Индустриальный и синхронный протоколы Ethernet


PDF версия

В статье дан обзор основных промышленных разновидностей Ethernet, и предлагаются варианты их реализации на матрицах FPGA. Большое внимание уделяется вопросу синхронизации узлов сети.

Промышленный стандарт Ethernet (Industrial Ethernet) определяет два вида сети: SRT (Soft-Real-Time — сеть мягкого реального времени) и IRT (Isochronous Real-Time — сеть изохронного реального времени). Сети SRT не очень требовательны к быстродействию и применяются, например, на складах для учета товаров. В этом случае допускаются задержки до нескольких минут в обработке события, а в сетях IRT счет идет на миллисекунды. Сети IRT используются на тех производственных участках, которые наиболее чувствительны к задержкам и нарушениям в очередности пакетов.
В отличие от других промышленных сетевых интерфейсов (Profibus, DeviceNet или CANopen), Ethernet обладает более высоким быстродействием, а также поддерживает одновременную работу с большим количеством узлов. Например, длительность цикла в шине CAN с 3—7 узлами составляет 2—4 мс, а Ethernet с такой же скоростью работает с 30—100 абонентами.
Сеть Ethernet сама по себе является недетерминированной, то есть не гарантирует время доступа для каждого узла. В связи с этим при проектировании необходимо проверять, обеспечивается ли время доступа в пределах 1 мс. Если нет, то выгоднее использовать более дешевые промышленные шинные сети.

Стандарты промышленной Ethernet

Применение Ethernet для автоматизации в промышленности обеспечивает «бесшовное» соединение всех стадий производства и контроля. Кроме того, она оказывается более дешевой и быстродействующей средой по сравнению со многими промышленными шинными сетями. Однако классический вариант Ethernet требует доработки и подстройки под промышленные протоколы. В настоящее время разработаны десятки протоколов для промышленной Ethernet. Наиболее распространёнными среди них являются EtherNet/IP, Profinet IO и MODbus TCP (для сетей SRT) и Ethernet Powerlink, SERCOS III, EtherCAT и Profinet IRT для IRT (см. табл. 1).

Таблица 1. Сравнение основных протоколов Industrial Ethernet

Протокол
Вид сети
FPGA
Длительность цикла
EtherNet/IP

SRT

Контроллер MAC + стек протоколов на NIOS

> 10 мс

PROFINET IO
Modbus/TCP
ETHERNET Powerlink

IRT

Контроллер MAC со стеком протоколов обработки пакетов на NIOS

< 500 мкс

SERCOS III Шинные IP-протоколы

31,5 мкс

EtherCAT Шинные IP-протоколы

< 50 мкс

PROFINET IRT Контроллер MAC + стек протоколов на NIOS

< 1 мс

Протокол Ethernet/IP (Industrial Ethernet Protocol) разработан на основе CIP (Common Interface Protocol) — протокола, по которому осуществляется объединение отдельных компонентов в единый модуль. Протокол EtherNet/IP обеспечивает передачу критичных ко времени доставки данных между управляющим устройством и устройствами ввода-вывода, а также обмен в сети Internet. Некритичные ко времени данные пересылаются через стек TCP, а доставка критичных ко времени данных осуществляется через стек UDP.
Протокол Profinet IO предназначен для обмена с периферийными устройствами и создания модульных распределённых систем ввода-вывода, в которых пользователь сам задаёт способ и параметры каскадирования блоков. Некритичные ко времени данные передаются по протоколу TCP/IP, а критичные — по протоколу IRT для обеспечения обмена в режиме реального времени. Для оптимизации связи всем пакетам присваиваются приоритеты согласно IEEE 802.1p. Данные, пересылаемые в реальном масштабе времени, должны иметь высший приоритет. Протокол Profinet IO используется в основном в системах управления перемещением с применением специальных коммутаторов Ethernet/Profinet Irt.
Протокол Modbus-TCP представляет собой реализацию сети Modbus на основе Ethernet-TCP/IP. Сети Modbus используются для связи промышленных электронных устройств. При пересылке данных кадр Modbus вставляется в кадр Ethernet. Проверка контрольной суммы при получении пакета не производится. Modbus-TCP характеризуется повышенной скоростью передачи данных, имеет более широкое адресное пространство и возможность обмена через Internet.
Ethernet Powerlink (EPL) является расширением Ethernet IEEE802.3 и обеспечивает возможность передачи данных в масштабе реального времени в микросекундном диапазоне. EPL гарантирует передачу критичных по времени данных и обеспечивает синхронизацию всех сетевых узлов в субмикросекундном диапазоне. Передача менее критичных по времени данных происходит в резервном асинхронном канале. Для передачи критичных по времени данных используется дополнительный стек Powerlink. Обмен осуществляется с помощью технологии SCNM (Slot Communication Network Management), которая для каждой станции в сети определяет приоритет и временной интервал для передачи данных. В каждый временной интервал только одна станция имеет полный доступ к сети, что позволяет избавиться от коллизий и обеспечить детерминированность в работе. В дополнение к этим индивидуальным интервалам времени для изохронной передачи данных SCNM обеспечивает общие интервалы времени для асинхронной передачи данных.
Стандарт SERCOS-III представляет собой адаптацию протокола SERCOS под сеть Ethernet. SERCOS (SErial Real-Time COmmunication System) — цифровой последовательный интерфейс с разделением по времени, предназначенный для использования в системах контроля движения. В отличие от рассмотренных интерфейсов с топологией, полевая шина SERCOS является разветвлённой линейной сетью, обеспечивая не только контроль устройств нижнего уровня (датчиков, стартеров и инверторов), но и связь с устройствами ввода-вывода. Некритичные ко времени данные, как и в предыдущих случаях, передаются по протоколу TCP/IP. Для передачи критичных ко времени данных в протоколе SERCOS-III используется тот же механизм обеспечения работы в масштабе реального времени, что и в SERCOS.
Топология SERCOS-III имеет две разновидности: двойное кольцо и шина. В первом случае сеть характеризуется повышенной надёжностью и стойкостью к обрыву линии, а во втором — минимальной длиной кабеля.
Протокол EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) предназначен для контроля технологического процесса. Инициатор обмена — мастер шины EtherCAT. Он посылает по сети один пакет, который поочередно обходит все устройства. При этом каждый абонент прочитывает его и вносит свои данные технологического процесса. Таким образом, за счёт циркулирования только одного общего пакета значительно снижается нагрузка сети и задержка, вносимая каждым узлом, поскольку в случае обмена индивидуальными пакетами абонент затрачивает больше времени на приём, проверку, обработку и отправку данных. Сеть EtherCAT может иметь любую топологию, однако принцип работы у неё всегда кольцевой за счёт дуплексного обмена.

