Systemy sterowania

w elektronice przemysłowej

Wykład 11

dr inż. Bartosz Pękosławski

Łódź, dn. 21.06.2012

Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych

Politechnika Łódzka

2

Wykład 11 - plan

1. Sieci przemysłowe – definicja, cechy
2. Model OSI
3. Topologie, media transmisyjne, interfejsy
4. Protokoły komunikacyjne i standardy sieci

Modbus
Profibus
AS-I
CANopen
Interbus-S
Ethernet IEEE 802.3

3

Sieć przemysłowa

Sieć przemysłowa - sieć komunikacyjna stosowana
w warunkach przemysłowych do komunikacji pomiędzy
sterownikami

PLC,

komputerami

przemysłowymi

i urządzeniami I/O.

Pożądane cechy:

niezawodność (łatwy serwis)

efektywne zarządzanie (scentralizowane wspomaganie)
bezpieczeństwo (ochrona danych i zasobów)

wydajność

elastyczność (możliwość rozbudowy, także o nowe aplikacje i usługi)

4

Rozległa sieć przemysłowa

Sieć lokalna – zbudowana z niewielkiej liczby urządzeń
znajdujących się w jednym budynku/kompleksie sąsiadujących
budynków i najczęściej połączonych za pomocą jednego

medium transmisyjnego

Sieć rozległa – złożona z co najmniej kilku sieci lokalnych

i dodatkowych połączeń między nimi

Geneza sieci przemysłowych

5

sterowanie i automatyką przekaźnikową

układy prostej elektroniki - logiki cyfrowej

scentralizowane systemy nadzoru i przetwarzania danych (PLC)
inteligentne czujniki, układy sterujące

rozproszone sterowanie i I/O

zaawansowane układy przetwarzania danych i komunikacji

Wzrost ilości przesyłanych danych

Specyfika sieci przemysłowych

6

tryb czasu rzeczywistego (real time)

hierarchiczność - specjalizacja poziomów (hierarchia pionowa i pozioma)

decentralizacja (rozproszenie) I/O

centralizacja przetwarzania danych

determinizm (można określić z pewnością jak dużo czasu potrzeba

do wymiany informacji lub raportowania zmian stanu urządzeń, jakość

determinizmu jest określana miarą czasu skanowania (Scan Time))

Poziomy sieci przemysłowych

7

Poziom informacyjny

Poziom sterowania

Poziom urządzeń

Klasyfikacja sieci przemysłowych

8

magistrala ogólnozakładowa - enterprisebus (Ethernet)
magistrala obszaru sterowania - controlbus (HSE, ControlNet)
magistrala obszaru operacyjnego - fieldbus (Foundation Fieldbus,
Profibus PA)
magistrala sterowników i urządzeń automatyki - devicebus
(DeviceNet, Profibus DP, Interbus-S)
magistrala czujników/elementów wykonawczych – sensorbus
(CAN, AS-I, Seriplex, LonWorks)

Model OSI

9

Model Open System Interconnection – zdefiniowany przez ISO 7498 (1984)

opisuje w jaki sposób informacja na jednym komputerze jest przekazywana
przez medium transmisyjne do aplikacji na innym komputerze

wprowadza podział zadań zaangażowanych do przesyłania informacji na siedem
mniejszych grup - warstw (layer)

zalety: łatwiejsze zarządzanie i unowocześnianie poszczególnych poziomów bez
wywoływania zmian w innych, otwartość standardów (różni producenci)

Warstwa fizyczna (physical layer)

Warstwa łącza danych (data link layer)

Warstwa sieciowa (network layer)

Warstwa transportowa (transport layer)

Warstwa sesji (session layer)

Warstwa prezentacji (presentation layer)

Warstwa aplikacji (application layer)

topologia fizyczna, medium, prędkość transmisji,
sygnały, modulacja, itd.

format ramki, detekcja błędów, potwierdzenia, itd.

adresowanie, routing

niezawodność połączenia (sortowanie pakietów, itd)

organizacja i synchronizacja połączenia logicznego

oprogramowanie użytkownika

opis reprezentacji danych, konwersja i szyfrowanie danych

Model OSI

10

Uproszczony model dla sieci przemysłowych:

Warstwa fizyczna (physical layer)

Warstwa łącza danych (data link layer)

Warstwa sieciowa (network layer)

Warstwa transportowa (transport layer)

Warstwa sesji (session layer)

Warstwa prezentacji (presentation layer)

Warstwa aplikacji (application layer)

brak warstwy sieciowej ← pojedyncza droga między nadawcą i odbiorcą

brak warstwy transportowej ← brak połączeń wirtualnych, dane docierają we właściwej

kolejności jeśli nie ma błędów transmisji

brak warstw sesji i prezentacji ← ciągły tryb pracy, jedna aplikacja użytkownika

Wyjątek:
sieci przemysłowe Ethernet
oparte o protokół TCP/IP lub podobny
(warstwa sieciowa i transportowa)

Topologie

11

magistrala (bus),

drzewo (tree),

gwiazda (star),

pierścień (ring).

