4 Průmyslové sběrnice Používané průmyslové sběrnice, základní typy, možnost galvanického oddělení. Inteligentní periferie (senzory a aktuátory), využití Bluetooth a ZigBee pro bezdrátové připojení. Průmyslové sběrnice jsou v současnosti v technickém světě důležitým nástrojem pro sběr, distribuci a vyhodnocení dat různého informačního charakteru. Slouží především pro měření fyzikálních veličin pomocí senzorových systémů nebo elektronické řízení nějakého technického systému, např. dopravního prostředku, energetického či telekomunikačního zařízení. Dokument shrnuje a porovnává vybrané typy moderních průmyslových sběrnic CAN, HPIB, GPIB, ProfiBus, FieldBus a AS-Interface. Trendem posledních let jsou také sběrnice založené na Ethernetu.
4.1 Sběrnice CAN Uplatnění sériové komunikace v širokém spektru technických aplikací vedlo k potřebě standardizovat konkrétní implementaci CAN sběrnice - ISO 11898. Původním účelem sběrnice pracující s protokolem sériové komunikace CAN (Controller Area Network) je nasazení v osobních automobilech, firma Bosch však v 90. letech rozšířila aplikační možnosti i na jiná technická zařízení. Sběrnicový systém umožňuje efektivní decentralizované řízení v reálném čase s vysokým stupněm spolehlivosti přenosu dat rychlostí až 1 Mb/s. Někteří výrobci mikroprocesorové techniky zvýšili uplatnění sběrnice výrobou čipů i podpůrných integrovaných obvodů s podporou protokolu CAN. Dnešní specifikace standardu ISO 11898 pod označením CAN 2.0A popisuje fyzickou vrstvu protokolu CAN a specifikace CAN 2.0B rozšiřuje původně 11 bitové adresy koncových zařízení (standard format) kompatibilním 29 bitovým adresovým formátem (extended format). Tyto dokumenty definují pouze fyzickou a linkovou vrstvu protokolu podle referenčního modelu ISO/OSI. Aplikační vrstva protokolu CAN je definována několika vzájemně ne zcela kompatibilními standardy (CAL - CAN Application Layer, CAN Open, Device Net, CAN Kingdom). Pro zajištění kompatibility nasazení sběrnice CAN byly definovány funkční vrstvy: •
CAN vrstva objektů,
•
CAN transportní vrstva,
•
fyzická vrstva.
Vrstva objektů a transportní vrstva zahrnují všechny služby a funkce spojové vrstvy referenčního modelu ISO/OSI. Hlavní zaměření vrstvy objektů je zajištění kompatibility s HW obsluhovaným prostřednictvím aplikační vrstvy a zajištění toku prioritních dat s jejich vyhledáváním v reálném čase. Úkoly transportní vrstvy spočívají v zajištění přenosu s minimalizací a signalizací chyb, kontroly naplnění přenosových rámců, provedení arbitrážní procedury mezi vysílačem a přijímačem dat, adresování koncových zařízení, řízení kolizních situací, zajištění bitové a rámcové synchronizace a další. Souhrnně lze uvést hlavní rysy CAN sběrnice jako: •
příjem a vysílání zpráv s posouzením priorit,
•
zajištění minimálních prodlev při režijních činnostech (arbitrážní procedura, adresování, přenos příkazů, aktivace/deaktivace vysílačů a přijímačů, řešení kolize přístupu na sběrnici),
•
jednoduchá a flexibilní možnost konfigurace sběrnicového systému (připojení koncového zařízení, využití a segmentace adresového prostoru, vyhrazené, všeobecné a urgentní adresy),
•
zajištění centralizovaného příjmu zpráv z více zdrojů a řešení časové synchronizace,
•
odstíněný přenos libovolného typu zprávy, kompatibilita formátu a členění zpráv a rámců,
•
možnost decentralizovaného vícenásobného řízení (multimaster), předávání oprávnění k vysílání,
•
detekce a signalizace chyb přenosu, automatické opakování přenosů poškozených rámců,
•
blokace částí sběrnicového systému způsobujících časté nebo trvalé chyby přenosu dat.
Fyzická vrstva je podrobně definována normou ISO11898 a paralelním zapojením výstupních tranzistorů s otevřeným kolektorem se zdvihacími rezistory je realizována funkce logického součinu (wire and). Definovány jsou dva stavy na sběrnici: "dominant" a "recessive". Konkrétní reprezentace stavů záleží na fyzické reprezentaci sběrnice. Základním pravidlem je fakt, že při stavu rozpojeno na všech budičích linky je výsledný stav "recessive" a pokud alespoň jediný budič linku zkratuje, změní se stav na "dominant". Norma dále definuje elektrické vlastnosti vysílače a přijímače, principy časování, synchronizace a kódování jednotlivých bitů posílaného rámce. Sběrnice je řešena jako symetrická, neuzemněná, s vodiči CAN_H a CAN_L, rozdílové vyhodnocované napětí mezi vodiči určuje stav sběrnice (typicky Vd = 0 V pro stav "recessive" a Vd = 2 V pro stav "dominant"). Nerozvětvená linka se sběrnicovým uspořádáním koncových zařízení je oboustranně zakončena rezistory s odpory 120 Ω. Nejčastěji použité konektory jsou 9-pin D-SUB. Norma shora neomezuje počet připojených uzlů na sběrnici, ale vzhledem ke statickým i dynamickým imitačním poměrům linky (buzení kapacitní zátěže, snižování impedanční úrovně linky) se doporučuje maximálně 30 uzlů. Maximální přenosová rychlost na sběrnici je při délce do 40 m rovna 125 kb/s až 1 Mb/s, při zvyšující se délce se značně snižuje: 500 kb/s (112 m), 300 kb/s (300 m), 100 kb/s (640 m), 50 kb/s (1340 m), 20 kb/s (2600 m), 10 kb/s (5200 m).
