Datové komunikace pro automatizované řízení technologických procesů

Bankovní institut vysoká škola, a. s. Katedra matematiky, statistiky a informačních technologií K 101

Datové komunikace pro automatizované řízení technologických procesů Bakalářská práce

Autor:

Pavel Hrdlička, DiS. Informační technologie, MPIS

Vedoucí práce:

Praha

Ing. Jan Háněl

Leden 2012

Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a v seznamu uvedl veškerou použitou literaturu. Svým podpisem stvrzuji, že odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí a jsem seznámen se skutečností, že se práce bude archivovat v knihovně BIVŠ a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokoškolských prací.

V Táboře dne 15. ledna 2012

Pavel Hrdlička

Anotace Cílem této práce je shrnout problematiku datové komunikace pro automatizované řízení technologických procesů. Práce popisuje základní pojmy týkající se datové komunikace, způsoby použití a také jejich využití v praxi. Dále popisuje různé způsoby přenosu dat v automatizovaném řízení technologických procesů a inteligentních budov. V další části práce jsou ukázány rozdíly ve zpracování dat mezi vybranými použitými protokoly Hlavní snaha je věnována vytvoření dokumentu, v kterém jsou popsány často používané protokoly průmyslových sběrnic.

Anotace The purpose of this work is to sum up the issue of data communication for automated control of technological processes. The work describes the basic concepts relating to data communication, forms of its use and also the practical use. Then it deals with various forms of data transmission in automated control of technological processes and in automated control of so called intelligent buildings. The next part of this work shows the differences in data processing between selected used protocols. The main effort is dedicated to creation of a document which would describe the frequently used protocols of industrial data bus.

Obsah Úvod ...................................................................................................................... 5 1

2

Základní pojmy ............................................................................................... 7 1.1

Topologie ............................................................................................ 7

1.2

Přenosová media ................................................................................. 9

1.3

Model OSI......................................................................................... 11

1.4

Průmyslové sítě ................................................................................. 14

1.5

Inteligentní budova ...........................................................................15

Automatizované řízení technologických procesů – ASŘTP ......................... 16 2.1

Základní charakteristiky protokolů .................................................. 18

2.1.1 Požadavky na vlastnosti protokolu .................................................. 18 2.2

Kritéria nasazení a použití ................................................................ 19

2.3

Porovnání jednotlivých protokolů .................................................... 21

2.3.1 AS-interface ..................................................................................... 21 2.3.2 CAN ................................................................................................. 24 2.3.3 CANopen ......................................................................................... 25 2.3.4 DeviceNet ........................................................................................ 27 2.3.5 ControlNet ....................................................................................... 30 2.3.6 EtherNet/IP ...................................................................................... 32 2.3.7 HART............................................................................................... 36 2.3.8 InterBus ............................................................................................ 42 2.3.9 LonWorks ........................................................................................ 45 2.3.10 ModBus ............................................................................................ 50 2.3.11 ProfiBus ........................................................................................... 53 2.4

Souhrnné porovnání protokolů ......................................................... 56

2.4.1 Porovnání protokolů z fyzikálního hlediska: ................................... 56 2.4.2 Porovnání protokolů z pohledu komunikace: .................................. 57 3

Závěr.............................................................................................................. 58

4

Seznam použitých pramenů a literatury ........................................................ 60

Úvod Datová komunikace pro automatizované řízení technologických procesů je v současnosti v dnešním technickém světě důležitým nástrojem. Hlavní určení je pro sběr, distribuci a vyhodnocení dat u různých informačních charakterů. Především pro měření fyzikálních veličin pomocí senzorových systémů nebo řízení technických prostředků. V dnešním moderním světě ve vyspělých zemích se s automatizací setkáváme téměř na každém kroku, aniž bychom si to uvědomovali. Například při označení jízdenky v autobuse se automaticky vyrazí na jízdenku datum, čas a další informace bez našeho dalšího úkonu. Stačí jen zasunout jízdenku do otvoru, který je pro to určený. Použitím označovacího zařízení jízdenek vkládáme do systému informaci, kolik nás nastoupilo a kde jsme nastoupili. Taková informace pro nás není podstatná, ale dopravní podnik podle ní může vyhodnotit využívání jednotlivých linek v určitém časovém intervalu. S mnohem rozsáhlejší automatizací se setkáme u veřejných budov, objektů firem a společností, v obchodech a v posledních letech stále častěji i v rodinných domech. Jedná se o způsob vytápění, klimatizace, ovládání osvětlení, rolet, ohřev teplé užitkové vody a také o elektronické zabezpečovací systémy, kamerové systémy, přístupové a docházkové systémy atd. Toto všechno se dá řídit a regulovat pomocí řídicích systémů. Vytápění nebo klimatizace jednotlivých prostorů není řízena jen podle termostatu v prostoru. Tato činnost je složitější. Regulace teploty místnosti je například závislá na venkovní teplotě, na otevřených oknech, na množství osob v prostoru a také na výši nastavené teploty, která se může měnit v průběhu dne podle systému. Vyhodnocení, zda se v prostoru nachází osoby, je umožněné pomocí elektronických zabezpečovacích systémů nebo kamerového systému. Prostřednictvím řídicích systémů lze také provádět dálkovou správu objektů. Nejen řídit teplotu, ale i osvětlení, rolety, přístupové systémy a mnoho dalšího. Od všech systémů, které jsou připojeny na centrální řídicí systém, lze dostávat informace o stavech jak provozních tak poruchových. Takto vybavené budovy se už dají označit jako „Inteligentní budovy“. Nejrozsáhlejší využití automatizace je v průmyslu, tzv. průmyslová automatizace. V dnešní době bychom si už nedokázali výrobu, zpracování i distribuci bez automatizace představit. Největší podíl průmyslové automatizace je v automobilovém průmyslu. Na mnoho úkonů při výrobě automobilů už není zapotřebí lidských rukou. Úkony jsou prováděné prostřednictvím automatizovaných výrobních linek a za pomoci průmyslových robotů. Pomocí senzorů lze mnohdy „vidět“ lépe než pomocí lidského oka. Lze odhalit i malé nepřesnosti a dokonce i na povrchu neviditelné vady materiálu a řídicí systém takovýto 5

výrobek označí nebo vyřadí. Díky tomu je možné udržet i zvyšovat kvalitu a přesnost výroby. Nároky na ni se neustále zvyšují a využití automatizace se rozšiřuje. S rozvojem automatizace se zvyšují počty výrobců automatizačních systémů. Mnoho výrobců si vytvořilo svoje komunikační protokoly v dřívějším období, kdy se ještě neřešil problém centralizace a správy a řízení na dálku. Systémy od jednotlivých výrobců byly spíše jednoúčelové a nedaly se propojit s jiným než stejným zařízením anebo bylo zařízení přímo pro daný komunikační protokol vytvořeno. Mnoho výrobců bylo donuceno kvůli vyšší konkurenceschopnosti zpřístupnit své protokoly, aby tak umožnili snazší propojitelnost. Sami vytváří pro svoje systémy převodníky na jiné systémy. Zpracování dat v systémech od různých výrobců je různé, ale všechny systémy mají jedno společné. To že se předávaná data musí zakódovat na zprávu, která lze předávat dál po síti do zařízení, jež předávanou zprávu dokážou přečíst a znovu rozkódováním zprávy získat potřebná data. Mým úkolem bylo shrnout problematiku datové komunikace v automatizovaném řízení technologických procesů.

