книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

Окончание табл. 2 . 3

Эти протоколы в различной степени модифицируют стандартный стек TCP/IP, добавляя в него:

–функции синхронизации;

–новые алгоритмы сетевого обмена;

–диагностические функции;

–методы самокорректировки.

Канальный и физический уровни Ethernet при этом остаются неизменными, что позволяет использовать протоколы реального времени в существующих сетях Ethernet с использованием стандартного сетевого оборудования.

2.6.1. Стандарт Profinet

Profinet является открытым промышленным стандартом для автоматизации. Он определяется Profibus & Profinet International (PI)

при поддержке клуба Interbus и начиная с 2003 года является ча-

стью IEC 61158 и IEC 61784 стандартов. Profinet использует TCP/IP-

и IT-стандарты, а также режим РВ Ethernet.

161

В общем случае Profinet – это сеть, состоящая из станций, которые соединены друг с другом через определенные сетевые компоненты с помощью кабелей по схеме «точка-точка» (point-to- point – PtP). Станции с их сетевыми интерфейсными картами (NIC – Network Interface Card) или коммуникационными процессорами (CP) являются конечными точками сети в системе автоматического управления. Компоненты сети, такие как концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы, необходимы для того, чтобы обеспечивать распределение данных между конечными точками сети. Витые медные проводники с максимальной скоростью передачи 100 Мбит/с (Fast Ethernet) наиболее часто используются для прокладки сетей между компонентами и станциями. Станции, использующие специализированные линии для передачи и приема, способны посылать и принимать данные одновременно и без коллизий. Такой тип коммуникаций известен как полный дуплекс (full duplex, или FDX – технология, обеспечивающая одновременную посылку и прием данных). Полный дуплекс всегда подразумевает топологию сети типа звезда, в которой два компонента всегда связаны друг с другом соединением по схеме «точка-точка». Такая сеть состоит из множества PtP-соединений. Фактическое управление доступом в такой сети сводится к соединению между двумя станциями посредством PtP-соединения.

В такой сети кабели к коммуникационным партнерам переключаются с помощью специальных сетевых компонентов, называемых коммутаторами. Этот принцип известен как коммутируемая среда (switched media). Технология Profinet всегда базируется на соединениях Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/с и Fast Ethernet в режиме полного дуплекса в коммутируемой сети.

Концепция Profinet имеет модульную структуру, поэтому пользователи могут выбрать каскадирование самих функций. Они существенно отличаются в зависимости от типа обмена данными для выполнения отчасти очень высоких требований к скорости.

В Profinet существуют две перспективы: Profinet CBA и Profinet IO. Profinet CBA подходит для компонентов на основе связи

162

через TCP/IP, а Profinet IO используется для общения в режиме реального времени с требованиями в модульных инженерных системах. Обе коммуникационные возможности можно использовать параллельно.

Profinet IO была разработана для связи реального времени (RT) и изохронного реального времени (IRT) с децентрализованной периферией. Обозначения RT и IRT просто описывают реальные свойства времени для общения в Profinet IO.

Profinet CBA и Profinet IO могут общаться в то же время на одной и той же системной шине. Они могут работать по отдельности или в сочетании, так что подсистема ввода-вывода Profinet выступает как система Profinet CBA с точки зрения системы.

Для достижения этих функций определены три протокола разного уровня:

–TCP/IP для Profinet CBA и ввод в эксплуатацию оборудования с временем реакции от 100 мс;

–RT протокол Profinet CBA и Profinet IO приложений с цик-

лом до 10 мс;

–IRT для Profinet IO приложений в приводных системах с циклами меньше, чем 1 мс.

Протокол Profinet может быть записан и отображен с помощью любого анализирующего устройства Ethernet. В текущей версии Wireshark/Ethereal способны декодировать части сообщения Profinet.

Система Profinet CBA состоит из различных компонентов автоматизации. Один компонент охватывает все механические, электрические и IT-переменные. Компонент может быть создан с помощью стандартных средств программирования, описывается с помощью

Profinet Component Description (PCD) файлом в формате XML. Инст-

рументпланированиязагружаетэтиописанияиактивируетлогические взаимосвязи между отдельными компонентами, которые будут созданы для осуществления установки. Эта модель была в значительной степени создананаосновестандартаIEC 61499.