4.2 Sběrnice HPIB a GPIB Zkratka HPIB (z roku 1965) v sobě skrývá název mateřské firmy: Hewlett-Packard Interface Bus, později byl tento sběrnicový systém pojmenován sdružením Institute of Electrical and Electronic Engineers jako GPIB - General-Purpose Interface Bus a bylo publikováno doporučení IEEE.488, které konkrétně definuje fyzikálně elektrické, operační a funkční vlastnosti spojení přístrojů různých výrobců. Doporučení IEEE.488.1 (1975) popisuje mechanické a elektrické vlastnosti rozhraní a také základní přenosové protokoly. Doporučení IEEE.488.2 (1987) doplňuje specifikaci pro
minimální HW konfiguraci portu v koncových přístrojích, definuje základní příkazy a formát přenášených dat. Doporučení SCPI (Standard Commands for Programmable Instrumentation) podává bližší popis příkazů komunikace přes sběrnici HPIB, ale i jiné sběrnice (sériová linka RS-232, 485, VXI a další). Struktura návaznosti standardů týkajících se sběrnice HPIB a GPIB je vidět na obrázku 4.1.
Obrázek 4.1: Struktura standardů sběrnice HPIB a GPIB
Základní vlastnosti sběrnice HPIB lze shrnout do několika bodů: •
možné připojení 15 přístrojů k jedné obousměrné sběrnici, zařízení jsou ve stavu "listen" nebo "talk", nazvány jsou "Listener" a "Talker",
•
standardní zapojení jediného řídícího prvku "master", nazván je "Controller", možné rozšíření na větší počet,
•
délka sběrnice obvykle nepřevyšuje 20 m, resp. 2 m pro spojení jediného přístroje s řídícím prostředkem (spojení "end-to-end"), sběrnici lze prodloužit zapojením opakovačů "bus extension technique", hvězdicové nebo standardní sběrnicové uspořádání linky,
•
maximální přenosová rychlost 1 MB/s je v praxi málo využívána, určují ji zapojená zařízení, obvykle v mezích 250 až 500 kB/s,
•
16 aktivních signálových vodičů, 8 datových a 8 pro řízení přenosu,
•
asynchronní způsob přenosu dat: po bytech sériově, po bitech paralelně, potvrzování zpráv "handshake" provedeno 3 vodiči,
•
primární adresování: 31 zařízení ve stavu "talk" a 31 ve stavu "listen", sekundární adresování: 961 zařízení ve stavu "talk" a 961 ve stavu "listen", nazvány jsou "Extended Talker" a "Extended Listener", v jediném okamžiku maximálně 1 zařízení ve stavu "talk" a 14 zařízení ve stavu "listen", distribuce dat k více příjemcům, přenosová rychlost dána nejpomalejším přijímačem,
•
v případě více kontrolerů (zařízení typu "master") v jednom okamžiku jen jeden aktivní, pasivní může vyžadovat převzetí řízení, pouze "master" typu "System Controller" může vynutit převzetí řízení na sběrnici,
•
koncové zařízení ve dvou stavech: "local" - ruční řízení z předního panelu, "remote" vzdálené řízení přes sběrnici HPIB,
•
možnost funkce "polling", kdy koncové zařízení oznámí kontroleru schopnost provést službu, vzdálený reset přístroje, ovládání přístrojů pomocí přerušení - ("Service Request", SR),
•
standardní mechanický konektor 25-pin D-SUB kompatibilní s RS-232 na obr. 3, napěťové úrovně TTL,
•
3 vodiče potvrzovaného přenosu zpráv: DAV (Data Valid) - signál zdroje dat potvrzující jejich platnost pro převzetí, NRFD (Not Ready For Data) - signál příjemce dat indikující nepřipravenost pro převzetí dat, NDAC (Not Data Accepted) - signál příjemce dat o jejich neukončeném převzetí, aktivní úroveň je nízká,
•
5 vodičů obecné správy sběrnice: ATN (Attention) - signál aktivního kontroleru vysílajícího příkazové a adresové byty všem zařízením na sběrnici, IFC (Interface Clear) - signál systémového kontroleru k resetu sběrnice, REN (Remote Enable) signál systémového kontroleru ke vzdálenému ovládání přístrojů, SRQ (Service Request) - hlášení zařízení na sběrnici přerušujícího činnost aktivního kontroleru, který podá dotaz na adresu a požadovanou službu koncového zařízení, EOI (End Or Identify) - při negativním ATN označuje konec toku dat od vysílače, při pozitivním ATN je užito k dotazu aktivního kontroleru na adresu a požadovanou službu koncového zařízení, při konstrukci budičů těchto linek s tranzistory s otevřenými kolektory přenosová rychlost do 250 kB/s, při třístavových výstupech 1 MB/s.
