komunikacioni protokoli Archives - Automatika.rs

TTEthernet protokol

Milan Kocić — Tue, 08 Apr 2014 22:00:00 +0000

TTEthernet omogućuje besprekornu komunikaciju svih aplikacija putem Ethernet-a. Konvencionalni računari, internet i kancelarijski uređaji, multimedijalni sistemi, sistemi u realnom vremenu i sistemi kritične bezbednosti se koriste u istoj mreži. Pojedinačno rešenje za jednu mrežu se može koristiti za aplikacije u avionima, počev od zabavnog programa pa do elektronske navigacije i sistema za navođenje, kao i za pristup internetu na mestima sedišta.

Mreža pruža sve neophodne mehanizme za različite aplikacije, kao što su klasični web servisi ili vremenski i bezbednosno kritični kontrolni sistem za avione.

Od Ethernet-a do TTEthernet-a

Tokom prethodnih godina povela se diskusija oko toga kako prilagoditi Ethernet novim aplikacijama. Dosad je fokus bio usmeren na korišćenje Ethernet-a za poslove u realnom vremenu u industrijskom okruženju. Današnji Ethernet sistemi imaju ograničenje kada je u pitanju kombinovanje sa klasičnom Ethernet mrežom, njenim uređajima i uslugama. Ako posmatramo mrežne tehnologije u globalu, možemo razlikovati zatvorene, statički konfigurisane ugrađene mreže i otvorene, dinamičke mreže koje omogućuju slobodne forme komunikacije. Dok mreže statički konfigurisane komunikacije omogućuju pouzdan prenos podataka u realnom vremenu, komunikacija slobodne forme omoguduje samo tzv. best effort servis (koji ne garantuje dostavljanje podataka) u kome se ne zna pouzdano kada je i da li je poruka poslata. Dok statički konfigurisani sistemi obično moraju da poštuju stroge uslove bezbednosti, broj komunikacionih čvorova je unapred određen. Otvoreni standardi, poput TCP/IP predstavljaju osnovu slobodne forme komunikacija tako da je ovde broj čvorova u sistemima proizvoljan. TTEthernet objedinjuje visoku fleksibilnost slobodne forme sistema i pouzdanost i brzinu statički konfigurisanih sistema (slika br.1).

Slika br.1 TTEthernet kombinuje open-world i closed-world sisteme na osnovu IEEE 802.3 standarda

Ciljevi TTEthernet dizajna

TTEthernet omogućuje besprekornu komunikaciju svih aplikacija putem Ethernet-a. Konvencionalni računari, internet i kancelarijski uređaji, multimedijalni sistemi, sistemi u realnom vremenu i sistemi kritične bezbednosti se koriste u istoj mreži. Pojedinačna mreža koja je potpuno kompatibilna sa IEEE Ethernet 802.3 standardima je pogodna za prenos podataka između različitih aplikacija sa različitim zahtevima. Pojedinačno rešenje za jednu mrežu se može koristiti za aplikacije u avionima, počev od zabavnog programa pa do elektronske navigacije i sistema za navođenje, kao i za pristup internetu na mestima sedišta. Na kritičnim područjima može doći do otkazivanja operacije ili bezbednosti. Mehanizmi za toleranciju greške omogućuju da se izbegne širenje greške u sistemu i sprečavanje potencijalnih hakerskih napada tj. neovlašdenog pristupa resursima.

TTEthernet je skalabilan. Postojeće aplikacije se ne moraju menjati u trenucima proširenja mreže radi funkcionalnosti. Vremenski kritične poruke uvek imaju prednost nad porukama manje važnosti u TTEthernet-u. To ne utiče na konvencionalne aplikacije. Temporalno ponašanje vremenski kritičnih poruka je predvidljivo i može se okarakterisati zavisno od zahtevanog kvaliteta.

TTEthernet se koristi za aplikacije kritične bezbednosti. To znači da sistem ostaje potpuno funkcionalan iako se dogodi greška. Bez obzira da li je neispravan čvor ili svič, mreža nastavlja bezbednu komunikaciju. Ova činjenica objašnjava suštinsku razliku između TTEthernet-a i ostalih Safe Ethernet sistema. Najnoviji sistemi za industrijske aplikacije detektuju greške u mreži i prebacuju sistem u bezbedno stanje, npr. zaustavljanjem motora. U nameri da se omogući dostupnost sistema čak iako se desi kvar, TTEthernet pruža različite mrežne servise poput npr. sinhronizacije takta. Ponašanje TTEtherneta je potpuno predvidivo i formalno proverljivo.

