Главная Пресс-центр Статьи и публикации Ethernet на пути из офиса к промышленному предприятию, Мир Компьютерной Автоматизации: ВКС, 2001/2

Ethernet на пути из офиса к промышленному предприятию, Мир Компьютерной Автоматизации: ВКС, 2001/2

А.Н Любашин, ЗАО РТСофт

Данная статья посвящена техническим аспектам широко обсуждаемой в последнее время технологии Industrial Ethernet промышленной разновидности всем известной шинной среды передачи данных, применяемой в офисных локальных вычислительных сетях. Рассматриваются такие темы, как использование на физическом уровне радио-Ethernet, возможность использования протокола SNMP в задачах автоматизации и обобщенные предложения для реализации прикладного (7-го) уровня OSI-модели для Industrial Ethernet.

За последний год заметно выросло общее число публикаций на тему архитектуры Ethernet промышленного применения Industrial Ethernet (IE). Это объяснимо, если согласиться с тем, что:

IE сегодня это универсальное средство организации промышленного коммуникационного интерфейса, активно поддерживаемое рядом ведущих производителей контроллерного оборудования (Siemens, Schneider и др.);
IE, благодаря своей массовости, может обеспечить невысокую цену в расчете на подключаемый узел;
IE предлагает практически неограниченные возможности для организации топологии и числа подключаемых устройств;
IE ассоциируется с технологией Internet и со всеми сервисами, предоставляемыми данной технологией;
IE это сочетание достоинств Ethernet/Internet в промышленном исполнении.

Совершенно очевидно, что перечень достоинств неполный. Вместе с тем, сегодняшнее состояние дел таково, что IE смотрит на нас в основном с глянцевых страниц специализированной прессы, в виде рекламных статей и объявлений. Мало кто в нашей стране может похвастаться применениями в этой области.

Поэтому сегодня необходим спокойный взгляд на новое явление, которым, без сомнения, является Industrial Ethernet. Эту технологию можно рассматривать с нескольких точек зрения. Настоящая статья посвящена одной из них технической.

Уже не раз говорилось и писалось о том, что IE это, скорее, общее понятие, чем устоявшаяся, стандартная технология. Действительно, нет на сегодня единого решения для IE: используются различные физические среды передачи, транспортные и прикладные протоколы. Даже само понятие Industrial Ethernet трактуется подчас по-разному. И это хорошо. Только через многообразие предложений возможно формирование устойчивого решения для IE.

Основные темы данного материала использование радио-Ethernet на физическом уровне, возможность применения протокола SNMP в задачах автоматизации и обобщенные предложения для реализации прикладного,7-го уровня OSI-модели для Industrial Ethernet. Безусловно, каждая из этих тем может служить основой отдельных публикаций и исследований, что планируется делать на страницах МКА. Данный материал направлен на первое знакомство с этими новыми технологиями в области Ethernet/IndustrialEthernet.

Беспроводный Ethernet

Известно, что для объединения компонентов системы автоматизации всегда требовалось значительное кабельное хозяйство. Подчас затраты на прокладку кабелей, даже в условиях магистральных коммуникаций, могут превышать затраты на всю остальную технику. Теперь у этой проблемы есть решение: беспроводный Ethernet, объединивший в себе все достоинства обычного, кабельного Ethernet, но без необходимости использования каких-либо кабелей.

Подавляющее большинство устройств для беспроводного, или радио-Ethernet работает на основе технологий рассеяния по частоте в диапазоне 2,4 ГГц, используемого практически всеми радиоустройствами Ethernet. Кроме того, для работы в этом диапазоне не требуется получения разрешения ни в одной стране мира.

Рассеяние по частоте означает, что информационный сигнал передается на нескольких частотах диапазона. Благодаря такому подходу помеха на какой-либо частоте не приводит к блокированию всего сигнала. В настоящее время используется две технологии рассеяния по частоте: прямое преобразование (ПП) и перескок частоты (ПЧ).