Obrázek 4.2: Standardní přístrojový konektor sběrnice HPIB - GPIB
V 70. letech byla sběrnice HPIB užita k propojení měřicích přístrojů, plotterů, tiskáren a pevných disků k osobním počítačům a výpočetním stanicím HP. Její programování bylo orientováno zejména na použití jazyka BASIC. S postupem doby se využití sběrnice rozšířilo (zavedena zkratka GPIB) pro spojení širokého spektra zařízení, hlavním programovacím jazykem se stal C. V současné době vyrábí několik výrobců (Texas Instruments, NEC a další) zásuvné karty do osobních počítačů či jednočipové počítače s podporou komunikace přes sběrnici GPIB. Firma Hewlett-Packard vyvinula svou standardizovanou knihovnu kontroly sběrnice SICL (Standard Instrument Control Language) a úsilí vedlo také k tvorbě knihovny podporované i ostatními výrobci koncových zařízení, nazvané VISA (Virtual Instrument Standard Interface). Dnes existují i externí HPIB připojení přes paralelní port počítače a zájem se nyní ubírá k LAN-HPIB mostům umožňujícím komunikaci i přes lokální počítačovou síť. Nejnovější rozšíření sběrnice HPIB dovoluje přenos dat na velké vzdálenosti sítěmi s koaxiálními či optickými kabely s doplňkem
specifikujícím nové požadavky na časování procesů. Nová specifikace TNT od National Instruments dovoluje využití velmi vysokých přenosových rychlostí za předpokladu, že vzdálené zařízení pracuje se stejnou specifikací
4.3 Sběrnice ProfiBus V dnešním technickém světě je propojení nejrůznějších komunikačních služeb a prostředků klíčové, proto většina dříve nekompatibilních systémů (měřicích, komunikačních, řídících, výrobních, energetických aj.) spěje k postupné integraci s cílem umožnit značně rozsáhlý a funkční komunikační systém. Vrstvový referenční model ISO/OSI (Open Systems Interconnection Reference Model) definuje mezivrstvovou komunikaci a komunikaci mezi vrstvami stejného typu dvou nesoumístných komunikačních prostředků. Vrstvově orientovaný systém průmyslových komunikačních zařízení ProfiBus již nenazýváme sběrnicí, ale systémem sběrnic, protože v nižších vrstvách (především ve vrstvě fyzické) navazuje na senzorový systém AS-Interface a ve vrstvě aplikační navazuje na systém ProfiNet umožňující přenos libovolných dat přes počítačové sítě. Pro lepší koordinaci vývoje, standardizace a výroby vytvořily instituce sdružení ProfiBus User Organization (PNO) - 1989 a zastřešující organizace ProfiBus International (PI) - 1995 je složena z více jak 1100 firem. Průmyslovou komunikaci lze rozdělit do tří vrstev (obrázek 4.3): •
vrstva senzorů a akčních členů AS-Interface se společným přenosem digitálních měřených dat a regulačních zásahů spolu s přenosem napájecí energie, doporučení IEC 62026,
•
vrstva přenosových sběrnicových polí ProfiBus propojujících vstupně-výstupních moduly, měřicí a ovládací zařízení v reálném čase; data řídící kontinuální procesy jsou přenášeny cyklicky s síti, měřící data, asynchronní hlášení a nepravidelná konfigurační data jsou posílána dle aktuální potřeby, doporučení IEC 61158/61784,
•
vrstva kooperujících komunikačních buněk složená z programovatelných kontrolérů tvořících funkční IT systémy podporující standardy sítí Ethernet, Intranet, Internet. Takto obecný tok tak vyžaduje rychlý jednotně adresovatelný prostor s asynchronním tokem paketů, doporučení IEC 61158/61784.
Obrázek 4.3: Modulární struktura sběrnicového systému ProfiBus
V souvislosti s nově zaváděnými informačními technologiemi byl popsán pojem "fieldbus" jako průmyslový komunikační systém využívající různých přenosových médií (měděné kabely, optická vlákna nebo bezdrátový přenos) pro bitově orientované sériové spojení ovládacích a snímacích členů s kontrolními a řídícími systémy. Tyto vize byly v 80. letech rozpracovány pro nahrazení klasických analogových přenosových technologií (proudová smyčka 4-20 mA či symetrická linka ≠ 10 V) moderními digitálními technologiemi. Dnes jsou technologie ProfiBus snad ve všech oblastech automatizačních procesů - řízení výrobního procesu, dopravní infrastruktury a výroby a spotřeby energií. Technologie ProfiBus využívá vrstvy 1, 2 a 7 referenčního modelu ISO/OSI - fyzickou, spojovou (linkovou) a aplikační. K zajištění minimálního toku dat je k vlastní zprávě v paketu přidána část záhlaví a zápatí definující stavy zařízení, adresy vysílajících a přijímajících stanic, čísla přijímaných a vysílaných paketů a další režijní informace. Hlavní úkoly funkčních vrstev jsou: •
fyzická vrstva - definice přenosového média, proces kódování a vysílání/příjmu dat,
•
spojová vrstva - protokol přístupu ke sběrnicovému systému MAC (Medium Access Control),
•
aplikační vrstva - spojení sběrnice s procesem, aplikační programování podporovaných funkcí.
Systém ProfiBus byl vyvinut s cílem integrovat dříve nekompatibilní přenosové technologie: •
symetrická linka RS-485, stíněný kroucený pár s přenosovými rychlostmi do 12 Mb/s,
•
nová verze RS-485-IS (Intrinsic Safety) - čtyřvodičové médium speciálně upravené pro potenciálně výbušná prostředí,
•
MBP (Manchester Coded, Bus Powered) - dle doporučení IEC 1158-2, uplatnění ve výrobní automatizaci při zajištěné vysoké kvality přenášených dat na dlouhé vzdálenosti, speciální požadavek na bezpečnost přístrojů,
•
přenos trasami s optickými vlákny - vysoká odolnost vůči elektromagnetickému rušení, přenos dat na velké vzdálenosti s malými útlumy přenosových cest.
4.4 AS – Interface System AS-I (Actuator Sensor Interface) a je vrstva senzorů a akčních členů - nejnižší vrstva hierarchie sběrnicového systému ProfiBus podle doporučení IEC 62026 (1991), takže se vlastně jedná o část složitého měřicího a regulačního telekomunikačního řetězce. V 90. letech vzniklo konsorcium společností v čele s firmou Siemens s cílem koordinovat návrh a výrobu koncových zařízení kompatibilních s tímto systémem. Hlavní vlastnosti AS-I lze shrnout jako: •
společný přenos digitálních měřených a regulačních dat spolu s přenosem napájecí energie,
•
libovolná topologie (lineární sběrnicová, hvězdicová či stromová) bez koncových terminátorů, nestíněná dvoudrátová linka o délce 100 m, při užití opakovačů 300 m (obr. 7),
•
maximálně 31 účastnických stanic na sběrnici resp. 124 senzorů a 124 akčních členů, komunikace typu "master" - "slave", vysoká přenosová rychlost (nižší než 166 kb/s) s cyklickým sběrem a distribucí dat (cyklus 5 ms a kratší),
•
velmi jednoduchá instalace pouhým zapojením zvláštního typu dvouvodičového kabelu, výkonové akční členy s vlastním lokálním zdrojem napájení, jmenovité napájecí napětí 24 V, přenos informace pomocí vyhodnocování napěťových impulsů superponovaných na napájecím napětí,
•
kód Manchester, zabezpečení dat start a stop bitem, paritním bitem, alternací impulsů, mezerami mezi impulsy a nutností vyslat impuls ve druhé polovině telegramu, omezená délka telegramu (za stop bitem se již nevysílají žádné impulsy).
