ŘPS Průmyslový Ethernet

Transkript

1 Ing. Josef Grosman TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/ , který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

2 Proč Ethernet v průmyslových aplikcích? Co může průmyslový Ethernet (Industrial Ethernet) poskytnout z toho, co průmyslové sběrnice již nenabízejí?

3 Proč Ethernet v průmyslových aplikcích? Co může průmyslový Ethernet (Industrial Ethernet) poskytnout z toho, co průmyslové sběrnice již nenabízejí? Potenciální uživatelé hledají: integraci s kancelářským prostředím; větší šířku pásma, rozsáhlejší soubory pro komunikaci s více a inteligentnějšími automatizačními přístroji; komunikaci v reálném čase se synchronizací dostatečnou pro splnění požadavků aplikací v oblasti řízení pohonů; možnost připojení a adresování většího počtu zařízení ve větších oblastech; homogenní sítě většinou na bázi sítě Ethernet; nové funkce typu MES, možnost přímé (on-line) aktualizace firmwaru, dálkové konfigurace a ošetření chyb; integraci existujících průmyslových sběrnic.

4 Systém reálného času je takový systém, který je schopen správně reagovat na vstupní události do předem stanoveného pevného časového okamžiku.

5 Systém reálného času je takový systém, který je schopen správně reagovat na vstupní události do předem stanoveného pevného časového okamžiku. Dva aspekty funkce RT systému: včasnost (timeliness) - reakce systému (řídicího, komunikačního), kdy systém provede požadovanou operaci do určitého, předem daného, času (deadline)

6 Systém reálného času je takový systém, který je schopen správně reagovat na vstupní události do předem stanoveného pevného časového okamžiku. Dva aspekty funkce RT systému: včasnost (timeliness) - reakce systému (řídicího, komunikačního), kdy systém provede požadovanou operaci do určitého, předem daného, času (deadline) současnost (synchronism) - synchronizace akcí jednotlivých účastníků s předepsanou přesností daného časového okamžiku td, v určitém tolerančním časovém pásmu (jitter)

7 Jak splňuje Ethernet podmínky systémů automatického řízení? R-T vlastnosti (determinismus, včasnost, současnost) Safety (spolehlivost) Security (bezpečnost) Robustnost

8 Jak splňuje Ethernet podmínky systémů automatického řízení? R-T vlastnosti (determinismus, včasnost, současnost) Safety (spolehlivost) Security (bezpečnost) Robustnost v mnoha ohledech nedostatečně. Proto šel vývoj k průmyslovému Ethernetu.

9 Ethernet versus fieldbusy a nižší druhy sběrnic Standard v kancelářských a informačních sítích Popularita Internet Výkon/cena Rychlost Přepínaný

10 Ethernet versus fieldbusy a nižší druhy sběrnic Standard v kancelářských a informačních sítích Popularita Internet Výkon/cena Rychlost Přepínaný Průmyslový Ethernet versus Ethernet Real-time Safety Security Robustní provedení Automatizační profily

11 Ethernet pro kanceláře a IT Ethernet TCP/IP IEEE De facto standard od poloviny 80. let pro LAN Nedeterministický, CSMA/CD Kancelářské provedení Dobré EMC vlastnosti Otevřenost k Internetu Stále vyšší rychlost (10Mbit/s, 100Mbit/s, 1Gbit/s, 10Gbit/s,?) Vynikající poměr výkon/cena Strukturovaná kabeláž Klient/server Přepínání - zmenšení kolizních domén, cesta k real - time

12 Průmyslový Ethernet již není pouze standardem IEEE cesta k výkonnému fieldbusu a něco/hodně navíc: Kvazideterminismus Priority v přístupovém MAC mechanismu UDP místo TCP Producer consumer Publisher - subscriber Přepínání (switching) / bezkolizní domény Topologie Směrování / segmentování Plánování komunikace Vysoká rychlost přenosu Duplexní provoz

13

14 Klíčovým parametrem je rychlost odezvy

15 Klíčovým parametrem je rychlost odezvy -Komunikace po síti Ethernet s protokolem TCP/IP je nedeterministická -Doba odezvy je často větší než 100 ms. -Vzdálené jednotky v/v vyžadují dobu odezvy v rozmezí od 5 do 10 ms. Řízení pohonů (motion control) klade na deterministické chování ještě vyšší nároky a vyžaduje dobu cyklu v oblasti μs.

16 Klíčovým parametrem je rychlost odezvy -Komunikace po síti Ethernet s protokolem TCP/IP je nedeterministická -Doba odezvy je často větší než 100 ms. -Vzdálené jednotky v/v vyžadují dobu odezvy v rozmezí od 5 do 10 ms. Řízení pohonů (motion control) klade na deterministické chování ještě vyšší nároky a vyžaduje dobu cyklu v oblasti μs. Jak zajistit provoz v reálném čase -Rozpor mezi rychlostí přenosu dat v oblasti informační techniky (IT) s použitím TCP/IP a požadavky na provoz v reálném čase může být řešen různými způsoby.

