Průmyslové komunikační sítě

Průmyslové komunikační systémy lze rozdělit podle typu řízení a typu systému do tří vrstev:

• Vrstva senzorů a akčních členů (Sensor/Aktor Bus) je vhodná pro komunikaci v reálném čase se senzory a akčními členy. Tyto sítě tvoří nejnižší úroveň řízení. Obvykle definují pouze 1. a 2. vrstvu modelu ISO/OSI. To poskytuje jednoduchou a ekonomickou technologii, kde jsou data a napájení přenášena na společném přenosovém médiu. Data při komunikaci jsou přenášena binárními signály. Přední představitelé této vrstvy mohou být: AS-Interface, Interbus, HART a další.
• Vrstva sběrnicových zařízení (Devicebus) se používá pro komunikaci na úrovni programovatelných automatů. Slouží k propojení I/O zařízení, ovládacích zařízení v reálném čase. Jedná se o vrstvu sítí s vyšší úrovní řízení. Definuje 1., 2. a 7. vrstvu modelu ISO/OSI. Používají delší rámce umožňující konfiguraci akčních členů a senzorů. Do této vrstvy můžeme zařadit například průmyslové sběrnice, jako jsou DeviceNet, Interbus, CAN a další. Norma IEC 61158/61784.
• Vrstva průmyslových komunikačních systémů (Fieldbus) stojí nejvýše v hierarchii průmyslových sítí. Většinou se jedná o multimaster sítě s redundancí (zdvojená přenosová linka). Umožňují provádět událostmi řízené služby, objektově orientované přenosy dat a proměnných atd. Tato vrstva může být reprezentována například sítěmi Profibus, P-Net, WorldFIP a další.

PROFIBUS

Průmyslová sběrnice PROFIBUS je v dnešní době jedna z nejrozšířenějších komunikačních standardů v oblasti průmyslové automatizace. Její název je odvozen z PROcess Field BUS. Profibus komunikace je zakotvena v mezinárodních normách IEC 61158 a IEC 61784.
Hlavní výhodou je výrobní flexibilita, nezávislost, otevřenost, stabilita a zabezpečená komunikace mezi zařízeními od různých výrobců. Profibus je postaven na základech otevřeného komunikačního protokolu ISO/OSI, která je určena pro všechny oblasti automatizace např. pro automatizaci výrobních linek, pro automatizaci v domácnosti, pro procesní automatizaci a pro řízení výroby, atd.
Standard Profibus využívá z referenčního modelu ISO/OSI pouze vrstvy 1, 2 a 7 - fyzickou, spojovou (linkovou) a aplikační.

Mezi základní úkoly vrstev patří:

• Fyzická vrstva – definuje přenosové médium, procesy kódování a vysílání/přijímání dat.
• Spojová vrstva – protokol přístupu ke sběrnicovému systému MAC (Medium Access Control).
• Aplikační vrstva – propojení sběrnice s procesem, aplikační programování určitých funkcí.

Profibus je specifikován evropskou normou EN 50170. V současné době definuje norma tři komunikační standardy:

• Datová komunikace:
  - Profibus – FMS (Fieldbus Message Specification) pro datovou komunikaci mezi PLC a field zařízeními.
• Procesní a field komunikace:
  - Profibus – DP (Decentralized Peripherals) pro rychlý cyklický přenos dat s field zařízeními (běžný průmysl).
  - Profibus – PA (Process Automation) používán v náročných prostředích v procesní automatizaci (nebezpečí výbuchu).

PROFINET

PROFINET je otevřený průmyslový standard, založený na standardu Ethernet (IEEE 802.3 tzn. Fast Ethernet 100Mbit/s) pro všechny oblasti výroby a automatizace procesů (průmyslovou automatizaci). Průmyslová síť Profinet byla vyvinuta mezinárodní organizací Profibus International (PI). Jeho vznik byl podmíněn na základě stále silnější potřeby využití informačních technologií (IT) pro automatizaci, založené na standardech Ethernetu. Tato integrace výrazně zlepšuje komunikační nastavení mezi automatizačním systémem, rozsáhlou konfigurací, diagnostickými možnostmi a širokými možnostmi síťových služeb. Je orientovaným následníkem sběrnicových a komunikačních systémů Profibus a průmyslový Ethernet. Spojuje zkušenosti s používáním úspěšné průmyslové sběrnice Profibus a průmyslový Ethernet jako komunikační sběrnice pro vyšší úrovně řídicích systémů a úrovní manažerských systémů s přenosy větších datových objemů. PROFINET je standardizován normami IEC 61158 a IEC 61784.