Svojstva Ethernet sistema

TTEthernet poseduje vremenski aktivirane usluge. Ovi servisi uspostavljaju i održavaju globalno vreme, koje se realizuje bliskom sinhronizacijom lokalnih taktova uređaja. Globalno vreme predstavlja osnovu karakteristika sistema, kao što su vremenska raspodela, efikasno korišdenje resursa, precizna dijagnoza itd.

Vremenska raspodela. Globalno vreme se može koristiti kao modan izolacioni mehanizam kada uređaji postanu neispravni. Globalno vreme se označava kao temporalni firewall. U slučaju greške, nije moguže da neispravna aplikacija neblagovremeno pristupi mreži. U zavisnosti od lokacije greške, ili će komunikacioni kontroler ili svič blokirati neipravni pokušaj prenosa. Otkazivanje sviča može biti maskirano kodom za otkrivanje greške (CRC) ili dizajnom visokog integriteta.

Efikasno korišćenje resursa. Globalno vreme doprinosi efikasnom korišdenju resursa na više načina. Vremenski aktivirana komunikacija omogućuje minimizaciju memorijskih bafera u uređajima mreže i u ovakvoj komunikaciji nema konflikata. Stoga svičevi ne moraju biti pripremljeni za mlazeve (bursts) poruka koji de biti isporučeni preko istog fizičkog linka. Minimalni dizajn vremenski aktiviranog sviča može multipleksirati logički pristup mediju poput logičkog prijema ili prenosa. Drugi način efektivnog korišćenja resursa je bafer memorija u čvorovima, koja se minimizuje dobijanjem vrednosti senzora u odnosu na globalno vreme, odmah pre slanja poruke. Treći način efikasnog korišćenja resursa predstavlja upravljanje napajanjem, gde se energija može pratiti i uštedeti, analogno kao sa memorijom.

Precizna dijagnoza. Servis „štancovanja“ globalnog vremena pojednostavljuje proces rekonstrukcije lanca distribuiranih događaja. Sa druge strane, sinhrono hvatanje vrednosti senzora omoguduje formiranje snimaka stanja čitavog sistema.

Slika br.2 Odnos TTEthernet-a prema postojedim komunikacionim standardima

Opcije toka podataka u TTEthernet-u

TTEthernet precizira usluge koje omogućuju vremenski pokrenute aplikacije na vrhu Ethernet-a. Vremenski aktivirani servisi se mogu videti paralelno uobičajenim OSI slojevima: komunikacioni kontroler koji implementira ove servise ima mogućnost sinhronizacije sa ostalim komunikacionim kontrolerima i svičevima u sistemu. Tada može slati poruke koje se označavaju kao vremenski aktivirane. Poruke iz viših nivoa protokola, kao što su IP ili UDP, mogu postati vremenski aktivirane bez modifikovanja samog sadržaja poruka. Zaglavlje (overhead) TTEthernet protokola prenosi se u dodeljenim porukama koje su označene kao protokol kontrolni frejm, koje se koriste za uspostavljanje sinhronizacije sistema. Pojednostavljeno, TTEthernet se bavi samo pitanjem „kada“ se poruke podataka šalju , a ne specifičnim sadržajem unutar poruke.

TTEthernet kao transparentni sinhronizacioni protokol

TTEthernet je transparentni sinhronizacioni protokol iz razloga što je moguće koegzistiranje sa drugim saobraćajem, verovatno starijim saobraćajem, na istoj fizičkoj komunikacionoj mreži. Iz razloga tolerancije greške, može biti konfigurisano mnoštvo uređaja za generisanje sinhronizacionih poruka. Uređaji koji generišu sinhronizacione poruke mogu biti distribuirani sa velikim brojem prelaznih uređaja, jedni između drugih.

Slika br.3 Test podešavanje za TTEthernet

TTEthernet definiše bazične osnovne blokove koji omogućuju transparentnu integraciju vremenski aktiviranih servisa na vrhu komunikacionih struktura zasnovanih na porukama kao što je standardni Ethernet. TTEthernet zbog toga definiše novu aplikaciju transparentnog mehanizma takta koji omogućuje ponovno uspostavljanje redosleda slanja poruka u prijemniku.

Slika br.4 TTTech mrežna kartica

Zaključak

TTEthernet omogućuje vremenski aktiviranu komunikaciju preko Ethernet mreža za aplikacije svih vrsta. Mreža pruža sve neophodne mehanizme za različite aplikacije, kao što su klasični web servisi ili vremenski i bezbednosno kritični kontrolni sistem za avione. Postojeće mreže se mogu proširiti korak po korak, korišdenjem TTEthernet svičeva i završnih sistema bez potrebe za promenom postojećih aplikacija i završnih sistema. Smanjenje mrežnih rešenja ka uspostavljenim i priznatim Ethernet standardima otvara nove potencijale za uštedu koji obezbeđuju veliku prednost na konkurentnom tržištu.

The post TTEthernet protokol appeared first on Automatika.rs.

Ethernet dvožična komunikacija za nove i postojeće aplikacije

Aleksandar Arsić — Sun, 09 Mar 2014 23:00:00 +0000

Novi mrežni moduli kompanije „Siemens“ omogućavaju jednostavnu dvožičnu Ethernet komunikaciju između modula različitog tipa u industriji, uključujući i bezbedonosne sisteme. Ovi moduli se pored upotrebe u novim mogu veoma lako prilagoditi i postojećim aplikacijama.

U mnogim slučajevima, sistemi industrijske automatizacije i dalje koriste konvencionalne komunikacione protokole kao što je Profibus, iako se ovi tipovi komunikacije sve ređe koriste u IT svetu. Međutim, Ethernet komunikaciju bi bilo moguće koristiti u Web servisima, za kontrolu automatskog sistema sa udaljene lokacije. Nažalost, Ethernet standard je osmišljen za kablove sa 4 do 8 žica, zbog čega je neophodno koristiti SHDSL modeme. Za prenos na veće daljine morao se koristiti fiber-optički kabl.

Siemens je svojom inovacijom omogućio komunikaciju preko klasičnog Ethernet kabla, bez potrebe za korišćenjem modema i to koristeći samo dva provodnika. Kao rezultat toga, operatori će moći da koriste postojeće kablove, već instalirane u svojim objektima za Ethernet komunikaciju. Stručnjaci industrijske komunikacije u Siemens-u, razvili su i novi dvožični Ethernet komunikacioni sistem za infrastrukturne projekte. Cilj programera bio je da razviju standard za prenos podataka između trafostanica bez potrebe za promenom postojećih kablova i dodatnim modemima. U zavisnosti od dužine postojeći kablovi sada mogu da prenose podatke od 10 do 100 megabita u sekundi na rastojanju do 1000 metara.

The post Ethernet dvožična komunikacija za nove i postojeće aplikacije appeared first on Automatika.rs.

Modbus komunikacioni protokol

Marko Nikolić — Thu, 05 Dec 2013 23:00:00 +0000

Modbus – serijski komunikacioni protokol predstavljen davne 1979.godine od strane kompanije Modicon, namenjen komunikaciji između progaramabilnih logičkih kontrolera-PLC-ova. Karakterišu ga jednostavnost i robusnost. Besplatan je te je veoma pogodan za upotrebu. Ovaj protokol je master/slave protokol sa half-duplex prenosom iz grupe Fieldbus protokola. Podržava jedan master i do 247 slave uređaja u jednoj Modbus mreži.

Protokol definiše precizira sastav grupe poslatih bajtova kao i skup funkcijski kodova koje te poruke mogu prenositi. Protokol ne definiše fizički nivo prenosa ali uglavnom se koriste RS232 (prvobitno) i RS485 (da bi se uvećala daljina prenosa i omogućila multidrop struktura).

Moderna verzija Modbus koristi Ethernet kao bazični sloj a Modbus/TCP podržava i internet okruženje. Koriste se tri tipa Modbus prenosa:

ASCII–jedan byte poruke se sastavlja od dva ASCII karaktera;
RTU– poruke se sastaje od binarnih bajtova;
Modbus/TCP (ovde se modbus poruka ugrađuje u standardni okvir TCP/IP poruke).

Modbus ASCII i RTU prenos se koriste na RS232 i RS485 mrežama dok Modbus/TCP protokol operiše na svim fizičkim nivoima koje podržava TCP/IP protokol kao što su 10BASE-T i 100BASE-T LAN kao i serijski PPP i SLIP mrežni nivoi. Modbus protokol podržavaju razni PLC, ali i razni inteligentni sensori.

Slika br.1 Modbus sistem sa jednim master uređajem i više slave uređaja

Struktura MODBUS poruke

U daljem tekstu imaćete priliku da se upoznate sa strukturom modbus poruke. Modbus poruka ima jasno definisanu strukturu koja ne zavisi od tipa prenosa (RS232 ili TCP/IP). U slučaju prostih konekcija (RS485 ili RS232) cela mreža je namenjena samo za Modbus poruke i Modbus poruka se šalje upravo onako kako je definisana u ovom poglavlju. U slučaju da se Modbus poruka šalje preko neke druge mreže, ona se mora ugraditi u standardnu poruku za prenos tom mrežom, kao na primer u standardnu TCP/IP poruku preko Ethernet mreže.