Аппаратная реализация

Современные FPGA — не просто набор программируемых логических ячеек. Используя поставляемое ПО, пользователь может создавать полнофункциональные микроконтроллеры (МК) с расширяемой архитектурой и развитую сеть быстродействующих периферийных устройств на одной FPGA.
Матрицы FPGA поддерживают сразу несколько промышленных стандартов. Их удобнее использовать для построения сети класса IRT, поскольку в стандартных МК не предусмотрена поддержка специализированных алгоритмов IRT.
Для автоматизации производства достаточно использовать одну матрицу. Это экономичное, эффективное и гибкое решение.

Реализация протоколов класса SRT

Протоколы адаптера EtherNet/IP и устройств ввода-вывода ProfiNet могут быть полностью выполнены на расположенном на матрице процессоре Nios II (см. рис. 1). Как мы уже говорили, обмен осуществляется по стандартным протоколам TCP и UDP IP. Для оптимального функционирования информационные данные коммутируются напрямую через стек Profinet или Ethernet/IP с помощью контроллера Ethernet, а служебные и конфигурационные данные проходят через общий стек.

Рис. 1. Аппаратная реализация стандартов класса SRT
Реализация протоколов класса IRT

На рисунке 2 показана функциональная структура FPGA для интерфейса Powerlink. Главное преимущество данного подхода заключается в том, что центральный процессор изолирован от процессов, выполняемых в режиме реального времени. Обмен с медленными устройствами может осуществляться только на матрице, без участия ЦП. В случае быстрого обмена данные проходят в ЦП через стек, расположенный на FPGA.

Рис. 2. Аппаратная реализация интерфейса Powerlink

Протоколы SERCOS III и EtherCAT предъявляют более строгие требования по работе в реальном масштабе времени. Для их реализации (см. рис. 3) требуются специализированные МАС-адреса Ethernet. Они хранятся в ячейках FPGA в виде списка маршрутизируемых соединений.