Основная идея заключается в том, что CBA всей системы автоматизации во многих случаях может быть разделена на автоном-

163

ные операционные подсистемы. Дизайн и функции могут на самом деле оказаться в идентичных или слегка измененных формах в нескольких системах. Эти компоненты Profinet, как правило, контролируются управляемым числом входных сигналов. В рамках компонента программа управления, написанная пользователем, выполняет требуемые функции и передает соответствующие выходные сигналы на другой контроллер. Разработка, ведущаяся производителем, независима. Связи на основе компонентов системы только настраиваются, а не программируются. Связи с Profinet CBA (без реального времени) являются подходящими для шин с цикличностью примерно 50–100 мс. Параллельная работа RT-канала позволяет для данных циклов быть похожими на Profinet IO (несколько миллисекунд).

Стандарт Profinet IO реализовывает интерфейсы периферийных устройств. Он определяет связь с областью, соединенной с периферийными устройствами. Основа этой системы заключается в каскадной структуре, работающей в реальном времени. Profinet IO определяет весь обмен данными между контроллерами (устройства с master-функциональностью) и устройства (устройства со slaveфункциональностью), а также параметры настройки и диагностики. Profinet IO предназначена для быстрого обмена данными между областью Ethernet-устройств и поддержания модели «поставщик – потребитель». Устройства находящиеся в области подчинения линии Profibus могут быть интегрированы в системы Profinet IO без всяких усилий, также как и в IO-Proxy (представитель подчиненной системной шины). Устройство-разработчик может реализовать Profinet IO с любыми коммерчески доступными Ethernet-контроллерами. Это хорошо подходит для обмена данными с шинами цикличностью в несколько миллисекунд. Конфигурация IO-системы была сохранена практически идентичной системе Look and Feel Profibus. Profinet IO всегда содержит концепт в режиме реального времени. Система Profinet IO состоит из следующих устройств:

– контроллера ввода-вывода, который управляет задачами автоматизации;

164

–устройств ввода-вывода, которые являются областью устройства, контролируются и управляются контроллером ввода-вывода, могутсостоятьизнесколькихосновныхивспомогательныхмодулей;

–руководителя ввода-вывода программного обеспечения, базирующегося на основе ПК для настройки параметров и диагностики отдельных устройств ввода-вывода.

Application Relation (AR) устанавливается между контролле-

ром ввода-вывода и устройствами ввода-вывода. Эти АR используются, чтобы определить Communication Relations (CR) с различными характеристиками для передачи параметров, циклический обмен данными и обработки аварийных сигналов.

Характеристики устройства ввода-вывода описываются его производителем в General Station Description (GSD-файл). Язык, используемый для этой цели, – GSDML (GSD Markup Language), осно-

ван на XML. Файл GSD обеспечивает взаимодействие ПО с основами для планирования конфигурации системы Profinet IO.

Каждый модуль в сети Profinet имеет три адреса:

–MAC-адрес;

–IP-адрес;

–имя устройства – логическое имя для модуля в рамках общей конфигурации, потому что Profinet использует TCP/IP-, MAC- и IP-ад-

реса. МАС-адрес меняется, если устройство будет заменено. IP-адрес представляет собой форму динамической адресации. Имя устройства используется, потому чтонетнеобходимостив фиксированномадресе.

Для выделения IP-адреса, маски подсети и шлюза по умолчанию существуют два метода:

–DCP (Discovery and Configuration Protocol);

–DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol).

В Profinet IO данные обработки и аварийных сигналов всегда передаются в реальном времени. Режим реального времени в Profinet основан на определении IEEE и IEC, которые допускают лишь ограниченное время для выполнения RT-сервисов в рамках цикла шины. RT-связь представляет собой основу для обмена дан-

165

ными для Profinet IO. В режиме реального времени данные обрабатываются с более высоким приоритетом, чем TCP/IP-данные. RT обеспечивает основу для общения в реальном времени в области распределенной периферии и для компонентной модели Profinet (Profinet CBA). Этот тип обмена данными разрешает цикличность шины в диапазоне от нескольких сотен микросекунд.