Obrázek 4.4: Typická konfigurace nejnižší úrovně měřícího řetězce podle technologie AS-Interface
4.5 Průmyslový Ethernet Komunikační rozhraní Ethernet (IEEE 802.3) se velmi úspěšně prosadilo v běžných lokálních sítích LAN. Od vzniku standardu Ethernet byly vyvinuty četné varianty řešení jeho fyzické vrstvy. Starší verze (10Base5 a 10Base2) využívaly koaxiální kabely a pracovaly s přenosovou rychlostí 10 Mb/s. Posléze se začaly prosazovat varianty, které namísto koaxiálních kabelů a topologie „sběrnice“ využívají kroucený pár a stromovou topologii a podporují přenosové rychlosti 10, 100 a 1 000 Mb/ s (10BaseT, 100BaseTX, 1000BaseTX). V oblasti LAN již v podstatě vytlačily rozhraní Ethernet využívající koaxiální kabel. Dále je Ethernet základním prostředkem pro účely komunikace v síti Internet. V současné době se lze na mnoha veletrzích, výstavách a v odborné literatuře stále častěji setkat i s pojmem průmyslový Ethernet (Industrial Ethernet). Podobně jako některá z průmyslových sběrnic propojuje navzájem odloučené jednotky I/O zajišťující sběr dat a přenos řídicích signálů, elektronické systémy hydraulických, pneumatických a elektrických pohonů, programovatelné automaty (PLC), řídicí PC (IPC), systémy CNC, průmyslové a mobilní roboty, složitější přístroje (analyzátory, kamerové systémy, skenery atd.), periferie osobních počítačů, vestavěné zobrazovací a ovládací displeje a panely, průmyslové regulátory, koncentrátory dat (datalogger) a popř. i jednotlivé snímače a akční členy s vestavěnými ethernetovými rozhraními. Na rozdíl od běžné „kancelářské“ sítě musí průmyslová síť Ethernet nad rámec požadavků kladených na kancelářskou síť splňovat i požadavky na:
včasné a současné splnění požadavků jednotlivých komponent podílejících se na komunikaci podle předem daných priorit,
včasné a současné zareagování na výstražná hlášení,
minimalizaci kolísání doby odezvy (jitter),
stabilitu hardwaru (ochrana před výpadkem hardwaru),
stabilitu softwaru (stabilní operační systémy účastníků sítě i velmi stabilní síťový operační systém),
odolnost proti vibracím, rázům a dalším mechanickým vlivům,
odolnost proti působení vlhkosti (až do IP67), prachu, olejů a chemikálií,
přístup ze strany uživatele.
Jako modely komunikace mezi jednotlivými účastníky sítě se vedle běžného modelu klient/server, používaného především pro výměnu dat mezi dvěma entitami (kancelářské sítě), využívají i protokoly nabízející efektivnější výměnu dat mezi více než dvěma účastníky přenosu dat. Jde o protokoly založené na modelech označovaných jako publisher – subscriber a producent – consumer. Objemy dat přenášené v průmyslových sítích se pohybují od jednotlivých bajtů (naměřené hodnoty ze snímačů, řídící údaje pro vestavěné akční členy) až po stovky megabajtů předávaných mezi zobrazovacími panely a na úrovni řídicích PC. V důsledku nekoordinovaného vývoje nyní existuje několik více či méně úspěšných, avšak navzájem nekompatibilních realizací průmyslového Ethernetu. Nejznámějšími jsou PROFInet (organizace PNO), Ethernet Powerlink (firma Bernecker & Rainer), Ethercat (organizace Ethercat Technology Group), EtherNet/IP (organizace PNO), Modbus TCP (IEC PAS 62030 – pre-standard) a SERCOS-III. Jejich uplatnění je nyní směrováno především do oblasti řízení rychlých procesů, jako je řízení pohybu a polohy při použití elektrických pohonů, zejména v pružných výrobních celcích, při výrobě automobilů a v další strojírenské výrobě. PROFInet Vyvinutý organizací PNO (Profibus Nutzer/User Organization) spolu se Siemensem v roce 2002. Profinet podporuje dva komunikační mechanismy přes Ethernet – standardní a pak vynecháním dvou vrstev – třetí a čtvrté – komunikaci v reálném čase. Profinet také podporuje architekturu CBA (Component Based Architecture) pro systémy s distribuovanou inteligencí. Architektura CBA dovoluje snadno a efektivně spravovat i složité distribuované řídicí systémy. Základním prvkem jsou komponentové modely vytvořené na základě specifikace DCOM (Distributed Component Object Model) od firmy Microsoft, sestavené z funkčních bloků, které jsou vzájemně propojeny vazbami.
PROFINET CBA Objekt. Model
Aplikace
PROFINET IO Datový Model
Uživatel
HTTP
(DCE RPC)
(DCE RPC)
5
DNS
clRPC
Prezentační
DHCP
DCOM Wire Protokol
6
SNMP
7 Aplikační
Relační
4 Transportní
TCP/IP
3
UDP/IP
TCP/IP
Síťová
2
RT/IRT
Datová
1
IEEE 802.3 PHY/MAC
IEEE 802.1Q, IEEE 802.1ab,IEC61158 (DCP, PTCP, MRP)
Fyzická
Obrázek 4.5: PROFINET
EtherCAT EtherCAT je modifikace Ethernetu, vyvinutá firmou Beckhoff v roce 2003, která se zaměřuje na řízení v reálném čase. Využívá prstencovou topologii s využitím principu master/slave. Master (typicky řídící systém) posílá ethernetové rámce podřízeným jednotkám (slaves – řízené zařízení, PLC, atd.). Aplikační vrstva EtherCATu využívá model definovaný CANopen sběrnicí.