Рис. 3. Аппаратная реализация интерфейса EtherCAT
Синхронизация сети

Для работы в реальном масштабе времени необходимо, чтобы все часы шли синхронно и показывали одинаковое время. При обмене данными приёмник и передатчик в сети Ethernet уже синхронизованы между собой, однако не синхронизованы с остальной сетью. Расхождение в тактировании может привести либо к потере данных, либо к их дублированию.
Один из способов тактирования сети основан на замене независимых генераторов, которыми снабжены все узлы сети, на общую схему ФАПЧ.
Для устойчивой к сбоям сквозной синхронизации всей сети нужны специализированные ФАПЧ, которые, во-первых, исправляют искажения тактового сигнала, а во-вторых, способны обнаружить потерю тактового сигнала и переключиться на другой надёжный генератор или временно поддержать тактирование при отсутствии опорных генераторов.
Требования к синхронной Ethernet.
– Точность выходной частоты при работе не от опорного генератора должна быть не хуже ±4,6 ppm (4,6×10-4%) на протяжении года. Для сравнения точность классической Ethernet составляет ±100 ppm (0,01%).
– Наличие режима автономного тактирования. ФАПЧ постоянно вычисляет среднюю частоту синхронизированного генератора. Если он отказывает, а других источников нет, то ФАПЧ генерирует выходной сигнал на основе этой средней частоты. Стабильность выходного сигнала зависит от точности определения средней частоты и стабильности тактового генератора, который встроен в блок ФАПЧ.
– Отслеживание неполадок. Блок ФАПЧ непрерывно следит за качеством входного опорного сигнала. Если в генераторе возникает неполадка или сбой, он выставляет прерывание и переключается на другие источники.
– Гладкое переключение. При переключении на другой тактовый генератор должна сохраняться фаза сигнала синхронизации.
– Фильтрация дрожания и искажений тактового сигнала.
– Стойкость к большим искажениям. Блок ФАПЧ должен сохранять синхронизацию без выставления прерывания и не переключаться на другие генераторы, если опорный источник исправен, но в сети возникают большие искажения.
Всем этим требованиям удовлетворяют только цифровые модули ФАПЧ (ЦФАПЧ), которые используются для тактирования в сетях SONET/SDH. Единственное отличие заключается в том, что в Ethernet используются другие тактовые частоты (25 МГц, 125 MГц и 156,25 МГц).
Поскольку схема тактирования должна стабильно работать при любых условиях, то все её важные компоненты дублируются.
На рис. 4 изображена схема тактирования, состоящая из двух опорных карт, синхронизующих работу карт локальной синхронизации каждой линии. Одна из опорных карт является активной, другая — резервной. Перестройка локальных карт на работу от резервной осуществляется без выставления прерывания.

Рис. 4. Схема тактирования на ФАПЧ

Общие карты тактирования могут работать от нескольких генераторов (на случай поломки одного из них). Карта выбирает опорный сигнал, очищает его от фазового шума с помощью цифровой схемы ФАПЧ и передаёт в блоки синхронизации линии.
Блоки синхронизации линии содержат ЦФАПЧ для передачи тактового сигнала, удаления искажений и обеспечения стабильности фазы при переключении на другую центральную карту. Частотный генератор в центральной карте тактирования должен обладать повышенной надежностью (TCXO, OCXO), поскольку он должен поддерживать автономную синхронизацию во время выбора подходящего опорного источника и переключения на него. В блоках синхронизации линии такая функция не требуется, поэтому используются более дешёвые генераторы. Отметим, что для сетей с малым числом узлов система синхронизации упрощается до одной карты.
На рис. 5 показан цифровой канал связи следующего поколения, который работает и в Ethernet, и в телекоммуникацонном диапазоне. Каналы связи каскадируются, чтобы сгруппировать трафик от нескольких абонентов и сократить число линий, идущих к центральному процессору.

Рис. 5. Альтернативная схема тактирования

Другой метод тактирования реализован в протоколе IEEE 1588, или Precision Time Protocol (PTP). Поддержка PTP включена практически во все промышленные стандарты, рассмотренные выше.
Принцип синхронизации основан на обмене сообщениями между общими опорными часами и подчиненными, расположенными на каждом узле. Если сеть сильно разветвлена, то в каждом сегменте присутствуют свои опорные часы, которые синхронизуются с помощью часов более высокого уровня.
Для синхронизации опорные часы циклически передают уникальное сообщение SYNC, которое содержит расчётное значение точного времени его передачи. Получив два таких сообщения, подчиненные часы вычисляют сдвиг своих показаний (с учетом задержки на передачу SYNC) и проводят коррекцию.
Время задержки прохождения пакетов измеряется с помощью служебного запроса, который посылают ведомые часы опорным.
Улучшенная версия протокола PTP v2 имеет следующие особенности:
– точность в наносекундном диапазоне;
– возможность передачи до 1000 служебных пакетов SYNC в секунду (используется только в особых случаях, чтобы не перегружать сеть);
– наличие дополнительных часов для предотвращения накапливания ошибок.

Литература
1. Michael Samuelian. «A Universal
Approach for implementing Real-Time Industrial
Ethernet».
2. Alexandra Dopplinger. «Using IEEE 1588
for synchronization of network-connected
devices».
3. Slobodan Milijevic. «An introduction to Synchronized Ethernet».
4. Леонид Бараш. «Ethernet вторгается в промышленные системы автоматиза-ции».
5. Jeremy Bennington. «IEEE 1588 Precision Timing Protocol (PTP)».
6. http://www.sercos.com.
7. Алексей Чернобровцев. «Ethernet в промышленности».

 

 

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *