Dříve se myslelo, že sítě průmyslové automatizace jsou odlišné od sítí, jaké se používají v informační technologii. První sítě průmyslové automatizace vlastně nebyly ani považovány za sítě, ale spíše za sériové sběrnice.
Z těchto úvah vychází také pojem pro komunikační protokol pro průmyslovou automatizaci fieldbus. Přirozeně každá síť byla navržena pro řešení jednoho problému, a pak byla rozšiřována pro řešení dalších, snad souvisejících problémů. Protože obchodní model každého dodavatele byl zaměřen na trochu jinou obchodní oblast, výsledné sběrnice se od sebe dost lišily. V tomto díle se blíže zaměříme na sítě pro bezpečnostní prvky a dále na protokoly uživatelských vrstev.
Bezpečnostní sběrnice
Když byly pomocí drátů na stroje, čerpadla, motory a další zařízení připojeny bezpečnostní prvky, propojení, nouzové vypínače a alarmy, věděli jsme, že budou fungovat. Ale jakmile jsou tyto vypínací systémy připojeny přes síť senzorů nebo terénní sběrnici fieldbus, nemáme už zaručeno, že změna stavu spínače aktivuje bezpečnostní prvek v případě prodlevy nebo přerušení síťového spojení. Tím vzniká nový požadavek – bezpečnostní sběrnice musí být nejen deterministické, dostatečně rychlé a spolehlivé, ale musí také umožňovat potvrzující úkon, který naznačí, když uzel bezpečnostní sběrnice nekomunikuje. Jen tehdy můžeme používat bezpečnostní prvky v senzorových a sběrnicových sítích.
Pro detekci nebezpečí, uzamčení a odstavení lze použít jakoukoliv senzorovou nebo sběrnicovou síť, pokud má způsob, jak rychle zjistit poruchu sítě nebo uzlu, k němuž je připojen ochranný senzor nebo akční člen. Rychle v tomto kontextu znamená dostatečně rychle pro zajištění bezpečnosti. I když drátem připojené bezpečnostní prvky mohou být považovány za reagující okamžitě, pro bezpečnostní sběrnici lze definovat přiměřenou časovou prodlevu mezi aktivací poplašného signálu a úkonu bezpečnostního prvku. Jakékoliv selhání sítě nebo uzlu s připojeným bezpečnostním prvkem by pak mělo způsobit okamžitou aktivaci stejného zabezpečovacího mechanismu jako v případě příjmu signálu od ochranného senzoru, pro zajištění bezpečnosti v případě poruchy (fail-safe). Tento fail-safe mechanismus musí být zabudován v akčním členu, ne v příkazu vysílaného sítí.
…bezpečnostní sběrnice musí být nejen deterministické, dostatečně rychlé a spolehlivé, ale musí také umožňovat potvrzující úkon, který naznačí, když uzel bezpečnostní sběrnice nekomunikuje.
Funkce bezpečnostní sběrnice je často zaměňována s vysoce spolehlivými sítěmi, jejichž spolehlivosti se dosahuje redundantními cestami a síťovými uzly. Slovo redundantní v síťovém kontextu znamená existenci dvou nebo více cest mezi zařízením vysílajícím sdělení a jeho příjemcem. Existuje mnoho způsobů, jak dosáhnout síťové redundance, jsou to například duální redundance, dvousměrná kruhová topologie, odolné kruhové struktury a sítinová architektura sítě. Všechny je nalezneme v sítích průmyslové automatizace, ale samotná vysoká spolehlivost ještě neznamená, že je síť vhodná pro bezpečnostní zařízení. Stejně tak bezpečnostní sběrnice nemusí být vysoce spolehlivé; stačí, aby zvládly příslušnou rozpojovací bezpečnostní funkci zajistit i v případě své poruchy (fail-safe). Pokud je pro zajištění bezpečnosti použita redundantní síť, je prostě jen málo pravděpodobné, že by selhání sítě vedlo ke spuštění bezpečnostního prvku.
Protokoly uživatelské vrstvy
Vršek sedmivrstvé komunikační struktury ISO/OSI podle obrázku 3-1 se nazývá aplikační vrstva, která slouží k tomu, aby byly všechny síťové služby dostupné programátorovi aplikací. Další vrstvy nad aplikační vrstvou se obvykle nazývají uživatelské vrstvy, jejichž funkcí je usnadnění přístupu k síťovým službám, které nejčastěji potřebuje určitá skupina uživatelů.