Modele relacji

12

master-slave (multislave) – master steruje urządzeniami slave,

klient-serwer – serwer odpowiada na zapytania klienta (klientów),

układ współrzędny (peer-to-peer) – urządzenia mają jednakowe przywileje i

mogą inicjować sesję,

producent-konsument – stały dostęp do danych dla każdego elementu systemu
(DeviceNet, ControlNet, Foundation FieldBus):

dane identyfikowane po zawartości
a nie adresach

wiadomość rozgłaszana
(jednokrotnie przesyłana,
odbierana przez urządzenia,
które potrzebują danych) –
lepsze wykorzystanie pasma

możliwe ustawienia
master-slave, peer-to-peer

Metody dostępu do łącza (arbitrażu)

13

Medium Access Control (MAC) – podwarstwa warstwy łącza danych,

zarządza dostępem do medium transmisyjnego

protokoły zorientowane na połączenia (connection-oriented protocols),

odpytywanie (polling),

wielodostęp z podziałem czasu (TDM – Time Division Multiplexing),
wielodostęp z podziałem częstotliwości (FDM – Frequency Division

Multiplexing),

przekazywanie znacznika (tokenu) w pierścieniu (token ring),

przekazywanie znacznika (tokenu) w pierścieniu wirtualnym (token bus),

dominacja bitowa (binary countdown),
wielodostęp z badaniem stanu kanału i wykrywaniem kolizji

(CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection),

wielodostęp z badaniem stanu kanału i unikaniem kolizji

(CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance).

Rodzaje kodowania kanałowego

14

NRZ (Non Return to Zero)

FM0 (Bi-Phase Space)

Manchester

NRZI (Non Return to Zero Inverted)

FM1 (Bi-Phase Mark)

inne...

Media transmisyjne

15

elektryczne:

skrętka,

koncentryk

światłowodowe (jedno/wielomodowe, patchcordy)

bezprzewodowe:

radiowe,

podczerwień

ekran (oplot), pancerz,
pokrycie trudnopalne

Interfejsy

16

interfejsy szeregowe:

EIA RS-232C (CCITT V.24)

EIA RS-423

EIA RS-422 (ITU-T V.11)

EIA RS-485 (ISO 8482)

CAN (ISO 11898)

Interfejs RS-232C

17

EIA RS-232 (1962); EIA RS-232C (CCITT V.24, 1969)

DTE (Data Terminal Equipment) – urządzenie końcowe, np. komputer

DCE (Data Communication Equipment) – urządzenie pośredniczące, np, modem

Złącza DB-9 i DB-25 (RJ-45 → RS-232D)

null-modem

Interfejs RS-232C

18

Nr pinu Kierunek Oznaczenie Nazwa angielska

Nazwa polska

1, 8

DCE→DTE

DCD

Data Carrier Detected sygnał wykrycia nośnej

2, 3

DCE→DTE

RxD

Receive Data

odbiór danych

3, 2

DCE←DTE

TxD

Transmit Data

transmisja danych

4, 20

DCE←DTE

DTR

Data Terminal Ready

gotowość terminala

5, 7

DCE – DTE

GND

Signal Ground

masa

6, 6

DCE→DTE

DSR

Data Set Ready

gotowość "modemu"

7, 4

DCE←DTE

RTS

Request to Send Data żądanie wysyłania

8, 5

DCE→DTE

CTS

Clear to Send Data

gotowość wysyłania

9, 22

DCE→DTE

RING

Ring indicator

wskaźnik dzwonka

Podobny interfejs RS-423 (komunikacja między DTE i DCE)

Wady: mała prędkość transmisji, małe odległości, podatność na zakłócenia

Interfejs RS-485

19

EIA-485 (Electronics Industry Association, 1983); ISO 8482 (1987)

Sygnalizacja różnicowa (odporność na zakłócenia)

Terminatory linii 120 Ω

Podobny interfejs:
RS-422 (brak połączeń wielopunktowych

z więcej niż jednym nadajnikiem)

Protokoły komunikacyjne i standardy sieci

20

Protokół komunikacyjny - zestaw reguł i zasad rządzących sposobem wymiany
informacji między urządzeniami za pomocą medium transmisyjnego.

