Ethernet Przemysłowy: Profinet i Ethernet/IP

Ethernet w przemyśle

Zastosowanie w przemyśle technologii ethernetowych, znanych z klasycznych sieci komputerowych, stanowiło pewnego rodzaju rewolucję, w której zasadność nie wierzyła część inżynierów. Protokoły komunikacyjne klasycznego Ethernetu nie są bowiem przystosowane do rygorów,  jakie stawia operowanie urządzeniami przemysłowymi.

Komunikacja z użyciem protokołu IP w warstwie sieciowej modelu OSI i protokołów TCP oraz UDP w warstwie transportowej są zoptymalizowane pod kątem przesyłu dużych ilości informacji przez wiele niezależnych urządzeń jednocześnie. Niezawodność wymiany danych i dostępu do sieci osiągane są poprzez powtarzanie prób transmisji, aż do momentu, gdy ta się powiedzie.

Czas potrzebny na dotarcie informacji od urządzenia nadającego do odbiorcy jest również trudny do określenia, bo droga, którą będą pokonywać pakiety danych nie zawsze jest z góry znana, a opóźnienia związane z dostępem do łącza mogą pojawiać się w każdym urządzeniu pośredniczącym w przesyłaniu pakietu, w konsekwencji sumując się do wartości trudnej do przewidzenia zawczasu. Dzieje się tak, gdyż pomimo różnych funkcji pełnionych przez poszczególne urządzenia sieciowe (repetery, switche, routery, bramki, mosty i  tzw. końcówki sieci), wszystkie one są w gruncie rzeczy równorzędne pod względem praw dostępu do łącza w warstwie fizycznej.

Inaczej mówiąc – klasyczny Ethernet pozwala na szybki przesył dużych ilości danych, ale czas potrzebny na przesłanie pojedynczego, małego pakietu danych nierzadko okazuje się zbyt długi, jak na wymagania stawiane w przemyśle.

Modyfikacje Ethernetu

Mimo to zalety Ethernetu sprawiły, że wielu niezależnych producentów rozpoczęło prace nad modyfikacją tego standardu i obowiązujących w nim protokołów, tak by umożliwić nie tylko niezawodną komunikację spełniającą potrzeby transmisji danych pomiędzy komputerami biurkowymi i serwerami, ale też pomiędzy urządzeniami przemysłowymi. Podstawą tych starań było umożliwienie błyskawicznej wymiany pakietów z poleceniami, które należy bezwzględnie szybko wykonać.

Przyjęte rozwiązania różnią się między sobą, ale wszystkie one zostały zaprojektowane tak, by można było bez problemu połączyć ze sobą w ramach tej samej sieci, serwery komputerowe obsługujące klasyczny Ethernet, jak i maszyny wymagające pracy z rygorami czasu rzeczywistego. W rzeczywistości nowoczesny Ethernet przemysłowy pozwala również na bezpośrednie łączenie do sieci takich elementów, jak pojedyncze czujniki i moduły wykonawcze, ale w praktyce w tym segmencie sieci stosuje się jeszcze własnościowe technologie sieci polowych, a Ethernet wykorzystywany jest przede wszystkim do wymiany danych pomiędzy panelami operatorskimi, serwerami, robotami i sterownikami PLC.

Profinet

Jednym z rozwiązań Ethernetu przemysłowego, które zyskały największą popularność jest Profinet. Jest to sieć opracowana przez konsorcjum Profibus International, które dawniej zajmowało się rozwojem sieci Profibus, łączącej automatykę procesową z automatyką typowo przemysłową. Obecnie firma ta zmieniła nawet nazwę na Profibus i Profinet International, co podkreśla znaczenie nowej sieci w pracach tej organizacji.

Profinet łączy cechy sieci Profibus DP z uniwersalnością Ethernetu, utrzymując duży stopień kompatybilności zarówno z klasycznymi urządzeniami ethernetowymi, jak i z dawniej stosowanymi urządzeniami automatyki przemysłowej. Wprowadzono w nim również mechanizmy zwiększające niezawodność komunikacji i możliwość wykonywania niektórych operacji w czasie rzeczywistym. Czas transmisji został podzielony na cyklicznie i występujące po sobie naprzemiennie okresy przeznaczone dla komunikacji zgodnej z zasadami klasycznego Ethernetu – tj. z użyciem protokołów TCP/IP oraz na okresy przeznaczone dla komunikatów czasu rzeczywistego.

Komunikacja z protokołem TCP/IP świetnie sprawdza się do przesyłu danych pomiędzy serwerami, panelami operatorskimi i sterownikami oraz aplikacjami uruchamianymi na komputerach PC podłączonych do infrastruktury fabrycznej. Pozwala na dostęp do serwerów z użyciem np. popularnych protokołów, takich jak.: HTTP, FTP, SSH i SMTP. Opóźnienia występujące w tym trybie transmisji wynoszą około 100 ms, a kolejność docierania pakietów do odbiorcy nie zawsze musi być identyczna z kolejnością ich nadawania.

Pakiety czasu rzeczywistego są natomiast przesyłane w specjalnie wyznaczonych oknach czasowych, co gwarantuje zmniejszenie opóźnień do 10 ms lub 1 ms, w zależności od trybu. 10-milisekundowe opóźnienia cechują pakiety synchronicznego czasu rzeczywistego (RT lub SRT), przesyłane bez zastosowania enkapsulacji warstw IP i wyższych. Ponadto są oznaczone priorytetem 6. wg standardu IEEE802.1Q, dzięki czemu są szybciej docierają do odbiorcy i potrzeba mniej czasu na ich przygotowanie oraz odczytanie.

Opóźnienia nieprzekraczające 1 ms uzyskiwane są dzięki transmisji izochronicznego trybu rzeczywistego (IRT), która prowadzona jest bezpośrednio w warstwie sprzętowej, z pominięciem wyższych protokołów. Wszystkie urządzenia z niej korzystające muszą być zsynchronizowane ze sobą z dokładnością do 1 µs, dzięki czemu są w stanie rozpoznać moment, w którym rozpoczyna się okno transmisji trybu IRT.

Z protokołu Profinet korzystają m.in. takie firmy, jak: Siemens, Beckhoff, Danfoss, Bosch Rexroth, Phoenix Contact itd.

Ethernet/IP

W opracowanym przez Rockwell Automation standardzie Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol) zastosowano protokół CIP (Common Industrial Protocol) znany z sieci DeviceNet, CompoNet i ControlNet oraz dwa tryby transmisji danych. Zwykłe pakiety i dane konfiguracyjne przesyłane są za pomocą protokołu TCP w trybie określanym mianem „Explicit Messages”. Dane krytyczne czasowo („Implicit Messages”) transmitowane są z użyciem protokołu UDP, a ich szybką transmisję zapewnia obsługa priorytetyzacji ruchu sieciowego. Ważna jest również synchronizacja, którą w sieciach Ethernet/IP realizuje się za pomocą rozbudowanego protokołu PTP pod postacią standardu CIPSync.

Protokół Ethernet/IP jest promowany przez m.in. takie firmy jak: Rockwell Automation, Sick, Phoenix Contact, Parker Hannifin, Omron i Bosch.

W kolejnych tygodniach opublikujemy dalsze artykuły poświęcone Ethernetowi przemysłowemu, w których opiszemy kolejne popularne w przemyśle standardy sieci.