Przemysłowe Sieci Informatyczne

Transkrypt

1 Przemysłowe Sieci Informatyczne Ethernet przemysłowy Opracował dr inż. Jarosław Tarnawski

2 Plan wykładu Dlaczego istnieje zainteresowanie Ethernetem w PSI Wady i zalety Ethernetu w zastosowaniach PSI Postulat determinizmu czasowego w PSI a Ethernet Urządzenia realizujące przemysłowy Ethernet Protokoły oparte o fizyczną warstwę Ethernetu

3 Dlaczego istnieje zainteresowanie Ethernetem w PSI Szerokie pasmo (duże prędkości przesyłania danych) Niewielki koszt wdrożenia i utrzymania Łatwośd implementacji i obsługi Ogromna skalowalnośd Zgodnośd z sieciami na innych poziomach automatyki (brak koniczności konwersji sieci), pozbycie się problemu niekompatybilności sieci Niedostosowanie sieci polowych do nowych usług (np. strumienie danych)

4 Ethernet Powstawał w latach 60-tych XX wieku. Był projektowany w celu łączenia mocy naukowej amerykaoskich uniwersytetów Nie był projektowany i w swojej oryginalnej wersji nie uwzględnia potrzeb przemysłowych Powoduje to, że zastosowanie oryginalnego Ethernetu w przemyśle może prowadzid do niepowodzenia.

5 Wspólne łacze Mogę nadawad? Mogę nadawad? Mogę nadawad? Mogę nadawad? Pojawia się problem który komputer i kiedy może korzystad ze wspólnego łącza! Przekazywanie tokena w danym momencie tylko jeden komputer uprawniony jest do nadawania. Gdy wyczerpie swój czas dostępu do łącza token zostaje przekazany do innego komputera sieci.

6 Mechanizm CSMA/CD CSMA (ang. Carrier Sense with Multiple Access) czyli wykrywanie nośnej w przy wielodostępie (przy wspólnym medium transmisyjnym) Gdy żaden komputer nie nadaje nie ma w eterze sygnałów elektrycznych. Gdy komputer chce rozpocząd nadawanie sprawdza czy żadna inna maszyna nie nadaje i jeśli tak jest rozpoczyna nadawanie. Jeśli eter jest zajęty komputer czeka na jego zwolnienie.

7 CSMA/CD CD (ang. Collision Detect) detekcja kolizji Jeśli dwa lub więcej komputery rozpoczną nadawanie jednocześnie następuje nakładanie się sygnałów elektrycznych zwane kolizją. Po pojawieniu się kolizji komputery odczekują losowy czas (max czas d) i próbują ponownie nadawad. Jeśli ponownie nastąpi kolizja czas d jest podwajany i ponownie z nowego już zakresu (max 2d) losowany jest czas opóźnienia przed kolejnym nadawaniem. Mechanizm ten powoduje, że w koocu losowe czasy w komputerach, które dokonały kolizji będą się różniły i transmisja będzie możliwa.

8 CSMA/CD Metoda CSMA/CD to jeden z ważniejszych aspektów komunikacji sieciowej i właściwie niezmienna od początku Ethernetu. W sieci z CSMA/CD nie wystepuje centralny ośrodek kontroli, czy przydzielania czasu dla poszczególnych urządzeo sieciowych. Reperkusje dla automatyki niedeterministyczny czas dostępu do łącza brak spełnienia postulatu czasu rzeczywistego. Dlatego pojawia się w metodach dostępu tzw. arbitraż.

9 Wymagania wobec sieci przemysłowych Niezawodnośd podnoszona głównie z wykorzystaniem redundancji Praca w trudnych warunkach przemysłowych Determinizm czasowy Gdzie jest Ethernet wobec w/w wymagao?

10 Determinizm czasowy Wymagania twarde (dane krytyczne z punktu widzenia systemu) Alarmy, sygnały sterowania ruchem itd. Wymagania miękkie (dane niekrytyczne z punktu widzenia systemu ale mogące wpłynąd na jakośd pracy) Rozrzut opóźnieo (ang. jitter) nie powinien byd duży max ~kilka ms

11 Metody uprzemysłowiania ethernetu Dobór właściwej topologii sieci Wprowadzenie pełnego dupleksu w połączeniach Podwyższenie prędkości (szybsza transmisja, mniej czasu korzystania z łącza) Wprowadzając szybsze koncentratory i karty sieciowe, okablowanie wyższej klasy Zwielokratniając połączenia (ang. trunking) Uporządkowanie ruchu sieciowego (usunięcie zbędnego rozgłaszania, usunięcie zbędnych wiadomości, optymalizacja ruchu)

