Jak síťový provoz na Industrial Ethernetu ovlivňuje reálnou dobu cyklu PLC

Mezi nejvýznamnější technologie patří PROFINET a EtherCAT, které umožňují rychlou a deterministickou výměnu procesních dat.

Při hodnocení jejich vlivu na řízení však nestačí sledovat pouze nominální přenosovou rychlost nebo nejkratší komunikační periodu. Reálnou dobu odezvy ovlivňuje také výkon PLC, doba vykonání uživatelského programu, počet zařízení, objem přenášených dat, nastavení priorit a způsob zpracování komunikačních úloh. Síťový provoz proto může ovlivnit nejen průměrnou dobu cyklu PLC, ale také její maximální hodnotu a kolísání, označované jako jitter.

Doba cyklu PLC a komunikační perioda

Doba cyklu PLC představuje čas potřebný k vykonání určité řídicí úlohy. U běžného cyklického řízení PLC načte vstupní data, vykoná uživatelský program, aktualizuje výstupy a provede systémové a komunikační činnosti.
Zjednodušeně lze dobu cyklu vyjádřit jako součet: doba cyklu PLC = vykonání programu + zpracování vstupů a výstupů + komunikační režie + systémové úlohy
Komunikační perioda naproti tomu určuje, jak často jsou aktualizována data mezi PLC a zařízeními v síti. Nemusí být shodná s dobou cyklu uživatelského programu. PLC může například vykonávat program rychleji, než se obnovují síťová data, nebo může být komunikace s pohony nastavena na kratší periodu než hlavní programová úloha.
Tento rozdíl má přímý vliv na odezvu systému. Pokud nová vstupní hodnota dorazí do PLC až po načtení procesního obrazu, může být zpracována teprve v následujícím cyklu. Skutečná reakce proto závisí nejen na době přenosu po síti, ale také na vzájemném časování síťové a programové úlohy. Vztah mezi změnou vstupního signálu a jeho dostupností v PLC v případě PROFINET IO popisují například Kovács et al. (2014).

Vliv provozu na zatížení PLC

Každý přijatý telegram musí být v PLC identifikován, zkontrolován, přiřazen ke správnému zařízení a uložen do odpovídající datové oblasti. U výstupních dat probíhá opačný proces. S rostoucím počtem zařízení a komunikačních spojení proto roste také procesní režie.
Zatížení PLC nezvyšuje pouze vlastní objem procesních dat. Významnou část mohou představovat také diagnostické telegramy, kontrola dostupnosti zařízení, aktualizace stavových příznaků, komunikace s vizualizací a servisní nebo parametrizační komunikace.
Pokud komunikační úloha používá vyšší prioritu než hlavní program PLC, může uživatelský program dočasně přerušovat. To nemusí vést k trvalému prodloužení každého cyklu, ale může se zvýšit maximální naměřená doba cyklu a její kolísání. Při překročení časového limitu může PLC vyvolat diagnostickou chybu nebo přejít do bezpečnostního režimu.
Zátěž lze omezit vhodným rozdělením dat do komunikačních skupin. Rychle se měnící regulační data není nutné přenášet stejnou periodou jako pomalu se měnící diagnostické nebo technologické údaje. Příliš krátká komunikační perioda může sice zlepšit odezvu, zároveň však zvýšit počet operací, které musí PLC i síť zpracovat.

PROFINET

PROFINET RT používá pro procesní data prioritní přenos, takže běžná TCP/IP komunikace, například diagnostika nebo vizualizace, má na časově kritické telegramy menší vliv. I v tomto případě však musí PLC přijatá data zpracovat. Při velkém počtu zařízení nebo příliš krátké periodě aktualizace může proto dojít ke zvýšení zatížení procesoru a ke kolísání doby cyklu.
PROFINET IRT je určen pro aplikace s vyššími požadavky na determinismus a synchronizaci, například pro řízení pohonů. Komunikační cyklus je časově plánován tak, aby časově kritická data měla vyhrazený prostor. Tím se omezuje vliv ostatního provozu a snižuje jitter.
Plánování telegramů PROFINET IRT však musí zohlednit nejen požadavky na přenos, ale také čas potřebný pro vykonání řídicího programu. Hanzálek, Burget a Šůcha (2009) ukazují, že vhodné rozvržení zpráv může ovlivnit dosažitelné zpoždění i čas dostupný pro hlavní výpočetní úlohu PLC.