6

Základní pojmy

1

1.1

Topologie

Vzájemné uspořádání uzlů a spojů v síti se označuje jako topologie. Topologii je možné chápat jako tvar nebo strukturu sítě. Tento tvar nemusí odpovídat skutečné fyzické konstrukci zařízení v datové síti. Například počítače v domácí síti mohou být uspořádány do kruhu, ale nemusí to nutně znamenat, že reprezentují kruhovou topologii. Topologie sítí mohou být fyzické nebo logické. Fyzická topologie se odkazuje na fyzický návrh sítě včetně zařízení, umístění a instalace kabelů. Logická topologie se týká toho, jak jsou data převedena do sítě. Nejčastější topologie sítí je sběrnice a hvězda, dále se také používá kruh a stromová topologie. [1]  topologie sběrnicová - jednotliví účastníci jsou připojeni přímo na sběrnici nebo odbočkami ke sběrnicovému vedení. Přenos dat probíhá přímo od vysílače k přijímači. Během přenosu dat mezi dvěma účastníky nemohou komunikovat ostatní účastnící připojení ke sběrnici. Výhody: Jednoduchá realizace a rozšíření stávající sítě. Není potřeba tolik kabeláže jako u hvězdy. Nevýhody: Nesnadné hledání a odstraňování závad. Omezení počtu stanic a délka sběrnice. Pokud se přeruší vedení, přestane fungovat celý systém. Čím je víc prvků na sběrnici tím klesá přenosová rychlost a výkon celku. [2]  topologie hvězdy - přenosové kanály všech účastníků jsou připojeny do jednoho centrálního uzlu. Účastníci mohou být připojeni buď přímo nebo pomocí hvězdicových uzlů, např. rozbočovačem (Hub), který umožní komunikovat jen dvěma účastníkům tzn. jednomu účastníkovi s centrálním uzlem. Další propojení je pomocí přepínače (Switch), který může současně propojovat několik dvojic účastníků. To znamená, že na centrální uzel se může připojit víc účastníků. Výhody: Pokud selže spojení nebo jedno zařízení mimo centrální uzel, ostatní budou komunikovat bez problému dál. Závady lze snadno nalézt. Výkonnost je oproti sběrnicové topologii vyšší, na jednom kabelu je připojena pouze jedna jednotka, tím nedochází ke kolizím mezi pakety. Topologie hvězdy je jednoduše nastavitelná a rozšiřitelná.

7

Nevýhody: Čím větší je síť, tím je potřeba víc kabelů - ke každé jednotce jeden. Je potřeba další zařízení navíc, rozbočovač nebo přepínač. Pokud dojde k poruše centrální jednotky, rozbočovače nebo přepínače, přestane fungovat celý systém. [2]  topologie stromu - jedná se o rozvinutí konstrukce liniové topologie, takto mohou být připojeni účastníci na velkých plochách. Vychází z hvězdicové topologie spojením aktivních prvků, jako jsou rozbočovače a přepínače, které jsou v centrech jednotlivých hvězd. Takové propojení se používá hlavně v rozsáhlých sítích. Centra hvězd jsou spojena pak zas do hvězdy. Výhody: Pokud selže jeden prvek sítě, ostatní mohou dále pokračovat. Snižuje se množství kabelů, spojeni mezi dvěma hvězdami je realizováno pouze jedním spojem.  topologie kruhu - je tvořena postupným propojením účastníků. To znamená, že jedna jednotka je připojená k dalším dvěma jednotkám, dokud není vytvořen kruh. V podstatě je to sběrnicová topologie, která má spojené oba konce. Výhody: Přidání další jednotky nemá dopad na celý systém. Data se posílají pouze jedním směrem, proto nedochází ke kolizím. Je méně nákladnější než hvězdicová topologie. Nevýhody: Data musí projít přes všechny jednotky mezi odesílatelem a příjemcem, to prodlužuje dobu přenosu. Pokud se zhroutí jedna jednotka, zhroutí se celá síť. Je těžké hledání a odstraňování závad. Kvůli přidání další jednotky je zapotřebí vypnout celou síť, všechny jednotky jsou vzájemně propojené.

Sběrnicová topologie

Stromová topologie

Hvězdicová topologie

8

Kruhová topologie

1.2

Přenosová media

Hlavní úkolem přenosových médií je přenášení signálu. Přenos signálu je realizován prostřednictvím elektromagnetických vln. Přenosová média lze podle své fyzikální charakteristiky dělit do dvou skupin: 

přenosová média vodivá



přenosová média nevodivá.

Skupina přenosových médií vodivých je charakteristická tím, že elektromagnetické vlny jsou přenášeny vodivou hmotou. Nejčastější jsou kroucené dvoulinky, koaxiální kabely a speciální sběrnicové kabely a optické kabely. Materiál, který bývá použit, musí být elektricky vodivý, používá se proto kovový materiál, nejčastěji měď. Optické kabely nemají elektricky vodivý materiál pro vedení signálu. Ten je pomocí paprsku přenášen světlovodivou hmotou. Materiál pro výrobu optických kabelů musí být z průzračného materiálu, to znamená sklo nebo materiály sklo napodobující. Přenosová média nevodivá nejsou přímé vodiče elektromagnetických vln, ale umožňují volné šíření. Nejčastěji je přenos realizován vzduchem nebo vakuem. Hlavní vlastností přenosových médií je celková přenosová rychlost dat a šířka přenášeného pásma. Dalším parametrem je frekvenční rozsah signálu. Každý frekvenční rozsah má jiné vlastnosti, výhody i nevýhody. Signál nižších frekvencí se šíří z antény všemi směry. U frekvencí vyšších se signál vysílá jako směrovaný paprsek. Pro datovou komunikaci se používají převážně tři typy frekvenčních rozsahů: Mikrovlnné frekvence v rozsahu 2 až 40 GHz jsou převážně určené pro přenosy typu Point-to-Point. Radiové frekvence v rozsahu 30 MHz až 2 GHz jsou určené pro bezdrátové lokální sítě typu WLAN (Wireless Local Area Network). Tento signál se šíří z vysílacích antén všemi směry. Infračervené frekvence jsou v rozsahu 3 GHz až 20 THz. To odpovídá vlnové délce 850 až 950 nm. Tato frekvence je vhodná pro bezdrátové lokální sítě typu WLAN. Na rozdíl od radiové frekvence infračervené vlny nedokážou prostupovat zdmi a dalšími pevnými překážkami. Proto se dají použít jen tam, kde je přímá viditelnost. [3]

9

Kroucená dvoulinka (dvoudrát) se skládá ze dvou isolovaných měděných vodičů navzájem spirálovitě zkroucených. Určitý počet párů vodičů sdružených a chráněných pevným vnějším obalem se nazývá kabelem. Vzájemné zkroucení jednotlivých párů vodičů je z důvodu minimalizace jejich vzájemné elektromagnetické interference. Pro větší odolnost vůči vnějšímu rušení bývá ještě kolem svazku opletení a nebo alespoň stínění. Koaxiální kabel je tvořen dvěma různými vodiči. Vnitřní vodič, který tvoří pevný drát nebo lanko, je pokryt izolační vrstvou, na níž je jako pevné pouzdro a nebo síťka vnější vodič. Nejvrchnější vrstva je tvořena obalovým pláštěm. Protože má koaxiální kabel nejlepší elektrické vlastnosti, hlavně větší elektromagnetickou odolnost, lze jej využít pro různé typy provozů s velkým rušením. Optický vodič je 2 až 125 um tenká průzračná látka schopná vést optický paprsek. Optický kabel má kruhový průřez, který je složen ze tří soustředných částí. Vnitřní část je tvořena jádrem. Obal jádra obklopuje světelně isolační vrstva a vnějším obal s pláštěm, který plní ochranou funkci proti mechanickým poškozením a okolním vlivům. Materiál tvořící světelně vodivé jádro, které se skládá z jednoho nebo několika vláken, je vyroben ze skla nebo průzračného plastikového materiálu. Materiál, který slouží pro světelně izolační vrstvu, musí mít jiné světlovodivé vlastnosti než světlovodivé jádro, ideální je světlonevodivý. Mezi výhody optických kabelů oproti vodičům metalickým patří především vyšší přenosová kapacita, menší rozměry a hmotnost, menší přenosový útlum, odolnost proti elektromagnetickému rušení, schopnost přenášet signál na extrémně dlouhé vzdálenosti bez nutnosti obnovy signálu [3]. Speciální sběrnicové kabely například systém AS-i používá pouze jeden dvouvodičový nestíněný žlutý kabel, po kterém jsou přenášena data od řídicího systému a zároveň jsou pomocí tohoto kabelu napojeny podsystémy, senzory a akční členy. Jedním dvouvodičovým kabelem dokážeme nahradit silné svazky paralelně propojovacích kabelů.