12 Metody uprzemysłowiania ethernetu Metody wprowadzające dodatkowe mechanizmy kontroli dostępu do łącza Przekazywanie tokena Master/slave TDMA (ang. Time Division Multiple Access - wielodostęp z podziałem czasowym) W technice TDMA tej kanał fizyczny podzielony jest w czasie na szczeliny czasowe. Użytkownikowi na potrzeby transmisji przydzielana jest pewna liczba szczelin czasowych

13 Metody uprzemysłowiania ethernetu Metody oparte o technikę Master/Slave Stacja nadzorcza MASTER Zapewnia kontrolę dostępu do zasobów sieciowych, przydzielanie uprawnieo do nadawania, koordynuje i zarządza całym ruchem sieciowym Stacja podrzędna SLAVE nie ma możliwości nadawania bez uzyskania żądania od stacji MASTER

14 Metody uprzemysłowiania ethernetu Węzeł MASTER inicjuje komunikację wysyłając żądanie transmisji REQ, stacje SLAVE odpowiadają albo bezpośrednio MASTEROWI REP1 albo przesyłają dane do innych urządzeo SLAVE REP2

15 Cechą wspólną rozwiązao MASTER/SLAVE jest korzystanie z modelu komunikacji przedstawionego na rys. w którym występuje separacja obsługi urządzeo czasu rzeczywistego od pozostałych. Podstawą jest Interfejs Komunikacyjny, który klasyfikuje i kolejkuje przychodzące z warstw wyższych komunikaty.

16 Nadawanie priorytetu w zakresie nadawania priorytetów w ruchu sieciowym implementuje się mechanizm QoS (ang. Quality of Service) w celu w podniesienia niezawodności dostarczania danych oraz zapewnienia minimalnego opóźnienia w transmisji danych podwyższonego znaczenia. Ruch sieciowy może byd kontrolowany za pomocą różnych metod w celu otrzymania funkcjonalności QoS. Metody te definiują różne typy ruchu sieciowego i określają jak każdy z tych typów ma byd traktowany przy przejściu przez przełącznik. Przełączniki mogą obsługiwad zarówno znaczniki CoS (ang. Class of Service) z drugiej warstwy modelu OSI zdefiniowane w normie IEEE 802.1p/1Q, jak i informacje TOS (ang. Type of Service) zdefiniowane w trzeciej warstwie modelu OSI, w celu jednolitej klasyfikacji w całej sieci. Mechanizm QoS w przełącznikach poprawia działanie i determinizm sieci przemysłowych dla krytycznych czasowo aplikacji.

17 Norma IEEE 802.1D Oznaczanie priorytetu ruchu sieciowego Poziomy usług sieciowych opisane są w normie IEEE802.1Q przez 4 bajtowy znacznik, który jest używany do przenoszenia oznakowania VLAN, a w IEEE802.1p jako informacja o priorytecie. Znacznik złożony z czterech bajtów występuje w ramce wiadomości, tuż po docelowym adresie MAC i źródłowym adresie MAC

18 standard 802.1D Standard nadawania priorytetów IEEE 802.1D z 1998 przypisuje znaczniki IEEE 802.1p z informacją o priorytecie (od 1 do 8) dla każdej ramki. To określa poziom usługi, którą dany ruch powinien otrzymad.

19 standard 802.1D Pomimo tego, że standard 802.1D jest najczęściej stosowany do nadawania priorytetów do ruchu sieciowego ma on pewne ograniczenia: Wymaga dodatkowego czterobajtowego znacznika w ramce, który normalnie jest opcjonalny w sieciach Ethernet, bez tego znacznika priorytezacja nie będzie działała, znacznik jest częścią nagłówka IEEE802.1Q, więc do implementacji QoS w warstwie 2, cała sied musi implementowad oznaczanie VLAN - IEEE802.1Q, jest on wyłącznie wspierany przez sieci LAN i nie jest rutwany przez WAN, ponieważ znaczniki IEEE802.1Q są usuwane z ramek, gdy pakiety dochodzą do ruterów.

20 Znacznikowanie Segmentacji/klasyfikowania usług (DiffServ) DiffServ jest znacznikowaniem w warstwie trzeciej modelu OSI, która wykorzystuje DSCP (ang. DiffServ Code Point) pole w nagłówku IP, aby zawrzed informację o priorytecie pakietu. DSCP jest zaawansowaną, inteligentną metodą znakowania ruchu sieciowego ponieważ można wybrad jak sied ma obsługiwad priorytety różnego typu ruchu sieciowego. DSCP wykorzystuje 64 wartości, które odpowiadają zdefiniowanym przez użytkownika poziomom usług, umożliwiając większą kontrolę nad ruchem całej sieci. Zalety DiffServ nad IEEE802.1D to: możliwośd konfiguracji jak przełączniki mają traktowad wybrane aplikacje i typ ruchu sieciowego przez przypisanie im różnych wag ważności usług sieciowych, nie potrzeba żadnych dodatkowych znaczników w pakiecie, DSCP wykorzystuje nagłówek IP pakietu i z tego powodu informacja o priorytetach jest przekazywana przez cały Internet.

