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 Fieldbus a Control Networks.
Sítě typu fieldbus - sběrnice pole
Původní sběrnice typu fieldbus byla normalizována podle norem ISA pod označením ANSI/ISA-50.02 poprvé v roce 1992 a konečná specifikace byla publikována v roce 1998. Verze této normy pro řízení procesů byla použita jako základ specifikace H1 nadací Fieldbus Foundation (nyní skupina FieldComm Group). Po předložení organizaci IEC pro účely mezinárodní normalizace vznikly velké spory a debaty, které nakonec vedly k zařazení sedmi dalších síťových architektur do její normy IEC 61158, která poprvé vyšla v roce 2000.
Tato norma IEC definuje pojem fieldbus. V tomto dokumentu zahrnuje fieldbus všechny průmyslové sítě, které jsou určeny k instalaci ve výrobních závodech nebo v dílnách a jsou vybaveny distribuovanou programovatelnou inteligencí v každém síťovém uzlu. Proto tato klasifikace zahrnuje i všechny sítě dříve označované jako sběrnice zařízení.
Často je nutno měřit polohu objektu přesněji, než jen zda je přítomen nebo nepřítomen. Nejjednodušším zařízením na měření polohy je Lineární proměnný diferenciální transformátor (LVDT), nebo v případě rotačního pohybu Rotační proměnný diferenciální transformátor (RVDT). Jedná se o transformátory, které po přivedení klidového střídavého proudu měří přesně pohyb jako proměnný odpor v poměru k poloze. Odpor je následně převeden na digitální hodnotu pro použití regulátorem. PLC obvykle uvádějí tyto hodnoty jako výstup konvertoru analogového signálu na digitální (A/D), který je umístěn v registru. Pro podobné měření polohy nebo rotačního pohybu se používají i další zařízení, jako jsou synchronizátory a dekodéry. Optické kodéry uvádějí rotační polohu jako digitální signál na základě kódovacího kola, které rotuje s hřídelí nástroje.
Proměnné jako teplota, tlak, průtok, hladina, proud, napětí a pH se měří analogovými nástroji. Pro tato měření se stále používá pojem analogová, protože představují skalární hodnotu, přestože použitý mechanismus může být čistě digitální. Výstupem takového měření je digitální hodnota, které se na závěr převádí na technické jednotky. Zařízení, která měří tyto proměnné, jsou mnohem složitější než pouhé digitální diskrétní body, a často potřebují mnoho parametrů pro provádění třídění a filtrování surových měření. To vede k požadavku na dvousměrnou komunikaci s těmito senzory.
Pro tyto inteligentní senzory byly navrženy terénní sběrnice FOUNDATION™ Fieldbus a PROFIBUS-PA. Kromě toho řada sítí původně určených pro přenos binárních dat diskrétních senzorů může být upravena pro přenos skalárních hodnot ze skalárních senzorů do skalárních akčních členů.
Jistě je potřeba jiná síť na přenos digitálních dat diskrétních senzorů a jiná na výměnu parametrických skalárních dat s inteligentními analogovými senzory. Právě na to byly vytvořeny terénní sběrnicové sítě. Pojem terénní sběrnice, fieldbus, se používá tehdy, když je v síťovém uzlu umístěno programovatelné zařízení (mikroprocesor) a existuje kapacita na jeho řízení programy nebo načtenými konfiguračními daty (nebo obojím). I když programy mohou být trvale uloženy v paměti ROM, lze je pro účely použití také načíst a uložit v zařízení. Také data pro zpracování a možná řízení signálu (konfigurace) se načítají z hostitelského počítače. Datové sady jsou pak přenášeny do hostitelského počítače na vyžádání, podle stanoveného rozvrhu nebo při vzniku výjimky. Komunikace s inteligentním senzorem je skutečnou výměnou dat mezi dvěma počítači po informační síti, která se nazývá terénní sběrnice, fieldbus.
Informace z inteligentního senzoru jsou obvykle přenášeny formou současně získaných datových sad, kterým se říká atomické datové sady. Důležitá je současnost, které nelze dosáhnout po sobě jdoucími dotazy. Časová synchronizace je také důležitá pro dynamické řízení a nelze jí dosáhnout bez synchronizované sítě. Dynamické řízení, jako je PID (proporcionální, integrovaný, derivativní) algoritmus používaný při řízení procesů, polohování, v robotice, polohování kostry letadla a řízení pohybu, vychází z atomických datových sad samplovaných v přesných totožných časových intervalech.
