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.

Промышленный Ethernet – особенности применения

В статье рассматриваются различные технологии передачи данных. Подробно, с приведением практических примеров, описана топология сети EtherCAT и ее возможное применение в промышленности.

Компания Beckhoff, г. Москва

Beckhoff.gif


Сеть Ethernet является широко распространенным стандартом передачи данных в области IT-технологий. Массовое применение Ethernet стало возможным благодаря большой пропускной способности и поддержке различных физических сред носителя, определенных в стандартах IEEE 802.3, IEEE 802.11, а повсеместное его применение сделало крайне доступным по цене стандартное сетевое оборудование и открыло новую эру в сфере технологий связи, в том числе и для промышленного использования. Хотя применение данной технологии в промышленности связано с определенными трудностями, такими, как работа с приложениями реального времени, где проблема «разруливания» конфликтов сети решается дополнительными аппаратными или программными средствами, подобно тому, как она разрешена в некоторых промышленных шинах. Ряд решений этой проблемы был предложен и успешно внедряется на рынке промышленной автоматизации уже более 10 лет. В таблице приведены наиболее известные из них.

Хочется обратить особое внимание на последнюю строчку таблицы, в которой приводится сравнение времени цикла различных шин на конкретном примере, так цикл обмена данными в системе, состоящей из:
- 40 сервоприводов (по 20 байт I/O); 
- 50 распределенных узлов ввода/вывода, состоящих из суммарно 2000 дискретных и 200 аналоговых сигналов, для шины EtherCAT составляет всего 276 микросекунд. С точки зрения быстродействия EtherCAT является, безусловно, рекордсменом среди других шин ввода/вывода, основанных на Ethernet. 

Иногда подобное быстродействие и не требуется. В большинстве промышленных ТП в нефтяной и химической промышленности, таких, как регулирование давления, температуры, дискретное управление различными насосами, вентиляторами и задвижками, отработка действий по технологическим защитам, квант реального времени (РВ) имеет порядок от 100 мс до одной секунды, что сопоставимо с характерным временем изменения состояния параметров технологического процесса. Именно с такой частотой необходимо и достаточно опрашивать устройства ввода/вывода. Но существует, безусловно, ряд приложений, в которых требуется обеспечить квант РВ менее 1 миллисекунды. Это прежде всего регулирование быстрых процессов в энергетике (регулирование электрических величин: тока, напряжения, мощности, частоты и фазы), а также реакция на технологические защиты на генерирующих станциях или высоковольтных инверторных установках.

Другой показательный пример «быстрого» приложения – управление многоосевым перемещением в системах ЧПУ при высокой скорости перемещения режущего инструмента и также высокими требованиями к точности перемещения. 

Как мы видим, диапазон требований к РВ очень велик (от секунды до долей миллисекунды), и даже такие относительно медленные протоколы, как широко распространенный Modbus/TCP или другие TCP-ориентированные протоколы (например, принятый в энергетике телемеханический протокол МЭК60870-5-104), активно используются в системах АСУ ТП промышленности. Эти протоколы соответствуют требованиям РВ для многих видов ТП. Преимущество TCP-ориентированных протоколов заключается в их полной совместимости с IT-технологиями передачи данных. TCP/IP пакеты обрабатываются маршрутизаторами, могут туннелировать через физически отличные от Ethernet каналы связи (GSM/GPRS, проводные и радио- модемы, виртуальные сети VPN). 

Для быстрых же приложений разработчикам промышленных шин на базе Ethernet приходится спускаться в стеке протоколов Ethernet на более низкие уровни (по сравнению с уровнем TCP/IP) согласно модели OSI (Open System Interconnection). Большинство «быстрых» шин на базе Ethernet реализованы сразу над вторым уровнем OSI-модели или, как шина EtherCAT, даже перекрывают этот второй (Data link) уровень. При этом стандарт Ethernet IEEE 802.3x строго соблюдается.

Таблица. Скорость обмена данными в разных сетях

Шина EtherCAT, стандартизованная IEC и поддерживаемая международной организацией ETG, насчитывающей в настоящее время более 1000 компаний, и является, с нашей точки зрения, наиболее прогрессивным промышленным протоколом на базе Ethernet.

Как правило, проектировщики распределенных систем управления сталкиваются с большими трудностями в выборе оборудования, как только встает задача обеспечить гарантированное время реакции не более 1 мс. Большое время реакции в распределенных системах на базе традиционных промышленных шин (таких, как Profibus, CANopen, DeviceNet и др.) обусловлено двумя факторами:
1) буферизацией данных ТП по крайней мере в двух местах: на уровне каждого slave-устройства, и второй раз в памяти DP RAM (Dual Port Memory) некоторого устройства – мастера шины; большими издержками на служебную информацию в передаваемых пакетах в общем трафике шины; 
2) при опросе большого количества slave-устройств (каждое slave-устройство должно послать/получить свой собственный адресованный пакет).

