SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Ethernet реального времени в мобильной автоматизации

Требования к пропускной способности каналов связи, используемых в транспортных средствах, постоянно растут, и шина CAN уже не вполне им соответствует. Поэтому в автомобилестроении, а также в сфере строительной, сельскохозяйственной и коммунальной техники возникла потребность в альтернативной технологии, отвечающей современным запросам. Технология POWERLINK – решение, позволяющее великолепно справляться с возросшим потоком данных.

ООО «Б+Р Промышленная Автоматизация», г. Москва

b&r_site.gif

Вследствие постоянно возрастающих требований к пропускной способности каналов связи в транспортных средствах традиционно используемая для таких решений шина CAN достигла предела своих возможностей. В результате производители мобильных установок и техники стали искать альтернативную технологию передачи данных, отвечающую перспективным требованиям высокопроизводительных систем управления.

Перечислим перспективные требования к информационной шине:
- независимость от производителя оборудования;
- стандартный аппаратный уровень;
- быстро идентифицируемая структура протокола;
- гибкость в выборе топологии, поддержка работы с несколькими управляющими узлами;
- высокая пропускная способность;
- передача данных в режиме жесткого реального времени;
- функциональная безопасность;
- диагностика и сервис.


Текущая ситуация

Основой систем автоматизации, используемых в современном автомобилестроении, несомненно, является шина CAN. Созданная для нужд автомобилестроения, эта технология была представлена в 1990-х годах в качестве основной информационной шины для мобильных применений и вплоть до недавнего времени обеспечивала необходимую функциональность и пропускную способность. Однако требования к строительной, сельскохозяйственной и коммунальной технике в последние годы резко возросли. Появилась необходимость расширить ее функциональность, повысить эффективность и качество выполняемых техникой операций.

Возросшие требования привели к тому, что поток данных, передаваемых в сложных машинах, стал значительно превосходить возможности CAN-шины. Пришлось увеличивать пропускную способность за счет использования нескольких CAN-интерфейсов. Именно поэтому многие современные системы мобильной автоматизации состоят из нескольких связанных между собой CAN-шин и протоколов, а также проприетарных протоколов связи и интерфейсов.


Децентрализованное администрирование ПО стоит денег

Подход к автоматизации, при котором аппаратное обеспечение децентрализовано, распределено по машине, несомненно, является более экономически эффективным. Однако из-за особенностей стандарта CAN наряду с децентрализацией аппаратного обеспечения производителям приходится содержать целый набор программных инструментов. Зачастую различные инструменты используются для программирования и сервисного обслуживания компонентов, что приводит к значительному увеличению расходов. Поэтому индустрия находится в поиске информационной шины более высокого уровня для облегчения разработки систем автоматизации мобильной техники.
После продолжительных обсуждений этого вопроса с различными производителями мобильной техники компания B&R составила список требований к новой шинной системе, которые предъявляют представители сельскохозяйственной, строительной и коммунальной отраслей. B&R стремится определить, насколько POWERLINK подойдет для использования в качестве высокоскоростной информационной шины для подобных отраслевых решений (рис. 1).

Ris_1.png

Рис. 1. Возросшие требования к пропускной способности каналов связи заставляют искать альтернативу технологии CAN


POWERLINK – логичное дополнение к CAN

Многие производители предпочитают решение на базе CAN, чтобы обеспечить плавный переход. Технология POWERLINK объединяет в себе полный спектр механизмов CANopen и всецело соответствует стандарту Ethernet IEEE 802.3, сохраняя таким образом все стандартные функции Ethernet, включая кросс-коммуникацию, способность горячего подключения и выбор любой топологии сети. POWERLINK абсолютно свободна от патентных ограничений, не зависит от производителей; эта коммуникационная система целиком базируется на программном обеспечении, которое, в свою очередь, отвечает требованиям жесткого реального времени и которое можно получить бесплатно, поскольку это открытое, не требующее лицензий решение [1].

Цикл POWERLINK состоит из синхронной и асинхронной фаз. Во время синхронной фазы информация передается за счет опроса в заданном временном интервале. В последующей асинхронной фазе некритичные ко времени пакеты данных передаются с помощью стандартных блоков данных Ethernet. Сюда входят, например, сервисные объекты данных (SDOs) для конфигурации и диагностики устройств, прикладные данные, такие как записи камер наблюдения и прочие стандартные для сети Ethernet информационные пакеты, например TCP/IP для настройки или обслуживания устройств через веб-браузер.


Современные и независимые

Шинная система – решение, которое выбирается надолго. Убедительными должны быть не только технические факторы. Самое главное – гарантия доступности. Чтобы обеспечить экономическую независимость компании, необходимо, чтобы используемая технология могла идти в ногу со временем и отвечать будущим требованиям к шинной системе.

Для решения этой задачи POWERLINK подходит идеально. Так как POWERLINK распространяется на общих условиях лицензии BSD [2], этот протокол доступен бесплатно в виде открытого исходного кода для ведущих и ведомых устройств и не имеет лицензионных ограничений. Кроме того, любое предприятие, заинтересованное в технологии POWERLINK, имеет возможность активно участвовать в ее постоянном развитии, присоединившись к EPSG. Столь исключительная степень открытости позволяет POWERLINK легко закрепляться на быстрорастущих рынках, таких как Китай и Индия. Спецификация коммуникационного профиля POWERLINK была объявлена национальным стандартом в Китае в 2011 году.