10

1.3

Model OSI

Počátky modelu OSI jsou datovány do sedmdesátých let dvacátého století. V tomto období došlo k prudkému rozvoji v oblasti výpočetní technologie a automatizace. S tím je spojena stále rostoucí potřeba vzájemné propojitelnosti různých výpočetních systémů, aby bylo možno sdílet data k výpočetním zdrojům a pro vzájemnou komunikaci. Bylo zapotřebí vytvořit normu, která by popisovala jednotnou síťovou architekturu, která by šla volně aplikovat na připojitelná koncová zařízení sítě, tzv. „otevřené systémy“. Tohoto úkolu se ujala mezinárodní standardizační organizace ISO (International Organization for Standardization). Tato organizace publikovala v roce 1984 mezinárodní normu ISO7498 nazvanou Referenční model OSI (Open Systems Interconnection). Norma řeší nejen síťové propojení, ale také formáty a organizaci dat, tzv. informace pro možnost poskytování distribuovaných informačních služeb. Norma neudává jak realizovat „otevřený systém“, uvádí jenom všeobecné principy síťové architektury, které jsou složené ze sedmi funkčních vrstev. Norma dále popisuje účel jednotlivých vrstev, jejich funkce, služby (co nižší vrstva poskytuje vrstvě vyšší a co vyšší vrstva vyžaduje od vrstvy nižší). Každá funkce je realizována určitými protokoly ale i naopak, jeden protokol může provádět několik funkcí. Prostřednictvím OSI každý protokol komunikuje s partnerským protokolem, který se nachází na příslušné stejnolehlé vrstvě jiného síťového systému (viz obr. 1.3.1). [3]

Obr. 1.3.1 – Referenční model OSI [3]

11

Například: „Aplikace pro elektronickou poštu komunikuje s aplikací pro elektronickou poštu na vzdáleném systému, aniž by se zajímala o to, zda signály nesoucí zprávy putují po sériové lince modemu nebo po kroucené dvoulince sítě EtherNet.“ [3] Informace (data), které jsou určeny k přenosu, si vrstvy předávají mezi sebou směrem od nejvyšší k nejnižší. V každé vrstvě se připojí k datovému paketu tzv. záhlaví vrstvy, která obsahuje režijní data, tzv. řídící informace, které jsou určené pro stejnolehlou vrstvu cílového systému. V tomto stadiu jsou data přenášena již jako signály. V cílovém systému data postupují naopak - od vrstvy nejnižší k vrstvě nejvyšší. V každé vrstvě se odebírají tzv. záhlaví vrstvy a data jsou postupně předávána do vyšší vrstvy již bez přidaných režijních dat. V nejvyšší vrstvě koncového systému jsou již data ve své původní formě, což je výsledkem přenosového procesu. [3]

Obr. 1.3.2 – Princip zapouzdření dat [3] Jednotlivé vrstvy nejsou při práci závislé na sousedních, komunikují spolu a předávají si data prostřednictvím mezivrstvových rozhraní. Tento proces se nazývá zapouzdření dat a je znázorněn na obr. 1.3.2. Obrázek popisuje názvy jednotlivých vrstev a jejich funkci. Pokud se jedná o data, spojová vrstva nejenže předřazuje datům záhlaví, ale také připojuje tzv. zápatí. Vzniká tedy uzavřený datový formát, rámec (frame). Rámec je předáván do fyzické vrstvy, která ho vyšle jako signál do přenosového média. [3] Ke každé vrstvě OSI je připojena sada protokolů, které plní její funkce. Tyto protokoly komunikují se stejnolehlými protokoly.

12

Základní funkce vrstev OSI jsou: 

7. vrstva – aplikační poskytuje aplikacím přístup ke komunikačnímu systému prostřednictvím protokolů síťových služeb (elektronická pošta, přenos souborů…), které zahrnuje.



6. vrstva – prezentační bývá zpravidla součástí operačního systému a zajišťuje konverzi přicházejících a odcházejících dat do určeného formátu.



5. vrstva – relační organizuje a sjednocuje přenos mezi spolupracujícími relačními vrstvami v propojených systémech a koriguje výměnu dat mezi propojenými systémy. Vrstva umožňuje vytvoření, obnovení, kontrolování a ukončení relačního spojení.



4. vrstva – transportní organizuje a spravuje přesun dat mezi koncovými komunikujícími procesy. Úkolem této vrstvy je poskytnout vyšším vrstvám takovou kvalitu přenosu, jakou budou požadovat.



3. vrstva – síťová zajišťuje směrování paketů v síti a stará se o síťové adresování. Poskytuje optimální cesty pro přenos paketů od zdrojového uzlu po uzel cílový. Umožňuje spojení mezi systémy, které spolu přímo nesousedí a přemostění rozdílných vlastností přenosových sítí.



2. vrstva – vrstva datových spojů, linková vrstva zajišťuje spojení mezi systémy. Tato vrstva uspořádává data z fyzické vrstvy do tzv. datových rámců. Pomocí ní jsou přenášené rámce seřazovány a kontrolovány a je synchronizován a zabezpečován jejich přenos.



1. vrstva – fyzická realizuje vysílání a přijímání signálu na fyzickém spoji. Tato vrstva definuje fyzikální a elektrické vlastnosti zařízení, hodnoty napěťové úrovně, způsob realizování přenosu „jedniček a nul“ a udává vlastnosti přenosových medií. Modulace digitálních dat na signály přenášené po přenosových mediích je prováděna touto vrstvou. [3] Z hlediska funkčnosti se vrstvy rozdělují do dvou skupin (viz obr. 1.3.2):



horní čtyři vrstvy (4.,5.,6.,7. vrstva) provádí zpracování zprávy před jejím předáním uživatelskému rozhraní nebo po jejím převzetí od uživatelského rozhraní,



Spodní tři vrstvy (1.,2.,3. vrstva) jsou určeny k předávání zpráv mezi komunikujícími uzly.

13

1.4

Průmyslové sítě

Průmyslové sběrnice jsou převážně digitální sériové sběrnice, po kterých probíhá přenos dat potřebných pro síťovou komunikaci především v průmyslových provozech. Tyto sběrnice umožňují strukturované řízení, paralelní chod úloh a zpracování dat v tzv. distribuovaném systému řízení. Průmyslové sběrnice začaly vznikat počátkem 80. let a jejich filozofie vychází z koncepce lokálních počítačových sítí. Na průmyslové sběrnice jsou ovšem kladeny specifické nároky např. nutnost zajištění řízení v reálném čase, bezpečnosti přenosu a odolnosti proti rušení. Počítačové sítě tyto nároky neřeší. Počet nejrůznějších digitálních komunikačních sítí a protokolů nabízených pro použití v průmyslu jde v současné době do mnoha desítek. Obr.

