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.
Dokud byly sítě průmyslové automatizace pomalé a nekomplikované, nepotřebovaly žádné speciální komponenty. Například RS-232, RS-422/423 a RS-485 se často používaly pro fyzické vrstvy s podporou komerčních polovodičů. První protokoly byly tak jednoduché, že je bylo možno realizovat na 8-bitových mikroprocesorech, jako například 8051, Z80 nebo 6809.
Jakmile se rychlost zvýšila a protokoly se obohatily o nové funkce, začal být pro realizaci těchto sítí nutný speciální silikon. Jeho vývoj je nákladný (jedná se o neopakovatelné inženýrství, NRE) a protože jeho objemy jsou v porovnání s IT trhem malé, i jeho výroba je drahá.
První přístup k řešení tohoto problému představovala standardizace sítí průmyslové automatizace prostřednictvím normalizačních výborů nebo faktické zavedení norem zpřístupněním specifikací společným výborům výrobních seskupení. Teoreticky se předpokládalo, že pokud bude mnoho různých systémových dodavatelů používat stejné čipy, dojde k množstevním úsporám a snížení výrobních nákladů. Ale ono to prostě nefungovalo! Bylo příliš mnoho zdrojů čipů a příliš mnoho nezávislých návrhů čipů. Převládal syndrom NIH (není vymyšleno zde).
Jasným trendem je opustit myšlenku, že sítě průmyslové automatizace jsou jiné než IT sítě. Snahou je využívat běžné komerční komponenty a softwarově je přizpůsobit použitím v průmyslové automatizaci. Protože jasným vítězem na trhu IT se stal Ethernet, není žádným překvapením, že týž Ethernet je základem nejnovějšího vývoje v oblasti sítí průmyslové automatizace, alespoň na jejím nejvýkonnějším konci, kdy sítě s nejnižším výkonem mohou volně využívat spojovací senzory a akční členy jiných designů. Tyto sítě rovněž migrují a přibližují se v obou směrech k využívání komerčního silikonu. Některé méně výkonné sítě budou pravděpodobně využívat redukované verze výkonnějších sítí průmyslové automatizace, zatímco jiné budou využívat levný silikon vyvinutý pro jiná použití.
A konečně by mělo být zřejmé, že každá diskuse o sítích průmyslové automatizace musí uvažovat o viditelnosti softwaru horní vrstvy pro koncového uživatele.
Všechny síťové architektury jsou popsány v normách Mezinárodní normalizační organizace (ISO) a v základním referenčním modelu Otevřeného systému propojení (OSI). Tento model je znázorněn na obrázku 1 a dělí se na sedm částí. Použijeme-li pojem síťový protokol, hovoříme o náplni těchto vrstev. Koncový uživatel se stará jen o připojení k fyzické vrstvě (o dráty vycházející ze dna, nebo o vysokofrekvenční signály) a prvky a funkce, které má k dispozici na povrchu. Ano, tento protokol je důležitý, ale mnohem méně než nároky návrhářů sítí. Pokud jsou však prostřední vrstvy sítě odlišné, nemohou mezi sebou komunikovat bez vložené brány.
Všimněte si, že nad sedmi vrstvami ISO/OSI jsou ještě dvě další vrstvy. Vrstva pro vkládání a propojování objektů pro řízení procesů (OPC) přináší výhodu přizpůsobení síťových vrstev hostitelskému systému. Tak je pouze potřeba vytvořit vrstvu uživatele – klienta s vědomím, že bude používána společně se serverem používajícím kompatibilní OPC software. V případě OPC jsou detaily sítě účinně skryty pohledu zvenčí. Dále je třeba uvést, že existují i další metody izolace aplikační vrstvy sítě od softwaru uživatelské vrstvy s použitím jiných síťových technologií, které jsou zabudovány do uživatelské vrstvy, a které nevyužívají OPC. To je znázorněno přímým připojením uživatelské vrstvy na vršek soustavy komunikačního protokolu. Obvykle se to dělá proto, aby se dalo využít účinnosti připojení uživatelské vrstvy pro více deterministický přenos dat, než jaký umožňuje OPC.
A konečně obrázek 2 znázorňuje síťové propojení malým políčkem mezi klientem a serverem. Toto políčko představuje fyzickou síť, která je víc než jen drát a kabel. Velmi často jsou v ní i aktivní spínače a převodníky, které mají různé funkce, o nichž budeme mluvit dále při popisu jednotlivých sítí. Slovo kabel, které se často používá, zahrnuje metalické kabely a optická vlákna. Pojem kabel by měl také zahrnovat bezdrátová propojení, ale to by vyžadovalo použití oxymóronového slovního spojení bezdrátový kabel, což je výraz, který se již používá na telekomunikačním trhu, ale ještě nebyl zaveden v odvětví průmyslové automatizace.
Nyní si představíme generické typy sítí, které se používají v odvětví průmyslové automatizace.
Senzorové sítě
Na nejnižší úrovni síťových funkcí jsou senzorové sítě. Obecně jsou senzory na nejnižší úrovni hodnotového řetězce systému průmyslové automatizace a jsou navrhovány tak, aby nebyly drahé, protože řada senzorů a také akčních prvků je potřebná pro běžné aplikace.
Senzory poskytují řídícímu základní údaje, jako je údaj o přítomnosti objektu, nebo o fyzikální vlastnosti, jako je teplota. Jejich mechanismus se liší podle toho, jaká přesnost a spolehlivost je požadována.
