#03 Komunikačné kanály - PROFINET RT-Real-Time, NRT, IRT
PROFINET RT, NRT, IRT | Profinet je v prenose dát skutočne vynikajúci. Aj preto ho mnoho expertov s obľubou využíva. Pre mnohých je však táto oblasť stále veľkou neznámou, a tak sme pripravili príspevok na tému komunikačných kanálov profinetu. Aby sme pochopili, ako PROFINET prenáša informácie, pomáha mať na pamäti, aké informácie je potrebné prenášať. Musia sa informácie doručiť okamžite? Ide o „kritický“ prenos dát z hľadiska bezpečnosti? Ide o veľké množstvo informácií, ktoré sa odosielajú jednorázovo? Tieto rôzne typy informácií si vyžadujú rôzne prenosové mechanizmy a tieto mechanizmy tvoria takzvané „komunikačné kanály“. V PROFINETe sú tri komunikačné kanály: Real-Time (RT), Non-Real-Time (NRT) a Isochronous Real-Time ( IRT).
OSI Model & Profinet
Najzákladnejšia vrstva, Fyzická vrstva, je elektrická. Či už je to prostredníctvom elektrónov odrážajúcich sa po drôte, rádiových vĺn pohybujúcich sa vo vzduchu alebo fotónov vytvárajúcich optické vlákno ... existuje veľa spôsobov, ako implementovať fyzickú vrstvu. Protokol PROFINET však pracuje s niekoľkými protokolmi fyzickej vrstvy, ktoré existujú už desaťročia: káblový Ethernet (802.3) a bezdrôtový Ethernet (802.11).
Využívanie existujúcich protokolov je v praxi celkom bežné - Načo znovu vymýšľať koleso, keď už niekto obetoval toľko veľa času a práce na vytvorenie otvoreného štandardu? A tak PROFINET špecifikoval pre dátovú vrstvu starý dobrý 802.3 Ethernet. Čo to znamená? Že každé zariadenie PROFINET má adresu MAC (Media Access Control).
PROFINET tiež používa IP (Internet Protokol), UDP (Used Datagram Protocol) a RPC (Remote Procedure Call). Tieto protokoly sú žiadúce predovšetkým pri zvýšujúcich sa nárokoch komunikácie. Preto ich PROFINET využíva iba vtedy, keď je to absolútne nevyhnutné.
PROFINET sa pri prenose dát spolieha na mnoho štandardných protokolov. A pretože tieto protokoly majú relatívne silné a slabé stránky, PROFINET ich používa iba vtedy, keď to absolútne musí.
Pri používaní OSI modelu vznikajú dva hlavné problémy:
- Každá jedná vrstva OSI modelu znamená pre PROFINET extra prácu navyše. Konkrétne ide o „Rozbalenie“ a „Zabalenie“ profinet dát na strane odosielateľa i prijímateľa.
- Použitie sieťovej vrstvy zvyšuje prenosové oneskorenie medzi odosielateľom a prijímateľom.
Obidva tieto problémy zvyšujú oneskorenie nazývané „latencia“ (oneskorenie) a „Jitter“ v sieti. Latencia je predvídateľné oneskorenie medzi vysielačom a prijímačom. Na veľkých sieťach môže byť rádovo 10 - 100 ms. Jitter je rozptyl latencie medzi jednotlivými paketmi. Napríklad, ak by paket dorazil do cieľa 20 ms po jeho vysielaní a ďalší dorazil 30 ms potom, bude sa o sieti hovoriť, že má vysoký jitter.