Všechny oblíbené sběrnice fieldbus a ovládací sítě nabízejí uživatelskou vrstvu svým zamýšleným uživatelům, ale senzorové sítě jsou natolik jednoduché, že uživatelská vrstva není vždy požadována a ani není potřeba. Uživatelské vrstvy dostaly tento název, protože nebyly pojmenovány v ISO návrhu sedmivrstvé struktury OSI. I uživatelská vrstva sama se může skládat z několika vrstev. Typická síť průmyslové automatizace využívá pro vlastní aplikace dvě různé uživatelské vrstvy: jednu pro účinnou cyklickou akvizici dat a přenosy řídících dat a druhou pro přenos informačních dat pro displej obsluhy a interakci obsluhy se zařízením. Uživatelské vrstvy se sestavují i pro některé vertikální průmyslové aplikace.
Sběr dat a řízení v reálném čase
Sběr dat pro účely řízení v reálném čase zpravidla využívá deterministickou síťovou architekturu jako je Modbus, FOUNDATION Fieldbus, PROFIBUS nebo CIP (běžná pro DeviceNet, ControlNet a průmyslový protokol Ethernet Industrial Protocol neboli EtherNet/IP). Tyto sítě ve většině případů využívají služeb odpovídající síťové aplikační vrstvy pro přístup k datům ze základní sítě. Využívání vrstev reálného času obvykle vyžaduje, aby software používaný pro samotnou aplikaci dobře znal uživatelskou vrstvu, na které je závislý.
Senzory a akční prvky používané pro diskrétní ovládání jsou zakončeny v multiplexu PLC nebo vzdálené jednotky I/O. Pojem multiplex je zde použit genericky a znamená elektronické zařízení snímající stav nebo polohu vstupního senzoru nebo měnící stav akčního prvku. Stavy vstupů a výstupů se objevují v multiplexu ve formě záznamu nebo slova o 16 binárních bitech, kde každý bit představuje vstup nebo výstup (I/O). Podobně řízení procesu závisí na údajích senzoru, které jsou shromážděny v multiplexu a odeslány po síti do ovladačů procesu. Výsledné hodnoty jsou pak odeslány do akčních členů.
Úlohou sítě reálného času je přenášet stavová slova do PLC nebo data ze senzoru do ovladače procesu dost rychle na to, aby ten mohl dokončit svoje skenování a kontrolní cyklus a výstupní stavové slovo nebo hodnoty odeslat zpět do vzdálených registrů I/O nebo akčních členů procesu, to vše v určeném čase, kterému se obvykle říká doba cyklu nebo doba skenování.
Všechny senzorové sítě dokážou splňovat požadavky na sběr dat a řízení procesu v reálném čase podle časování své sítě a počtu I/O, které mají sledovat. Typickou jednotkou měření této doby jsou milisekundy. Fungování senzorové sítě není téměř ničím narušováno.
Také sběrnice fieldbus splňují požadavky na sběr dat v reálném čase, pokud je definice tohoto reálného času shodná s časováním kontrolního cyklu a sítě a odpovídá počtu sledovaných I/O. Avšak sběrnice fieldbus musí být konfigurovány tak, aby PLC nebo ovladač procesu mohl regulovat síťový přístup a zajistit, aby všechny skenovací a kontrolní cykly byly provedeny v určené době, obvykle měřené na desítky milisekund. To je požadavek na deterministický přenos dat, který nemohou splňovat neřízené sítě, jako jsou sítě pro přístup k informacím.
Také všechny ovládací sítě splňují požadavky na sběr dat a řízení procesu v reálném čase, ale časování je obvykle mnohem volnější než v případě sběrnicové nebo senzorové sítě a měří se v sekundách. Rozdíl obvykle spočívá v protokolu sběrnice fieldbus, který má svou časovou synchronizaci ve vrstvě 2 (data link) sítě, na rozdíl od ovládacích sítí, které dosahují časování na vrstvách 3 a 4 (síťová a přenosová vrstva) sítě.