Profinet je dostupným ve dvou provedeních Profinet CBA a Profinet IO:

• Profinet CBA – pro modulární konstrukce provozů (technologických zařízení), založený na komponentech (technologických modulech) s definovaným rozhraním.
• Profinet IO – určený pro integraci distribuovaných periferií (vstupů a výstupů).

Mezinárodní norma ISO/IEC 11801 a jeho evropský ekvivalent EN 50173 definuje aplikační neutrální standard pro připojení do sítě. Instalace sítě Profinet IO má specifické požadavky na standard Ethernet v průmyslovém prostředí, jedná se o:

• Instalace speciálních kabelů;
• jednotlivé připojení do sítě pro každý stroj/podnik;
• rozdělená síťová struktura;
• náročná, průmyslová kompatibilita kabelů, návrh zástrček pro zvláštní EMC připojení, odolnost vůči teplotě, prachu nebo vibracím.

AS – Interface (AS-i)

Standard As-Interface (Actuator Sensor Interface) je řešení pro nejnižší úroveň provozu automatizace. Nejnižší vrstva hierarchie sběrnicového systému podle doporučení IEC 62026. Tento systém umožňuje připojení jednoduchých senzorů a akčních členů od různých výrobců do sítě pomocí jediné sériové linky. Struktura sítě je otevřená pro ostatní nadřazené úrovně. Firma Siemens podporuje rozvoj tohoto standardu a také má nejširší nabídku produktů s tímto rozhraním.
Sběrnice AS-Interface je sítí typu master-multislave, tzn. k síti je připojeno jediné zařízení typu Master a ostatní jsou typu Slave. V původní verzi sběrnice AS-Interface 1.0, která vznikla počátkem devadesátých let, je možno připojit až 31 zařízení typu Slave. V roce 1998 byla navržena specifikace AS-Interface 2.1, která množství připojených zařízení typu Slave rozšířila na počet 62. V současnosti jsou na trhu zařízení, která podporují jak starší specifikaci verze 1.0, tak i novější verzi 2.1. Další mezník pro sběrnici nastal v roce 2001 kdy byla vytvořena další verze AS-Interface s bezpečnostními prvky podle normy EN 954-1 (kat.4) a bezpečnostní podpora SIL3 dle IEC 61508. V roce 2004 byla vytvořena nová verze standardu verze 3.0, která rozšiřuje možnosti dané sběrnice o přenos 16-ti bitových dat jak ve více, tak i v jediném cyklu na úkor snížení možného počtu
Slave zařízení na síti.
AS-interface je vysoce účinná síťová alternativa k instalaci field zařízení. Je kompatibilní pro fieldbus sítě jako jsou Profibus, DeviceNet, Interbus a průmyslový Ethernet. As-Interface je schopen propojit různorodé komponenty. Jako např. PLC, PC, gateway, napájení, senzory, akční členy, I/O moduly, bezpečnostní moduly atd.
Důležitým rysem je přenos jak komunikačních dat tak i napájení po jediném kabelu. Další výhodou je neomezenost jakékoli topologie sběrnice (sběrnice, hvězda, kruh, strom a jejich kombinace). Na koncích vedení není nutnost zajistit terminátory.

Hlavní charakteristické znaky lze shrnout do několika bodů:

• nekroucená nestíněná dvouvodičová sběrnice s libovolnou topologií;
• přenos dat a napájení po jediném vedení;
• délku vedení maximálně 100 m, při použití opakovačů 300 m;
• maximálně 31 Slave stanic pro verzi 1.0 (62 pro verzi 2.0);
• počet I/O - slave má 4 binární vstupy a výstupy,
• pro verzi 1.0 - 124 binárních vstupů a 124 binárních výstupů;
• pro verzi 2.1 - 248 vstupů a 186 výstupů;
• pro verzi 3.0 - 248 vstupů a 248 výstupů;
• řízení komunikace na principu Master /Slave;
• kódování dat kódem Manchester;
• zabezpečení telegramu paritou;
• vysoká rychlost komunikace (cykl sběrnice kratší než 5 ms);
• velmi jednoduchá instalace.

DeviceNet

DeviceNet je standardní otevřená síť, přístupná všem výrobcům automatizační techniky pro připojení do systému, která umožňuje přenos dat na nejnižší úrovni řízení-snímačů a akčních členů. Výrobci automatizační techniky nemusejí kupovat hardware ani software nebo licenční práva na napojení do řídicího systému.
DeviceNet je založen na komunikačním protokolu Controller Area Network (CAN), který byl původně vyvinut pro evropský automobilový průmysl. CAN síť má vysokou odolnost proti rušení a integrované obvody jsou dostupné u mnoha celosvětových výrobců (Philips, Motorola, Intel, NEC, Siemens, atd.). DeviceNet byla navržena firmou Allen-Bradley (dnes Rockwell Automation), a v současné době je používána téměř stovkou firem vyrábějících snímače a akční členy.

Použitím DeviceNet získáte:

• cenově příznivé řešení pro připojení jednotlivých zařízení na síť;
• přístup k inteligentním zařízením od mnoha dodavatelů;
• přenos dat s volitelnou rychlostí 125, 250 nebo 500 kb/s;
• volitelná maximální velikost sítě „end-to-end network distance" v rozsahu 100 až 500 m;
• možnost volby galvanicky odděleného nebo neodděleného fyzického rozhraní;
• možnost napájení jednotek po sběrnici;
• datové pakety s volitelnou délkou 0 až 8 bitů;
• protokol pro vytváření rámců z větších bloků dat;
• komunikační schopnost Multi-Master a Master-Slave nebo peer-to-peer s možností Multi-Cast přenosu;
• využití standardu CAN na 2. vrstvě OSI modelu;
• použití standardu CIP na 5. a vyšších vrstvách.

INTERBUS

Otevřená standardizovaná průmyslová sběrnice, která slouží k propojení I/O zařízení a průmyslových field zařízení v řídicím systému. Používá se sériový přenos po dvouvodičovém vedení pro spojení senzorů a akčních členů, řídící zařízení a systémové části.
Otevřený systém pro průmyslovou sběrnici Interbus byl vyvinut firmou Phoenix Contact. Rozšířila se a stala se standardem v mnoha odvětví průmyslu.
Interbus je součástí mezinárodních norem IEC 61158 a EN 50254. V současné době patří do organizace Interbus Club, která sdružuje až 600 firem.
Topologie Interbusu je ring systém, což znamená síť s kruhovou topologií. Každý aktivní systém připojený k sběrnici je začleněn do jedné uzavřené přenosové smyčky. Hlavní kruh může obsahovat větve nižší úrovně (odbočky). Počet úrovní je omezen na 16. Tato topologická struktura se nazývá otevřený strom. Díky tomu je sběrnice velmi flexibilní a snadno přizpůsobitelná ke změně topologie. Na sběrnici může být připojeno až 512 zařízení s 4096 I/O body. Každé zařízení přijímá signál, který zesílí a pošle ho dalšímu zařízení v síti. To nám zabezpečuje vyšší přenosovou rychlost na delší vzdálenosti. Celková délka sběrnice se pohybuje až do 13 km. Informace o struktuře sběrnice je uložena jen v komunikačním procesoru, a tak není zapotřebí fyzicky adresovat jednotlivé účastníky. Kompletní adresace se provádí při konfiguraci komunikačního procesoru z PC pomocí konfiguračního nástroje CMD.
Struktura je postavena na základech principu komunikace Master/Slave. Hlavní větev sběrnice je typu Master, která propojuje všechny Slave jednotky a také je řídí. Poslední zařízení Slave automaticky uzavírá celou síť. Tím pádem nejsou potřeba zakončovací odpory (terminátory), jak je obvyklé u sítí sběrnicového typu.
Pro připojení distribuovaných vstupů a výstupů lze použít I/O sběrnici Interbus Loop. Dvoužílový kabel této sběrnice současně přenáší data ia zároveň napájí připojená zařízení Loop.