Изохронный обмен данными с Profinet определен концепцией изохронного реального времени. Устройства Profinet IO с IRT-функ- цией имеют порты коммутатора. Они могут быть основаны, например, на Ethernet-контроллерах ERTEC 400/200. Циклы обмена данными, как правило, находятся в диапазоне от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд. Отличие режима реального времени заключается, по существу, в высокой степени детерминизма, поэтому начало цикла шины поддерживается с высокой точностью, оно может отклоняться до 1 мкс (дрожание). IRT требуется, например, для управления движением приложений (процессов управления позиционированием).

Профили предопределены конфигурацией функции и возможностями доступа из Profinet для использования в определенных устройствах или приложениях. Они определяются рабочими группами PI и публикуются ими. Профили имеют важное значение для открытости, совместимости и взаимозаменяемости, поэтому конечный пользователь может быть уверен, что подобное оборудование от различных поставщиков выполняется в стандартизированной форме. Пользователь выбирает способность развития конкуренции, которая приводит к поставщикам для повышения производительности и снижения затрат.

Существуют профили Profinet для кодирующих устройств. Другие профили были указаны для Motion Control (PROFIdrive)

ифункциональной безопасности (PROFIsafe). Важный профиль – PROFIenergy. Он был предложен в 2009 году группой AIDA немецких производителей автомобилей (Audi, BMW, Mercedes, Porsche

иVW), которые хотели иметь стандартизированный способ актив-

166

ного управления потребления энергии на своих заводах. Высокие энергетические устройства и подсистемы, такие как роботы, лазеры и даже линии краски, являются целевыми для этого профиля, который призван помочь снизить энергопотребление завода, затраты на интеллектуальное переключение устройства в спящий режимы с учетом производственных перерывов, как предусмотренных (например, в выходные и простые отключения), так и непредвиденных (например, аварии).

PROFIenergy применяется в различных сферах и включает мониторинг услуг, которые могут привести к спросу на энергию в режиме реального времени.

Основные моменты концепции Profinet:

1.Разработка: благодаря поддержке интерфейса инструмента Calling каждый производитель периферийных устройств может зацепить любое TCI-поддерживаемое ПО, а также подобрать параметры и диагностику области приборов, не выходя из программы.

2.Бесконтактное распознавание и замена устройства: все устройства области Profinet определяют их соседей, это позволяет

заменить их без дополнительных инструментов и предварительных знаний в случае неисправности.

3.Параметры сервера: индивидуально настроенные данные могут быть загружены любым производителем (например, через TCI)

иавтоматически преобразованы в параметры сервера. Перезагрузка также выполняется автоматически при замене устройства.

4.Детерминизм: Profinet поддерживает детерминированный трафик, например для высокоточных задач управления.

5. Резервирование: понятие «резервирование» определено в Profinet, и оно значительно повышает доступность системы.

Благодаря непрерывному развитию Profinet пользователи получают долгосрочную перспективу для реализации своих задач автоматизации. Системный оператор получает прибыль от простого расширения системы и высокую степень доступности от автономной работы подсистем.

167

2.6.2. Стандарт Ethernet/IP

Ethernet/IP (Industrial Ethernet Protocol) базируется на прото-

колах Ethernet TCP и UDP и расширяет коммуникационный стек для применения в промышленной автоматизации. Данный протокол был разработан группой ODVA при активном участии компании Rockwell Automation в конце 2000 года на основе коммуникацион-

ного протокола CIP (Common Interface Protocol), который использу-

ется также в сетях ControlNet и DeviceNet. Спецификация Ethernet/IP является общедоступной и распространяется бесплатно.

В дополнение к типичным функциям протоколов HTTP, FTP, SMTP

иSNMP Ethernet/IP обеспечивает передачу критичных ко времени доставки данных между управляющим устройством и устройствами ввода-вывода. Надежность передачи некритичных ко времени данных (конфигурации, загрузка/выгрузка программ) обеспечивается стеком TCP, а критичная ко времени доставка циклических данных управления будет осуществлена через стек UDP. Для упрощения настройки сети Ethernet/IP большинство стандартных устройств ав-

томатики имеет в комплекте заранее определенные конфигурационные файлы (EDS).

CIPsync является расширением коммуникационного протокола CIP и реализует механизмы синхронизации времени в распределенных системах на основе стандарта IEEE 1588.