В первом случае рассеяние сигнала получается в результате перемножения потока данных и псевдослучайного шумового сигнала с частотой, превышающей частоту потока данных. В результате сигнал рассеивается по диапазону, равному частоте псевдослучайного шумового сигнала. Отношение рассеянного сигнала к нерассеянному называется коэффициентом усиления. Это число выражается в децибелах и отражает степень допустимого ухудшения качества сигнала без потери информативности. В последних системах, соответствующих стандарту 802.11b (802.11 это стандарт беспроводного Ethernet; 802.3 это стандарт на кабельный Ethernet), сигнал рассеивается по диапазону шириной 22 МГц. Благодаря применению сложных методов модуляции сигнала коэффициент усиления в них может достигать 10 децибел.

Второй метод (метод ПЧ) представляет собой передачу информационного сигнала с постоянно меняющейся несущей частотой. Небольшой пакет данных сначала передается на одной частоте, затем несущая частота меняется, и следующий пакет передается уже на новой частоте. Перескок с частоты на частоту в псевдослучайном порядке существенно повышает степень защиты системы от глушения и замирания радиосигнала.

Для выбора технологии, наилучшей с прикладной точки зрения, необходимо знать и учитывать факторы, влияющие на качество радиопередач. Для систем, применяемых внутри зданий и производственных помещений, такими факторами являются следующие:

многолучевое затухание результат прихода сигнала в точку приема с разных сторон, но с разными фазами. В результате компенсации фаз происходит затухание, или снижение мощности принимаемого сигнала:

помехи, возникающие в том случае, когда на частоте полезного сигнала появляется сигнал другого источника радиоволн с мощностью, превышающей мощность полезного сигнала. В диапазоне 2,4 ГГц источниками помех могут быть, например, микроволновые печи, сварочное оборудование и т.д.;

чувствительность приемных устройств, которая определяется как минимальная мощность, достаточная для приема сигналов с заданной нормой ошибок приема. Таким образом, приемники с лучшей чувствительностью могут использоваться на большем удалении. Еще один немаловажный момент: чем выше скорость передачи данных по радиоканалу, тем хуже чувствительность приема. В стандартах радиопередач потоков данных с разными скоростями (типа 802.11b) для каждой скорости определяется своя чувствительность. Так, для 11 Мбит/с чувствительность может быть всего 76 дБм, в то время как для 1 Мбит/с она может составлять 88 дБм;

Важно помнить, что если в случае помехи приходится повторять радиопередачу, то в случае многолучевого затухания уменьшать дальность передачи. На тему, какой из методов лучше, споры продолжаются до сих пор, но опыт показывает, что в производственном окружении ПЧ-метод предпочтительнее ПП-метода.

Обобщенный алгоритм организации системы на основе беспроводного Ethernet можно описать тремя основными этапами.

1. Определение объема, скорости и величины допустимой задержки передачи данных. Первые две величины дают требования к пропускной способности; задержка позволит определить объем информации, передаваемой за один раз. Пропускная способность и задержка взаимосвязаны. Независимо от степени устойчивости и надежности радиоканала всегда будут существовать моменты, когда посылка окажется неудачной и потребуется повторная передача. Повторная передача выполняется автоматически и сети не видна, хотя и вносит дополнительную задержку. Так что, хотя более продолжительные передачи данных и позволяют получать более высокую пропускную способность, в случаях повторных передач задержки тоже становятся более длительными. В некоторых системах величина задержки фиксирована. В других она может меняться путем подбора скорости перехода радиоустройства с одной частоты на другую.

2. Выбор типа устройств. Необходимо помнить, что чем выше пропускная способность, тем более высокой должна быть скорость передачи данных по радио, что приводит к ухудшению чувствительности приемника, уменьшению дальности приема и, как следствие, удорожанию всей системы. Так что требования к пропускной способности желательно не завышать. Особое внимание необходимо уделять применению устройств, соответствующих стандарту IEEE802.11b с различными скоростями передачи сигналов. Хотя они с максимальной скоростью передачи по радио в 11 Мбит/с и могут обеспечить пропускную способность в 7 Мбит/с, при ухудшении мощности или качества принимаемого сигнала они автоматически понижают скорость передачи. Кроме того, на разных скоростях передачи дальность действия тоже будет разная.