Real-time Aplikace Uživatel
7 6
HTTP/FTP...
Prezentacní
CANopen pres EtherCAT
5 Relacní
4 Transportní
IP/UDP/TCP
3
Rížení vrstvev
Aplikacní
Sítová
2 Datová
1
EtherCAT Datová a fyzická vrstva
Fyzická
Obrázek 4.6: EtherCAT
Ethernet Powerlink Vyvinut rakouskou firmou Bernecker + Rainer (B&R) v roce 2002. Cílem bylo vybudovat na platformě Fast Ethernet velmi rychlou sběrnici s deterministickými odezvami a
s minimálním rozptylem časování telegramů. Kromě rychlé cyklické výměny dat musí přitom existovat možnost acyklické komunikace, která však cyklickou nesmí nijak ovlivnit. Další podmínkou bylo umožnit synchronizaci vstupních/výstupních (v/v) dat a parametrů pohonů navzájem mezi sebou i s řídicím systémem. Výsledkem je sběrnice na bázi standardního řešení Fast Ethernet, která představuje optimální platformu pro sběr a rychlou distribuci v/v dat, vzájemnou koordinaci pohonů i pro konvenční výměnu dat a programování systémů pomocí B&R Automation Net.
Uživatel
Aplikacní
7 Aplikacní
Profily Powerlinku
6 Prezentacní
5 Relacní
4
Datové prenosové služby Powerlinku
Transportní
3 Sítová
Zabezpecení
2 Datová
1 Fyzická
Ethernet MAC Ethernet IEEE 802.3u PHY
Obrázek 4.7: Ethernet Powerlink
Nejkratší nastavitelná doba cyklu (perioda) sběrnice je 400 µs, což odpovídá periodě regulátoru polohy digitálních servozesilovačů B&R ACOPOS. V periodě 400 µs může být plně obslouženo až osm, v 500 µs asi 10 a v 1 ms asi 30 zařízení. Protože jsou do sítě začleněna také tzv. pomalá zařízení, je možné i ve 400µs cyklu poslat data většímu počtu zařízení než jen osmi. Rozdíl mezi tzv. rychlým a pomalým zařízením spočívá v tom, že rychlá zařízení mohou vysílat v každém taktu sběrnice, kdežto z pomalých zařízení může v každém taktu posílat data právě jen jedno. Přijímají samozřejmě všechna – jsou-li data pro ně určena. Tak je možné významně zvětšit počet zařízení v síti i při krátké periodě cyklu sběrnice. Při návrhu periody cyklu sběrnice je třeba zohlednit počet rychlých stanic +1 (pomalá stanice). Celkem je v síti přípustných 254 řízených (slave) zařízení a jeden tzv. Slot Communication Network Manager. Na schématu začlenění protokolů Ethernet Powerlink a B&R Automation Net do komunikačního modelu ISO/OSI (obr. 2) je dobře vidět, že Ethernet Powerlink staví na dvou nejnižších vrstvách a nahrazuje druhou dvojici vrstev TCP/UDP a IP. Stejně tak dobře je vidět, že B&R Automation Net může pro komunikaci po Ethernetu používat jak protokol TCP/IP nebo UDP/IP, tak Ethernet Powerlink. Aplikace se k potřebným datům může dostat prostřednictvím B&R Automation Net nebo pomocí rychlé výměny cyklických dat přes Ethernet Powerlink. Ethernet/IP Další rozšíření Ethernetu prezentované organizací ODVA (Open DeviceNet Vendor Associaton) ve spolupráci s organizací SIG (Speciál Interest Group) v roce 2002. „IP“ znamená „Industrial Protocol“. Ethernet/IP používá TCP pro získávání informačních a konfiguračních dat. Pro komunikaci I/O zařízení se používá multicastingu (UDP) a protokolu
CIP. Výhodou je zvýšení propustnosti sítě tím, že poskytovatel (producer) posílá data najednou více odběratelům (consumer). Aby multicasting nezatěžoval sítě s přepínači, je třeba implementovat i složitější protokol IGMP.
Profily zařízení
Aplikační objektová knihovna 7 Aplikační
6
CIP (Control Information Protocol) (Komunikační objekty)
Prezentační
5 Relační
DHCP
Uživatel
Zapouzdření
4 Transportní
3
TCP/UDP/IP
Síťová
2 Datová
1 Fyzická
IEEE 802.3 IEEEIEEE 802.3 PHY/MAC 802.1Q PHY/MAC Obrázek 4.8: Ethernet/IP
MODBUS/TCP MODBUS je otevřený protokol pro vzájemnou komunikaci různých zařízení (PLC, dotykové displeje, I/O rozhranní apod), který umožňuje přenášet data po různých sítích a sběrnicích (RS-232, RS-485, Ethernet TCP/IP, MODBUS+ atd.). Komunikace funguje na principu předávání datových zpráv mezi klientem a serverem resp. masterem a slavem. Byl vyvinut firmou Shneider Electric původně v roce 1979, modifikace Modbus/TCP založená na Ethernetu pak v roce 1999. Modbus poskytuje komunikaci na principu klient / server.
Aplikace Uživatel
5 Relacní
RTPS
Modbus
6 Prezentacní
HTTP/FTP...