Real Time (RT) Channel (PROFINET RT)
Či už Latencia, tak aj jitter sú pre potreby priemyselnej automatizácie v „reálnom čase“ nežiadúce. Preto PROFINET navrhol kanál „Real Time“(PROFINET RT), aby sa pokúsil znížiť obidve tieto hodnoty. Kanál RT preskočí kroky zapuzdrenia vo vrstvách Network, Transport a vrstve Session. To znamená, že dáta vymieňané cez kanál RT majú nízku latenciu a nízku jitter, avšak existuje tu nevýhoda: neexistuje žiadna adresa IP. A to znamená, že RT dáta sa nedajú smerovať medzi viacerými LAN sieťami. (PROFINET RT)
PROFINET používa na prenos údajov v reálnom čase iba prvú a druhú vrstvy modelu OSI.
Non Real Time (NRT) Channel
Obmedzenie smerovania (Ako je to pri RT) môžu byť pri veľkých sieťach skutočným problémom. Napríklad ak potrebujete vytvoriť komunikáciu so zariadeniami PROFINET aj mimo lokálnej siete (monitorovanie stavu, zber výrobných dát, vzdialený prístup na zariadenia a iné). PROFINET má preto tiež komunikačný kanál „Non Real Time“ (NRT). Používa všetky vrstvy modelu OSI a má adresu IP. Ku PROFINET zariadeniam tak dokážete pristupovať z „ akéhokoľvek “ miesta, dokonca aj cez internet. Kompromisom je však vyššia latencia a jitter.
PROFINET používa kanál NRT pre menej časovo citlivú komunikáciu, napríklad vytvorenie spojenia medzi zariadením a PLC alebo na pripojenie z externej siete. Táto zvýšená flexibilita však prináša so sebou zvýšený počet dát - 108 bajtov navyše na každý paket.
Isochronous Real Time (IRT) Channel
Rovnako ako je to v prípade RT kanála, pri prenose dát cez Switche vzniká spomínaný Jitter. Takýto Switch môže fungovať ako križovatka zužujúca viacero tokov dát do jedného spojenia. Rovnako ako bežná križovatka, aj takýto Switch nám pridáva neočakávané oneskorenia v „dátovej premávke“. IRT eliminuje práve tieto oneskorenia pridaním pravidiel do „ethernetovej premávky“. Ide o dodatok bežného IEEE 802.3 Ethernetu. Kapitola IRT je však obsiahlejšia, a preto si žiada vlastný príspevok o IRT. Všetko to dáva zmysel... Ak ste z tejto problematiky zmätený, zamyslite sa nad tým, ako komunikujete v práci. S vašimi spolupracovníkmi máte taktiež rôzne typy komunikačných kanálov. Ak s niekým každý deň pracujete a poznáte podrobnosti o tom, čo robia, ako myslia – skrátka viete o sebe takmer všetko, je pravdepodobné, že aj v prípade odborných otázok si budete veľmi dobre rozumieť. Obaja poznáte kontext komunikácie (na čom pracujete, s kým pracujete, čo sa snažíte robiť), a pretože dobre rozumiete kontextu komunikácie, komunikujete stručne a efektívne. A teraz skúste popremýšľať o komunikácii ohľadom riešenia akéhokoľvek problému s osobou mimo vašej kancelárii/ Vášho úzkeho okruhu kolegov -napr. externú spoločnosť. Táto „nová“ osoba pravdepodobne netuší, čo robíte každý deň, na akom projekte pracujete a na koľko sa v danej problematike orientujete. Takže skôr než začnete riešiť podstatu vášho problému, úvodná komunikácia musí zahŕňať veľa informácii navyše. Takže máte dva rôzne komunikačné kanály, jeden pre komunikáciu s kolegom, ktorý s vami zdieľa nejaký spoločný „kontext“ (RT), a jeden pre komunikáciu s extérnymi pracovníkmi, ktorí s vami nezdieľajú „kontext“ (NRT). PROFINET robí presne to isté. Komunikuje v krátkosti a efektívne, no v prípade potreby vie nadviazať spojenie a rozbehnúť diskusiu aj navonok. Obr.: https://www.youtube.com/user/MinutePROFINET
Autor: Ing. Peter Marčan, PhD. | Daily Automation