3. Определение топологии беспроводной Ethernet-сети. Решение, будет ли сеть с каналами типа один ко многим, несколькими двухточечными каналами или их комбинацией, зависит от числа удаленных устройств, подключаемых по радиоканалу.

Принятое решение будет влиять на требуемую для каждого устройства пропускную способность. Если сеть состоит из нескольких каналов, то каждый из них может иметь меньшую пропускную способность. Если эти радиоканалы будут использоваться в ограниченном географическом районе, то необходимо дополнительно предусматривать возможность работы одного радиоустройства в присутствии другого.

Ethernet все более и более проникает в производственную среду. Применение радиоустройств Ethernet позволяет полностью отказаться от кабелей, сохранив при этом все достоинства обычного Ethernet. При наличии определенных знаний в области радиосвязи и соблюдении принципов проектирования радиосетей, беспроводная Ethernet-сеть может стать надежным и устойчивым средством связи даже в самых помехонасыщенных производственных условиях.

Протокол SNMP в системах автоматизации

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol простой протокол управления сетью) традиционно использовался, как средство администрирования Ethernet-сетей. Однако в сегодняшней ситуации, когда Ethernet все активнее проникает на производственный уровень, SNMP может выступать в качестве средства, инструмента доступа к промышленным устройствам и данным в режиме реального времени.

В большинстве современных программируемых логических контроллеров (ПЛК) есть регистры состояния, через которые возможно контролировать работоспособность этих контроллеров. Точно так же и протокол SNMP предоставляет сведения о текущем состоянии устройств Ethernet-сети. Применение системы управления сетями на базе протокола SNMP позволяет обеспечивать ту степень надежности управляющих Ethernet-систем, которая от них ожидается.

Основное назначение протокола SNMP предоставление удаленного доступа к устройствам в составе сети Ethernet. Этот протокол был разработан в 80-х годах прошлого столетия как средство контроля и управления быстроразвивающимися Ethernet-системами, работающими по протоколу TCP/IP. До его появления для получения информации о состоянии какого-либо устройства управляющая станция должна была быть физически к нему подключена в режиме точка-точка.

Хотя подобных протоколов было несколько, только SNMP стал стандартом де-факто. В определенном отношении управляемые сетевые устройства аналогичны программируемым контроллерам. Вся диагностическая и оперативная информация собирается программой-агентом SNMP, исполняющейся в микропроцессоре сетевого устройства. Собранные сведения хранятся в памяти устройства, будто в регистрах ПЛК, и становятся доступными после обращения к агенту из удаленного компьютера по протоколу SNMP.

Собранные в устройстве сведения называются базой управляющей информации (MIB, Management Information Base). Существует два типа MIB-баз: общесистемные (public) и специфические (private). Общесистемные базы хранят информацию, характерную для большинства устройств сети, специфические уникальную именно для данного устройства.

Однако SNMP может обеспечить не только мониторинг системных, сетевых данных. Он позволяет также выполнять определенные действия в удаленном устройстве: разрешение работы порта, установка коммуникационных параметров порта и т.п.

Что нужно для реализации SNMP-управления в Ethernet-сети?

Во-первых, необходимо использовать сети на базе протокола TCP/IP. В настоящее время TCP/IP лежит в основе почти всех современных управляющих Ethernet-протоколов, так что этому требованию удовлетворяют почти все сети.

Во-вторых, сетевые устройства должны быть управляемыми. Для работы сетевого концентратора или коммутатора совершенно не обязательно иметь встроенный агент управления. Неуправляемые сетевые устройства обычно не имеют в своем составе процессора, в котором должна исполняться программа SNMP-агента. Многие производители предлагают, как правило, две версии своих сетевых устройств: неуправляемые и управляемые. Так, все производители источников бесперебойного питания (ИБП), серверов последовательных устройств и прочего оборудования реализуют в своей продукции поддержку SNMP. Например, весьма полезно знать, когда ИБП удаленной системы переключается на питание от аккумуляторов.