Modbus poruka ima četiri osnovna elementa, koji se šalju po istom rasporedu. Poruka se sastoji od:

Device address – adrese primaoca,
Function code – koda funkcije koju treba izvršiti,
Data -eventualno potrebnih podataka za funkciju,
Error check – polja za proveru greške.

Početak i kraj poruka se prepoznaju preko Frame start i Frame end karaktera ili signala. Ti signali zavise od tipa prenosa, što je objašnjeno u sledećem poglavlju.

Modbus konverzaciju uvek počinje master jedinica. Ona šalje poruku koja se zove master query i kojom se uobičajeno obraća jednoj slave jedinici. Jedna slave jedinica se prepoznaje na osnovu svoje adrese koja se slaže sa Device address poljem i sprema odgovor. Ostale neprozvane slave jedinice ne odgovaraju i ostaju sa izlazima u stanju visoke impedance. Odgovor može biti puna Modbus poruka, koja sadrži podatke koje master traži, a može bit ii samo prosta potvrda prijema (acknowledgement) u kojoj se sastoji od 1, 2 i 4 elemenata Modbus poruke (dakle, često master ne traži podatke, nego samo neku akciju). Šematski prikaz tipične Modbus komunikacije prikazan je na slici br.2.

Slika br.2 Dva tipična ciklusa tokom Modbus komunikacije. Master query (1) i potpun odgovor od slave jedinice (2a) , ili Master query (1) i samo potvrda prijema od strane slave jedinice (2b)

Osnovni modovi prenosa

Modbus konekcija se može izvršiti preko dva bazična moda za transmisiju i kodovanje poruke, ASCII i RTU. Modbus/ASCII šalje poruku koja se može čitati u ASCII formatu dok Modbus/RTU šalje poruku u binarnom formatu. Master i slave moraju da budu konfigurisani za isti mod prenosa.

Modbus/ASCII. Modbus/ASCII (American Standard Code for Information Interchange) šalje bajtove poruke kodirane u heksadecimalnom sistemu. Da bi jedan bajt sa mogućim brojnim opsegom od 0 do 255 heksadecimalno kodovao potrebna su dva ASCII hex karaktera ili dva nova bajta. Dozvoljeni karakteri su 0…9 i A…F i svaki se prenosi jednim bajtom (8) ili radi uštede vremena sa grupom od 7 bitova. Na primer karakter koji predstavlja broj ‘0’ je ASCII kodovan bajtom 48 ili 0x30, karakter ‘1’ se koduje i prenosi bajtom 0x31 , slovu ‘A’ odgovara bajt 65 ili 0x41 i tako dalje. Ako master zove slave na adresi 26, on šalje dvobajtno polje Device address ‘1’ ‘A’ = 0x31 0x41 = 00110001 01000001

Modbus/ASCII šalje duplo više bajtova nego što treba ali ima i prednosti. Pošto su za slanje svih polja dozvoljeni samo karakteri 0…9 i A…F za detekciju starta se koristi karakter ‘:’ dok se kraj poruke signalira karakterima ‘CR/LF’.

Modbus/RTU. Modbus/RTU (Remote terminal unit) šalje podatke u binarnom formatu, bajtove koji mogu primiti vrednost od 0-255. Svaki bajt informacije se šalje direktno, bez konverzije. Ako master zove slave na adresi 26, on salje jednobajtno polje Device address = 0x1A = 00011010

Modbus/RTU šalje duplo manje bajtova ali ima dodatan utrošak vremena radi sinhronizacije starta poruke. Pošto sada bajtovi poruke mogu poprimiti sve moguće brojne kombinacije, nije više moguće izdvojiti jednu od njih za start karakter. Zato se u RTU modu start može pokreniti uvek nakon tišine na iniju u trajanju od 3.5 karaktera. Stop poruke se takođe može detektovati preko tišine na liniju u trajanju od 3.5 karaktera. Ovo znači da mora postoja period neaktivnosti na liniju u trajanju od 3.5 karaktera. Svaki Modbud prijemnik u RTU modu čisti svoj prijemni bafer nakon tišine u trajanju od 1.5 karaktera i spreman je za novu poruku. On takođe smatra da je poruka gotova ako detektuje tišinu u trajanju od 1.5 karaktera.