В силу того что POWERLINK является целиком программным решением, существуют различные возможности для внедрения в аппаратное обеспечение. Самый простой вариант – установить на существующее оборудование с традиционным интерфейсом Ethernet. Однако для соответствия более высоким требованиям к джиттеру и времени цикла производители контроллеров или датчиков могут воспользоваться широким ассортиментом компонентов от множества разных поставщиков.


Технология одной витой пары

В автомобилестроении тоже происходит переход с CAN на протоколы на базе Ethernet. В настоящий момент идет работа над новым аппаратным уровнем, который обеспечит передачу данных в гигагерцовом диапазоне через одну-единственную витую пару. Это решение позволит создать достаточную полосу пропускания для передачи, например, аудио- и видеоданных. При этом сохраняются преимущества CAN в отношении технологии проводного соединения и подключения. Таким образом, велика вероятность того, что данная технология не просто поступит в серийное производство в ближайшие годы, но и получит распространение в мобильной автоматизации. В настоящее время POWERLINK успешно протестирована на витых парах BroadR-Reach компании Broadcom.

Однако в части шинного протокола требования автомобилестроения и мобильной автоматизации расходятся. В то время как автомобилестроению необходима широкая полоса пропускания для аудио- и видеоданных, в мобильной автоматизации больше требуется детерминированная коммуникация между блоками управления системой и ЧМИ, приводами и датчиками. POWERLINK была разработана как раз под эти требования.


Выбор любой топологии

Все системы передачи данных на базе Ethernet позволяют выбрать любую топологию, однако способы ее получения могут значительно различаться. Для протоколов, работающих по технологии Token Ring, логическое кольцо генерируется с использованием специальных переключателей. POWERLINK базируется на механизме опроса, поэтому есть возможность генерировать подключения типа «звезда» с помощью стандартных коммутаторов или концентраторов.

Благодаря POWERLINK все данные в машине или сети машин (включающей, например, газонокосилки, трактора и прицепы-кормораздатчики) могут передаваться по одному кабелю (рис. 2). А благодаря способности технологии POWERLINK выступать мультимастером, самоходные машины могут управляться сами по себе или с использованием буксировщика.

Ris_2.jpg

Рис. 2. Благодаря POWERLINK все данные в машине передаются по одному кабелю


Характеристики жесткого реального времени

POWERLINK – превосходное решение для гарантированной синхронизации управления множеством устройств. За счет того, что высокоскоростная передача данных сочетается с работой в режиме жесткого реального времени, отсутствует потребность в специальном программировании удаленных модулей ввода/вывода. Поскольку критичные ко времени процессы с замкнутой системой управления могут при необходимости работать на центральном контроллере, есть возможность избавиться от дорогой системы обслуживания, которая использует различные инструменты и версии программного обеспечения, а также одновременно сократить расходы на аппаратные средства. В результате децентрализованное программное обеспечение применяется только там, где это действительно нужно.


Функциональная безопасность

Будучи современным решением с открытым исходным кодом и высокой степенью гибкости, openSAFETY представляет собой лучший протокол безопасности для мобильной автоматизации. Благодаря своей предварительной сертификации данная технология позволяет быстро и просто реализовывать решения безопасности для приложений вплоть до класса SIL 3 или PL e. Отсутствует потребность в отдельной сети безопасности.

POWERLINK – идеальная сеть для внедрения openSAFETY. Из-за использования принципа «черного канала» (black channel) приложения безопасности не зависят от трафика остальных данных по сети POWER­LINK. Протокол openSAFETY можно внедрять в системы, чтобы гарантировать, что пакеты с важными данными будут надежно циркулировать между безопасными ECUs. Это может происходить внутри экскаватора или, например, в сети, включающей экскаватор и другое оборудование. Таким образом можно безопасно контролировать из кабины электрический привод вала прицепа-кормораздатчика.


Диагностика и сервис

С увеличением сложности оборудования растет и необходимость в высокопроизводительных инструментах сервиса и диагностики. POWERLINK предоставляет пользователям многочисленные преимущества, такие как использование единой процедуры передачи данных (телеграммы) и пр.

Уникальные адреса узлов и доступность данных всей сети гарантируют прозрачную диагностику в сетях POWERLINK. В частности, это позволяет использовать любой инструмент поиска неисправностей, совместимый с Ethernet.

Литература

1. Ethernet POWERLINK Facts («Факты об Ethernet POWERLINK») // Ethernet POWERLINK Standardization Group: [сайт]. URL: http://www.ethernet-powerlink.org/en/downloads/powerlink-facts/ (дата обращения: 28.09.2016).
2. Berkeley Software Distribution [Электронный ресурс] // Wikipedia. URL: de.wikipedia.org/wiki/Berkeley_Software_ Distribution (дата обращения: 28.09.2016).

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 5(65)_2016


Авторы: Stefan Taxer (Штефан Таксе),
Miodrag Veselic (Миодраг Веселич),
ООО «Б+Р Промышленная Автоматизация», г. Москва,
тел.: +7 (495) 657-9501,
e-mail: office.ru@br-automation.com,
www.br-automation.com