Ethernet alapú terepi busz szabványok

A legnagyobb terepi busz szabványtulajdonosok és gyártók következő lépése az Ethernet hálózatok irányába történő továbblépés volt. Jelenleg négy fő rivális található az ipari, Ethernet alapú terepi buszok piacán: a Modicon a Modbus/TCP szabvánnyal (Modbus protokoll TCP/IP stack felett), a ProfiBus Trade Organization (SIEMENS) a PROFInet (ProfiBus Ethernet-en) szabvánnyal, az Allen-Bradley az Ethernet/IP (ControlNet/DeviceNet objektumok TCP/IP felett) szabvánnyal és a Fieldbus Foundation a High-Speed Ethernet szabvánnyal. Ezeknek a (lényegében az eredeti terepi busz szabványok kiterjesztéseiként felfogható) specifikációknak a közös jellemzője, hogy a standard TCP/IP protokoll stack-et használják, és annak is csak a legfelső, alkalmazási rétegére tartalmaznak előírásokat. Ekkor az eredeti terepi busz szabvány és annak TCP/IP kiterjesztése között az adatcserét megfelelő, protokollkonverziót végző gateway berendezések biztosítják, amelyek

„becsomagolják‖ az eredeti terepi busz adatformátumot a TCP/IP keretekbe.

Az Interbus terepi busz szabvány szintén együttműködik az Ethernet-tel, azonban itt a konverzió éppen fordított: az Interbus hibrid protokoll felépítése megengedte, hogy egy újabb hálózati/szállítási rétegbeli protokollként TCP/IP kereteket is továbbítani lehessen az Interbus fizikai rétegén. Tehát ebben az esetben a gateway eszköz csak a fizikai médium konverzióját végzi el, a továbbított adat változatlan marad.

A következőkben röviden bemutatjuk az említett négy legfontosabb ipari Ethernet megvalósítást.

4.9.1. Modbus/TCP

A Modbus/TCP nyílt (de facto) szabvány, ami ténylegesen a Modbus adatcsomagok TCP/IP keretekbe való becsomagolását jeleneti. Ugyanazt a regiszter (16 bites előjel nélküli egész) és coil (bit) adattípusokat használja, amiket az eredeti Modbus definiál, és a funkciók is megegyeznek az eredetiekkel. Ennek megfelelően a Modbus/TCP adatcsomagok tartalma egy az egyben ugyanaz, mint a Modbus adatcsomagoké a CRC hibaellenőrző kód kivételével, ami hiányzik (nincs rá szükség, hiszen a TCP/IP protokoll is tartalmaz CRC-t).

64. ábra: A Modbus/TCP keretformátuma

A nagyfokú egyezés miatt a Modbus/TCP alkalmazástechnikája magától értetődő minden olyan fejlesztő számára, aki dolgozott már Modbus-szal.

Ugyanakkor éppen emiatt a Modbus hiányosságait is örökli, pl. nehézkes és sok üzenetet igénylő feladat komplex paraméter adathalmazok továbbítása az eszközök között.

4.9.2. Ethernet/IP

Az Ethernet/IP a ControlNet és DeviceNet hálózatokban használt CIP kommunikációs technológia kiterjesztése az Ethernet hálózatok irányába. Az adatábrázolás objektum-orientált, minden hálózati eszköz objektumok halmazaként jelenik meg. Teljes mértékben átveszi a ControlNet és DeviceNet által használt objektum felépítést és hierarchiát. A kommunikációban kétfajta üzenetküldési mechanizmust használ: a TCP protokollt az üzenetek továbbítására és a kapcsolatmentes UDP protokollt az I/O adatok számára. Az UDP protokoll alkalmazása nagyobb átviteli sávszélességet és kisebb késleltetést biztosít az I/O adatoknak, de ugyanakkor a biztonsági funkciók hiánya miatt az Ethernet/IP eszközök nem tudják detektálni, ha egy üzenet elvész vagy inkonzisztens.

Az objektum-orientált eszközreprezentáció könnyen megvalósítható, flexibilis, mégis magas szintű és nagy kifejező erejű fejlesztési környezetet biztosít, így (és a konzekvens objektummodell miatt) az Ethernet/IP alkalmazások fejlesztése kevésbé gyakorlott felhasználók számára is könnyű. Ugyanakkor ennek megvannak a hátulütői is: maga a kommunikációs protokoll komplex, nagy rárakódó adatmennyiséggel dolgozik, és elég komoly időráfordítást igényel az kiinduló beállítások elkészítése, ami főként a kisebb lélegzetű, egyszerűbb feladatok esetén növeli többszörösére a fejlesztési időt.

4.9.3. PROFInet

A PROFInet a ProfiBus Trade Organization által támogatott nyílt ipari Ethernet szabvány. Noha kifejezetten a terepi ProfiBus Ethernet közegen való átvitelére használják, a protokoll nem kötődik szorosan a ProfiBus-hoz, más terepi buszhoz is illeszthető lenne. Az adatábrázolás itt is objektum-orientált, azonban az objektummodell nem saját fejlesztés, hanem a Microsoft által is alkalmazott (és így az irodai környezetben szinte kizárólagosan használt Microsoft Windows operációs rendszerbe is beépített) DCOM (Distributed Common Object Model) és RPC technológiákat használja fel.