Protokół obejmuje jedną lub więcej warstw modelu OSI.

Przemysłowe protokoły komunikacyjne: Modbus, ControlNet, Hart, CANopen

Standard sieci - określa techniczne zasady budowy sieci, specyfikację medium
transmisyjnego i przesyłanych nim sygnałów, protokoły komunikacyjne

Standardy sieci przemysłowych: Profibus, AS-I, CAN, Foundation Fieldbus,
DeviceNet, Interbus-S, Seriplex, Sercos, LonWorks, WorldFip, Ethernet IEEE 802.3

Modbus

21

Modicon (1979); Różne interfejsy: RS-232C / RS-485 (Modbus RTU),

Ethernet (Modbus TCP)

Komunikacja master-slave (polling)

Usługi slave: ustawianie stanu wyjść, zmiana rejestrów, odczytywanie wejść
i rejestrów (zebrane w postaci funkcji o numerach 0..127)

Odpowiedź slave: kod funkcji + dane odpowiedzi lub kod błędu

Tryb ASCII
(każdy bajt jest rozbijany
na dwa bajty reprezentujące
kody ASCII wartości hex)

Tryb RTU
(Remote Terminal Unit)

Profibus

22

Process Field Bus (Siemens 1989)

Sieć deterministyczna czasu rzeczywistego, interfejs zazwyczaj RS-485 lub światłowód

Warianty:

Profibus FMS (Fieldbus Message Specification)

multimaster, peer-to-peer, uniwersalny,
średnie prędkości transmisji (do 1,5Mbps)

Profibus DP (Decentralized Periphery) – 1994

master-slave lub token-ring (multi-master),
wysokie prędkości transmisji (do 12Mbps),
krótki czas odpowiedzi

Profibus PA (Process Automation) - 1995

master-slave
niezawodność transmisji, zasilanie urządzeń z sieci,
bezpieczeństwo w obszarach zagrożonych wybuchem (IEC 1158-2),
niskie prędkości transmisji (do 31kbps)

Profibus

23

szeroko zaakceptowany standard (Europa, Ameryka Pn. i Płd., Afryka, Azja)

wspomaga przesyłanie porcji danych z dużą szybkością w rozległych systemach

zapewnia współpracę na wielu poziomach sieci

duże obciążenie przy małych komunikatach

brak zasilania na sieci (w standardzie) - wyjątek: zasilanie w PA

stosunkowo wysoki koszt

Zastosowania:

systemy zarządzania i kontroli

maszyny, automaty, dostarczanie materiałów

bloki sensorów i inteligentnych czujników

sterowanie zaworami

współpraca z interfejsami operatorskimi

AS-I

24

Actuator Sensor Interface (konsorcjum AS-I 1993)

Sieć deterministyczna master-slave

Cykliczne odpytywanie urządzeń slave przez urządzenie master (PLC)

Najniższy poziom w hierarchii sieci przemysłowych

Połączenia:
samozasklepiający kabel dwużyłowy (żółty) -
dane + zasilanie (zabezpieczenie EMI/RFI)

Połączenia dodatkowe:
samozasklepiający kabel
dwużyłowy zasilania 24V (czarny)
oraz 230V (czerwony)

AS-I

25

ekstremalnie prosta

niski koszt

szerokie wsparcie i akceptacja (poza USA)

wysoka szybkość

zasilanie dostępne w sieci

najlepsza dla dyskretnych sieci I/O

słabe przystosowanie do analogowych I/O

ograniczona wielkość sieci

Zastosowania:

systemy produkcji, składowania, pakowania, dostarczania materiałów maszynom

pojedynczy kabel dla wielowejściowych bloków czujników i czujników

inteligentnych

pojedynczy kabel dla zaworów, przełączników i wskaźników

CAN / CANopen

26

Controller Area Network (Bosch i Intel 1986) – interfejs i protokół, pierwotne
zastosowanie w samochodach, do 1 Mbit/s (40 m); standardy ISO 11898

Nadajnik symetryczny otwarty dren / kolektor; arbitraż CDMA/CD/nDA (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detection, Non-Destructive bitwise Arbitration,
dominacja bitowa, pole arbitracji na początku ramki)

Multimaster, komunikacja rozgłoszeniowa (komunikaty)

Duża odporność na zakłócenia i niezawodność (sygnalizacja różnicowa, sprzętowa
obsługa protokołu i błędów)

Protokoły wyższych warstw (warstwa aplikacji) i standardy sieci oparte o CAN:

CANopen (CAN in Automation 1995)

DeviceNet (Allan-Bradley/Rockwell Automation 1993)

CANKingdom (EANInternational, master „king”)

SDS (Smart Distributed System, Honeywell 1989/94)

SAE-J1939 (motoryzacja, ciężarówki i autobusy)

....

