Vítejte, dnes je
úterý
03.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Implementace rozhraní průmyslového ethernetu znamená určité požadavky, kladené na hardware i software, zatímco zde také bude vyžadováno příslušné „know-how“. Díky novému řešení s modulem Renesas Stamp lze hardware i software správně integrovat, aniž budou v případě průmyslového ethernetu vyžadovány speciální znalosti protokolů.
Proč právě průmyslový ethernet?
Protokoly průmyslového ethernetu mají v oblasti tovární automatizace a souvisejících procesů pevně dané místo. PROFINET, Ethernet IP a EtherCAT jsou na trhu např. společně zastoupené hned ze 70 %. S průmyslovým ethernetem se rovněž pojí každoroční růst o 20 %, zatímco jeho podíl na trhu již výrazně překročil 50 %.
Obr. 1 Informační vs. provozní technologie
Ve srovnání s tradičními technologiemi fieldbus nabízí protokol založený na ethernetu následující výhody:
1) lepší výkon a rozšířené vlastnosti v reálném čase, a to i v případě většího objemu dat,
2) shodnou integraci do systémů IT,
3) použití známých a již existujících nástrojů pro diagnostiku.
Díky zavedení komunikačních protokolů založených na ethernetu v rámci vrstvy OT bude spojení mezi OT a IT z pohledu komunikace ještě jednodušší a veškerá data z provozních zařízení (vrstva OT) tak mohou být pro vrstvu IT k dispozici. Ačkoli je možné využít veškerá dostupná data z provozu, znamená to též nové otázky spojené s ethernetem a provozem v reálném čase, stejně jako se zabezpečením sítě.
Ethernetová komunikace v reálném čase musí být založena na standardu IEEE 802.1 a měla by pokrývat oblasti nastíněné na obr. 2 – v zásadě se jedná o různé části takového standardu (ASrev: Timing and Synchronization for Time-Sensitive applications in Bridged Local Area Networks, Qbu: Frame Preemption, Qbv: Scheduled Traffic, CB: Frame Replication and Elimination for Reliability, Qch: Cyclic Queuing and Forwarding, Qci: Per-Stream Filtering and Policing a Qcc: Stream Reservation Protocol).
Obr. 2 Standardy TSN
Významnou roli hraje v oblasti ethernetu rovněž jeho zabezpečení, protože veškeré klíčové součásti automatizovaného provozu jsou nyní propojené a dostupné prostřednictvím standardního ethernetu, podobně jako je tomu ve světě IT. Pokud jde o koncové uživatele, hlavní organizace, jako je NAMUR, se již s takovými záležitostmi ztotožnily a specifikovaly příslušné požadavky (např. NE-153, IEC 62443 nebo směrnice VDI/VDE 2182). V další části si popíšeme řešení, které bude všemu výše uvedenému odpovídat.
Oddělení aplikace a komunikace
Aby se daly výhody spojené s průmyslovým ethernetem rychle využít, hledají mnozí výrobci zařízení a také celých systémů způsoby, jak své produkty vybavit vhodným rozhraním. Problém však spočívá v tom, že k aplikaci sice mají potřebné know-how, ovšem s komunikačními protokoly to již bude horší. Dává proto smysl oddělit aplikační a komunikační technologie a vše spojit prostřednictvím jednoduchého obecného rozhraní. Vývojáři pracující na zařízení, resp. systému, se tak mohou zaměřit na tvorbu aplikace a nemusí přitom detailně řešit přenos dat.
Jedním takovým řešením se stává právě modul Renesas založený na RZ/N2L (modul Stamp). Zahrnuje zde totiž kompletní řešení speciálních požadavků průmyslového ethernetu (PROFINET, Ethernet IP a EtherCAT) s dual-port PHY. Kromě protokolů průmyslového ethernetu zde prvky RZ/N2L podporují veškeré současné bezpečnostní funkce, jako jsou pokročilé nakládání s klíči nebo fyzicky oddělené operace šifrování, a to díky jejich integrované šifrovací jednotce. Modul je možné osadit strojově a zapájet přetavením jako standardní SMD součástku. V rámci modulu jsou s ohledem na protokoly průmyslového ethernetu rovněž k dispozici nezbytné paměti (RAM, Flash), stejně jako zdroje napájení s různým napětím pro procesor a paměť.
