СТА 3/2010

ОБ ЗОР / П РОМЫШЛ Е ННЫЕ С Е Т И 12 СТА 3/2010 www.cta.ru версии протокола (Powerlink V3) стала возможна синхронизация сразу не скольких распределённых сегментов по протоколу IEEE 1588. Тем не менее, да же в этом случае жёсткая детерминиро ванность обеспечена лишь для каждого сегмента в отдельности. Таким образом, при линейном соеди нении ведущего и ведомых устройств в отдельном сегменте сети Powerlink от носится к протоколам жёсткого реаль ного времени. По скорости он лишь немного уступает EtherCAT и гаранти рует время цикла передачи данных в пределах 200 мкс с точностью 1 мкс. PROFINET – « ПРОФИ » В E THERNET PROFINET – наиболее известный стандарт Ethernet реального времени, совместимый со стеком TCP/IP. Его называют Ethernet версией протокола PROFIBUS, поскольку у них много об щего и они легко сопрягаются через шлюз. Протокол изначально разрабо тан компанией Siemens, стандартизо ван по IEC 61158 и сейчас находит при менение в устройствах целого ряда производителей. Существуют две концепции приме нения протокола PROFINET: PROFI NET IO (распределённые системы вво да вывода) и PROFINET CBA (модуль ные системы управления, объединение сетей PROFINET). Более распростра нённым случаем является PROFINET IO, предполагающий непосредствен ное подключение к сети устройств по левого уровня. Все устройства в сети PROFINET IO можно разделить на 3 типа: IO Cont roller (ПЛК или иной контроллер, мас тер сети), IO Supervisor (станция опера тора, HMI, станция управления), IO Device (распределённые датчики, ис полнительные механизмы полевого уровня, ведомые устройства в сети). В PROFINET существует три режима работы протокола, каждый со своей сте пенью детерминированности: PROFI NET V1, PROFINET SRT и PROFINET IRT. Первый вариант обеспечивает вре мя ответа системы в пределах 10–100 мс и используется преимущественно для администрирования устройств сети. PROFINET SRT работает на порядок быстрее: 5–10 мс, реализован целиком на программном уровне, в качестве транспортного протокола использует стек TCP/IP. PROFINET IRT является третьей «итерацией», именно он ис пользуется в системах жёсткого реаль ного времени. PROFINET IRT на порядок быстрей второй версии и гарантирует время цикла 1 мс с точностью 1 мкс. Конеч но, для такой скорости работы уже по требовалась аппаратная реализация. Поэтому каждый участник сети имеет встроенный контроллер, ответствен ный за синхронизацию (используется видоизменённый протокол IEEE 1588) и обмен данными по PROFINET. В PROFINET IO используются режи мы реального времени PROFINET SRT и PROFINET IRT, но чаще последний. Организация обмена данными в жёст ком реальном времени чем то схожа с Powerlink: обмен данными происходит жёсткотактируемыми циклами, в кото рых есть фаза изохронной (критичной ко времени доставки) передачи данных и фаза передачи данных в формате TCP/IP. Передача данных контролируется мастером сети, время цикла ограничено 1 миллисекундой и соблюдается с точ ностью 1 мкс. Схематично схема пере дачи данных изображена на рисунке 5. Чтобы минимизировать потребность в промежуточных коммутаторах, у каждого устройства PROFINET, как правило, имеется 2 сетевых порта и бо лее. В случае использования внешнего коммутатора заявленное время цикла увеличится. Коммутаторы должны быть управляемыми с поддержкой вир туальных сетей VLAN и управлением качеством обслуживания QoS. IEEE 1588 – МИКРОСЕКУНДНАЯ ТОЧНОСТЬ Синхронизация системных часов – дело не новое. Уже давно известны про токолы NTP (Network Time Protocol) и его производная SNTP (Simple Network Time Protocol), однако их точность синхронизации (несколько миллисе кунд) далеко не всегда достаточна в современных системах. Более точный метод – синхронизировать системные часы через спутник по GPS, однако этот способ часто невыгоден ввиду вы сокой стоимости оборудования, интег рации и обслуживания. Достигнуть вы сокой точности синхронизации при от носительно простой реализации уда лось в протоколе IEEE 1588. Протокол IEEE 1588, также извест ный как РТР (Precision Time Protocol), определён как «Протокол для высоко точной синхронизации независимых часов различных устройств в распреде лённых системах измерения и контро ля». Используется (или может исполь зоваться) во всех перечисленных про токолах реального времени в качестве механизма синхронизации. Кроме се тей Ethernet, применяется и в других областях, например в радиорелейной связи. Для работы в реальном времени каж дый абонент должен иметь аппаратные часы реального времени. Алгоритм синхронизации следующий. Все веду щие часы периодически рассылают те леграммы (Sync message) с указанием расчётного времени покидания этими телеграммами своего источника. Ведо мые часы сохраняют соответствующее время получения этих телеграмм. Веду щие часы сверяются с мастер часами и рассылают следующие телеграммы (Follow up message) с точным временем посылки. Ведомые часы сравнивают время посылки с временем получения и корректируют своё время. Мастер часы выбираются протоколом автома тически, исходя из их точности, разре шения и пр. Они могут быть специаль ным внешним устройством со спутни ковой синхронизацией. Часы в устройствах могут быть аппа ратными и программными. Однако чем дальше от аппаратного уровня к уровню приложений реализованы ча сы, тем ниже точность синхронизации. При аппаратной реализации точность достигает наносекунд. При реализации часов на уровне приложений точность уходит в миллисекундный диапазон. Типичное значение – 1 микросекунда. Протокол IEEE 1588 часто применя ется в точных измерительных систе мах, в энергетике для оперативного контроля величин токов и в других системах жёсткого реального времени. TCP/IP TCP/IP Изохронный режим (IRT) Изохронный режим (IRT) Изохронный режим (IRT) TCP/IP Данные реального времени (в изохронном режиме) Данные Ethernet (TCP/IP) Sync Цикл 1 Цикл 2 Цикл… 1 мс Рис. 5. Организация обмена данными в PROFINET IRT © СТА-ПРЕСС