V myslích techniků byl nadlouho Ethernet spojen se sdíleným
přenosovým médiem v podobě tlustého a tenkého koaxiálního kabelu
nebo i v podobě kroucených dvojlinek s rozbočovači
(hub), s rozsáhlými kolizními doménami a především s
nedeterministickým principem řešení kolizí metodou CSMA/CD (Carrier
Sense with Multiple Access and Collision Detection). V kolizní
doméně mohou současně přijímat všechny stanice, ale vysílat může pouze
jedna. Vznikla-li vysíláním více stanic současně kolize, všechny
stanice se na náhodně dlouhou dobu odmlčely, než to některá zkusila
znovu. Tato metoda, při nízkém zatížení sítě velmi efektivní,
způsobovala při růstu zatížení exponenciální nárůst počtu kolizí.
Tyto potíže ale vymizely s používáním přepínačů (switch).
Kolizní doména dnes obvykle obsahuje jen dva účastníky, a to jedno
koncové zařízení a přepínač. Kabely obsahují až čtyři kroucené páry a
vysílání probíhá současně s příjmem v režimu tzv. plného
duplexu (full duplex) . Přenosové médium není sdíleno
a nevznikají na něm kolize. Přenosová rychlost pak může stabilně
dosahovat nejvyšší možné úrovně. Takováto síť pak může být dobrým
základem komunikace i pro velmi složité a rozsáhlé automatizační
systémy.
Stejně jak Ethernet představuje nejlepší variantu pro rozsáhlé
sítě, v případě připojování periferních jednotek k počítačům
je nejlepší volbou USB propojení. Tento standard univerzální sériové
sběrnice vznikl již v roce 1995 a jeho rychlejší varianta USB 2.0
s datovým tokem až 480 Mbit/s existuje již také déle než
deset let. USB představuje výrazný kvalitativní skok proti všem dříve
používaným sériovým i paralelním rozhraním. Její spolehlivost,
odolnost, přenosová kapacita i rychlost odezvy ji předurčuje pro
velkou většinu připojený periferních jednotek v úlohách sběru dat
a řízení v průmyslové automatizaci.
Ethernet ani USB nejsou žádnými novými a neprověřenými
technologiemi. Cestu do oboru průmyslové automatizace tyto standardy
neměly jednoduchou, jejich dominance je zřejmá a jejich kvality
nezpochybnitelné. Vybudování ethernetové sítě je totiž neobyčejně
snadné, levné a rychlé a tento úkol bez potíží zvládají všichni
systémoví integrátoři. A vybudování sítě periferií komunikující
přes USB je ještě výrazně snadnější.
Podstatným požadavkem kladeným na komunikaci v automatizačních
systémech je práce v reálném čase. Práce v reálném čase
nevyžaduje pouze krátké odezvy a vysoké přenosové rychlosti, ale
především determinističnost. To znamená, že systém musí zaručit odezvu
v předepsaném čase - a požadavky na dobu odezvy se liší případ od
případu. Se zaručenou dobou odezvy souvisí také stabilita doby odezvy.
Požadavky na toleranci doby odezvy se také v jednotlivých
aplikacích značně liší.
Podle nároků na dobu a stabilitu doby odezvy komunikační
sítě můžeme přibližně rozlišit tři typy průmyslových ethernetových
sítí:
Reálný čas je řešen prostřednictvím software nad standardními
vrstvami IP, UDP a TCP. Toto uspořádání funguje ve veškerých
standardních sítích a při správné segmentaci sítě dosahuje časů
odezev v jednotkách milisekund. Tato standardní architektura je
nejlevnější, nejsnáze realizovatelné a vyhoví ve většině
průmyslových sítí. Příkladem takovýchto řešení je např. Modbus/TCP
nebo DataLab.
Reálný čas je řešen prostřednictvím software nahrazujícím
standardní vrstvy IP, UDP a TCP. Tyto sítě pracují se standardními
síťovými adaptéry, komunikační software pracuje v reálném čase
přímo nad ethernetovými pakety a ve vyhrazených segmentech sítě
dosahuje odezev a přesností vhodných i pro náročné
aplikace např. v oblasti pohonů a robotiky.
Nejvyšší požadavky na reálný čas jsou řešeny kombinací
speciálního hardware a software. Zde již nelze použít standardní
síťové adaptéry a tyto sítě často pracují s vlastní
identifikací jednotlivých uzlů bez nutnosti přidělování IP adres.