Для сравнения: в распределенной системе управления на базе шины EtherCAT минимальное гарантированное время реакции на случайное событие c учетом времени переключения транзисторов во входных и выходных цепях может быть существенно меньше 1 мс и может составлять, например, с использованием оборудования Beckhoff, всего 170 мкс, включая преобразование сигнала на входе, цикл шины EtherCAT, два (в худшем случае) 50‑микросекундных цикла программы ПЛК, еще один цикл шины, и преобразование на выходе. Это открывает новые возможности для использования распределенных систем управления в тех областях, в которых использование традиционной промышленной шины до сих пор не представлялось возможным, например, в области быстрых процессов в энергетике.

Все ли можно объяснить всего лишь битовой скоростью передачи информации на физическом уровне? Если бы дело было только в этом, то 100-мегабитный Ethernet имел бы всего 10-кратное превосходство в скорости по отношению, например, к 12-мегабитной традиционной шине Profibus. Однако на деле мы имеем 100 или более кратное превосходство в скорости опроса распределенного ввода/вывода. С чем это может быть связано?


Ноу-хау EtherCAT

В чем же состоит ноу-хау технологии EtherCAT? Отметим ряд основополагающих идей, образующих концепцию EtherCAT.

1. Нет традиционного «пулинга» (т.е. запроса мастера – ответа slave-устройства), вместо этого один большой пакет шины проходит последовательно через все slave-устройства. Таким образом весь распределенный ввод/вывод опрашивается одной лишь телеграммой. Это минимизирует издержки на заголовки, контрольные суммы и прочие атрибуты и повышает долю полезных данных в трафике.

2. Нет буферизации данных процесса на уровне УСО: телеграмма EtherCAT доходит до каждого модуля ввода/вывода. Удаленный УСО на шине EtherCAT – это лишь группа модулей ввода/вывода, топологически размещенных в одном месте. Каждый модуль ввода/вывода является slave-устройством. Пакет EtherCAT обрабатывается аппаратно каждым slave-устройством «на лету», без буферизации.

3. Нет буферизации данных процесса на уровне мастера шины EtherCAT, телеграмма EtherCAT, безусловно, буферизируется на уровне сетевого адаптера мастера, но далее задействуется механизм DMA (Direct Memory Access) для обмена с оперативной памятью управляющей задачи ПЛК. При этом структура данных пакета EtherCAT точно повторяет структуру переменных управляющей задачи (а вовсе не топологию шины). Таким образом, отсутствует буферизация данных в какой-либо DP RAM (т.е. памяти, как правило, с большим временем доступа).

4. Телеграмма EtherCAT отправляется строго синхронно с каждым циклом управляющей задачи ПЛК. Таким образом, обеспечивается минимальное время реакции на случайное событие, в худшем случае – это удвоенное время цикла задачи ПЛК плюс цикл шины.


Совместимость шины EtherCAT с Ethernet

Нужно отметить, что стандарт Ethernet (IEEE 802.3) специфицирует только первый из семи уровней информационной сети в модели OSI – это физический уровень (1.Physical Layer). Второй уровень (2.Datalink Layer) имеет дело c аппаратными MAC-адресами устройств и необходим для работы стандартного сетевого оборудования, такого, как коммутаторы или преобразователи «медь-оптоволокно». И когда мы говорим о совместимости с Ethernet, мы обычно подразумеваем совместимость на аппаратном уровне, т.е. в пределах первого и второго уровня Ethernet.

Формально, с точки зрения сети Ethernet, вся шина EtherCAT целиком является одним участником. Только мастер шины EtherCAT может быть инициатором пакета. Все остальные slave-устройства просто пропускают этот пакт через себя и изменяют лишь область данных EtherCAT и CRC-код в конце пакета. Все стандартные заголовки Ethernet (MAC-адрес источника, MAC-адрес приемника, тип пакета) остаются неизменными. У всей сети устройств EtherCAT есть только один MAC-адрес – это MAC-адрес мастера. 

Проектировщика системы обычно интересует совместимость с Ethernet с практической точки зрения. Постараемся дать ответ на некоторые практические вопросы (некоторые из них, может быть, даже выходят за рамки вопроса совместимости с Ethernet).

Можно ли использовать стандартные кабели (витая пара CAT-5 с разъемами RJ45 на концах)? – Можно.

Какое максимальное расстояние между узлами шины по витой паре? – Стандартные 100 м.

Какая топология сети EtherCAT возможна? – Каждое slave-устройство EtherCAT может иметь до четырех Ethernet-портов, поэтому топология сети – любая: «гирлянда», «звезда», «дерево», «кольцо», а также смешанная топология.

Можно ли использовать стандартное сетевое оборудование, например коммутаторы типа switch? – Да, можно.

Можно ли использовать стандартное сетевое оборудование, например преобразователи «медь-оптоволокно»? – Да, можно.

Требуется ли какое-то специальное сетевое оборудование: специальные сетевые карты Ethernet или специальные коммутаторы? – Нет, не требуются. Но для быстрых приложений рекомендовано использовать стандартную сетевую карту с набором микросхем Intel, и отказаться от использования каких-либо коммутаторов (которые могут внести дополнительную задержку в распространение пакета).