. ukazuje jejich rozdělení.

Obr. 1.4. Rozdělení průmyslových sítí [4] Jednotlivé kategorie průmyslových sítí na obr. 1.4. se navzájem překrývají a daný standard je možné proto zařadit do obou ze sousedních skupin. Tak např. InterBus je někdy charakterizován jako typický SensorBus, jindy je považován za DeviceBus (přenos po Bytech). [4]

14

1.5

Inteligentní budova

Termín „Inteligentní budova“ má svůj původ v USA, kde jej začátkem 90 let poprvé použili pro označení způsobu propojení technických prostředků, poskytovaných služeb a prostředků správy velkých budov. Později toto označení převzali Japonci, kteří takto označili koncepci integrace počítačových systémů technologického řízení budovy, telekomunikací a automatizace administrativy. Na celém světě se zrodila celá řada dalších definicí pojmu "Inteligentní budova", které se odlišují podle toho, zda jejich autor kladl důraz na technickou či systémovou stránku věci. Hlavní částí všech definic zůstává základní hledisko a to je multidisciplinární přístup k projektu stavby tak, aby byly optimálním způsobem splněny požadavky vlastníka budovy i jejích uživatelů. Hlavní obsah pojmu "Inteligentní budova" lze popsat jako objekt s integrovaným managementem, to znamená, že jsou sjednoceny systémy řízení (technika prostředí, komunikace, energetika), zabezpečení (kontrola přístupu, požární ochrana, bezpečnostní systém) a správa budovy (plánování, pronájem, leasing, inventář). Optimalizací těchto složek a vzájemných vazeb mezi nimi je zabezpečeno produktivní a nákladově efektivní prostředí. Inteligentní budova pomáhá vlastníkovi, správci i uživateli realizovat jejich vlastní cíle v oblasti nákladů, komfortu prostředí, bezpečnosti, dlouhodobé flexibility a prodejnosti. „Inteligentní budova“ uspokojuje současné potřeby vlastníka a nájemce budovy a může být jednoduše přizpůsobena jejich rostoucím nárokům v budoucnosti, umožňuje úspory pořizovacích i provozních nákladů. [5]

15

2

Automatizované řízení technologických

procesů – ASŘTP Provoz moderních průmyslových objektů zajišťuje řada systémů - řízení vytápění, chlazení a vzduchotechniky, řízení osvětlení, řízení energetické soustavy budovy včetně náhradních zdrojů, řízení výtahů, požární signalizace, identifikační a přístupový systém, zabezpečovací systém a další systémy. Tyto systémy je zapotřebí řídit a monitorovat jako celek. Jednotlivé systémy a zařízení mají své výrobce a dodavatele, kteří nasazují pro tyto systémy automatiku zajišťující optimální provoz zařízení. Automatika systémů obsahuje rozsáhlé možnosti diagnostiky provozních a poruchových stavů. Takové systémy zpravidla pracují prostřednictvím mikroprocesorové techniky. Každá automatika má svoje vlastní rozhraní pro připojení sériové sběrnice pro komunikaci s ostatními mikroprocesorovými jednotkami i s osobním počítačem na pracovišti obsluhy, odkud lze efektivně řídit a monitorovat činnost zařízení. Pro správnou funkci objektu jako celku je zapotřebí zajistit přenos informací mezi jednotlivými systémy - např. při požáru zareagují protipožární klapky, vypnou se vzduchotechniky a spustí se požární ventilace, požární signalizace vyhlásí poplach a pošle informaci požárnímu záchrannému sboru, uvedou se do požárního režimu výtahy, osvětlí se evakuační trasy a odblokují únikové východy. Nejvhodnější přenos dat mezi systémy je pomocí komunikace. Přenos je operativnější a vzniká při něm méně chyb než při komunikaci pracovníků obsluhy jednotlivých systémů. Propojení systémů může být realizováno také pomocí diskrétních signálů přenášených mezi vstupním a výstupním zařízením jednotlivých systémů. Takovéto signály nesou konkrétní informaci, která byla nastavena již při projektování. Pozdější rozšíření je obtížné z důvodu nového kabelového propojení. Počet přenášených informací tímto způsobem je fyzicky omezen počtem vstupních a výstupních kanálů, které mají jednotlivé systémy k dispozici. Při takovémto propojení je nutné zvláštní pracoviště obsluhy ke každému ze systémů, to znamená samostatný PC obsluhy pro jednotlivý systém. Tato varianta je neekonomická a náročnější na obsluhu. S tímto způsobem se můžeme setkat u propojení např. havarijních stavů u protipožárních klapek ve vzduchotechnické jednotce, kdy je pomocí

16

hardwarového propojení připojen automat vzduchotechnické jednotky a jednotka požární signalizace, která vyhlašuje požár a předává informaci do dalších technologií. Skutečné propojení činností jednotlivých systémů v rámci celku lze realizovat propojením systémů prostřednictvím komunikačních kanálů. Toho lze dosáhnout několika způsoby: 

využitím jednotek, které překládají komunikační protokol a data jednoho dodavatele do protokolu a do dat jiného dodavatele



sdílenými protokoly, které jsou výsledkem spolupráce dvou nebo více dodavatelů, kteří používají společný protokol, umožňující tím obousměrnou komunikaci jejich zařízení



použitím společných aplikací, standardů, universálních protokolů, vyvinutých sdruženími výrobců a normotvornými organizacemi. Dodavatel, který používá daný standart, se může připojit na zařízení kteréhokoliv jiného dodavatele pracujícího s tímto standardem. V dnešní době je řada takových standardů, např. BACNET (Building Automation and Control Network), LON (Local Operating Networks). Propojitelnost a otevřenost jednotlivých systémů je výhodná pro uživatele, protože

přináší uživateli nezávislost na konkrétním dodavateli. Propojení jednotlivých systémů zvyšuje komfort, bezpečnost a produktivitu. Propojení také umožňuje využití sdílených komunikačních médií a společnou správu informací z jednotlivých systémů na jednom operátorském pracovišti ve společném grafickém prostředí. Informace přenášené tímto způsobem lze upravovat a rozšiřovat i v průběhu provozu. Díky propojení systémů lze řídit a monitorovat provoz z libovolného pracoviště a mnohdy i na dálku pomocí webového rozhraní. Aby bylo možno plně využít propojení systému je vhodné použití služby tzv. systémového integrátoru. Ten nám zaručí, že komunikace mezi jednotlivými systémy funguje takovým způsobem, že všechna data, která popisují chování budovy, budou na centrálním pracovišti obsluhy dostupná ve stejném rozsahu umožňujícím efektivní provoz. Důležitým faktorem při výběru řídicího systému je schopnost propojení s jinými řídicími systémy.

17

2.1

Základní charakteristiky protokolů

V současné době existuje několik desítek průmyslových komunikačních protokolů. Velké množství z nich má svoje specifické vlastnosti. Některé jsou otevřené pro různorodé použití odlišnými výrobci řídicích systémů. Některé protokoly jsou uzavřené a používají je pouze výrobci těch řídicích systémů, pro které byly tyto protokoly vytvořeny.

2.1.1

Požadavky na vlastnosti protokolu

 Protokol musí umožnit připojení minimálně 50 přístrojů na komunikační sběrnici.  Protokol by neměl vyžadovat nepřetržitý provoz všech přístrojů.  Protokol by neměl vyžadovat znalost všech vlastností přístrojů připojených ke sběrnici.

 Měla by být řešena situace, kdy dojde k přetížení sběrnice tak, že se přístroje budou při obsazování sběrnice střídat.

 Protokol by neměl vyžadovat rekonfiguraci při výpadku nebo vypnutí některého přístroje.

 Protokol by měl umožňovat potvrzení doručení zprávy příjemcem pro odesílatele.  Komunikace s jedním přístrojem by neměla zatěžovat ostatní přístroje, pro které není zpráva určena.

 Sběrnici by mělo jít snadno realizovat s bezpečným galvanickým oddělením a s minimální délkou 20 m.

 Řešení by mělo být levné, nemělo by vyžadovat speciální obvody.

18

2.2 

Kritéria nasazení a použití

Přenosová rychlost - udává, jaký objem informace se přenese za jednotku času. Základní jednotkou přenosové rychlosti je bit za sekundu (bit/s) Jednotka udává, kolik bitů informace je přeneseno za jednu sekundu.



Vzdálenost – jaká může být maximální vzdálenost mezi dvěma řídicími systémy bez nutnosti použití opakovače nebo zařízení, které obnoví a zesílí vysílaný signál nesoucí informaci.



Šířka pásma – udává, jaký objem dat je přenosový kanál schopen přenést. Jednotka šířky pásma je stejná jako jednotka frekvence, tj. 1 Hz. V případě běžných telefonních okruhů je schopnost přenášet frekvence od 300 Hz do 3400 Hz.



Počet stanic – udává, jaký může být maximální počet stanic na jedné komunikační lince. Závisí zde na způsobu identifikace jednotlivých podstanic systému.



EMC odolnost – udává, zda zařízení vyhovuje evropské normě CENELEC EN 50082-2, týkající se odolnosti proti rušení v průmyslovém procesu, která je založena na mezinárodních normách IEC řady 1000-4, (dříve IEC řady 801 a 255), resp. evropských normách EN řady 61000-4 . Zařízení musí projít testem: Test elektrostatickými výboji IEC 1000-4-2 (EN 61000-4-2) Test v elektromagnetickém poli IEC 1000-4-3 (EN 61000-4-3) Test transientním signálem IEC 1000-4-4 (EN 61000-4-4) Test vlnou nadproudu a přepětí IEC 1000-4-5 (EN 61000-4-5) Test elektromagnetickým polem nad 9 kHz IEC 1000-4-6 (EN 61000-4-6) Test magnetickým polem 50 Hz IEC 1000-4-8 (EN 61000-4-8) Test impulzním magnetickým polem IEC 1000-4-9 (EN 61000-4-9) Test mag. polem vyvolaným tlumenými kmity IEC 1000-4-10 (EN 61000-4-10) Kolísání a krátkodobé výpadky napájecího síťového napětí IEC 1000-4-11 (EN 61000-4-11) Test tlumenými kmity IEC 1000-4-12 (EN 61000-4-12)

19



Zabezpečení (šifrování) – udává způsob zabezpečení a kontrola protokolu proti případným změnám narušitelem a chybách vzniklých narušením komunikace prostředím.



Interoperabilita (spolupráce s jinými systémy) – udává schopnost různých systémů vzájemně spolupracovat, poskytovat si služby, dosáhnout vzájemné součinnosti. Např. elektrický spotřebič může být zapojen do elektrické zásuvky.



Otevřenost systému – je to schopnost softwarového zpřístupnění a možná úprava systémového softwaru.



Náročnost implementace – udává náročnost zavedení nového systému do provozu



Cena – v dnešní době je velký důraz kladen taky na pořizovací a provozní náklady



Způsob komunikace - Mastr/Slave, Peer to Peer, multicast, multimaster, Producentkonzument, objektový model zařízení



Topologie



Přenosová media

20

2.3

Porovnání jednotlivých protokolů

Jsou zde uvedeny jen protokoly, které se prosazují jako úspěšné a používané.

2.3.1

AS-interface

AS-Interface je navržen pro inteligentní automatizační řešení pro nejnižší úroveň v provozu automatizace. Je převážně určen pro jednoduché připojení vzdálených vstupů a výstupů. Systém AS-Interface umožňuje začlenění senzorů a aktorů od různých výrobců do sítě jediným kabelem. Struktura je otevřena vůči nadřazeným úrovním. Přenosovým mediem je speciální dvoužílový kabel se zvláštním tvarovým profilem, který zabraňuje otočení zapojení. Zapojení se provádí pomocí takzvaného "Click&Go", který proděraví izolaci kabelu a vodivě spojí kabel a připojené zařízení. Moduly lze odpojit i připojit na kabel bez nutnosti odpojení celé sběrnice. Kabely jsou barevně odlišené. Žlutý kabel je obvykle používán k napájení a pro datovou komunikaci AS-Interface modulů. Černý kabel slouží pro napájení modulu výstupu 24VDC. Červený kabel napájí uzly AC napětím, ale tento kabel se prakticky nepoužívá. Od 90 let se do spolupráce s AS-interface zapojilo přes 260 výrobců a vytvořili obrovský sortiment produktů. Nabízí řešení pro integrování senzorů a aktorů prakticky do všech automatizačních sítí. AS-Interface je díky své jednoduchosti a hospodárnosti rozšiřující se značka. Od roku 2001 existuji pro sběrnici AS-I bezpečnostní prvky podle normy EN 954-1 (kategorie 4).

Popis funkce Protokol AS-Interface využívá unikátní způsob modulace nazvaný Alternating Pulse Modulation. Tento způsob modulace umožňuje přenášet data po napájecích vodičích, zajišťuje vysokou pravděpodobnost bezchybného přenesení dat se spolehlivou detekcí chyb při přenosu a rovněž zajišťuje elektromagnetickou kompatibilitu, neboť výsledný signál neobsahuje vysoké frekvence. [6] Zprávy posílané po napájecích vodičích jsou velmi krátké, tím se dosáhlo krátké doby cyklu. Každý dotaz od Master k Slave, je následován odpovědí Slave. Po prvních dvou bitech, následuje start, control a 5 bitů adresy (0…31) a informace. Dotaz je ukončen kontrolními

21

a koncovými bity. Pak následují v podobném bloku protokolu 4 bity odpovědi od Slave k Master. V informační části (bity 8…12) mohou být pro Slave přenášeny 3 typy informací: 

4 bity dat - jsou to data standardních operací pro řízení akčních prvků.



4 bity parametrů - data pro nastavení parametrů snímačů. Tyto parametry jsou posílány jedenkrát za cyklus pouze jednomu Slave (např. typ výstupu, spínací vzdálenost).



5 bitů příkazu - data příkazu pro Slave (např. pro programování adresy).

Obr. 2.3.1. AS-I Cyklus a zpráva [7] AS-Interface profil je důležitý pro kompatibilitu komponentů. Cílem je dodržet identitu různých Slavů se stejnými funkcemi. AS-International Association popisuje profily Mastera a Slave. Master dále dělí na 3 profily s různými funkcemi: 

M0 minimální Master pouze pro výměnu dat



M1 plný Master se všemi funkcemi pro výměnu dat a parametrů s možností adresování



M2 jednoduchý Master pro výměnu dat a minimální nastavení parametrů.

22

Pro kódování Slave jsou určeny dva typy informací: 

První (I/O kód) konfiguruje 4 vstupy/výstupy Slave, a určuje, zda budou pracovat jako vstupy či výstupy nebo obousměrně.



Druhý (ID kód) poskytuje přídavné informace o významu jednotlivých dat a parametrů.

