устройства EtherCAT

Является ли EtherCAT универсальным ответом на вызовы IIоT?

Опубликовано в номере:
PDF версия
IP-стандарты, которые используются поверх стандартов сетей малой мощности, позволяют решить проблему кроссплатформенности и обеспечить полное взаимодействие заводского оборудования. Одним из таких стандартов является EtherCAT, основные характеристики которого рассмотрены в статье.

С внедрением сетевых систем, разворачиваемых на уровне заводских цехов, в среде промышленной автоматизации происходят быстрые технологические преобразования.

Однако даже при объединении в сеть станков и технологического оборудования весь потенциал сетевого подключения еще не реализуется в полной мере. Это связано с тем, что подобное оборудование обычно работает как отдельные островки или изолированные модули, не взаимодействуя с другими станками и оборудованием, предусмотренными в технологической или производственной цепи, и, условно говоря, живет само по себе. Чтобы в полной мере использовать ресурсы того, что мы уже привычно называем четвертой промышленной революцией, «Индустрией 4.0» или Industry 4.0, отдельная единица оборудования должна иметь возможность управлять или оказывать определенное влияние на другие станки и оборудование предприятия.

Будущее промышленной автоматизации — это производственная среда, в которой системы, станки, оборудование и материалы оснащены датчиками. Крупные поставщики оборудования и средств промышленной автоматизации обещают взаимодействие между заводскими устройствами, которое будет распространяться и далее — в облачные корпоративные приложения и корпоративные центры обработки данных. Такой подход должен преодолеть существующий разрыв между сетями информационных технологий (information technology, IT) и сетями, ответственными за выполнение технологических операций (operations technology, OT).

В этом случае каждый датчик (сенсор), исполнительный механизм (актуатор) и заводское оборудование становятся участниками одной общей сети. Только так можно создать доступ к данным по всему предприятию, что в свою очередь обеспечит эффективность его работы. Однако здесь имеется один чрезвычайно важный момент — необходим подход, основанный на стандартах, который смог бы использовать уже существующую инфраструктуру, в то время как остальная платформа и операционная система (ОС) не поддерживают эту массу самых разно­образных устройств. Иными словами, необходимо решить проблему кроссплатформенности.

 

На сцену выходят новые разработки

Исторически сложилось, что для устройств с ограниченными ресурсами при передаче данных и интеграции с облаком употребляются проприетарные, а не основанные на интернет-протоколах (IP) решения, и они, соответственно, являются не открытыми протоколами, а запатентованными решениями тех или иных разработчиков. В результате объединение информационных и технологических сетей сталкивалось с большими накладными расходами и потребностью в дополнительных ресурсах, связанных с обработкой IP-пакетов. Сама же причина использования собственных (проприетарных) протоколов кроется в том, что имелось устоявшееся мнение о непрактичности применения IP-протоколов для узлов энергоэффективной сети, таких как датчики и исполнительные механизмы, поскольку IP-сеть не имела для этого достаточной пропускной способности и объемов памяти.

Однако с введением в беспроводных персональных вычислительных сетях с низким энергопотреблением (6LoWPAN) такого протокола, как IPv6, возможности в организации сети индустриального «Интернета вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT) претерпели значительные изменения.

IPv6 поверх 6LoWPAN

Рис. 1. IPv6 поверх 6LoWPAN позволяет маломощным устройствам с ограниченными возможностями обработки участвовать в IIoT

Согласно всезнающей «Википедии», 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) — это стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE 802.15.4, а также название рабочей группы (Internet Engineering Task Force, IETF), непосредственно создающей этот стандарт. Основная цель разработки заключалась в обеспечении взаимодействия беспроводных персональных сетей IEEE 802.15 с широко распространенными IP-сетями. Это основано на идее, что IP-технология может и должна применяться даже к самым маломощным устройствам и что устройства с малой мощностью и ограниченными возможностями обработки данных должны иметь возможность участвовать в таком процессе непосредственно, как интернет-вещи (рис. 1). Таким образом, теперь можно применять IP-стандарты, которые используются поверх стандартов сетей малой мощности.

Если говорить более конкретно, то 6LoWPAN — это адаптационный слой (иногда его называют «уровень») между IP-каналом и транспортным сетевым слоем, необходимый для обеспечения передачи пакетов IPv6 по беспроводным энергоэффективным сетям широкого радиуса действия. Например, упомянутый IEEE 802.15.4 (ZigBee), который определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости обмена данными. В этом случае для того, чтобы уменьшить размер полезной нагрузки, 6LoWPAN обеспечивает сжатие заголовка и фрагментацию пакетов, что позволяет осуществлять передачу стандартизованных IPv6-пакетов. При пересылке пакетов между слоями через 6LoWPAN поддерживается большое количество узлов в энергоэффективных сетях, требующих многократных «скачков» на больших площадях сетевого покрытия.

 

Решение проблемы с устаревшими инфраструктурными единицами

Крупные игроки рынка промышленной автоматизации, продвигая различные технологии полевых шин, способствовали его фрагментации. Однако поскольку связь была и остается крайне важной для дальнейшего развития автоматизации производства, ее будущее предполагает внедрение основанных на стандартах технологий полевых шин, которые используют традиционную сетевую инфраструктуру.