В-третьих, необходимо применять программные средства управления сетями. Большинство имеющихся в продаже пакетов управления рассчитано на администраторов офисных сетей. Реализация средств управления в промышленной системе обычно сопровождается выделением для них специальной станции, поскольку разработчики автоматизированных систем, как правило, отрицательно относятся к тому, чтобы в их машинах наряду с диспетчерскими SCADA-системами и программным обеспечением, реализующим человеко-машинный интерфейс, исполнялись какие-либо другие программы. К сожалению, подобный подход приводит к появлению систем с двойными управляющими станциями: одна используется для контроля и управления сетью, а другая для контроля оперативных параметров ПЛК и управляющих систем.

В появившуюся недавно гибридную систему управления сетями IndustrialSNMP Suite (разработка компании INS) были включены и традиционные SNMP-средства, благодаря которым администраторы сети получают возможность читать и записывать данные в удаленное управляемое сетевое устройство. Кроме того, было разработано и другое мощное средство управления на базе известной технологии Microsoft OPC Server, обеспечивающее контроль и управление как контроллерами, так и подключенными к ним управляемыми сетевыми устройствами из среды конкретного АРМ-оператора, из SCADA-системы. Элементы MIB-базы SNMP-протокола при этом определяются как переменные SCADA-системы и могут храниться в общей базе данных наряду с другими получаемыми управляющей системой величинами. Подобное объединение сетевой и объектной оперативной информации позволяет при анализе исключительных системных ситуаций учитывать не только параметры самой системы управления, но и параметры сети.

В IndustrialSNMP уже есть несколько определенных баз параметров, соответствующих некоторым наиболее широко распространенным управляемым сетевым устройствам. Их применение позволяет разработчикам автоматизированных систем управления экономить время, затрачиваемое ранее на поиск подходящих переменных MIB. Хотя IndustrialSNMP и позволяет обращаться к любым элементам MIB-базы, в предопределенные наборы были включены те, которые представляют наибольший интерес для операторов систем управления (АРМ). В состав сведений, характеризующих каждое сетевое устройство, входят такие данные, как состояние порта связи, пропускная способность порта, состояние источника питания, а также количество передаваемой портом информации. Теперь это особенно важно) наличие двух управляющий станций совершенно необязательно (рис.1). Контроль состояния сети может осуществляться с применением всех средств, входящих в состав современной SCADA-системы: мощного регистратора данных, средств выявления закономерностей, графического пользовательского интерфейса и т.д. Все недостатки и издержки, свойственные традиционному двухстанционному подходу, теперь отсутствуют.

Рис.1 Интегрированный драйвер IndustrialSNMP для HMI-станции


Чтение и использование SNMP-данных следующий логический шаг на пути распространения Ethernet в область современных средств управления производственными процессами. Способность сохранять работоспособность и высокие рабочие характеристики сети в любой момент времени еще более усиливают позиции Ethernet как коммуникационной магистрали управляющих систем будущего.

Куда идешь, уровень 7?

Для того чтобы Ethernet и протокол TCP/IP окончательно получили прописку в промышленном мире, необходимо сделать один важный шаг разработать стандартный протокол для передачи оперативных данных (Прикладной, 7-ой уровень модели OSI).

Над созданием прикладных протоколов для Industrial Ethernet работает в настоящий момент множество организаций. Однако решения очень разные и между собой несовместимые: Ethernet/IP, PROFINet, IDA, Foundation Fieldbus HSE, Modbus-TCP/IP, Interbus-TCP/IP и др.