Profil Slave se skládá z I/O a ID kódů, které spolu velmi úzce souvisejí a dohromady tvoří profil Slave. Profil Slave je uložen do paměti Slave při jeho výrobě. Uživateli není dovoleno tento kód měnit, může ho pouze číst. Kódování v paměti je uloženo hexadecimálně, to znamená, že jsou zastoupeny také hodnoty od A do F. Kódování "F" v I/O kódu znamená, že data jsou v neplatné konfiguraci. "F" v ID kódu je vyhrazeno pro firemní specifikaci a umožňuje připojení nestandardních produktů, které využívají AS-Interface specifikaci. Informace o profilu je výrobku přidělena společně s technickými daty. [7]

ISO vrstvy: 7. aplikační vrstva – poskytuje síťové služby uživateli. 2. spojová vrstva – zajišťuje strukturu dat, rámce, zabezpečení a opravu chyb 1. fyzická vrstva – udává vlastnosti přenosových medii pro přenos dat Zabezpečení sítě a detekce chyb Způsob modulace a malá délka zpráv umožňuje velmi dobrou detekci chyb při komunikaci. Není zapotřebí použití složitých kontrolních součtů. Způsob modulace a relativně nízká komunikační rychlost zajišťují spolehlivou komunikaci i v prostorech, kde je velmi silně zarušené prostředí. Pokud je nutné opakovat zprávu, doba cyklu sítě se prodlužuje o přibližně 0.15 ms. Při komunikaci se rozlišují následující chyby: 1. nesprávná polarita start bitu; 2. nesprávná polarita pulsu (musí se střídat); 3. prodleva mezi pulsy je příliš dlouhá; 4. špatný formát zprávy (chybí puls ve druhé polovině bit-intervalu); 5. chyba parity; 6. chybný ukončovací bit (špatná polarita pulsu); 7. chybná délka zprávy.

23

AS –interface verze 2.1 Přenosová rychlost

167 kbit/s

Způsob komunikace

Master / Slave

Vzdálenost

100m s opakovačem 300m

Topologie

sběrnice, kruh, strom, hvězda

Přenosové medium

speciální dvouvodičový kabel, signál i napájení

Maximální počet stanic

62 Slave stanic, 248 vstupů a 248 výstupů

EMS odolnost

odolná elektromagnetickému rušení

Zabezpečení

- modulace a formát zprávy zajišťuje detekci chyb - v případě poškození, zpráva je opakována

Otevřenost

rychle rozšiřující

Náročnost implementace

snadné přidání nových prvků

2.3.2

CAN

CAN - Controller-Area Network je standardně navržený speciálně pro automobilový průmysl, ale nyní se používá také v dalších oblastech, jako jsou průmyslové automatizace a lékařské vybavení. S vývojem sběrnice CAN začal roce 1983 v Robert Bosch GmbH. Protokol byl oficiálně předveden v roce 1986 na Society of Automotive Engineers (SAE) kongresu v Detroitu, Michigan. První řadič s čipy CAN byl od společnosti Intel a Philips v roce 1987. Jednou z nejrozšířenějších průmyslových sběrnic na úrovni DeviceBus je sběrnice CAN. Tento protokol definuje jen vlastní fyzickou vrstvu a je typický pro několikanásobné zabezpečení rychlého přenosu dat v linkové vrstvě. Nemá definovanou aplikační vrstvu a aplikaci ponechává plně na uživateli. Tvoří základ pro další průmyslové sběrnice jako je DeviceNet a CANopen, které využívají prvních dvou vrstev komunikačního modelu a definují nad nimi vlastní aplikační objektově orientovanou vrstvu. CAN je otevřeným standardem a je podporován několika výrobci mikroelektroniky. Řadiče CAN jsou běžně dostupné za nízkou cenu, což podporuje další rozšiřování této sběrnice i mimo oblast původního určení.

24

2.3.3

CANopen

Nejrozšířenější vyšší komunikační protokol postavený na protokolu CAN, je protokol CANopen, který je definovaný organizací CiA (CAN in Automation) založenou sdružením výrobců a uživatelů CAN sběrnice. Organizace CiA vydala specifikaci CiA DS 301, která byla od verze 4.01 přijata jako norma EN 50325-4. Jedná se o široce konfigurovatelný standardní protokol pro vestavné řídicí sítě pro stroje a zařízení. V současné době je používán v mnoha různých odvětvích v průmyslu, v lékařské technice, automobilech, námořních systémech, ve veřejné dopravě, při automatizaci ve stavebnictví.

Popis funkce Každý komunikační objekt má přiřazen jeden nebo více identifikátorů, které určují jeho prioritu na sběrnici. Přiřazení identifikátorů jednotlivým komunikačním objektům je jednou ze zásadních částí při návrhu systému. Tyto hodnoty se udávají v předprovozním stavu sítě. Protokol CANopen určuje všechny komunikačními objekty spolu s důležitými informacemi o vlastnostech a funkčních schopnostech jednotlivých zařízení. Komunikační objekty jsou zařazeny v tzv. slovníku objektů uloženém v zařízení, které je součástí sítě a sloužícím jako rozhraní mezi samotným zařízením a aplikačním programem. Každý komunikační objekt je dostupný prostřednictvím SDO (Service Data Objects) pomocí šestnáctibitového indexu. 7. Aplikační vrstva CANopen podporuje přímý přístup k parametrům zařízení a přenos jeho časově kritických procesních dat. Síťový management CANopen výrazně ulehčuje návrh řídicích systémů. Zařízení pracující podle protokolu CANopen mohou používat jen identifikátory odpovídající komunikačním objektům, které jsou podporované protokolem. Implicitní schéma přiřazení identifikátorů má dvě části. Funkční část určuje prioritu objektu. Část označená jako Node-ID umožňuje rozlišovat mezi dvěma zařízeními plnícími stejnou funkci. Nastavení Node-ID je převážně provedeno hardwarovým přepínačem. Rozsah Node-ID je 1 až 127. Pokud je Node-ID nulová hodnota, je zpráva adresována všem uzlům (All-Node ID). Identifikátor jednotlivých komunikačních objektů je označen zkratkou COBID (Communication Object ID).

25

COB-ID obsahuje: 

Sítová služba NMT Control Object - poskytuje prostředky pro řízení stavu podřízených zařízení v CAN síti. Zpráva má díky nulovému identifikátoru nejvyšší prioritu. Zpráva se skládá ze dvou Byte, z nichž první Byte CS (Command Specifier) obsahuje příkaz a druhý Byte jednoznačnou identifikaci uzlu dle Node-ID.



Node Guarding Object - periodicky monitoruje přítomnost a stav Slave zařízení zasíláním datových dotazů podřízeným zařízením s cílem zjistit, zda jsou aktivní. Podřízené zařízení odpovídá zprávou, která se skládá z informace o stavu zařízení a také z doplňkového bitu, který mění svoji hodnotu při každém dotazu. Pomocí tohoto doplňkového bitu zjišťuje, zda došlá odpověď je odpovědí na aktuální dotaz. Kontrola se provádí i v obráceném pohledu. Podřízená zařízení monitorují pravidelnost dotazů od nadřízených zařízení. Pokud podřízené zařízení nedostane pravidelný dotaz do uplynutí určené doby, oznámí tuto událost nadřazenému aplikačnímu programu, který na ni může zareagovat.



Sync Object - Tato zpráva slouží pro synchronizaci měření a zasílání hodnot vstupních veličin uzlů. Základní taktování sítě je prováděno periodickým vysíláním jednoho ze zařízení. Perioda vysílání této zprávy je definována ve slovníku objektů a může být upravována konfiguračním nástrojem při spouštění zařízení do provozu.



