Podstawą wszelkich procesów przemysłowych jest sprawna i pewna komunikacja pomiędzy dedykowanymi urządzeniami procesu. Protokoły komunikacyjne klasycznego Ethernetu zostały opracowane głównie po to aby w sposób pewny przesyłać dużą ilość informacji. Niezawodność dostarczania pakietów danych polegała tu głównie na wielokrotnym wysyłaniu niedostarczonych pakietów, aż do momentu potwierdzenia otrzymania prawidłowych danych. Z tego powodu czas potrzebny na pewne dostarczenie danych był trudny do określenia i bardzo często był zbyt długi jak na potrzeby rozwijającego się przemysłu.

Stale rosnąca ilość przetwarzanych i przesyłanych danych w przemyśle jak również wymogi ich determinizmu czasowego wymusiły potrzebę opracowania nowych protokołów przemysłowego Ethernetu.

Przykładem najbardziej popularnych obecnie protokołów komunikacji przemysłowej jest Profinet oraz Ethernet/IP. Oba te protokoły możemy nazwać protokołami czasu rzeczywistego,

• czas gwarantowanego odświeżania danych procesowych jakie możemy dzięki nim uzyskać wynosi znacznie poniżej 10ms.
• dopuszczalne jest użycie w ich realizacji urządzeń pośredniczących znanych nam z klasycznego Ethernetu jak np. switche, złącza, przewody itp. Wrządzenia te mogą być równolegle wykorzystywane do przesyłania innych pakietów danych ethernetowych (wizualizacja, obraz z kamer IP, itd.)
• w obu protokołach przemysłowych stosuje się tzw. priorytetyzację ramek danych. Polega to na tym, że każda ramka danych niosąca krytyczne informacje zostaje rozszerzona o pola informacji o typie komunikacji oraz priorytecie, który jest znacznie wyższy niż dla typowych danych ethernetowych.

W standardzie IEEE 802.1p zostały zdefiniowane poniższe priorytety:

Poziom priorytetu mówi o tym jak konkretna ramka danych ma być traktowana w porównaniu do innych ramek niosących informacje.

Im wyższy poziom priorytetu danej ramki tym ważniejsze dane są nią przesyłane i tym szybciej należy ją przesłać dalej.

Aby jednak takie dane o wyższym priorytecie mogły być przesyłane przez switche w pierwszej kolejności urządzenia te muszą umieć rozróżniać dane z różnymi poziomami priorytetów i następnie właściwie sterować kolejnością ich przepływu. Wymienione funkcje rozpoznawcze i sterujące zawarte są w specjalnej usłudze zwanej QoS (ang. Quality of Service) zdefiniowanej w standardzie IEEE 802.1Q.

Warto zaznaczyć, że tylko switche z obsługą QoS będą potrafić odpowiednio obsługiwać i sterować taką transmisją.

Przykład, bardzo często spotykany w przemyśle: modernizacja istniejącej aplikacji polegająca na jej rozbudowie, a więc doposażeniu w dodatkowe urządzenia.

Schemat aplikacyjny:

Aplikacja sterująca dotychczasowo wykorzystywała jedynie komunikację Modbus TCP, sterownik PLC:

•  odpytywał cyklicznie podrzędne urządzenia I/O,
• realizował program,
• aktualizował odpowiednie stany wyjść urządzeń wykonawczych.

Unowocześnienie procesu produkcyjnego wymaga zastosowanie dodatkowego sterownika PLC

Sterownik PLC, w czasie rzeczywistym musi komunikować się z odległymi urządzeniami i równie szybko aktualizować ich stany I/O przesyłając dane krytyczne czasowo. Do komunikacji tej wybrano więc protokół Profinet który zapewnia determinizm czasu odświeżania danych.

Problem:

Dotychczasowe switche bez QoS niestety nie nadawały się do powyższej aplikacji – nie potrafiły obsługiwać i właściwie sterować przepływem danych krytycznych czasowo zawartych w pakietach komunikacji Profinet. Sterownik PLC AXC 1050 pełniący funkcję kontrolera Profinetu raz po raz zgłaszał błąd  komunikacji związany z nieotrzymywaniem pakietów  w zdefiniowanych odcinkach czasu.

Rozwiązanie: Zastosowanie switchy z obsługą QoS

Pakiety danych Profinetu z wyższym priorytetem są teraz właściwie rozpoznawane i wysyłane w odpowiednich przedziałach czasowych, pakiety komunikacji Modbus TCP jako niekrytyczne czasowo są cyklicznie przesyłane z niższym priorytetem.

Phoenix Contact rekomenduje stosowanie switchy z QoS wszędzie tam gdzie mamy do czynienia z przemysłowymi protokołami czasu rzeczywistego.

Obsługa QoS jest obecnie standardem we wszystkich switchach zarządzalnych z naszej oferty, co więcej jest również dostępna w bardzo wielu zwykłych, niezarządzalnych urządzeniach firmy Phoenix Contact.

Więcej rozwiązań do sieci przemysłowych poznasz na stronie Wszystko do sieci przemysłowych.

Autor:

Tomasz Salamon – Ekspert ds. Wsparcia Technicznego