Řada senzorů nebo vysílačů používaných pro řízení procesů potřebuje pro provoz elektrickou energii. Ta byla dříve dodávána analogovými spoji 4–20 mA a teď musí přicházet přes sběrnicovou síť fieldbus nebo z jiného napájecího zdroje. Polní instrumentace pro řízení procesu musí být často instalována v prostorách s potenciálem tvorby hořlavých plynů nebo prachu. Tyto prostory jsou podle Národního elektrického kodexu (NEC), NFPA-70, paragraf 500, klasifikovány jako nebezpečné. I když je polní instrumentace instalována v pouzdrech odolných proti výbuchu nebo plněných inertním plynem, elektrická energie přenášená kabelem sběrnice fieldbus může představovat riziko, pokud se kabel náhodně poškodí, pokud nebudou přijata opatření na omezení elektrické energie vnitřními bezpečnostními prvky, které se nazývají bariéry. Vnitřní ochranné bariéry instalované na kabelu sběrnice fieldbus omezují průtok elektrického proudu pro prevenci jiskření tam, kde může dojít k zapálení hořlavého plynu, výparu nebo směsi prachu. Některé způsoby přenosu dat jsou považovány za vnitřně bezpečné, jsou to například bezdrátové, pneumatické senzory nebo optická vlákna napájená LED zdroji, nikoliv laserem. Protože sběrnice typu fieldbus určené pro řízení procesů měly nahradit 4–20 mA sítě, které přenášely signál a napájení vnitřně bezpečnými dvoudrátovými nástrojovými kabely, musely si také vystačit s pouhými dvěma vodiči v podobném typu kabelu. Napájení terénních senzorů, které je vnitřně bezpečné, je jeden z nejobtížněji splnitelných požadavků na některé sběrnice fieldbus.
Zatímco tvrdě propojené senzorové sítě dodávají nasnímané údaje a napájení do jednoduchých zařízení, která propojují, sběrnice fieldbus určené k připojování diskrétních vstupů a výstupů I/O potřebují lépe řízené napájení pro své mikroprocesory v síťových uzlech, i lépe řízenou energii pro snímání. Řada z jejich umístění v průmyslových procesech také vyžaduje vnitřní bezpečnostní charakteristiky, zatímco použití ve výrobě součástí, balírnách a na montážních linkách obvykle vnitřně bezpečný design nevyžadují.
Navíc přestože malý počet senzorů a jimi řízených ovladačů může být seskupen na jednom místě, většina sběrnic určených pro řízení výrobních a montážních linek musí tyto prvky propojovat po celém stroji nebo lince, která může být velmi dlouhá. Počet senzorů I/O a regulátorů pro výrobu součástí, balení a manipulaci s materiálem může být velmi vysoký a vede k využívání multiplexních uzlů propojujících na jednom místě sítě řadu vstupů a výstupů I/O.
Použití bezdrátových propojení pro akvizici dat procesu a jeho řízení již začalo některými nestandardními nebo chráněnými vynálezy. Bezdrátové zařízení ISA100 (ANSI/ISA-100.11a-2011, IEC 62734 u nás zavedena jako norma ČSN EN 62734) je norma vytvořená pro aplikace řízení procesů a je již používáno na řadě míst. Bezdrátový vzdálený adresovatelný převodník WirelessHART (Highway Addressable Remote Transducer, IEC 62591 u nás zavedena jako norma ČSN EN 62591 ed. 2) je k dispozici od roku 2009 a používá se v řadě aplikací pro monitorování procesů.
Normy pro bezdrátové senzorové sítě ve výrobě součástí jsou předmětem velkého zájmu a podobná zařízení již byla vyrobena, ale používají se od roku 2015 v soukromých sítích.
Control Networks - ovládací sítě
Ovládací sítě jsou určeny k propojování ovládacích systémů, aby sloužily jako cesta pro připojování sběrnic fieldbus k ovládacím systémům, a pro propojení ovládacích systémů s podnikovými systémy. Protože těmito sítěmi mohou procházet velké objemy dat a délky sdělení jsou větší, měly by být také přenosové rychlosti vyšší než ve sběrnicových sítích fieldbus. Ale protože mohou být používány i k přenosu kritických dat mezi ovladači, u nichž rozhoduje čas, musí být ovládací sítě také deterministické a splňovat potřeby zamýšlených použití závisející na čase (tomu se obvykle říká fungování v reálném čase).