2.6.3. Стандарт EtherCAT

Это стандарт СА, который относят к семейству Industrial Ethernet и технологиям, используемым для распределенного управления в режиме реального времени. EtherCAT разработан компанией Beckhoff. Целью создания протокола было использование технологии Ethernet для автоматизации приложений, которые требуют частого обновления времени (времени цикла) с низким дрожанием связи (для синхронизации) и небольшими затратами на аппаратное обеспечение. Дейтаграммы EtherCAT пропускаются внутри стандартного фрейма Ethernet.

168

Как правило, автоматизирующие сети характеризуются короткой длиной данных на каждом узле, меньшей, чем минимальная полезная нагрузка кадра Ethernet. Следовательно, использование одного кадра в узле за цикл ведет к низкому использованию полосы пропускания и, таким образом, ухудшает общую производительность сети. В связи с этим EtherCAT использует другой подход, называемый «обработка на лету».

Управляемые EtherCAT-устройства не занимаются приемом и отправкой дейтаграмм в классическом смысле слова. Вместо этого каждая полученная дейтаграмма считывается на лету, одновременно с отправкой дальше. Вставка данных происходит сходным образом. За счет такого подхода удается добиться малого времени обработки дейтаграммы. Все устройства в сети адресуются одной дейтаграммой, которая последовательно обрабатывается каждым устройством.

Спецификация протокола EtherCAT доступна только членам организации, что значительно повышает стоимость введения устройств EtherCAT в системы диспетчеризации. Протокол EtherCAT оперирует пакетами, передаваемыми непосредственно внутри стан-

дартного фрейма IEEE 802.3 Ethernet (с применением Ethertype 0x88a4) или внутри датаграммы UDP/IP. Пакет EtherCAT не делим и состоит из заголовка (2 байта) и одного или более сообщений.

Последовательность данных не зависит от физического порядка узлов в сети: адресация может быть обработана в любом порядке. Широковещательная групповая передача данных и передача данных между конечными получателями также возможны и должны быть реализованы на так называемом главном устройстве в текущем сегменте сети. Если IP-маршрутизации не требуется, протокол EtherCAT может быть вставлен в UDP/IP-дейтаграммы. Это также дает возможность контролировать стек протоколов Ethernet для реализации адресации EtherCAT-систем.

Короткое время цикла может быть достигнуто при помощи микропроцессоров в придаточных устройствах, не участвующих вобработке пакетов Ethernet для передачи образа процесса. Все дан-

169

ные коммуникационного процесса обрабатываются на аппаратном контроллере ведомого устройства. В сочетании с функциональным принципом это делает EtherCAT высокопроизводительной распределенной системой ввода-вывода: процесс обмена данными с 1000 распределенных цифровых входов-выходов занимает около 30 мкс, что является типичным для передачи 125 байт в 100-мегабитной Ethernet-сети. Данные для 100 сервоосей и от них могут обновляться со скоростью до 10 кГц. Типичная скорость обновления сети – 1–30 кГц, но система EtherCAT может работать также с медленным временемцикла, еслинагрузкаDMA слишкомвысока накомпьютере.

Внешне топология сети EtherCAT может быть произвольной (возможен любой порядок подключения устройств). Однако внутренняя топология все равно будет кольцевой за счет использования полнодуплексного Ethernet в качестве нижнего уровня: каждая посланная дейтаграмма будет проходить через все подключенные устройства в определенном порядке. Используя полнодуплексный Ethernet физического уровня, контроллеры ведомых устройств EtherCAT закрывают открытый порт автоматически и возвращают Ethernet-фрейм, если клиентские (downstream) устройства не обнаружены. Ведомые устройства могут иметь два порта или более. В связи с этими особенностью EtherCAT является поддержка почти любых физических топологий, таких как линия, дерево или звезда. Таким образом, шина, или линия, – структура, известная из промышленных сетей, – также становится доступной для Ethernet. Кроме того, возможно сочетание линий и ветвей или заглушек: любое устройство EtherCAT с тремя или более портами может выступать в качестве перехода, никаких дополнительных устройств (например, свитчей) не требуется. Классическая топология Ethernet – звезда, построенная на коммутаторах, – может быть использована как с помощью переключателей, настроенных для перенаправления трафика непосредственно между портами, так и с помощью специальных придаточных устройств – свитчей, расположенных между ведущим сетевым и ведомыми устройствами. Совокупность специальных ведомых устройств (напомним, что стандартные ведомые

170