21

22 protokoły oparte na fizycznej warstwie ethernetu Modbus/TCP - wspierany przez Modbus-IDA. Jest to dobrze znany Modbus w sieci TCP/IP, oparty na architekturze master/slave lub client/server. EtherNet/IP - wspierany przez ODVA i ControlNet. Używa Common Interface Protocol (CIP), który jest wspólny dla sieci Ethernet/IP, ControlNet i DeviceNet. W sieci Ethernet/IP, wymiana danych krytycznych czasowo oparta jest na modelu producer/consumer. Największą zaletą tego modelu jest większa efektywnośd wykorzystania pasma. Dane konfiguracyjne, diagnostyczne i I/O przesyłane są przez standardowy ethernet.

23 protokoły oparte na fizycznej warstwie ethernetu Ethernet Powerlink - wspierany przez EPSG. Ethernet Powerlink składa się z podsieci (domen) czasu rzeczywistego. Aby uniknąd kolizji, mechanizm CSMA/CD jest wyłączony. Dostęp do sieci jest podzielony na cykliczne szczeliny czasowe, przydzielane każdemu punktowi sieci przez stację zarządzającą. Profinet - wspierany przez PRPFIBUS International. Profinet pozwala na integrację w jednej sieci prostych urządzeo polowych oraz aplikacji krytycznych czasowo. Komunikacja ma trzy poziomy wydajności: TCP, UDP i IP dla danych niekrytycznych czasowo, Soft Real Time (SRT) dla danych krytycznych czasowo, izochroniczny tryb Real Time (IRT) do wyjątkowo wymagających zastosowao. Jako elementy aktywne wykorzystywane są switche.

24 protokoły oparte na fizycznej warstwie ethernetu EtherCAT - wspierany przez EtherCAT Technology Group. Protokół wykorzystuje ramki ethernet. Interpretacja danych odbywa się "w locie", w pełni sprzętowo. EtherCAT osiąga 1000 I/O binarnych w 30µs. Sercos III - wspierany przez SERCOS International e. V. Protokół wykorzystywany do wymiany informacji między sterownikami i napędami. Podobny do EtherCAT ale poddany większym restrykcjom.

25 Przełączniki przemysłowe Moxa Montaż na listwie Obudowa przemysłowa Kable miedziane i światłowody Praca w szerokim zakresie temperatur Szerokie możliwości konfiguracji, zabezpieczeo, sterowania ruchem sieciowym EDS508

26 Cechy MOXA 508 praca w temperaturze w zakresie -40 do 75 st. C, podwójne (redundantne) zasilanie DC 12-48V, przemysłowa obudowa metalowa, możliwośd instalacji na szynie DIN, transmisja na długie dystanse (40km, 80km), medium transmisji: kable miedziane i światłowody, obsługę zagrożeo przez wysyłanie listów elektronicznych i/lub wbudowane wyjście przekaźnikowe, obsługa wejśd dyskretnych w celu zintegrowania rozwiązao sieciowych z czujnikami alarmowymi.

27 Możliwości MOXA508 budowę topologii pierścienia z redundancją połączeo oraz mechanizmem autoodbudowy w czasie krótszym niż 300ms przy pełnym obciążeniu, wspieranie technologii QoS (ang. Quality of Service) w celu zwiększania determinizmu czasowego realizację VLAN (ang. Virtual Network) - sieci wirtualnych, łączenie kanałów komunikacyjnych w celu zwiększania prędkości transmisji, filtrowanie i nadawanie priorytetów pakietom w celu zapobiegania zatykaniu sieci i implementacji protokołów przemysłowego Ethetrnetu, obsługę wyłącznie autoryzowanych urządzeo przez nr MAC,

28

29

30

31

32

33

34

35

36 Zarządzanie i kofiguracja Łatwe zarządzanie za pomocą: terminala szeregowego telnetu przeglądarki internetowej

37 Bibliografia Ethernet sieci, mechanizmy, Krzysztof Nowicki, Infotech, 2006 Dokumentacja switchów Moxa 508: EDS-508 Series User s Manual, 2005, Moxa Networking Co., Ltd. EDS-508 Hardware Installation, 2005, Moxa Networking Co., Ltd.