EtherCAT — решение для полевых шин сети предприятия

Рис. 2. EtherCAT — решение для полевых шин сети предприятия, обеспечивающее возможность подключения как к производственному и технологическому оборудованию, так и к корпоративным системам верхнего уровня

Одним из примеров решения для полевой шины, которое использует существующую стандартную инфраструктуру Ethernet, является Ethernet для технологии управления и автоматизации — EtherCAT (рис. 2). EtherCAT (от Ethernet for Control Automation Technology) — это стандарт промышленной сети, относимый к семейству Industrial Ethernet и технологиям, предусмотренным для распределенного управления в режиме реального времени. Стандарт разработан компанией Beckhoff, при этом была поставлена цель предоставить возможность использования широко распространенной технологии Ethernet для приложений автоматизации, требующих частого обновления времени (также называемого временем цикла) с низким джиттером (для синхронизации) и невысокими затратами на аппаратное обеспечение. Дейтаграммы EtherCAT пропускаются внутри стандартного фрейма Ethernet. EtherCAT — глобально новая технология, которая потенциально может привести к стандарту для полевой шины Ethernet.

EtherCAT имеет Ethernet-интерфейс с поддержкой в реальном времени и встроенной системой обеспечения безопасности. Это один из самых эффективных протоколов промышленной связи, выполненный на базе Ethernet. Кроме того, EtherCAT основан на стандартном оборудовании Ethernet для связи промышленных приложений в реальном времени. Обработка выполняется, как говорится, «на лету», что является ключевой особенностью технологии EtherCAT.

Поскольку сетевой трафик генерируется с помощью ведущего контроллера EtherCAT, ведомые устройства EtherCAT обрабатывают каждый кадр данных по мере их поступления, не останавливая и не тормозя процесс обмена. Чтение и запись данных могут быть извлечены и вставлены каждым подчиненным устройством, по мере того как кадр перемещается по сети, причем предыдущие данные не теряются. Как можно видеть, EtherCAT предлагает высокую гибкость, поскольку необходимый период цикла управления может меняться в зависимости от требуемой функции управления. Например, более длительные циклы для обновлений ввода/вывода или сверхкороткое время цикла для синхронизации роботизированных манипуляторов могут сосуществовать в одном и том же канале коммуникации.

Поскольку EtherCAT базируется на физическом уровне, как и Ethernet, он использует стандартные кабели категории 5 и обычный для этой технологии сетевой интерфейс. Чтобы облегчить передачу данных на основе TCP/IP в сегменте EtherCAT, можно прибегнуть к протоколу Ethernet по протоколу EtherCAT. Естественно, для подключения Ethernet-устройств к сегменту EtherCAT необходимы коммутационные порты. При этом кадры Ethernet туннелируются по протоколу EtherCAT, что делает сеть EtherCAT полностью прозрачной и для Ethernet-устройств.

Для предотвращения падения производительности коммутатор портов вставляет пакеты TCP/IP в трафик EtherCAT таким образом, чтобы защитить свойства реального времени сети от разрушения, или, как сейчас говорят, от инфицирования. Кроме того, устройства EtherCAT могут поддерживать интернет-протоколы (например, HTTP) и вести себя как стандартный узел Ethernet за пределами сегмента EtherCAT.

 

Важность унифицированной архитектуры связи с открытым кодом (OPC UA)

Хотя по своей природе EtherCAT уже защищен, туннелирование в другие сети внутри предприятия с использованием TCP/IP может привести к определенным проблемам. Интеграция с EtherCAT требует протоколов, которые гарантируют безопасность, необходимую для предотвращения компрометации устройства, подключенного к промышленной сети. Недавно технологическая группа EtherCAT и международная некоммерческая организация OPC Foundation, поддерживающая архитектуру связи с открытым кодом, объявили о планах совместной поддержки стандарта Industrie 4.0. Для этого унифицированная архитектура OPC была разработана с учетом повышенной системной безопасности.

OPC UA включает контрмеры против киберугроз, таких как атаки типа «отказ в обслуживании», компрометация компонентов экстрасети или облака и внедрение вредоносного программного обеспечения через внутреннюю сеть интранет или Интернет. Для удовлетворения требований безопасности OPC UA неявно защищен и применяет управление доступом, шифрование, цифровые подписи и сертификаты X.509. Поскольку OPC UA не зависит от платформы и масштабируется, он объединяет устройства на предприятии. OPC UA может быть развернут на встроенных устройствах, выполняющих ОС реального времени, или для служб под управлением платформ на ОС Linux и Microsoft Windows.

Благодаря комбинации OPC UA и EtherCAT, основанные на стандартах протоколы могут интегрировать сети заводских цехов с системами предприятия и цепочками поставок. Поддержку в разработке многоядерных встраиваемых систем могут оказать, например, решения компании Mentor (рис. 3). Операционная система Mentor Nucleus реального времени (real-time operating system, RTOS) с встроенной ОС Linux с открытым исходным кодом является одним из популярных решений для систем выполнения в реальном времени. Кроме того, решения Mentor интегрированы с поддержкой промышленной полевой сети, включая EtherCAT и EtherNet/IP, и реализуют такие промышленные протоколы, как OPC UA, CANbus, Modbus и ряд других.

Реализация многоплатформенного подхода с помощью решений Mentor

Рис. 3. Реализация многоплатформенного подхода с помощью решений Mentor

Из всего сказанного можно сделать вывод, что EtherCAT — это очень полезная полевая шина, которая позволяет большому количеству подключенных устройств взаимодействовать в уже установленной IIoT-инфраструктуре предприятия, включая широкое межмашинное взаимодействие.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *