Síťová automatizace procesů - komunikační hierarchie

Stále častější používání protokolů založených na otevřené architektuře vedlo ke zdokonalení koncové bezproblémové konektivity se zvýšenou přesností a integritou.

Snímače, akční členy, spínače atd. na provozní úrovni jsou obvykle zapojeny do lokální sítě (LAN) a tyto signály jsou přiváděny do zařízení na řídicí úrovni (většinou PC se špičkovým řídicím a HMI softwarem) a zařízení na řídicí úrovni jsou propojena se zařízeními na úrovni řízení (PC s nástroji pro obchodní analýzu). Ve velkých organizacích jsou počítače na úrovni řízení součástí rozsáhlé sítě a jsou také připojeny k celosvětové internetové síti pro snadný přístup k údajům o zařízení z kterékoli části světa.
S rostoucí složitostí různých typů zařízení přítomných v průmyslové komunikační síti se protokoly založené na modelu OSI (Open System Interconnection) staly de facto standardem, který umožňuje spolehlivé spojení a komunikaci mezi libovolnou dvojicí automatizačních zařízení bez ohledu na výrobce. V případě technologie Fieldbus podporují všechna zařízení přítomná v provozu digitální komunikaci, a proto jsou řídicí zařízení, jako jsou PLC, DCS a další průmyslové digitální řídicí jednotky, také připojena k některé standardní datové sběrnici (MODBUS, Profibus, ControlNet atd.). Pro manažerské rozhodování se data z řídicí úrovně posílají do počítačů na manažerské úrovni, které jsou připojeny k vysokorychlostní datové sběrnici, jako je Profinet nebo Ethernet. Povaha dat i jejich velikost se na jednotlivých úrovních mění. Na nejnižší úrovni je nejdůležitější zpracování dat z různých procesních parametrů v reálném čase. Na úrovni řízení - v závislosti na dávkovém nebo spojitém řízení - se však vytváří akce. Kromě toho se pro vizualizaci stavu zařízení používá špičkový software HMI. Na úrovni řízení se využívají různé obchodní a finanční nástroje (software) pro krátkodobé i dlouhodobé plánování výroby. Je tedy zcela zřejmé, že různé vrstvy sítě procesní automatizace mají různé účely a požadavky a žádná jednotná komunikační síť nemůže splnit požadavky jednotlivých vrstev. Proto se na základě objemu dat, jejich povahy, funkčnosti, maximální doby odezvy a bezpečnosti používají pro různé vrstvy různé komunikační protokoly.

Výhody a vlastnosti sítě průmyslové automatizace

Moderní systém průmyslové automatizace nabízí řadu výhod při provozu zařízení, které jsou uvedeny níže:

• Poskytuje možnost globalizovat provoz prostřednictvím integrace řídicích systémů průmyslové automatizace s podnikovou sítí, čímž napomáhá strategickým obchodním rozhodnutím a poskytuje možnost využívat globální zdroje za účelem výstavby, údržby a provozu výrobních zařízení.
• Snižuje celkové náklady na vlastnictví díky využití otevřených síťových technologií, využití nástrojů řízení pro prediktivní údržbu, lepšímu využití aktiv závodu, optimalizaci řízení dodavatelského řetězce, zkrácení doby pro nasazení nových výrobků, analýzu tržních trendů a plánování budoucnosti atd.
• Pomáhá zvyšovat přesnost a opakovatelnost provozu závodu prostřednictvím automatizace namísto ruční práce. Pomáhá také snížit náklady na pracovní sílu a objem výroby lze také upravovat podle poptávky trhu.
• Důležitým faktorem souvisejícím s bezpečností závodu je uvolnění bezpečnostních otázek díky automatizaci strojů namísto ruční obsluhy v nebezpečném pracovním prostředí.

Navzdory těmto výhodám existuje několik důležitých vlastností, na nichž závisí úspěch automatizace:

• V případě drsného průmyslového prostředí z důvodu extrémní teploty, vlhkosti, vibrací, hluku, výbušné atmosféry, elektronického rušení atd. je volba vhodné automatizační techniky poměrně obtížná a finančně náročná.
• Další důležitou otázkou je propojení různých typů zařízení, která mají odlišný charakter. Kromě toho je další významnou oblastí zájmu při výběru automatizační techniky komunikace v reálném čase a deterministická komunikace.
• Návrh automatizační platformy s vyšší flexibilitou pro široké varianty výrobků je další oblastí zájmu při výběru vhodné technologie.
• Požadavek na velkou počáteční investici je dalším významným problémem a pro menší provoz s menším množstvím výroby nemusí být taková velká investice z dlouhodobého hlediska ekonomicky výhodná.
• Vzhledem k propojení sítě průmyslové automatizace s vnějším světem prostřednictvím internetu vždy existuje bezpečnostní hrozba, pokud nejsou přijata dostatečná ochranná opatření, což také vede k dalším investicím.

Součásti průmyslových sítí a topologie

Sítě průmyslové automatizace jsou obvykle rozprostřeny na rozsáhlém území zpracovatelského průmyslu. Musí komunikovat s velkým počtem uzlů (snímače, spínače, akční členy, zobrazovací zařízení atd.), které jsou od sebe značně vzdáleny. Navíc povaha signálu a požadovaná rychlost komunikace také nejsou pro všechny případy jednotné. Proto jsou pro jejich propojení prostřednictvím nějakého fyzického média (kabelového nebo bezdrátového) k dispozici různé možnosti v závislosti na aplikaci. V případě fyzické kabeláže je volba vhodného kabelu důležitým parametrem pro úspěšný návrh a prodlužuje bezproblémový výkon sítě. Volba kabelu opět závisí na přijaté topologii sítě. V mnoha případech je třeba komunikovat v různých sítích, a proto je zapotřebí další síťové vybavení. Různé síťové komponenty jsou následující:

Opakovač
Opakovač nebo zesilovač je zařízení, které zvyšuje sílu elektrických signálů, aby se mohly šířit na delší vzdálenosti mezi uzly. Pomocí tohoto zařízení lze do sítě připojit větší počet uzlů. Kromě toho lze vzájemně přizpůsobit různá fyzická média, například koaxiální kabel nebo optické vlákno.

Směrovač
Směrovač je určen pro připojení k síti, která se nachází v blízkosti sítě: Směrovač přepíná komunikační pakety mezi různými segmenty sítě definováním vhodné cesty.

Můstek (Bridge)
Most je spojení mezi dvěma různými síťovými úseky s odlišnými elektrickými vlastnostmi a protokoly. Most může spojit dvě odlišné sítě a aplikace mezi nimi mohou distribuovat informace.

Brána (Gateway)
Brána: podobně jako most zajišťuje interoperabilitu mezi sběrnicemi různých typů a protokolů a aplikace mohou komunikovat prostřednictvím brány.

Mapování uzlů v síti a fyzických spojení mezi nimi (tj. rozložení kabelů/kabeláže, umístění uzlů a propojení mezi uzly atd.) se nazývá topologie. Konkrétní topologie sítě je určena grafickým mapováním konfigurace pro fyzická spojení mezi uzly. Matematika topologie sítě vychází z teorie grafů. Vzdálenosti mezi uzly, fyzická propojení, přenosové rychlosti a/nebo typy signálů se mohou ve dvou sítích lišit, a přesto může být jejich topologie totožná. Různé topologie sítí jsou znázorněny na obrázku 2.

Kruhová topologie
V kruhové topologii je každý uzel připojen k síti v uzavřené smyčce nebo kruhu. Každý uzel má jedinečnou adresu, která slouží k jeho identifikaci. Signál prochází každým uzlem prstence v jednom směru, tj. dochází k jednosměrnému toku signálu. Kruhové topologie obvykle využívají schéma předávání tokenů, které se používá k řízení přístupu do sítě, kdy může v daném okamžiku sítí vysílat pouze jeden uzel. Ostatní uzly připojené ke kruhu fungují jako zesilovače nebo opakovače signálu. Primární nevýhodou kruhové topologie je, že výpadek jednoho uzlu (nebo bodu) způsobí, že přestane fungovat celá síť.

Point-to-point
Nejjednodušší topologie je trvalé spojení mezi dvěma uzly. Přepínané topologie bod-bod jsou základním modelem běžného monitorování polních přístrojů. Výhodou trvalé sítě typu bod-bod je zaručená komunikace mezi uzly.

Hvězda
V topologii hvězdy je každý hostitel (uzel) sítě připojen k centrálnímu uzlu. Veškerý provoz, který prochází sítí, prochází centrálním uzlem, který funguje jako zesilovač nebo opakovač signálu. Topologie hvězda je považována za jednu z nejjednodušších topologií pro návrh a implementaci, stejně jako se vyznačuje jednoduchostí přidávání dalších uzlů. Hlavní nevýhodou hvězdicové topologie je, že rozbočovač představuje jediný bod selhání, a pokud jsou uzly od sebe značně vzdáleny, pak jsou náklady na kabeláž vysoké.

Smíšená topologie (mesh)
Náklady na síť mesh jsou úměrné exponentu počtu účastníků (uzlů) za předpokladu, že komunikují skupiny libovolných dvou koncových bodů až po všechny koncové body včetně. Mesh může být plně nebo částečně propojený.

Strom
Ve stromové topologii je centrální "kořenový" uzel (nejvyšší úroveň hierarchie) připojen k jednomu nebo více dalším uzlům, které jsou v hierarchii o jednu úroveň níže (tj. druhá úroveň), zatímco každý z uzlů druhé úrovně je připojen o jednu úroveň níže v hierarchii (tj. třetí úroveň) atd. Každý uzel v síti má určitý pevný počet uzlů, které jsou k němu připojeny na další nižší úrovni v hierarchii, přičemž tento počet se označuje jako "faktor větvení" hierarchického stromu.

Sběrnice
Ve sběrnicové topologii je každý uzel připojen k jedné sběrnici (např. kabelu) prostřednictvím nějakého konektoru. Na každém konci kabelu je nutné zakončení, aby se zabránilo odrazu. Signál ze zdroje se šíří oběma směry do všech uzlů připojených ke sběrnici. Pokud se adresa uzlu neshoduje, uzel data ignoruje, pokud se shoduje, jsou data přijata. Protože topologie sběrnice sestává pouze z jednoho vodiče, je poměrně levná na realizaci, ale vyžaduje vysoké náklady na správu sítě. Protože se využívá pouze jeden kabel, dojde-li k jeho přerušení, celá síť je mimo provoz.

V praxi se obvykle používá hybridní typ topologie sítě, kdy se pro konfiguraci celé automatizační sítě používá více topologií. Běžným příkladem je kombinace stromové, hvězdicové a sběrnicové topologie pro distribuované snímání a řízení procesních parametrů.