernet a USB v automatizačních systémech

I když je již dávno Ethernet nejúspěšnějším a nejrozšířenějším typem spojení v počítačových sítích, v systémech průmyslové automatizace se prosazoval dlouho a složitě.

V myslích techniků byl nadlouho Ethernet spojen se sdíleným přenosovým médiem v podobě tlustého a tenkého koaxiálního kabelu nebo i v podobě kroucených dvojlinek s rozbočovači (hub), s rozsáhlými kolizními doménami a především s nedeterministickým principem řešení kolizí metodou CSMA/CD (Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detection). V kolizní doméně mohou současně přijímat všechny stanice, ale vysílat může pouze jedna. Vznikla-li vysíláním více stanic současně kolize, všechny stanice se na náhodně dlouhou dobu odmlčely, než to některá zkusila znovu. Tato metoda, při nízkém zatížení sítě velmi efektivní, způsobovala při růstu zatížení exponenciální nárůst počtu kolizí.

Tyto potíže ale vymizely s používáním přepínačů (switch). Kolizní doména dnes obvykle obsahuje jen dva účastníky, a to jedno koncové zařízení a přepínač. Kabely obsahují až čtyři kroucené páry a vysílání probíhá současně s příjmem v režimu tzv. plného duplexu (full duplex) . Přenosové médium není sdíleno a nevznikají na něm kolize. Přenosová rychlost pak může stabilně dosahovat nejvyšší možné úrovně. Takováto síť pak může být dobrým základem komunikace i pro velmi složité a rozsáhlé automatizační systémy.

Stejně jak Ethernet představuje nejlepší variantu pro rozsáhlé sítě, v případě připojování periferních jednotek k počítačům je nejlepší volbou USB propojení. Tento standard univerzální sériové sběrnice vznikl již v roce 1995 a jeho rychlejší varianta USB 2.0 s datovým tokem až 480 Mbit/s existuje již také déle než deset let. USB představuje výrazný kvalitativní skok proti všem dříve používaným sériovým i paralelním rozhraním. Její spolehlivost, odolnost, přenosová kapacita i rychlost odezvy ji předurčuje pro velkou většinu připojený periferních jednotek v úlohách sběru dat a řízení v průmyslové automatizaci.

Ethernet ani USB nejsou žádnými novými a neprověřenými technologiemi. Cestu do oboru průmyslové automatizace tyto standardy neměly jednoduchou, jejich dominance je zřejmá a jejich kvality nezpochybnitelné. Vybudování ethernetové sítě je totiž neobyčejně snadné, levné a rychlé a tento úkol bez potíží zvládají všichni systémoví integrátoři. A vybudování sítě periferií komunikující přes USB je ještě výrazně snadnější.

Podstatným požadavkem kladeným na komunikaci v automatizačních systémech je práce v reálném čase. Práce v reálném čase nevyžaduje pouze krátké odezvy a vysoké přenosové rychlosti, ale především determinističnost. To znamená, že systém musí zaručit odezvu v předepsaném čase - a požadavky na dobu odezvy se liší případ od případu. Se zaručenou dobou odezvy souvisí také stabilita doby odezvy. Požadavky na toleranci doby odezvy se také v jednotlivých aplikacích značně liší.

Podle nároků na dobu a stabilitu doby odezvy komunikační sítě můžeme přibližně rozlišit tři typy průmyslových ethernetových sítí:

Reálný čas je řešen prostřednictvím software nad standardními vrstvami IP, UDP a TCP. Toto uspořádání funguje ve veškerých standardních sítích a při správné segmentaci sítě dosahuje časů odezev v jednotkách milisekund. Tato standardní architektura je nejlevnější, nejsnáze realizovatelné a vyhoví ve většině průmyslových sítí. Příkladem takovýchto řešení je např. Modbus/TCP nebo DataLab.

Reálný čas je řešen prostřednictvím software nahrazujícím standardní vrstvy IP, UDP a TCP. Tyto sítě pracují se standardními síťovými adaptéry, komunikační software pracuje v reálném čase přímo nad ethernetovými pakety a ve vyhrazených segmentech sítě dosahuje odezev a přesností vhodných i pro náročné aplikace např. v oblasti pohonů a robotiky.