Determinismus v síťovém kontextu je definován takto: existuje určená nejhorší prodleva mezi nasnímáním údaje a jeho přenosem do ovládacího zařízení. V tomto kontextu je reálný čas definován jako „přenos dostatečně rychlý na dosažení účelu aplikace,” a měří se jako doba latence. Determinismus a latence jsou samostatné, ale vzájemně se doplňující požadavky.
Jak determinismus, tak specifická latence jsou potřeba na dosažení synchronizace.
Pokud se stejná ovládací síť používá pro výměnu dat v reálném čase mezi ovladači a podnikovými informacemi mezi ovladači a podnikovým systémem, musí existovat způsob, jak zabránit tomu, aby podniková informace bránila deterministické reakci v reálném čase. Za tímto účelem byla vytvořena řada složitých protokolů, ale většina ovládacích sítí spoléhá pouze na základní podstatu zvoleného síťového protokolu. Determinismu je většinou dosahováno prevencí kolize zpráv a omezením maximální délky jednotlivých sdělení. Nízké latence se dosahuje rychlými médii a minimalizací počtu nutných přenosů signálu, jako v síťovinové struktuře.
Výhodou použití standardního síťového protokolu, jako je Protokol pro řízení transportu/internetový protokol (TCP/IP) v ethernetové síti, jsou nižší náklady. Instalováním standardní ethernetové kabeláže a použitím plně duplexních ethernetových vypínačů místo pasivních portů dokáže ovládací síť založená na těchto technologických prvcích zaručit, že nebude v síti docházet ke kolizím a síť bude fungovat deterministicky. Použití vysokorychlostního připojení 100 nebo 1000 MB/s a standardní délky ethernetového datového balíku 1 500 bytů dosahuje nízké latence a znamená, že jiné aplikace nemohou „obsadit linku“ a bránit kritickým přenosům dat. Matematice se však nevyhneme! Pamatujme, že definice reálného času a determinismu vyžaduje, aby síť byla schopna dát své pásmo k dispozici pro přenosy kritických dat, kde hraje roli čas, během menší než maximální povolené doby stanovené pro daný řídící systém.
Například pokud by podniková aplikace potřebovala přenést ethernetovou zprávu o maximální povolené délce (1 500 bytů) rychlostí 100 MB/s, byla by síť blokována maximálně po dobu asi 150 μs. Normálně je tato prodleva dokonale akceptovatelná pro potřeby jak řízení procesu, tak průmyslové automatizace, ale nemusí být již přijatelná pro ovládání stroje nebo řízení pohybu.
Bylo by báječné, kdyby ovládací sítě a sběrnicové sítě nemusely být používány pro stejné aplikace, ale i to je možné. Dále by bylo pěkné, kdyby byly ovládací sítě vždy omezeny na prostředí podniku nebo velínu, ale ony se stále více dostávají i do terénu a do výrobních dílen. V některých případech se ovládací sítě používají v aplikacích, které by spíše vyžadovaly terénní sběrnici (fieldbus). Ve skutečnosti byly všechny ovládací sítě vytvořeny z jedné nebo více sběrnicových sítí a používají stejné protokoly aplikační vrstvy a uživatelské vrstvy. Protože ovládací sítě jsou příbuzné se sběrnicovými sítěmi, bude nadále existovat velmi nejasná dělící čára mezi nimi.
Bezdrátové ovládací sítě se již běžně používají, viz norma IEEE 802.11a/b/g/n/ac (neboli Wi-Fi či „bezdrátový ethernet”). Protože většina oblíbených ovládacích sítí je založena na ethernetu, náhrada libovolného segmentu nebo všech segmentů sítí Wi-Fi je snadná a nevyžaduje žádné změny ani v aplikační, ani v uživatelské vrstvě. Náhrada segmentu ovládací sítě sítí Wi-Fi je obvykle prováděna uživatelem a většinou funguje dobře, ale nemusí být podporována některými normami pro ovládací sítě.
V dalším díle se zaměříme na sítě pro bezpečnostní prvky a dále na protokoly uživatelských vrstvev