Nejjednodušší senzor je elektromechanický limitní spínač používaný pro detekci přítomnosti objektu. Limitní spínače se například používají pro zjištění, že je na dopravníku krabice, která projíždí čtecí stanicí. Dále se používají s ovládacími ventily, kde zjišťují jejich plné otevření nebo zavření. Limitní spínače musí být elektricky napájeny (někdy se říká klidovým proudem), aby mohly zjišťovat rozepnutou/sepnutou polohu spínače. Při použití s PLC ovladačem každý limitní spínač obvykle potřebuje dva dráty na připojení ke vstupní a výstupní svorce digitální vstupní karty nebo modulu rozhraní, který je zasunut do štěrbiny multiplexu (nejčastěji označovaného jako dálková nebo bloková jednotka vstupů/výstupů). Existují také digitální svorkové moduly pro síťové vstupy a výstupy, na něž je připojeno vedení senzoru. Tyto digitální hodnoty jsou obvykle přenášeny do ovladače jako bitový vstup do registru.
Jinou technologií zjišťování polohy jsou fotobuňky a bezkontaktní detektory. Obě tyto technologie jsou trochu dražší než limitní spínače, i když neposkytují víc informací, než sepnutá či rozepnutá poloha vypínače. Neobsahují však pohyblivé součásti, a proto mívají obvykle delší životnost. Fotobuňky ke své funkci potřebují zdroj světelného paprsku a detektor, který je citlivý na světlo. Bezkontaktní snímače mohou být magnetické a pro detekci železa nebo oceli (magnetických objektů) nepotřebují samostatný zdroj napájení. Pokud je však objekt tvořen nemagnetickými materiály, jako je například papír, plast nebo hliník, používá se zdroj energie, který generuje indukční pole, a toto pole je pak modifikováno hmotou objektu, která díky tomu může být zjištěna.
Senzorové sítě snižují počet drátů potřebných pro zapojení limitního spínače, bezkontaktního snímače, solenoidu nebo fotobuňky k rozhraní vstupů a výstupů. Toho je dosahováno dvěma způsoby: (1) vložením síťového ovladače do vlastního senzoru nebo akčního členu, nebo (2) umístěním rozhraní vstupů a výstupů blízko senzoru, aby bylo propojení co nejkratší. Na trhu jsou produkty, které používají oba způsoby. Rozhraní vstupů a výstupů obvykle obsahuje 4 – 16 vstupních nebo výstupních svorek a je připojeno k ovladači typu PLC nebo jiného typu senzorovou sítí, která přenáší digitální data pro všechny svorky.
Senzorová síť vstupů a výstupů elektricky zjišťuje stav senzoru a převádí ho na nuly nebo jedničky vyjadřující stavy. Symbol stavu je pak přenášen sítí do koncového zařízení, které se nazývá skener, obvykle umístěný ve vzdálené sestavě vstupů a výstupů, v PLC ovladači nebo v počítači. Skener shromažďuje symboly stavu z každého uzlu sítě vstupů a výstupů do registru v zařízení. Každá senzorová síť má vlastní metodu mapování stavu senzoru na registry vstupů a výstupů. Rozlišujícím faktorem senzorových sítí je to, že senzor, akční člen a síťový uzel nedělají nic jiného, než že převádějí stav senzoru nebo akčního členu na symbol stavu nebo obráceně. Neexistuje žádné podmínění signálu ani jiný výpočet.
Většina senzorových sítí je navržena tak, aby přenášela klidový proud na snímače tak, aby jejich stav mohl být zjišťován bez nutnosti samostatného napájení každého jednotlivého zařízení. Ve většině případů je v síťovém uzlu vstupů nebo výstupů umístěn modul, který umožňuje umístění svorek více vstupů a výstupů, mezi něž budou rozloženy náklady na vytvoření a provoz uzlu. To je obvykle výhodné, protože snímače jsou často umístěny ve větším počtu na jednom kusu zařízení.
Některé senzorové sítě jsou propojeny řetězovou nebo vícebodovou topologií pro co největší omezení kabeláže v terénu. Jiné senzorové sítě jsou propojeny do hvězdy pro snížení latentních prodlev při přenosu dat.
Další sítě jsou zase propojeny do kruhu pro zvýšení spolehlivosti sítě.
Obrázek 3 ukazuje příklady těchto síťových topologií.
Bezdrátové senzorové sítě (WSN)
Většina nákladů na instalaci tvrdých síťových propojení je představována vlastními dráty. Instalace kabeláže v továrně je nákladná. Z toho přirozeně plyne potřeba minimalizovat počet kabelů použitím WSN. Přirozenou topologií WSN je mesh, jako ukazuje obrázek 3. Povšimněte si, že senzory v síťce slouží také jako komunikační uzly pro zařízení, která jsou mimo dosah vysokofrekvenčních vln, pro dosažení brány nebo hostitelského zařízení. Všimněte si také, že mezi kterýmikoliv dvěma zařízeními je možná i alternativní cesta. Toto jsou jen některé z výhod WSN.
Instalace WSN vyžaduje také náklady, které se netýkají kabeláže ani optických vláken. Schopnost vysílat a přijímat data prostřednictvím vysokofrekvenčního (bezdrátového) spojení nefunguje vždycky stejně jistě, jako tvrdé kabelové propojení. Přenos bezdrátových signálů může být dramaticky ovlivněn atmosférickými podmínkami, jako je déšť, mlha nebo sníh. Dalším problémem může být přítomnost oceli, která je ve výrobních závodech běžná. Když se vysokofrekvenční signál odrazí od ocelové plochy, musí projít delší cestu k vzdálenému zařízení, než kdyby se pohyboval přímo. Tomu se říká vícečetný signál a výsledkem je rozfázování signálu putujícího delší trasou vzhledem k přímému signálu, které vede ke zrušení signálu, které se nazývá utlumení. Instalace WSN musí zajistit, aby i vícečetný signál mohl být přijímán.
V příštím díle se blíže seznámíme se sítěmi Fieldbus a Control Networks.