17 Sběrnicový protokol vložený do TCP/IP Použitím protokolu TCP/IP, do něhož je vložen sběrnicový protokol na aplikační úrovni, zůstává zachována plná otevřenost pro operace IT. Doba odezvy je asi 100 ms, ale v místních segmentech sítě jen s několika zařízeními a pro malé datové soubory klesá k hodnotě 20 ms. Při použití protokolu UDP místo protokolu TCP může být doba odezvy10 ms i méně. Přímé adresování MAC v místním segmentu může snížit dobu odezvy až k 1 ms. Synchronizaci času možno zavést podle normy IEC Pro TCP/IP zůstává šířka pásma 50 až 100 %.

18 Uzavřený segment sítě Ethernet Pro zařízení pracující v reálném čase je vyhrazen uzavřený segment sítě Ethernet a speciální vrstva DLL. Při nárocích na dobu odezvy 0,2 ms je segment uzavřen pro provoz na poli IT. Cyklus reálného času je rozdělen do slotů, přičemž jeden slot je otevřený pro normální provoz s protokolem TCP/IP. Při době cyklu 0,2 ms a osmi zařízeních v jednom segmentu je doba připadající na jeden slot asi 22 μs, což připouští pouze velmi krátké zprávy TCP/IP (max. do 200 bajtů). Šířka pásma využitelná pro TCP/IP je přibližně 1 %.

19 Prioritní zprávy reálného času Zasílání zpráv standardním protokolem TCP/IP paralelně s provozem IT se používá pro všechno, co nevyžaduje zpracování v reálném čase. Paralelní (virtuální) kanál je vytvořen shodně s vyšší prioritou a přímým adresováním MAC na paketech pro provoz v reálném čase s odezvou kolem 1 ms. Třetí kanál je vytvořen pro zařízení s odezvou kolem 0,2 ms. Tato zařízení mají vestavěné přepínače které vyhrazují část cyklu pro provoz v reálném čase, ale ponechávají hlavní část otevřenou pro provoz s normálním protokolem TCP/IP. Šířka pásma pro TCP/IP je 50 až 100 %.

20 Prioritní zprávy se synchronizací Řešení je vhodné pro řízení pohybu pohonů paralelně se standardním provozem na poli IT pomocí protokolu TCP/IT. Činnost v reálném čase je zajištěna prioritními zprávami s časovou značkou, které rozumí synchronizovaná zařízení. Čekací doba v přepínačích (až několik set mikrosekund) je kompenzována v zařízeních. Dosahuje se doby odezvy kolem 1 ms s časovou nejistotou (jitter) asi 10 ms. Šířka pásma pro TCP/IP je 50 až 100 %.

21 Vestavěná elektronika a speciální protokol Speciální zprávy běží na fyzické vrstvě sítě Ethernet v kruhu nebo na dvojitém kabelu. Reálný čas je zajištěn vestavěnou elektronikou (např. obvodem ASIC) plus speciálním adresováním a protokolem. Protokol TCP/IP s krátkými zprávami může být zabalen do speciálního protokolu zpráv a potom rozbalen v řídicí jednotce, aby mohl být zaslán do běžné sítě Ethernet. Šířka pásma pro TCP/IP je asi 1 %.

22

23

24 MODBUS TCP/IP

25 MODBUS Aplikační vrstva MODBUS na TCP/IP TCP IP Další MODBUS+ / HDLC Master/Slave Ethernet II / Další Fyzická vrstva HDLC Fyzická vrstva RS485 (RS232) Ethernet Fyzická vrstva

26 PROFINET

27 Vrstva ISO/OSI Model 7 Aplikační (Application) 6 Prezentační (Presentation) 5 Relační (Session) 4 Transportní (Transport) 3 Síťová (Network) 2 Spojová (Data Link) 1 Fyzická (Physical) Protokol PROFINET TCP/IP PROFIBUS DP aplikační protokol Prázdný Prázdný TCP,UDP IP Ethernet protokol PROFIBUS PD přenosový protokol Ethernet RS485, MPB, Optická vlákna

28 Profinet Dva přenosové módy (CBA a IO)

29 Profinet Dva přenosové módy (CBA a IO) Profinet CBA TCP/UDP/IP pro non-r-t přenosy Profinet IO SW bypass pro RT přenosy

30 Profinet Dva přenosové módy (CBA a IO) Profinet CBA TCP/UDP/IP pro non-r-t přenosy Profinet IO SW bypass pro RT přenosy Profinet IRT isochronní režim (HW bypass), speciální interface

31 ETHERNET/IP

32

33 zajištění determinismu -inteligentní switche -hvězdicová (stromová) topologie -plný duplex

34

35

36

37

38

39

40

41 EtherCAT

42

43

44

45 On the Fly Master Slave 1 Slave n