Časová značka (Time Stamp Object) - poskytuje zařízením informaci o aktuálním datu a aktuálním čase. Zpráva má délku 6 Byte a obsahuje počet milisekund od půlnoci a počet dnů od 1. ledna 1984. Časové značky jsou vysílány jedním ze zařízení a neodpovídá se na ně.



Emergency Object – tato zpráva je zasílána v případě vzniku závažné chyby v zařízení. Díky nízké hodnotě COB-ID má zpráva vysokou prioritu. Informace o chybách je uložena v Error registru (0x1001).



Zpráva PDO (Proces Data Objects) – tyto zprávy přenášejí technologická data. Každý PDO musí obsahovat unikátní identifikátor CAN. Zpráva PDO může být vysílána pouze jedním uzlem v síti, ale přijata může být libovolným počtem zařízení. Vyslání

26

zprávy PDO bývá vyvoláno vnitřní událostí, vnitřním časovačem, požadavky vznesenými jinými zařízeními v síti nebo přijetím synchronizační zprávy. 

SDO (Service Data Object) - Objekty nesoucí servisní data neboli servisní objekty umožňují číst a zapisovat jednotlivé položky slovníku objektů. Protokol dovoluje přenášet objekty libovolné délky, pokud je objekt delší než čtyři Byty, je rozdělen do několika CAN zpráv zvaných segmenty nebo skupin CAN zpráv zvaných bloky. [8]

CANopen Přenosová rychlost

10, 20, 50, 125, 250, 500 a 800 kb/s, 1 Mb/s

Způsob komunikace

Mastr / Slave, Peer to Peer, milticast, multimaster

Vzdálenost

25 – 1.000 m – záleží na přenosové rychlosti

Topologie

sběrnice

Přenosové medium

dvoulinka pro signál i napájení

Maximální počet stanic

127

EMS odolnost

niská

Zabezpečení

dostatečné, není potřeba

Otevřenost

otevřená a podporována několika výrobci

Náročnost implementace

snadné přidání nových prvků

2.3.4

DeviceNet

Sběrnice DeviceNet patří dnes mezi nejrozšířenější sběrnice a je součástí většiny používaných PLC a PAC systémů. DeviceNet je standardní otevřená síť, přístupná všem výrobcům automatizační techniky pro připojení do systému, která umožňuje přenos dat na nejnižší úrovni řízení-snímačů a akčních členů. DeviceNet je založen na komunikačním protokolu Controller Area Network (CAN). CAN síť má vysokou odolnost proti rušení a integrované obvody jsou dostupné u mnoha celosvětových výrobců (Philips, Motorola, Intel, NEC, Siemens, atd.) DeviceNet byla navržena firmou Allen-Bradley a v současné době je používána téměř stovkou firem vyrábějících snímače a akční členy. Vyznačuje se napájením po sběrnici, přepínatelnou přenosovou rychlostí až 500 kB/s a nezvyklým komunikačním modelem poskytovatel/zákazník. 27

DeviceNet je digitální, vícesběrnicová síť, která především slouží jako komunikační síť mezi průmyslovými řídicími systémy (PLC, PAC, Embedded PC) a ostatními I/O zařízeními. Každé zařízení v síti lze označovat jako jeden uzel (node). Komunikační hierarchie je postavena na OSI modelu. DeviceNet komunikace pracuje na nezvyklém principu poskytovatel/příjemce, což umožňuje podporu mnoha komunikačních hierarchií a širokou schopnost řízení priority komunikace a přenosu dat mezi zařízeními. Síť může být nakonfigurována pro komunikaci pomocí Master/Slave nebo přímým stylem Peer-to-Peer. Výhodou je možnost napájení jednotek přímo po sběrnici. DeviceNet sběrnice byla od začátku navržena jako stabilní síť s vysokým výkonem a spolehlivostí pro průmyslové aplikace. DeviceNet je otevřený standard rozvíjený sdružením ODVA, které spojuje přes 700 firem podílejících se na dalším vývoji. Tyto firmy zavedly DeviceNet do svých výrobků. Výrobky a zařízení, které jsou označené organizací jako DeviceNet CONFORMANCE TESTED® products a které mají certifikát "Official Declaration of Conformity from ODVA", splňují všechny parametry sběrnice a jsou plně kompatibilní s jinými takto označenými výrobky využívajícími DeviceNet.

Popis funkce Protokol DeviceNet definuje sériový přenosový kanál mezi prvky a systémy průmyslové automatizace. Řadí se do 7. vrstvy modelu OSI/ISO, která je definována nad protokolem CAN (1. a 2. vrstva modelu). Model DeviceNet srovnává specifikaci CAN a modelu ISO/OSI. CAN definuje pouze fyzickou a linkovou vrstvu modelu ISO/OSI. DeviceNet je síť s přístupem typu CSA (Carrier Sense Access), kdy může libovolná jednotka začít vysílat, když je na sběrnici klid, to znamená, že se nepřenáší žádná data. To umožňuje možnost komunikace Peer-to-Peer (každý s každým). [9]

Obr. 2.3.4. - Model DeviceNet [9]

28

Specifikace DeviceNet definuje aplikační vrstvu, obsahuje i specifikaci fyzického interfejsu. 1. Fyzická vrstva v síti DeviceNet se skládá z přenosů, oddělovacích obvodů a ochranných obvodů. Optické oddělení není povinné, pokud se zařízení napájí ze sběrnice. Přenosové médium se využívá i pro napájení stanic napětím 24V DC. Protokol DeviceNet není pouze vlastním komunikačním prostředkem systémů Allen-Bradley, ale pro své výhodné vlastnosti se stává oblíbeným komunikačním protokolem, který je otevřený a je levný. Protokol DeviceNet proniká do mnoha výrobků celé řady výrobců průmyslové automatizace. Výhodou je plná otevřenost protokolu. 7. Aplikační vrstva protokolu DeviceNet definuje komunikační model. Určuje profily zařízení a knihovnu aplikačních a pomocných objektů. Komunikační model ukládá způsob využití CAN zpráv, význam datového pole a rozdělení CAN identifikátorů a rozdělení zpráv delších než 8 Bytů, potvrzování přijetí atd. Profily zařízení a knihovny objektů umožňují dosažení vzájemné zaměnitelnosti a propojitelnosti produktů od různých výrobců. 3. Síťová a 4. Transportní vrstva definuje pro předávání zpráv výhodnější způsob než je použití adres typu zdroj/cíl, používaný u jiných způsobů sériové komunikace. Tento způsob se nazývá poskytovatel/příjemce. Identifikační pole neobsahuje adresu stanice, která zprávu přijímá, ale typ dat přenášených daným datovým rámcem. Tímto je umožněno využití většího počtu úrovní priorit při povolování přístupu k přenosovému médiu, efektivní přenos I/O dat a komunikace mezi jedním vysílacím objektem a několika objekty přijímajícími. Přenášené zprávy jsou rozděleny do skupin podle struktury pole identifikátorů v protokolu CAN. Obsahují v různé kombinaci dva z následujících komponentů: 

identifikátor zprávy (Msg. ID) identifikuje zprávy dané skupiny zpráv a umožňuje tak vytvořit několik propojení pomocí zpráv dané třídy z jednoho zařízení. Po navázání spojení je s použitím odpovídajícího identifikátoru zprávy a adresy zařízení vytvořen identifikátor, který přísluší danému spojení a který slouží dále jako identifikátor rámce CAN.



adresu zdroje zprávy (MAC ID zdroje)



adresu zdroje nebo příjemce zprávy (MAC ID)