Nejvyšší požadavky na reálný čas jsou řešeny kombinací speciálního hardware a software. Zde již nelze použít standardní síťové adaptéry a tyto sítě často pracují s vlastní identifikací jednotlivých uzlů bez nutnosti přidělování IP adres. Komunikační pakety nebývají čteny, interpretovány a následně dále odesílány, ale jednotlivými uzly procházejí s minimálním zpožděním v řádu jednotek nanosekund k dalšímu zařízení. Data jsou vkládána na vyhrazená místa v datovém telegramu, který obíhá po síti. Pakety komunikace reálného času mají v síti prioritu před pakety standardních síťových vrstev IP, UDP a TCP.

V různých řešeních sítí průmyslového Ethernetu se pro dodržení požadavků na včasnost doručení zpráv může využívat:

• hvězdicová struktura s přepínači (switch) a nikoliv rozbočovači (hub)
• komunikační modely publisher / subscriber a producer / consumer namísto modelu klient / server
• prioritní ethernetové pakety
• vysokorychlostní varianty Ethernetu
• segmentace sítě
• synchronizace na principu distribuovaných hodin reálného času

Ethernetová síť je důležitým médiem při propojení a integraci mnoha automatizačních aplikací do jednoho rámce s možností centrální správy a dohledu. Jednotlivé aplikace v rámci podniku mohou pracovat samostatně bez nutnosti komunikovat s jinými systémy v reálném čase a přesto mohou být součástí jednoho centrálně spravovaného celku. Samostatné aplikace nemusí mít vlastní zobrazovače nebo jiné rozhraní člověk - stroj, mohou mít zálohované napájení a mohou trvale běžet i bez ohledu na stav podnikové počítačové sítě.

V prostředí ethernetové sítě mohou být provozovány i aplikace, které nejen že nemají vlastní zobrazovače, ale nemají dokonce ani vlastní počítače. Řada samostatných aplikací může běžet na jediném vyhrazeném serveru. Správa a údržba systému se tak ještě dále zjednoduší a rovněž lze ušetřit značné prostředky na pořízení a modernizaci počítačů a řídicích jednotek. Spolehlivost síťové infrastruktury je zde podstatná, ale to dnes již obvykle není problémem.

Propojení přes Ethernet:

• + prakticky neomezená vzdálenost připojení (vyhrazený segment s kroucenou dvojlinkou do cca 200 m)
• + doba odezvy v řádu jednotek milisekund
• - napájení není vždy součástí komunikačního standardu (standard Power over Ethernet definuje možnosti napájení ethernetových zařízení prostřednictvím datových vodičů stávající kabeláže CAT5, používá se napětí 44 – 57V při max. proudu 550 mA)
• - je nutno přiřadit pevnou IP adresu
• - před prvním použitím je nutno zařízení zkonfigurovat prostřednictvím vestavěného HTTP serveru

Propojení přes USB:

• + doba odezvy v řádu stovek mikrosekund
• + vysoká přenosová rychlost 480MB / sec, dostačující přenosová kapacita i pro digitální kamery s vysokým rozlišením
• + napájení součástí sběrnice
• + plug-and-play bez nutnosti konfigurace
• - vzdálenost připojení do 5m (s aktivním prodloužení do cca 30m)

Jednotky DataLab IO ETH s Ethernet rozhraním jsou plně kompatibilní se všemi I/O moduly systému DataLab IO. Pouze USB rozhraní je nahrazeno 10/100 Mbit Full Duplex rozhraním Ethernet a jednotka komunikuje prostřednictvím protokolu TCP/IP. Protokol TCP/IP je možno směrovat a přenášet prostřednictvím různých počítačových sítí, fyzická vzdálenost jednotky od počítače tak prakticky není limitována. Z hlediska aplikačního programového vybavení není mezi USB a Ethernet jednotkami rozdíl. Stačí v parametrickém souboru shodného ovladače zvolit způsob komunikace a nastavit patřičné adresy. Aplikace pak s jednotlivými jednotkami komunikují shodně. Komunikace s ethernetovými jednotkami je kryptována a tím je zabráněno neoprávněným zásahům do technologie.

Komponenty pro průmyslovou automatizaci s možností ethernetového a USB připojení usnadňují integraci aplikací do jednotného centrálně spravovatelného prostředí a významně zlevňují budování moderních integrovaných systémů.

Moravské přístroje a.s.
Masarykova 1148
763 02 Zlín-Malenovice

e-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
http://www.mii.cz
tel./fax 577 107 171
tel. 603 498 498
tel. 603 228 976