EtherCAT

EtherCAT je navržen pro rychlou a deterministickou komunikaci. Telegram prochází jednotlivými zařízeními a data jsou během jeho průchodu čtena nebo zapisována příslušnými stanicemi. Tento princip omezuje část komunikační režie a umožňuje dosahovat krátkých cyklů i při větším počtu zařízení.
Reálná doba cyklu však nezávisí pouze na síti. Ovlivňuje ji také výkon EtherCAT masteru, síťový ovladač, operační systém, způsob mapování dat a synchronizace úloh PLC. Při rostoucím počtu zařízení se může zvyšovat režie zpracování dat v řídicí jednotce, například v důsledku operací DMA (Sung, Kim and Kim, 2013).
Prytz (2008) porovnává EtherCAT a PROFINET IRT z hlediska dosažitelné doby cyklu, počtu uzlů a objemu přenášených dat. Výsledky ukazují, že EtherCAT může v některých konfiguracích dosahovat kratší doby cyklu. Nelze z toho však vyvozovat obecnou převahu jedné technologie, protože výsledek závisí na konkrétní implementaci masteru, PLC, topologii a nastavení úloh.

Jitter a celková doba odezvy

Pro posouzení řídicího systému není rozhodující pouze průměrná doba cyklu. Důležitá je také její maximální hodnota a kolísání. Jitter může vznikat souběhem komunikační a programové úlohy, zvýšeným diagnostickým provozem, chybami fyzické vrstvy, opakováním telegramů nebo zatížením PLC dalšími komunikačními službami.
Celkovou odezvu lze sledovat jako řetězec: snímač → vstupní modul → síť → PLC → síť → výstupní modul → akční člen
Do této odezvy vstupuje doba snímání, čekání na komunikační cyklus, zpracování programu PLC, aktualizace výstupů i zpoždění výstupního modulu. Samotná doba průchodu telegramu sítí proto obvykle představuje pouze jednu část výsledné odezvy.
U běžné sekvenční automatizace nemusí malý jitter představovat významný problém. U synchronizovaného řízení pohonů, robotiky nebo rychlých regulačních smyček však může i malé kolísání časování ovlivnit stabilitu a přesnost řízení.

Závěr

Síťový provoz na PROFINETu a EtherCATu může ovlivnit reálnou dobu cyklu PLC několika způsoby. Zvyšuje zatížení komunikačních úloh, prodlužuje nebo rozkolísává vykonání programu a ovlivňuje okamžik, kdy jsou nová vstupní a výstupní data skutečně použita.
Pro správné posouzení je nutné rozlišovat mezi dobou vykonání programu PLC, komunikační periodou, dobou průchodu telegramu a celkovou odezvou vstup–PLC–výstup. Při návrhu systému je proto vhodné sledovat nejen průměrnou dobu cyklu, ale také její maximum, jitter, počet zařízení, objem dat a priority jednotlivých úloh.
PROFINET IRT a EtherCAT umožňují dosahovat velmi deterministického chování, avšak pouze tehdy, pokud jsou správně nastaveny síťové parametry, komunikační periody a úlohy PLC. Rozhodující není samotná technologie, ale její konkrétní implementace v kombinaci s použitým řídicím systémem.

Použité zdroje

• Hanzálek, Z., Burget, P. and Šůcha, P. (2009) ‘Profinet IO IRT message scheduling’. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation. Piscataway: IEEE.
• Kovács, A. et al. (2014) ‘Relationship between input channel excitation time and PROFINET IO refresh time’. Acta Technica Jaurinensis.
• Prytz, G. (2008) ‘A performance analysis of EtherCAT and PROFINET IRT’. In: Proceedings of the 13th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation. Piscataway: IEEE, pp. 408–415.
• Sung, J. W., Kim, M. H. and Kim, H. S. (2013) ‘Toward a holistic delay analysis of EtherCAT synchronized control processes’. International Journal of Computers, Communications and Control.