7 Aplikacní
4 Transportní
3
TCP/IP
UDP/IP
Sítová
2 Datová
1
IEEE 802.3 PHY/MAC
Fyzická
Obrázek 4.9: MODBUS/TCP
SERCOS III
User Uživatel
Aplikace v reálném čase
7
Application Aplikační
6 Presentation Prezentační
SERCOS - Profil
Volitelné
5 Session Relační
4
TCP/UDP
Transport Transportní
3
SERCOS III
Network Síťová
2 Data Link Datová
1
Physical Fyzická
MAC Fyzická vrstva
IP
5 Galvanické oddělení Potíže plynoucí z propojování zemí u rozsáhlých zařízení se nejlépe odstraní galvanickým oddělením jednotlivých sekcí. Signálová vazba je zprostředkována nejčastěji optickým zářením (optron), magnetickým polem (impulsní oddělovací transformátor), méně často elektromechanicky (relé).
5.1 Optoelektronické vazební členy Optoelektronický vazební člen (optočlen, optron) obsahuje diodu LED a fototranzistor, případně fotodiodu. Přenos mezi nimi probíhá pomocí optického signálu. Jednoduše se realizuje přenos impulsových signálů, avšak analogové signály se touto cestou přenášejí obtížně v důsledku značné nelinearity členů. Vyrábějí se různé druhy optronů pro různé hodnoty kolektorových proudů a napětí mezi kolektorem a emitorem. Příkladem mohou být optrony PC816, PC817, 4N26. Příklad neinvertujícího a invertujícího oddělovacího obvodu pro impulsní signály ukazuje obrázek níže . Při střídě 1:1 obvody pracují podle použitého optronu do 100 až 200 kHz.
Obrázek 5.1: Oddělovací obvody s optrony
Pro větší proudy se vyrábějí optrony s dvěma tranzistory v Darlingtonově zapojení (viz obrázek níže). Kolektorový proud může dosahovat až několik stovek miliampér, ovšem přenosová rychlost je poněkud horší.
Obrázek 5.2: Oddělovací obvod s optronem s tranzistory v Darlingtonově zapojení
Přenosová funkce optronů není lineární, a proto se tyto členy nehodí pro přenos analogových signálů. Při malých nárocích na dynamiku lze zejména při vyšších proudech luminiscenční diodou nalézt v přenosové funkci malé lineární úseky, to však vede ke zhoršování proudového přenosu. Při malých proudech diodou zase převládá šum. Požadujeme-li lineární přenos ve větším rozsahu signálů, používají se optrony s dvěma výstupními prvky, nejčastěji fotodiodami. Jedna z nich slouží pro vlastní přenos a druhá jako kompenzace ve zpětnovazební větvi. Příklad lineárního oddělovacího obvodu znázorňuje následující obrázek.
Obrázek 5.3: Kompenzační oddělovací obvod s lineární přenosovou charakteristikou
5.2 Oddělení impulsními transformátory Hlavním omezením optoelektronických vazebních členů je jejich nízká mezní frekvence. Pro rychlejší přenos se používají impulsní transformátory. Příklad použití oddělovacího transformátoru ukazuje obrázek níže. Vstupní invertor musí být schopen dodat dostatečný proud. Přenášejí se pouze krátké impulsy (hrany), které překlápějí klopný obvod RS. Podmínkou pro správnou funkci je, že napájecí napětí obou částí musí být galvanicky oddělena.
Obrázek 5.4: Oddělovací obvod s impulsním transformátorem
Popsaný impulsní transformátor by bylo možné realizovat na jednom toroidním jádru. Pro dosažení vyššího zkušebního napětí a snížení parazitní kapacity mezi oddělenými částmi je však výhodnější použít transformátor se dvěma toroidy. Vinutí jsou lépe prostorově oddělena, neboť se nacházejí každé na samostatném toroidu. Vazba mezi toroidy je zprostředkována jedním závitem. Takové uspořádání zobrazuje následující obrázek.
Obrázek 5.5: Oddělovací obvod s transformátorem se dvěma toroidy
6 Inteligentní senzory a systémy V průmyslové praxi se používá mnoho různých zapojení měřicích senzorů, převážně jsou to však zapojení realizovaná analogovými obvody, nejčastěji s výstupní veličinou ve formě analogového proudu s rozsahem 4 až 20 mA nebo 0 až 20 mA. Tyto obvody zesilují výstupní senzorický signál, minimalizují některé chyby čidla a unifikují výstupní veličinu senzoru. Ačkoli použití těchto senzorů je poměrně široké, vyvstává potřeba přesnějšího zpracování měřených výsledků a vzájemné komunikace mezi senzorem a okolními systémy Typické uspořádání inteligentního senzoru, jehož výstupní veličinou může být proud 4 až 20 mA v proudové smyčce, je znázorněno blokovým schématem na obrázku níže. Výstupní proud je závislý pochopitelně na okamžité velikosti senzorického signálu, ovšem mikroprocesor slouží také ke kompenzaci (např. kmitočtové charakteristiky), vyhlazování výstupního signálu (například metodou průměrování) a pro korekci chyb senzoru. Výstupní měřené napětí senzoru je digitalizováno A/D převodníkem. Po zpracování těchto dat mikroprocesorem se již korigovaná data převedou zpět do analogové podoby v D/A převodníku. Podle typu D/A převodníku může být výstupní veličinou přímo proud ve smyčce. Číslicový výstup RS 232 (RS 485) Neelektrická veličina (např. tlak)
Převodník (čidlo)
Elektrické obvody
A/Č převodník
μP
Komunikační rozhraní Analogový výstup (I = 4 – 20 mA)
Napájecí zdroj
Ucc
Obrázek 6.1: Blokové schéma inteligentního senzoru
Inteligentní senzor je možno rozdělit na tři části: 1) Vstupní část - zajišťuje vstup měřených veličin, převádí je na elektrickou veličinu a tu převádí na vhodný, případně i normovaný elektrický signál. 2) Vnitřní část - zpracovává vstupní signál, zajišťuje nastavení nulové hodnoty, kompenzaci vlivů okolí (např. teploty), linearizaci v celém rozsahu vstupních veličin, autokalibraci měřicí funkce, autodiagnostické funkce. 3) Výstupní část - zajišťuje komunikaci senzoru s následnými zařízeními, signalizaci vlastní funkce a stavu, případně převod číslicového signálu na normalizovaný analogový výstupní signál, signalizaci měřené veličiny.