Modul Renesas Stamp je navíc možné začít okamžitě využívat, protože softwarové licence jsou pro protocol stacky zahrnuty již přímo v ceně modulu. Ten pak lze připojit k jakémukoli stávajícímu MCU prostřednictvím jednoduchého rozhraní SPI.
Jednoduché softwarové rozhraní (API) umožňuje snadný přenos dat z aplikace do komunikačního rozhraní (vstupní data) nebo i v dalším směru (výstupní data). Softwarové rozhraní kromě toho nabízí následující funkce:
1) iniciaci protokolu průmyslového ethernetu a jeho struktur,
2) stažení firmwaru pro komunikaci, stejně jako aplikačního softwaru,
3) čtení souborů (log) pro účely diagnostiky a řešení potíží.
Příklady softwarové aplikace demonstrují funkce API a ukazují uživatelům, jak aktivovat protokoly průmyslového ethernetu. Vzorové projekty jsou dostupné a optimalizované pro MCU RX a RA od Renesas.
Obr. 3 Software a jeho struktura
Současné certifikace umožňující „plug & play“
Další obrovskou výhodou řešení s modulem Renesas Stamp je to, že vedle certifikací softwaru (protokolu) byl rovněž certifikován i hardware. Na rozdíl od softwaru lze výsledky těchto certifikačních testů využít pro finální koncový produkt. Vzhledem k tomu, že softwarová certifikace zahrnuje aplikaci, musí být řešena s finálním zařízením, včetně aplikačního softwaru.
K dispozici máme následující, a také nezbytné, hardwarové certifikace:
1) doklad o RoHS,
2) potvrzení REACH,
3) měření s ohledem na EMC.
Máme zde deklaraci Renesas, pokud jde o RoHS a REACH, která se zakládá na skutečnosti, že veškeré součásti a materiály, které jsou v modulu použité, byly testovány na shodu s evropskou směrnicí 2015/863/EU a kritérii REACH (č. 1907/2006) [1]. Abychom dále dosáhli shody CE, byl hardware modulu testován v akreditované laboratoři v souladu se standardy vyžadovanými z pohledu elektromagnetické kompatibility (EN 55011, EN 55024, EN 61000-4-2 / 3/4/5/6).
Veškeré zmíněné testy shody, které jsou již k dispozici, umožňují výrobcům zařízení zkrátit dobu vývoje a snížit i náklady, zatímco jim pro daný produkt zaručí rychlý vstup na trh. V době překotného vývoje půjde nepochybně o důležitá kritéria hovořící ve prospěch nasazení modulárního řešení.
Sada nástrojů i vzorový software pro rychlý a úspěšný vývoj
Renesas zde kromě toho nabízí i sadu zahrnující pro účely průmyslového ethernetu modul Stamp na vývojové desce – adaptéru obsahujícím standardizovaná rozhraní Arduino a Pmod, jejichž prostřednictvím se dokážeme připojit i k dalším vývojovým deskám pro MCU firmy Renesas, jako jsou RA či RX. Sada s ethernetovým modulem rovněž zahrnuje stručné pokyny, jak rychle začít s vývojem, nabídne USB kabel a stejně tak i odkazy na software, včetně dokumentace, ke stažení z webových stránek. Nástroj CODESYS (Windows) zase uživatelům umožní rychlou konfiguraci s nastavením parametrů pro PROFINET, EtherNet/IP a také EtherCAT plus čtení souborů (logů) za účelem řešení potíží a diagnostiky. Nástroj lze stáhnout přímo z domovské stránky CODESYS [2].
Obr. 4 Sada vývojových nástrojů
Kompletní softwarový balíček je včetně vzorového kódu a dokumentace k dispozici na webových stránkách Renesas v části ke stažení.
Obr. 5 Detailní pohled na vývojovou desku
Odkazy:
[1] Acknowledgement of Compliance with the European Regulation (EC) Registration, Evaluation, Authorization of Chemicals (REACH) č. 1907/2006, v platnosti od 1. června 2007,