Podrazumeva se da trajanje karaktera zavisi od podešene brzine prenosa jednog bita i broja bitova u tipičnom bajtu poruke. Modbus to ne specificira, nego koristi podešeno u korišćenim low level protokolima. Na primer , ako se koristi RS232 protokol za prenos jednog Modbus byte, sa podešenim jednim bitom parnosti, imamo 1 +8+1+1 bitova, što za brzinu prenosa 9600b/s dovodi do jednog karaktera u trajanju od 1.145 ms.

Tabela br.1

Tabela br.1 pokazuje da Modbus/ASCII poruka počinje sadrži samo hexadecimalne ASCII karaktere (time istu poruku čine više bajtova), počinje sa dodatnim ‘:’ karakterom, završava sa dodatnom carriage return/linefeed sekvencom i time je manje efikasna od RTU poruke koja šalje binarno kodovane podatke. Ali, kod Modbus/RTU poruke je važno da poruka bude poslata kontinualno bez pause u prenosu duže od 3.5 karaktera. Ako je to nemoguće ostvariti, mora se koristiti Modbus/ASCII transfer.

U oba osnovna tipa transfera master detektuje grešku u prenosu ako ne dobije odgovor od slave jedinice i detektuje timeout. Ukoliko slave detektuje grešku u pristigloj poruci (master query), on neće reagovati na nju a neće ni odgovoriti masteru čime indiretkno i njega obaveštava o grešci.

Oba osnovna tipa Modbus transfera ne zahtevaju otvaranje ili zatvaranje konekcije pre i posle slanja jedne ili više poruka.

Modbus/TCP je nova, treća vrsta Modbus transfera. Predstavlja varijantu Modbus/RTU transfera koja je prilagođena internet okruženju, i koja primenjuje TCP/IP protokol. Modbus/TCP koristi RTU binarni prenos sa TCP/IP detekcijom greške u poruci ili transferu. Modbus/TCP za razliku od ASCII i RTU protokol koji radi na osnovu konekcije. On dozvoljava više konekcija ka istoj ili više slave jedinica. U slučaju Modbus/TCP master mora da otvori i zatvari konekciju pre i posle slanja poruke.

Detekcija greške u Modbus poruci

Modbus uređaji testiraju tačnost primljene poruke pomoću error check polja. Ovo polje je jednobajtno u ASCII modu prenosa i dvobajtno u RTU modu prenosa. Prijemnik poredi vrednost toga polja sa vrednosti koju je on izračunao na osnovu prijmljenih bajtova i u slučaju razlike detektuje grešku prenosa i ne odgovara na poruku.

LRC detekcija u ASCII modu

U ASCII modu jedan bajt poruke je rezervisan za proveru greške. Ovaj bajt poruke nosi Longitudinal Redundancy Check (LRC) kod koji se:

Računa na predaji na osnovu poslatih bajtova i utiskuje u poruku.
Po prijemu poruke, isto se računa ali na osnovu primljenih bajtova
Prijemnik poredi ove dve LRC vrednosti i ako se slažu poruka je bez greške.

Procedura za LRC račun je ista i na predaji i na prijemu:

Saberi sve bajtove u poruci, ali bez start bajta ‘:’ i bez završnih CR/LF karaktera.
Bajtove sabiraj u 8-bitnoj aritmetici, prenos igorisati,
Napravi drugi komplement dobijenog broja (Oduzmi konačan broj od 0xFF (255) i dodaj 1 da bi se dobio njegov II komplement

CRC detekcija u RTU modu

U RTU modu su dva bajta poruke rezervisana za proveru greške. Ovo 16 –bitno polje se zove Cyclic Redundancy Check (CRC) i računa se na sledeći način (isto na prijemu i predaji):

16 -bitni registar se napuni jedinicama, crc =0xFFFF
Vrši se logička XOR operacija nad crc registrom i bajtom poruke,
Ukoliko je LSB = 1
a. Sadržaj crc registra se pomera za jedno mesto udesno
b. Nad sadržajem crc registra se opet vrši XOR ali sa nekim unapred definisanim brojem (npr. 0xA001)
Ukoliko je LSB = 0
a. Sadržaj crc registra se pomera za jedno mesto udesno
U najviši bit (MSB) se upisuje nula,
Operacije 2-5 se ponavljaju 8 puta, za svih 8 bitova jednog bajta
Zatim se sve to ponavlja 2-6 , za sve bajtove poruke i konačna crc se upisuje u 16-bitno polje.

Dalja objašnjejna termina i pojmova možete pronaći na sajtu Katedre za energetsku elektroniku i pretvarače, Fakultet tehničkih nauka u Novom Sadu.

The post Modbus komunikacioni protokol appeared first on Automatika.rs.