7 Bezdrátové technologie 7.1 Bluetooth Bluetooth byl poprvé představen ve specifikaci IEEE 802.15.1 (Institute of Electrical and Electronics Engineers), původně pro komunikaci mezi zařízeními a jejich periferiemi v domácnostech. Postupem času došlo k jeho rozšíření i do oblasti průmyslu. Zejména jeho použití v telematických (telekomunikační služby) a telemetrických (přenos informací v měřicích systémech na dálku) systémech. V posledních letech se stává standardem v mobilních zařízeních jako jsou mobilní telefony, PDA (Personál Digital Asistent) a jejich příslušenství, kde nahrazuje komunikaci pomocí IrDa (Infračervený port / Infrared Data Asociation) a kabelů. Další uplatnění nachází i v automobilovém průmyslu. Standard Bluetooth byl navržen jako bezdrátový komunikační standard, který využívá komunikační frekvenční pásmo ISM (Industrial, Scientific, Medical – 900 MHz, 2,4 GHz a 5,8 GHz), jež je volně k použití za předpokladu dodržení závazných podmínek pro vyzářený výkon a technické řešení vysílače a přijímače (tzv. nelicencované pásmo). Volné použití pásma znamená, že není třeba žádat o přidělení frekvenčního pásma ani platit jakékoliv poplatky. Standard je koncipován tak, aby podporoval dva typy přenosů point-to-point a point-to-multipoint. Dosah standardního komunikačního uzlu je od 10m (class 2) do 100m (class 1 – 20 dBm). V ČR ošetřuje generální licence ČTÚ GL12/R/2000 V současné době je aktuální verze specifikace Bluetooth 1.2 a 2.0+EDR (Enhanced Data Rate). Hlavním přínosem specifikace 1.2 byla implementace AFH (Adaptive Frequecy Hopping), tato technologie zlepšuje a využití, dnes již tak přeplněného pásma 2.4 GHz a zmenšuje tak interferenci zařízení. Rozšíření podpory synchronních přenosů (eSCO) má přínos ve zlepšení kvality přenosu zvuku obrazu. Dále je přenášena síla signálu - RSSI (Received Signal Strength Indicator). Podpora verze rozhraní UART 3 - wire (universal asynchronous receiver transmitter). Mezi další výhody lze zařadit rychlejší spojení zařízení a také zpětnou kompatibilitu se specifikací 1.1. Specifikace Bluetooth 2.0 nabízí přenosové rychlosti 4, 8 a 12 Mb/s, podporu režimů multi-cast a broad-cast, schopnost udržet přenosy i po odstranění řídicí jednotky (master) z buňky piconet, služby QoS (Quality of Service) a rychlejší odezvy. Dnes již jsou dostupné čipy, například Infineon PMB8753 nebo čip firmy CSR BlueCore4, dosahované rychlosti jsou přes 2,1 Mb/s. Nevýhodou je zhruba trojnásobně vyšší spotřeba oproti čipům splňujícím specifikace 1.1 a 1.2. V koncových zařízeních se stále používají hlavně čipy standartu 1.1 a ojediněle 1.2, snad jedinou výjimkou je Apple PowerBook G4 osazený čipem BlueCore4. Komunikaci Bluetooth zařízení můžeme rozdělit do tzv. vrstev (layers) tvořících celek, který specifikace označuje názvem Bluetooth stack.
Obrázek 7.1: Schéma Bluetooth stacku
Popis vrstev: 1) Radio – vysílání a příjem radiových vln 2) Baseband – řízení vrstvy Bluetooth Radio 3) LMP – Link Manager Protocol – řídí a zabezpečuje vytváření spojení a přenos dat 4) HCI – Host Control Interface – rozhraní, které programově ovládá baseband a LMP vrstu a poskytuje přístup do stavových a řídících registrů Bluetooth zařízení 5) L2CAP – Logical Link Control And Adaptation Protocol – poskytuje funkce pro správu toku dat, tvorbu a řízení paketů a další služby vyšším vrstvám 6) RFCOMM – vrstva, která emuluje funkci sériového portu při vytváření spojení i přenosu dat po Bluetooth zařízení
Pro vývoj nových zařízení a přístrojů se používají buď vývojové kity (drahé) nebo moduly. Ty představují elegantní jednoduché řešení, jejich velikost je jen o málo větší než vlastního Bluetooth čipu. Nastavení probíhá zpravidla pomocí AT příkazů (modul se přepne z transparentního režimu do konfiguračního pomocí definované sekvence), nebo pomocí sběrnice SPI (Serial Peripheral Interface Bus). Fotografie modulu od firmy ConnectBlue je na obrázku níže.
Obrázek 7.2: Fotografie modulů ConnectBlue OEMSPA13 a OEMSPA33
7.2 ZigBee Standard ZigBee nemá působit jako přímá konkurence již zavedených komunikačních standardů typu Bluetooth, ale naopak jako jejich doplněk, který má rozšířit oblasti nasazení. ZigBee je vyvíjen mezinárodním konsorciem firem ZigBee Alliance a mezi hlavní účastníky jeho vývoje je možné jmenovat například nadnárodní firmy a korporace Freescale Semiconductor, Honeywell, Mitsubishi Electric, Motorola, Philips, Samsung, Invensys a další. Standard ZigBee je navržen jako jednoduchá bezdrátová komunikační síť a vyznačuje se takovými vlastnostmi, jako jsou jednoduchost, velmi nízká spotřeba energie, schopnost vytvářet statickou síťovou strukturu, spolehlivost a především příznivá cena.