65. ábra: A PROFInet kommunikációs modell

A megvalósítás előnyei és hátrányai hasonlók az Ethernet/IP-nél elmondottakhoz: könnyű indulás és egyszerű (ugyanakkor időigényesebb) fejlesztés az objektum-orientált adatmodell miatt. Előny, hogy a Windows már eleve beépítve tartalmazza a felhasznált technológiákat, ami a támogatottságot

is nagy mértékben növeli, ugyanakkor az erőforrásigény tényleg szignifikáns például a Modbus/TCP-hez képest, ami mondjuk a beágyazott, kisebb erőforrásokat tartalmazó eszközöknél az alkalmazást megnehezíti vagy értelmetlenné teszi. Viszont a szabvány komoly előnye a többi bemutatott ipari Ethernet szabvánnyal szemben, hogy tényleg nyílt és szabadon felhasználható, ezért máris léteznek megvalósításai a Windowson kívül olyan más platformokra is, mint a VxWorks vagy a NET-OS.

4.9.4. Foundation Fieldbus High-Speed Ethernet

19. táblázat: Foundation fieldbus fontosabb adatok Kidolgozta ISA, 1997-ben

Támogatottság, eszközkészlet

A szabvány az ISA SP50/IEC 61158 specifikáción alapul, több gyártó forgalmaz a szabványt megvalósító integrált áramköröket.

Szabványok ―H1‖ (gyújtószikramentes, biztonságkritikus

környezetbe), 31.25Kbit/sec sebességű terepi busz; és

―HSE‖ (High Speed Ethernet), 100Mbit/sec sebességű magas szintű ipari Ethernet busz.

Csomópontok

száma 240 csomópont szegmensenként, maximum 65 000 szegmens egy hálózatban

Maximális

távolság 1900 m a H1 esetében, a HSE-re az Ethernet szabvány korlátai érvényesek.

Átviteli sebesség 31.25 kBaud (H1) és 100 MBit/sec (HSE) Üzenet méret 128 byte / csomópont / üzenet

Üzenet protokoll(ok)

Kliens-szerver, hirdetés-feliratkozás, eseményvezérelt értesítéses

Háttérintézmény Fieldbus Foundation (www.fieldbus.org)

A Fieldbus Foundation által az üzemi és irodai szintre szánt ipari Ethernet szabvány a HSE, azaz High-Speed Ethernet. Sok újat nem lehet elmondani róla az eddig bemutatott Ethernet alapú rendszerekhez képest, hiszen jellemzői sokban hasonlítanak azokéihoz: objektum-orientált adatmodellt használ, annak ismertetett előnyeivel-hátrányaival. Az objektum modell saját fejlesztésű, de teljesen konzisztens a szervezet alacsonyabb szintű, H1 nevű terepi busz szabványában használt objektumokéval. Az Ethernet/IP-hez és a PROFInet-hez hasonlóan ez a szabvány is relatíve friss (2000-ben indult útjára az első gyakorlati megvalósítás), így elterjedtsége még nem nagy mértékű, de dinamikusan növekszik.

66. ábra: Foundation Fieldbus hálózat HSE protokolljának rétegei összevetve más megoldásokkal

Összegzésként néhány dolgot még fontos megjegyezni. Egyrészt a bemutatott ipari Ethernet szabványok többségében jellemző objektum-orientált eszközmodell nem véletlen: az újonnan elfogadott IEC szabványok (mint pl. a transzformátor alállomásokra vonatkozó IEC 61850 számú szabvány) már mind ilyen módon írják le az egyes egységek és eszközök jellemzőit és viszonyát.

Másrészt a bemutatott megoldások mindegyike az alkalmazási réteg tartalmát specifikálja az alsóbb rétegek változatlanul hagyásával (amit például a 66. ábra is jól mutat). Ennek megvan az az előnye, hogy a konkurens gyártók hálózati eszközei (routerek, switchek), amelyek a hálózati és szállítási rétegben dolgoznak (és ott standard TCP/IP adatcsomagokkal találkoznak) nem gátolják egymás eltérő ipari Ethernet protokollon alapuló adatátvitelét (pl. egy Schneider által forgalmazott switch is együttműködik a PROFInet adatcsomagokkal és fordítva, egy SIEMENS gyártású router is továbbítja a Modbus/TCP adatokat).

Harmadrészt ugyanakkor éppen ebből származik ezeknek az ipari Ethernet

megoldásoknak a legnagyobb problémája, hogy nem garantálják a determinisz-tikusságot (hiszen erről épp a szállítási és alacsonyabb rétegek „tehetnek‖).

Ezért az eszközközeli, real-time követelményeket támasztó adatátvitelben (jelenlegi formájában semmiképp) nem várható az ipari Ethernet térhódítása.