Недавно Ассоциация IAONA (Industrial Automation Open Network Alliance) совместно с разработчиком Ethernet/IP Ассоциацией ODVA (Open Devicenet Vendor Assosiation) и разработчиком технологии IDA (Interface for Distributed Automation) группой IDA заключили стратегическое соглашение о дальнейшем совместном распространении коммуникационных технологий на базе Ethernet-TCP/IP. Стороны подтвердили, что, хотя они и занимаются разработками различных коммуникационных протоколов передачи данных в реальном времени, дальнейшие действия по расширению своих решений будут осуществляться ими согласованно. Наличие единых спецификаций обеспечит создание совместимых технологий связи, разработку единых спецификаций на сетевые компоненты, а также процедур по установке и кабельной проводке.

Несмотря на различие в подходах к реализации Уровня 7, все обозначенные концепции опираются на одну базу в виде специфицированного физического уровня передачи данных (Уровень 1), метода доступа к шине (CSMA/CD, Уровень 2), Internet-протокола (IP, Уровень 3), протоколов TCP и UDP (Уровень 4), а также протокола передачи гипертекста (http), протокола передачи файлов (FTP) и протокола управления сетью (SNMP). Все они используются в области информационных технологий достаточно давно и будут внедряться в неизменном виде, т.е. как они существуют сегодня.

Отличия кроются в реализации прикладных протоколов Уровня 7 для обмена оперативными данными, в объектных моделях и принципах системотехники. Все подходы, или решения можно условно разделить на следующие 3 группы:

технология инкапсуляции;
шлюзы и прокси-серверы;

IDA-система.

Инкапсуляция. Термин инкапсуляция означает упаковку или встраивание кадра данных в контейнер TCP или UDP. В качестве примера подобного подхода можно привести протокол Ethernet/IP (совместная разработка Rockwell Automation и ODVA), технологию HSE (High Speed Ethernet) от Fieldbus Foundation и Modbus-TCP/IP компании Schneider Electric. Во всех них данные, предназначенные для передачи по Ethernet, перед отправкой встраиваются в кадры TCP/UDP как пользовательские данные. Преимущество этого подхода состоит в том, что завершение спецификаций не требует длительной доработки. Первые серийные устройства уже производятся и используются. Кроме того, становится проще обеспечить совместимость сверху вниз с протоколами промышленных сетей (fieldbus). В своем нынешнем виде Ethernet может предстать как новая технология передачи данных, которая может использоваться либо вместо существующих промышленных сетей, либо вместе с ними.

Недостаток инкапсуляции заключается в чрезвычайно низкой результирующей эффективности протокола. Размеры Ethernet-заголовков существенно превышают длину пользовательских данных, что приводит к значительным накладным расходам. Инкапсуляция более подходит для передач данных большими блоками (например, транспортировка программ), а не отдельными словами (данных ввода/вывода).

Интересную идею предложила Ассоциация Interbus Club. Вместо встраивания Interbus-телеграммы в TCP/IP-контейнер, TCP/IP-кадры вставляются в канал параметров протокола Interbus. При этом передача Interbus-данных остаётся неизменной. Поскольку размерность канала параметров Interbus невелика (всего несколько слов), каждый TCP/IP-кадр приходится дробить на множество маленьких пакетов, которые в приемнике собираются в исходную посылку.

Таким образом, для передачи одного TCP/IP-пакета требуется несколько циклов Interbus, и при стандартной скорости передачи 500 Кбит/с максимальная производительность этого метода приблизительно равна производительности модема с пропускной способностью 14,4 Кбит/с. При переходе на новую сеть Interbus с пропускной способностью 2 Мбит/с эффективность канала приблизится к стандартным ISDN-каналам.

Шлюзы и прокси-серверы. В этом подходе основной задачей является объединение нескольких сегментов стандартных промышленных шин в сегменты Industrial Ethernet. Эта цель достигается через организацию шлюзов или прокси-серверов, благодаря чему существующие устройства автоматики могут использоваться еще долгое время и в будущем. Недостатком метода является неоднородность сетей со сложными системными конфигурациями и невысокие характеристики режима реального времени.