Обрабатываются ли пакеты EtherCAT маршрутизаторами IP? – Это более сложный вопрос, в простой версии EtherCAT – нет. Однако спецификация EtherCAT позволяет включать IP-заголовки в пакет. Таким образом, телеграммы EtherCAT будут проходить по сети подобно обычным IP-пакетам. Но при этом нужно учитывать, что любой маршрутизатор буферизирует пакет и привносит дополнительную задержку в его распространение. Однако для ряда приложений, в которых достаточно обновлять данные ввода/вывода не часто, один раз в 5...10 мс, это вполне приемлемо.

Можно ли передавать обычные Ethernet данные, например TCP/IP пакеты по шине EtherCAT? – Да, можно.

Поддерживается резервирование линий связи в EtherCAT? – Да, в топологии сети «кольцо» при использовании двух независимых сетевых карт Ethernet на мастере шины поддерживается полное резервирование линий связи.

Можно ли «на лету» подключать и отключать устройства от шины EtherCAT и изменять топологию сети? – Да, такая возможность предусмотрена.

Разрешается ли строить ПАЗ-систему (отказоустойчивую систему противоаварийной защиты) на базе шины EtherCAT? – Да, имеется специальный профиль «Safety over EtherCAT» (SoE), который сертифицирован международным агентством TÜV по классу надежности SIL4, а конкретная реализация EtherCAT-устройств противоаварийной защиты от Beckhoff имеет сертификат TÜV класса SIL3. 


EtherCAT – открытая, стандартизированная технология

Было бы неверным полагать, что шина EtherCAT – внутренняя разработка Beckhoff для нужд собственных устройств ввода/вывода. За развитие и сертификацию EtherCAT отвечает международная организация ETG (EtherCAT Technology Group), насчитывающая в настоящее время более 1000 членов – производителей оборудования и конечных пользователей в 45 странах мира. Среди них насчитывается 44 различных производителя сервоприводов по этому показателю, EtherCAT опередил в 2009 г. традиционную шину Profibus (41 производитель), 26 различных производителей устройств распределенного ввода/вывода, 60 производителей управляющих систем, интегрировавших функцию «мастер EtherCAT» в свои продукты. На настоящий момент было продано более 700 стартовых наборов разработчика EtherCAT, так что в ближайшее время мы ожидаем значительных рост числа различных производителей собственных устройств EtherCAT на рынке.

Пожалуй, даже лишним было бы здесь упомянуть, что шина EtherCAT – это открытый международный стандарт: EtherCAT является официальной спецификацией IEC/PAS 62407, частью стандартов IEC 61158 (Digital data communication for measurement and control – Fieldbus for use in industrial control systems), IEC 61784-2 (Digital data communication for measurement and control – Part 2: Additional profiles for ISO/IEC 8802-3-based communication network in real-time application) и IEC 61800-7 (Profiles for motion control systems). EtherCAT – это стандартизированная технология передачи данных, поддерживающая профили устройств SERCOS и CANopen.

Таким образом, промышленный Ethernet уверенно занимает те ниши, в которых применение традиционных промышленных шин невозможно или экономически не оправдано.

1. Существенно распределенные, многоуровневые системы сбора данных и управления, в которых используются разнородные каналы связи, а количество передаваемых и обрабатываемых данных велико (десятки и сотни тысяч сигналов). Здесь скорее речь идет о диспетчерском управлении крупными объектами, чем о локальной шине ввода/вывода, и время реакции в таких системах измеряется секундами, поэтому использование IT-технологий передачи больших объемов данных с использованием TCP/IP – ориентированных протоколов – полностью оправдано.

2. Управление быстрыми процессами, в которых требуется время реакции меньше одной миллисекунды. В этой нише у шины EtherCAT практически нет конкурентов по быстродействию, любая традиционная последовательная промышленная шина – примерно в 100 раз медленнее. До сих пор в этой области использовались сосредоточенные аппаратные системы на базе микроконтроллера и локальных каналов ввода/вывода на параллельной шине.

3. Системы синхронного сбора большого количества сигналов. Например, большие испытательные стенды, в которых требуется, например, около 1500 распределенных аналоговых каналов ввода/вывода, опрашивать строго синхронно каждые 100 микросекунд. Традиционная промышленная шина не обладает достаточным быстродействием для решения подобной задачи. До сих пор в данной области использовались многоуровневые крэйтовые системы на параллельных шинах.

4. Обычные системы управления ТП, в которых важными параметрами считаются удобство монтажа, гибкая топология сети сбора данных, резервирование каналов связи с УСО, экономичность решений. Здесь использование стандартного сетевого оборудования и кабелей Ethernet может стать решающим фактором в пользу выбора шины.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(24)_2009

А. Маштаков,
компания Beckhoff, г. Москва,
тел.: (495) 981-6454,
e-mail: russia@beckhoff.com