Hlavní fyzické parametry sítě Interbus:

• topologie: aktivní kruh;
• typ komunikace Master/Slave;
• přenosová rychlost 500 kbit/s;
• 512 zařízení typu Slave s 4096 I/O body;
• maximální délka sítě: 13 km;
• maximální délka mezi sousedními jednotkami: 400m (pro měděné vodiče) nebo až 3600m (pro optická vlákna).

CAN

Controller Area Network (CAN) je sériový multiplexový datový komunikační protokol, původně navržený firmou Robert Bosch GmbH pro automobilový průmysl. Protokol byl navržen, aby umožňoval distribuované řízení systémů v reálném čase s přenosovou rychlostí až do 1Mbit/s a s vysokým stupněm zabezpečení. Vzhledem k nízké ceně provozu, snadné rozšířitelnosti, vysoké spolehlivosti a odolnosti při extrémních podmínkách jako je teplota, rušení a vibrace, se protokol CAN rozšířil i do dalších průmyslových oblastí.
Síť má sloužit především pro komunikaci mezi přístroji a zdroji informací a automobilní technice v reálném čase.
CAN protokol byl standardizován v roce 1993 jako ISO 11898 (ČSN EN 50325) pod označením CAN 2.0A, která popisuje pouze fyzickou a linkovou vrstvu protokolu CAN podle referenčního modelu ISO /OSI. Později byla vyvinuta specifikace CAN 2.0B, která rozšiřuje 11 bitové adresy koncových zařízení (standart format) kompatibilním 29 bitovým adresovým formátem (extended format). Aplikační vrstva protokolu CAN je definována několika vzájemně nekompatibilními standardy CAL/CAN (Application Layer,CANopen), DeviceNet a CAN Kingdom. Pro zajištění kompatibility nasazení sběrnice CAN byly definovány následující funkční vrstvy:

• CAN vrstva objektů;
• CAN transportní vrstva;
• fyzická vrstva.

Ve spojové vrstvě referenčního modelu ISO/OSI jsou zahrnuty všechny služby a funkce vrstvy objektů a transportní vrstvy.

Rozsah objektové vrstvy zahrnuje:

• Nalezení zprávy, která má být přenesena;
• rozhodnutí, která přijatá zpráva transportní vrstvou se ve skutečnosti použije;
• poskytnutí rozhraní k aplikační vrstvě.

CAN vrstva objektů a transportní vrstva zahrnují všechny služby a funkce spojové vrstvy referenčního modelu ISO/OSI. Hlavní tendencí vrstvy objektů je zajištění kompatibility s HW, který zajišťuje aplikační vrstva a zaručení toku prioritních dat s jejich vyhledáváním v reálném čase. Úkoly transportní vrstvy spočívají v zajištění přenosu s minimalizací a signalizací chyb, kontroly naplnění přenosových rámců, provedení arbitrážní procedury mezi vysílačem a přijímačem dat, adresování koncových zařízení, řízení kolizních situací, zajištění bitové a rámcové synchronizace, a další.
Sběrnice CAN je navržena distribuovanému systému řízení v reálném čase s přenosovou rychlostí do 1Mbit/s, a s velkým stupněm zabezpečení přenosu proti chybám. Protokol CAN je typu multimaster, což znamená, že každý uzel v síti může být master a řídit tak chování jiných uzlů. Tento typ řízení umožňuje jednodušší řízení a zvyšuje spolehlivost. Jestliže dojde k poruše jednoho uzlu v síti, funkčnost celé sítě není nijak omezena, přenese se jen zpráva s nejvyšší prioritou. Řízení přístupu k médiu je postaveno na náhodném přidělování, které řeší kolize na základě prioritního rozhodování. Komunikace mezi dvěma uzly na síti je realizována pomocí následujících zpráv:

• Datová zpráva (data frame transmission),
• Žádost o data (remote transmission request, RTR),
• Síťová zpráva (signalizace chyb a pozastavení komunikace), zajišťují dvě speciální zprávy (chybové zprávy a zprávy o přetížení).

Zprávy vysílané po sběrnici neobsahují žádné údaje o tom, komu jsou určeny a jsou přijímány všemi uzly na sběrnici. Tyto uzly se poznají podle identifikátoru, který uvozuje zprávu, její význam a prioritu. Pomocí identifikátoru zabezpečujeme, že uzel pomocí tzv. Acceptance Filteringu přijímá pouze jemu určené zprávy.