Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych
Politechnika A
ódzka
Systemy sterowania
w elektronice przemysłowej
Wykład 11
dr inż. Bartosz Pękosławski
A
ódz
, dn. 21.06.2012
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
2
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)
3
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
4
Geneza sieci przemysłowych
sterowanie i automatyką przekaz
nikową
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
5
Specyfika sieci przemysłowych
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))
6
Poziomy sieci przemysłowych
Poziom informacyjny
Poziom sterowania
Poziom urządzeń
7
Klasyfikacja sieci przemysłowych
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)
8
Model OSI
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)
oprogramowanie użytkownika
Warstwa aplikacji (application layer)
Warstwa prezentacji (presentation layer)
opis reprezentacji danych, konwersja i szyfrowanie danych
Warstwa sesji (session layer)
organizacja i synchronizacja połączenia logicznego
Warstwa transportowa (transport layer)
niezawodność połączenia (sortowanie pakietów, itd)
Warstwa sieciowa (network layer)
adresowanie, routing
Warstwa łącza danych (data link layer)
format ramki, detekcja błędów, potwierdzenia, itd.
Warstwa fizyczna (physical layer)
topologia fizyczna, medium, prędkość transmisji,
sygnały, modulacja, itd.
9
Model OSI
Uproszczony model dla sieci przemysłowych:
Warstwa aplikacji (application layer)
Warstwa prezentacji (presentation layer)
Warstwa sesji (session layer) Wyjątek:
sieci przemysłowe Ethernet
Warstwa transportowa (transport layer)
oparte o protokół TCP/IP lub podobny
Warstwa sieciowa (network layer)
(warstwa sieciowa i transportowa)
Warstwa łącza danych (data link layer)
Warstwa fizyczna (physical 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
10
Topologie
magistrala (bus), gwiazda (star),
drzewo (tree), pierścień (ring).
11
Modele relacji
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
12
Metody dostępu do łącza (arbitrażu)
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).13
Rodzaje kodowania kanałowego
NRZI (Non Return to Zero Inverted)
NRZ (Non Return to Zero)
FM1 (Bi-Phase Mark)
FM0 (Bi-Phase Space)
inne...
Manchester
14
Media transmisyjne
elektryczne:
skrętka,
koncentryk
ekran (oplot), pancerz,
pokrycie trudnopalne
światłowodowe (jedno/wielomodowe, patchcordy)
bezprzewodowe:
radiowe,
podczerwień
15
Interfejsy
interfejsy szeregowe:
EIA RS-232C (CCITT V.24) CAN (ISO 11898)
EIA RS-423
EIA RS-422 (ITU-T V.11)
EIA RS-485 (ISO 8482)
16
Interfejs RS-232C
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
17
Interfejs RS-232C
Nr pinu Kierunek Oznaczenie Nazwa angielska Nazwa polska
1, 8 DCEDTE DCD Data Carrier Detected sygnał wykrycia nośnej
2, 3 DCEDTE 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 DCEDTE DSR Data Set Ready gotowość "modemu"
7, 4 DCE�!DTE RTS Request to Send Data żądanie wysyłania
8, 5 DCEDTE CTS Clear to Send Data gotowość wysyłania
9, 22 DCEDTE RING Ring indicator wskaz
nik dzwonka
Wady: mała prędkość transmisji, małe odległości, podatność na zakłócenia
Podobny interfejs RS-423 (komunikacja między DTE i DCE)
18
Interfejs RS-485
EIA-485 (Electronics Industry Association, 1983); ISO 8482 (1987)
Sygnalizacja różnicowa (odporność na zakłócenia)
Terminatory linii 120 �
Podobny interfejs:
RS-422 (brak połączeń wielopunktowych
z więcej niż jednym nadajnikiem)
19
Protokoły komunikacyjne i standardy sieci
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
20
Modbus
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)
Odpowiedz
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)
21
Profibus
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)
22
Profibus
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
23
AS-I
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)
24
oraz 230V (czerwony)
AS-I
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 wskaz
ników
25
CAN / CANopen
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)
....
26
CAN / CANopen
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
27
Interbus-S
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)
Host Controller Board
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
28
Ethernet IEEE 802.3
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
29
kolizje pakietów
Ethernet przemysłowy
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)
30
...
Porównanie sieci
31
Inne standardy sieci
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
...
32
Dziękuję za uwagę.