Рис. 2 С помощью PROFINet обычный канал PROFIBUS взаимодействует с каналом Ethernet через шлюз (прокси)


Одним из примеров реализации этого подхода является PROFINet (рис.2), разработанный Ассоциацией пользователей аппаратуры подключаемой к промышленной сети PROFIBUS (PNO). Здесь обычная сеть PROFIBUS подключается к Ethernet-сети через прокси-сервер. Доступ по Ethernet TCP/IP к PROFIBUS-устройствам осуществляется под контролем прокси-сервера при помощи механизма удаленного вызова процедур и DCOM-модели Microsoft.

IDA-система. В концепции IDA (Interface for Distributed Automation Интерфейс распределенных систем автоматизации) реализован совершенно другой подход. Интерфейс IDA опирается на коммуникационную систему реального времени NDDS, разработанную калифорнийской компанией RTI для уровней 4 7 (рис.3). Система NDDS, в основе которой лежит модель подписки/публикации, предоставляет широкий выбор мощных прикладных функций (RTPS-сервис).

Рис. 3 IDA это не только отсутствующий 7-ой уровень Industrial Ethernet. Он обладает большими возможностями и даже определяет стандартный интерфейс программирования прикладных программ (API)


Идея состоит в том, что приложения публикуют в сети информацию в широковещательные и групповые каналы и подписываются на данные, которые им необходимы. Весь обмен данными происходит анонимно, поскольку ни издатель, ни подписчик не обязаны знать, кому какие данные потребуются.

Коммуникационная система NDDS была настроена на обмен данными в масштабе реального времени благодаря использованию Ethernet TCP/UDP/IP и уже довольно долгое время продается как коммерческий продукт для различных операционных систем.

Еще одна чрезвычайно важная характеристика IDA-инерфейса это управление устройствами средствами Web. Каждому устройству системы автоматизации ставится в соответствие Web-страница с указанием его конфигурации, оперативных параметров и диагностических данных. Доступ к странице осуществляется при помощи стандартного Internet-браузера. Описание устройств средствами языка XML существенно упрощает конфигурирование системы и обеспечивает взаимозаменяемость устройств. Интерфейс IDA это не только отсутствующий в Industrial Ethernet Уровень 7. В технологии IDA определено гораздо большее все коммуникационные уровни от четвертого до прикладного. Кроме этого, разработан стандартный программный интерфейс (API).

Заключение

Что ждет мир автоматизации от промышленных коммуникаций? Это, безусловно, должны быть испытанные, основанные на стандартах технологии. Они должны быть однородными, безопасными, интегрированными с системами автоматизации офисной деятельности. Кроме этого, они должны быть оптимизированы по стоимости, гарантируя при этом высокую надежность и эксплуатационную готовность. Для работы приложений, критичных к потокам информации, поступающей с нижнего уровня, следующее поколение промышленных сетей должно обеспечивать множество сервисных уровней.

Ситуация на данный момент такова, что Industrial Ethernet это во многом еще нагромождение требующих решения вопросов, таких как организация физического уровня, стандартизация протокола прикладного уровня, отсутствие понятия объектов, применимость в промышленных условиях, безопасность и защита оперативных данных в случае использования открытых протоколов, совместимость устройств различных производителей и т.д.

Ряд этих вопросов успешно решается отдельными компаниями для отдельного множества контроллерного оборудования (Siemens, Schneider Electric, Festo и др.).

Все это свидетельствует о том, что существующие промышленные шины будут по-прежнему использоваться и в будущем. Более того, появление единого стандарта механизмов обмена данными через Industrial Ethernet в режиме реального времени вряд ли вероятно. Деятельность ассоциаций типа IAONA, IDA по разработке единых стандартов имеет огромное значение, поскольку она позволяют устранить различие между разрабатываемыми промышленными сетевыми системами на базе Ethernet. Благодаря этим усилиям Ethernet имеет реальную возможность превратится в новую мощную коммуникационную систему, ориентированную на будущие системы автоматизации и способную осуществить трансформацию от традиционного Ethernet через Industrial Ethernet к Transparent Factory.

Источник: материалы журнала The Industrial Ethernet Book

Тел. (095) 742-68-28, e-mail: lubashin@rtsoft.msk.ru

21.04.2014