Komunikační pakety nebývají čteny, interpretovány a následně dále
odesílány, ale jednotlivými uzly procházejí s minimálním
zpožděním v řádu jednotek nanosekund k dalšímu zařízení. Data
jsou vkládána na vyhrazená místa v datovém telegramu, který obíhá po
síti. Pakety komunikace reálného času mají v síti mají prioritu
před pakety standardních síťových vrstev IP, UDP a TCP.

Tři principy řešení komunikace v reálném času
v ethernetových sítích
V různých řešeních sítí průmyslového Ethernetu se pro
dodržení požadavků na včasnost doručení zpráv může využívat
:
hvězdicová struktura s přepínači (switch) a nikoliv
rozbočovači (hub)
komunikační modely publisher / subsriber a
producer / consumer namísto modelu
klient / server
prioritní ethernetové pakety
vysokorychlostní varianty Ethernetu
segmentace sítě
synchronizace na principu distribuovaných hodin reálného
času
Ethernetová síť je důležitý mediem při propojení a integraci mnoha
automatizačních aplikací do jednoho rámce s možností centrální
správy a dohledu. Jednotlivé aplikace v rámci podniku mohou
pracovat samostatně bez nutnosti komunikovat s jinými systémy
v reálném čase a přesto mohou být součástí jednoho centrálně
spravovaného celku. Samostatné aplikace nemusí mít vlastní zobrazovače
nebo jiné rozhraní člověk - stroj, mohou mít zálohované napájení a
mohou trvale běžet i bez ohledu na stav podnikové počítačové
sítě.
V prostředí ethernetové sítě mohou být provozovány
i aplikace, které nejen že nemají vlastní zobrazovače, ale nemají
dokonce ani vlastní počítače. Řada samostatných aplikací může běžet na
jediném vyhrazeném serveru. Správa a údržba systému se tak ještě dále
zjednoduší a rovněž lze ušetřit značné prostředky na pořízení a
modernizaci počítačů a řídicích jednotek. Spolehlivost síťové
infrastruktury je zde podstatná, ale to dnes již obvykle není
problémem.
Propojení přes Ethernet:
+ prakticky neomezená vzdálenost připojení (vyhrazený segment
s kroucenou dvojlinkou do cca 100 m)
+ doba odezvy v řádu jednotek milisekund
- napájení není vždy součástí komunikačního standardu (
standard Power over Ethernet definuje možnosti napájení
ethernetových zařízení prostřednictvím datových vodičů stávající
kabeláže CAT5, používá se napětí 44 – 57V při max. proudu 550
mA )
- je nutno přiřadit pevnou IP adresu
- před prvním použití je nutno zařízení zkonfigurovat
prostřednictvím vestavěného HTTP serveru
Propojení přes USB:
+ doba odezvy v řádu stovek mikrosekund
+ vysoká přenosová rychlost 480MB / sec, dostačující
přenosová kapacita i pro digitální kamery s vysokým
rozlišením
+ napájení součástí sběrnice
+ plug-and-play bez nutnosti konfigurace
- vzdálenost připojení do 5m (s aktivním prodloužení do
cca 30m)
Jednotky DataLab IO/ETH s Ethernet rozhraním jsou plně kompatibilní
se všemi I/O moduly systému DataLab IO. Pouze USB rozhraní je
nahrazeno 10/100 Mbit Full Duplex rozhraním Ethernet a jednotka
komunikuje prostřednictvím protokolu TCP/IP. ProtokolTCP/IP je možno
směrovat a přenášet prostřednictvím různých počítačových sítí, fyzická
vzdálenost jednotky od počítače tak prakticky není limitována. Z
hlediska aplikačního programového vybavení není mezi USB a Ethernet
jednotkami rozdíl. Stačí v parametrickém souboru shodného ovladače
zvolit způsob komunikace a nastavit patřičné adresy. Aplikace pak
s jednotlivými jednotkami komunikují shodně. Komunikace
s ethernetovými jednotkami je kryptována a tím je zabráněno
neoprávněným zásahům do technologie.
Komponenty pro průmyslovou automatizací s možností
ethernetového a USB připojení usnadňují integraci aplikací do
jednotného centrálně spravovatelného prostředí a významně zlevňují
budování moderních integrovaných systémů.
rc
|