CAN / CANopen

27

odpowiednia dla szybkich systemów kontroli ruchu, pętli sprzężenia zwrotnego
wysoka niezawodność
efektywne wykorzystanie pasma sieci
zasilanie dostępne w sieci
akceptacja tylko w Europie (w Ameryce Północnej - DeviceNet)
skomplikowany protokół
ograniczone pasmo
ograniczona wielkość komunikatu
ograniczona długość sieci

Zastosowania:

systemy kontroli ruchu, budowy, spawania
dostarczanie materiałów, składanie, szybkie maszyny sortujące
systemy jednoprzewodowych wielowejściowych bloków czujników,

czujników inteligentnych, zaworów, czytników kodów paskowych

systemy kontroli silników, interfejsów operatorskich

Interbus-S

28

Phoenix Contact GmbH (1987); standardy EN 50254 i IEC 61158

Architektura master-slave, duża szybkość przesyłu danych, determinizm

Topologia pierścienia – struktura drzewa (16 poziomów podsieci)

Dwa rodzaje:

Interbus Loop (komunikacja elementów najniższego poziomu pozwalająca na
użycie jednego kabla do wymiany danych oraz do zasilania czujników
i elementów wykonawczych, bezkolizyjna transmisja z TDMA)

Interbus Inline (węzły tworzą rejestr
przesuwny, węzły master pełnią rolę
pośrednika podsieci z siecią
wyższego poziomu oraz
odpytują urządzenia tej samej podsieci)

full-duplex
elastyczność konfiguracji -
włączenie lub wyłączenie urządzenia z
sieci nie wymaga przeadresowania istniejących urządzeń

Host Controller Board

Ethernet IEEE 802.3

29

Xerox Corporation, Intel, Digital Equipment Corporation 1976

Technika CSMA/CD w protokole MAC

Formaty 10Base2, 10BaseT, 100BaseT, 100BaseFX, 1Gigabit, 10Gigabit, 40Gigabit,
100Gigabit

Koncentryk, skrętka (T), światłowód (FX); różne topologie

najszerzej zaakceptowany standard sieciowy

wspomaga wymianę dużych porcji danych z dużą szybkością
wspomaga wymagania dużych instalacji
nie jest standardem deterministycznym czasu rzeczywistego
nie gwarantuje współdziałania urządzeń (to tylko standard fizyczny)
TCP/IP nie gwarantuje współdziałania tylko poprawne przesłanie danych
wysokie koszty (światłowód)
duże przeciążenie dla małych porcji danych (nagłówek min. 68 bajtów)
brak zasilania w sieci
większa wrażliwość na zakłócenia niż większości sieci
kolizje pakietów

Ethernet przemysłowy

30

Rozwiązania problemów:

Eliminacja kolizji: każdy port w switch'u ma swoje pasmo nie kolidujące z innymi
portami

Znaczniki pakietów – synchronizacja czasowa

Protokoły oparte na warstwie fizycznej Ethernetu (konieczność konwersji do TCP/IP)

Gotowe rozwiązania:

Ethernet/IP (krytyczne czasowo dane wymieniane wg relacji producent-
konsument)
ProfiNet (trzy poziomy wydajności – dane niekrytyczne czasowo, dane krytyczne
czasowo, wyjątkowo wymagające zastosowania)
Ethernet Powerlink (podsieci czasu rzeczywistego, wyłączony mechanizm
CSMA/CD, dostęp do sieci w przydzielonych cyklicznych szczelinach czasowych)
EtherCAT (szybka sprzętowa interpretacja ramek)
Sercos-III (podobny do EtherCAT)
...

Porównanie sieci

31

Inne standardy sieci

32

ControlNet (Allan Bradley 1996)

LonWorks (Local Operating Network, Echelon 1991)

Seriplex (APC Automation Process Control Company 1990)

Sercos (Europa, przeznaczenie - kontrola silników i ruchu)

WorldFIP (Factory Information Protocol French National Fieldbus Standard OSI
layer 1, 2, 7, głównie Francja i Włochy, FICOMP Fieldbus Consortium 1992)

Foundation Fieldbus - połączenie elementów ze specyfikacji WorldFIP i Profibus

...

Dziękuję za uwagę.