Obrázek 7.3: Rádiová pásma využívaná ZigBee
Standard ZigBee je založen na využití fyzické a linkové vrstvy podle mezinárodního standardu IEEE 802.15.4. Bylo pro něj definováno několik rádiových pásem, aby byl akceptovatelný v různých zemích s odlišnými předpisy a kritérii. Základním problémem při definici rádiových pásem jsou především rozdíly v organizaci rádiových pásem v Americe a na evropském kontinentě. Aby se mohl standard uplatnit v obou těchto lokalitách, jsou pro něj definována tři rádiová pásma (obrázek 5.1): •
globální použití: pásmo ISM 2,4 GHz s 16 kanály a přenosovou rychlostí 250 kb/s,
•
Amerika a Austrálie: pásmo 915 MHz s 10 kanály a přenosovou rychlostí 40 kb/s,
•
Evropa: pásmo 868 MHz s jedním kanálem a přenosovou rychlostí 20 kb/s.
Technologie je založena na implementaci přístupové metody CSMA/CA k fyzickému médiu, což znamená, že vlastní radiová část standardu IEEE 802.15.4 této metody využívá na úrovni fyzické a linkové vrstvy komunikačního modelu. Vlastní standard IEEE 802.15.4 definuje komplexní komunikační protokol, který je založen na přenosu datových rámců. Jsou
definovány čtyři typy komunikačních rámců využívané buď pro přenos užitečných datových informací, nebo k režijním účelům souvisejícím se sestavením, správou a řízením sítě: •
Data Frame – rámec s délkou užitečných dat 104 bytu slouží pro přenos užitečné informace pro všechny datové přenosy v kontextu standardu,
•
Acknowledgement Frame – rámec sloužící pro přenos potvrzovací informace; je využitelný pouze na úrovni MAC pro potvrzovanou komunikaci a je vysílán v takzvaném „mrtvém čase“ ihned po přenosu paketu,
•
MAC Command Frame – rámec slouží k centralizovanému konfigurování, nastavení a řízení klientských zařízení v síti ZigBee,
•
Beacon Frame – rámec slouží k synchronizaci zařízení v síti a je využíván hlavně při konfiguraci sítě v módu beacon enable, v němž umožňuje uvádění klientských zařízení do spánkových režimů s extrémně sníženou spotřebou.
Na základě časové synchronizace mezi centrální stanicí a koncovou stanicí dochází u “uspané” koncové stanice k probouzení ve vymezeném časovém intervalu, a poté jsou přeneseny užitečné informace. Standard IEEE 802.15.4 využívá pro adresaci jednotlivých zařízení binární adresovací kódy, které mohou být buď dlouhé (64 bitů), či zkrácené (16 bitů). Lokální adresa zkráceného adresovacího kódu umožňuje v jedné síti adresovat maximálně 65 535 zařízení. Každá sestavená síť je dále identifikována 16bitovým identifikátorem PAN ID, který slouží pro rozlišení překrývajících se sítí v případě, že v jednom prostoru dochází k vytvoření a sestavení více sítí standardu IEEE 802.15.4. Každou síť s unikátním PAN ID zakládá a spravuje koordinátor (centrální stanice), přičemž ostatní stanice pracují v módu koncové stanice. Každá koncová stanice může být konfigurována pro funkci směrovače nebo koncového zařízení. Podle funkčnosti se zařízení dělí na plně funkční zařízení (FFD), která mohou zastávat funkci koordinátora nebo směrovače, a na redukovaná zařízení RFD, která mohou fungovat pouze jako koncová zařízení.
Obrázek 7.4: Topologie sítě ZigBee: typu hvězda (a), síť (b) a strom (c – nedoporučována)
Standard ZigBee založený na fyzické a linkové vrstvě IEEE 802.15.4 definuje tři typy síťové topologie (obr. 5.2). Základní je topologie typu hvězda (star topology), v níž je vždy definováno jedno zařízení, které přebírá funkci koordinátora sítě, a ostatní zařízení působí ve funkci koncových zařízení. V topologii typu strom (tree topology) slouží jedno zařízení jako koordinátor a ostatní jako koncová zařízení. Na rozdíl od topologie hvězda však nemusí všechna zařízení komunikovat přímo s koordinátorem, ale mohou využít jiné koncové zařízení v konfiguraci FFD ve funkci směrovače jako prostředníka. Díky tomu umožňuje uvedená konfigurace zvětšit vzdálenosti mezi koncovým zařízením a koordinátorem. Poslední definovanou topologií je topologie typu síť (mesh topology), která kombinuje vlastnosti
topologií strom a hvězda (tzv. hybridní topologii strom a hvězda). Síťová topologie přináší největší funkčnost, protože umožňuje sestavit síť libovolným způsobem. Mezinárodní bezdrátový standard ZigBee spravovaný mezinárodní neziskovou organizací ZigBee Alliance je novým standardem, zaměřeným především na aplikace z oblasti automatizace, řízení budov a v menší míře pro kancelářské použití. Vzhledem k tomu, že specifikace byla vydána teprve koncem roku 2004, je standard ZigBee nadále v aktivním vývoji. Jeho přednostmi jsou spolehlivý přenos dat, velmi nízká spotřeba energie a nízká koncová cena zařízení, což pravděpodobně povede k masivnímu vývoji zařízení vybavených uvedeným standardem a jejich hromadnému použití. Komunikační protokol standardu ZigBee poskytuje rozsáhlou podporu pro vytváření rozlehlých sítí a snadné předávání zpráv mezi zařízeními v rámci definovaných profilů ZigBee.
Obrázek 7.5: Vývojová deska s modulem Panasonic PAN440
Tento jednoduchý a flexibilní standard navržený s ohledem na spolehlivost a bezpečnost přenosu dat je dobrým základem pro moderní bezdrátový přenos dat v průmyslu, kde podobná technologie v současné době citelně chybí. V minulých letech došlo k rozsáhlému rozvoji bezdrátových komunikačních technologií, bohužel především v oblasti informační techniky. V průmyslové oblasti je však jejich rozvoj výrazně zpomalil především kvůli značnému konzervatismu, který zde panuje. Dnes je však jisté, že se bezdrátové standardy komunikačních technologií sice pomalu, ale o to s větší pečlivostí prosadí i v této oblasti.
