W ostatnim czasie, szczególnie w kontekście Przemysłowego Internetu Przedmiotów (IIoT) oraz 4. rewolucji przemysłowej, wielu dostawców i producentów systemów automatyki przemysłowej poszukuje otwartej i niezależnej od producenta platformy komunikacyjnej. Tym samym oczekują oni systemowych realizacji coraz większej liczby zautomatyzowanych procesów. W konsekwencji rozwiązania dla automatyki muszą uwzględnić wymagania systemów IT pod względem otwartego dostępu do danych, jak również wymagania przemysłowych systemów sterowania dotyczących pracy w czasie rzeczywistym.

Ethernet i przemysłowy Ethernet odegrały na tym polu istotną rolę. Liczne zalety tej technologii komunikacji sieciowej, takie jak możliwość wydajnej i synchronicznej transmisji dużej objętości danych we współdzielonym medium transmisyjnym, dają Ethernetowi przewagę nad konwencjonalnymi magistralami komunikacji. Do popularnych przemysłowych protokołów wykorzystujących Ethernet należą m.in. PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT oraz POWERLINK. W dużym stopniu pozwalają one na wykorzystywanie wspólnego medium, jakim jest Ethernet, również przez konwencjonalne protokoły, takie jak http lub TCP/IP.

W niniejszym artykule zostały bardziej szczegółowo omówione wymagania sieci przemysłowych, takie jak niezawodność dostarczenia danych i synchronizacja danych w czasie. W tym kontekście zostanie zaprezentowany przełącznik sieciowy fido5000 REM firmy Analog Devices (ADI), który stanowi możliwe rozwiązanie spełniające te wymagania. Układ jest dostępny w wersjach fido5100 oraz fido5200, które różnią się wyłącznie obsługiwanym zestawem protokołów Ethernet. Model fido5100 obsługuje najważniejsze protokołów Ethernet z wyjątkiem EtherCAT, natomiast fido5200 – najważniejsze protokoły Ethernet razem z EtherCAT.

Rys. 1. Przełącznik sieciowy fido5200 REM jest wariantem fido5000. Obsługuje on najważniejsze przemysłowe protokoły Ethernetu, w tym EtherCAT

Przełącznik sieciowy fido5000 REM

Fido5000 od Analog Devices stanowi przełącznik z dwoma portami Ethernetu, oferując pracę w czasie rzeczywistym i obsługę wielu protokołów (w skrócie REM). Dwa porty są potrzebne, aby układ umożliwiał współczesnym urządzeniom przemysłowym i przyszłym systemom 4. rewolucji przemysłowej pracę w popularnych topologiach sieci, takich jak topologia liniowa i pierścień oraz gwiazda. Ponadto istnieje możliwość podłączenia do układu dowolnego procesora hosta – projektanci mogą wykorzystać zatem wybrane przez siebie procesory i środowiska programistyczne. Wszystkie możliwości układów fido5000 zostały przedstawione na rys. 2.

Rys. 2. Możliwości oferowane przez fido5000

Komunikacja między układem REM a procesorem odbywa się za pośrednictwem magistrali pamięci, pozwalając na implementację szybkiego przemysłowego Ethernetu z niskim opóźnieniem i jitterem. Magistrala pamięci dostarcza również interfejs hosta przy użyciu technologii PriorityChannel. Ta technologia filtracji pakietów została opracowana przez ADI i stanowi rozwiązanie sprzętowo-programowe, które zapewniają przetwarzanie krytycznych danych sieci Ethernet w zadanym czasie. Jednocześnie technologia ta nie zależy od wykorzystanych protokołów lub od obciążenia sieci i nie powoduje konfliktów z danymi o mniejszej istotności. Innymi słowy, dane otrzymywane kanałem czasu rzeczywistego są przetwarzane w pierwszej kolejności w stosunku do zwykłych danych sieciowych. Technologia PriorityChannel została pokazana na rys. 3, który przedstawia cztery kolejki umożliwiające regulację priorytetów podczas przetwarzania danych czasu rzeczywistego.

Rys. 3. Koncepcja technologii PriorityChannel opracowanej przez Analog Devices

Poza funkcjonalnością przełącznika sieciowego, fido5000 oferuje również zaawansowaną jednostkę timera (timer control unit, TCU). Jej celem jest implementacja mechanizmu synchronizacji występującego w różnych przemysłowych protokołach Ethernetu. Dodatkowe funkcje, takie jak rejestracja sygnałów wejściowych lub dodatkowe wyjścia cyfrowe można zrealizować za pomocą czterech dedykowanych wyjść oraz czterech uniwersalnych portów I/O. Porty te są zsynchronizowane w fazie – możliwe jest na przykład dokładne określenie momentu nadejścia zbocza na dowolnym wejściu z rozdzielczością 64 bitów. Po stronie wyjść można natomiast generować dowolne sekwencje cyfrowe w sposób synchroniczny, zsynchronizowane czasem sieci. Oznacza to, że da się zsynchronizować aplikację użytkownika z czasem sieci z dokładnością do cyklu krótszego, niż 31,25 µs.

Fido5000 oferuje więcej funkcji, w tym również przyszłościowych rozwiązań. Obsługuje on sieci typu TSN (krytyczne pod względem czasu). Przyszłe systemy przemysłowego Ethernetu oparte na standardzie TSN, w tym odpowiadające za kontrolę ruchu lub bezpieczeństwo, będą stawiały bardzo wysokie wymagania pod względem pracy w czasie rzeczywistym.

TSN jest zestawem standardów opisanych przez grupę roboczą IEEE 802.1, który będzie kompatybilny z istniejącymi standardowymi technologiami Ethernet. TSN jest w istocie pierwszym standardem IEEE definiującym routing danych w sieciach z przełącznikami Ethernet w kontrolowanym czasie. Deterministyczna komunikacja w czasie rzeczywistym w serii standardów IEEE 802 będzie mogła zostać zrealizowana przy użyciu wspólnej podstawy czasu i kolejkowania, generowanych dla kanału danych złożonego z kilku elementów sieci.

Poza przełącznikiem REM fido5000, ADI dostarcza również kompletne rozwiązanie oparte na fido5000 w postaci platformy RapID. Platforma RapID implementuje wszystkie popularne protokoły Ethernetu i może zostać łatwo zintegrowana w urządzeniu pracującym w terenie, które nie dysponuje jeszcze obsługą Ethernetu. Dzięki temu urządzenia takie będą mogły spełnić wymagania systemów 4. rewolucji przemysłowej. Oferowana implementacja popularnych protokołów Ethernet przeszła proces certyfikacji. Inną interesującą cechą platformy RapID jest dynamiczny, zintegrowany serwer sieciowy. Pozwala on użytkownikowi odczytywać i modyfikować parametry sieci, a także wysyłać i odbierać dane w bardzo prosty sposób.

Rys. 4. Platforma RapID oparta na układzie fido5000 jest dostępna w postaci zestawu ewaluacyjnego

Przełącznik fido5000 REM i platforma RapID spełniają obecnie wszystkie wymagania systemów krytycznych czasowo opartych na aktualnych standardach przemysłowego Ethernetu oraz przyszłych standardach TSN.