29

Určování priority zpráv skupiny 1 a 3 je předáváno mezi všechna zařízení v síti. Pokud žádá o přístup ke sběrnici současně několik zpráv skupiny 1 nebo 3, rozhoduje nejprve identifikátor zprávy (Msg.ID). Když dojde ke shodě, rozhoduje jako druhé kritérium adresa vysílacího zařízení (MAC ID zdroje). Protože zprávy skupiny 1 mají nejvyšší prioritu, jsou jediné, které mají nejvýznamnější bit dominantní. Zprávy skupiny 2 mají jako celek vyšší prioritu než zprávy skupin 3 a 4, ale uvnitř skupiny 2 rozhoduje o prioritě nejprve adresa zařízení a až jako druhé kritérium se uplatní obsah zprávy ve formě jejího identifikátoru (adresová položka - MAC ID zde může obsahovat adresu zařízení přijímajícího nebo vysílajícího). Část zpráv skupiny 4 má speciální význam, zbytek zatím není definován. [10]

DeviceNet Přenosová rychlost

125, 250, 500kb/s

Způsob komunikace

Master / Slave, multimaster, Peer to Peer

Vzdálenost

500m s opakovačem 6km

Topologie

páteřní vedení, přípojka k vedení

Přenosové medium

dvoulinka pro signál i napájení

Maximální počet stanic

64

EMS odolnost

velmi vysoká

Zabezpečení

není vyžadováno

Náročnost implementace

snadné přidání nových prvků

2.3.5

ControlNet

ControlNet je moderní řídicí sběrnice pro průmyslové aplikace. ControlNet umožňuje realizovat vysokorychlostní přenos časově kritických vstupních a výstupních dat a současně i upload a download programů, přenos nastavení parametrů a zasílání zpráv Peer-to-Peer jedním jednoduchým nebo zdvojeným (redundantním) fyzikálním médiem prostřednictvím protokolu CIP (Common Industrial Protocol). Pracuje na stejném protokolu, který využívají sítě EtherNet/IP, DeviceNet a CompoNet. ControlNet vyvinula firma Rockwell Automation (Allen Bradley) a je považován za novou generaci datové sítě pro automatizaci a řízení. Je to výkonná síť s přenosovou rychlostí 5 Mbit/s. Na rychlost sítě nemá vliv změna počtu připojených zařízení. ControlNet umožňuje

30

nastavit časový okamžik odeslání dat (determinismus) a tento časový okamžik zůstává nezměněný, pokud jsou zařízení připojována nebo odpojována od sítě (opakovatelnost). Tím splňuje zásadní požadavky na synchronizaci koordinovaného a real-time řízení pohybu. ControlNet má patentovanou metodu přístupu, která podporuje deterministický přenos časově kritických vstupních/výstupních dat. Ostatním datům je přidělena nižší priorita např. programovací příkazy. Proto nemohou narušit přenos časově kritických dat, která mají vyšší prioritu. Navíc ControlNet umožňuje uživateli nastavit četnost přenosu dat jednotlivých uzlů nebo vstupních/výstupních modulů. ControlNet používá pokrokový síťový model zvaný Producent-konzument. V tomto modelu každý uzel může být odesilatel (Producent), příjemce (Konzument) nebo obojí. Časově kritická data jsou vymezeným způsobem přenášena vysokorychlostním spojením, zatím co ostatní data jsou přenášena přes klient-server spojení. ControlNet je vhodný především pro aplikace vyžadující nepřetržitou kontrolu a řízení, stejně jako aplikace používající velké množství vzdálených vstupů/výstupů. ControlNet je standardní podle Evropské normy řady EN 50170.

ControlNet Přenosová rychlost

5Mb/s

Způsob komunikace

Master/Slave, Producent-konzument,

Vzdálenost

1 000 m při koaxiálním kabelu při dvou uzlech, 250 m při 48 uzlech, po vláknu 3 až 30 km

Topologie

sběrnice, strom, hvězda nebo kombinace

Přenosové medium

koaxiální kabel, optické vlákno

Maximální počet stanic

99

EMS odolnost

niská

Zabezpečení

není vyžadováno

Náročnost implementace

snadné přidání nových prvků

31

2.3.6

EtherNet/IP

V současné době je nejpoužívanější síťovou technologií EtherNet. Tato technologie je nezávislá na tom, zda jde o klasický 10 Megabitový EtherNet nebo jeho rychlejší varianty 100 Megabit a 1 Gigabit. V síti lze realizovat přenos nejen „po drátu“ ale i „bezdrátově“ a to umožňuje připojení vzdálenějších a hůře dostupných objektů. Standard EtherNet/IP (EtherNet/Industrial Protocol) je jeden z široce používaných standardů průmyslového EtherNetu, který byl vyvinut pro průmyslovou automatizaci. Využívá architekturu NetLinx se společným protokolem CIP (Common Industry Protocol). Síť EtherNet/IP je založena a vystavěna na celosvětově známé síti EtherNet s protokolem TCP/IP. To znamená, že pro přístup do komunikace této sítě vystačí „obyčejná“ síťová karta v osobním počítači. Díky dostupnosti hardware spojené s vysokou rychlostí komunikace se stává tato síť velice často používanou pro mnoho aplikací. Nejčastější úlohou je přenos dat do osobního počítače popř. do operátorských panelů. Začíná se často také používat pro komunikaci mezi řídicími systémy, dále pro komunikaci se vstupy a výstupy nebo i pro připojení frekvenčních měničů. [11] EtherNet/IP je produktem vývoje výrobců a organizací sdružených v asociacích ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) a ControlNet International pod vedením firmy Rockwell Automation. Standard EtherNet/IP byl poprvé představen v roce 2001 a byl standardizován jako IEC 62413 v roce 2005. Je i součástí normy IEC 61158.

Popis funkce Síť EtherNet/IP je plně kompatibilní se standardní sítí EtherNet podle normy IEEE 802.3 a využívá neupravené vrstvy komunikačního modelu: fyzickou vrstvu, vrstvu protokolů TCP/IP a aplikační vrstvu. To znamená, že využívá standardní komunikační model EtherNetu s řešením na aplikační úrovni. V síti EthetNet/IP jsou EtherNetové uzly, kterými jsou předem definovány typy zařízení se specifickými vlastnostmi a profily. Protokol CIP tvoří profily zařízení a aplikační vrstvu EtherNet/IP. Protokol CIP je používán i v průmyslových sítích DeviceNet a ControlNet. Protokol CIP pracuje s objektovým modelem a využívá komunikaci na principu producent-konzument.

32

CIP - Aplikační vrstva je tvořena objektově orientovaným protokolem CIP. Každé zařízení je podle protokolu tvořeno skupinou objektů. Každý objekt se skládá z atributů (data), služeb (příkazy) a specifikací funkcí (reakce na události). CIP definuje, jaká data musí obsahovat každý objekt. CIP rozdělují objekty do tří skupin: 

Povinnými objekty se dále dělí: o objekt identifikující zařízení (identification object), o objekt specifikující předávání zpráv (message router object), o objekt pro správu spojení (connection object), o jeden nebo několik objektů s parametry konfigurace komunikační sítě (network link object).



Aplikační objekty obsahují data zvláštní pro komunikující typ zařízení a jsou vázány na typ a funkci těchto zařízení. Profily zařízení jsou tvořeny skupinou aplikačních objektů.



Výrobci si mohou určit i vlastní zvláštní objekty. Aby bylo jasné, které objekty se v daném zařízení vyskytují, každé zařízení obsahuje tzv. elektronický popis zařízení (Electronic Device Sheets – EDS). Tento popis obsahují základní informace potřebné pro konfigurování zařízení pro síť EtherNet/IP. Jedná se o textový soubor používaný nástroji pro konfigurování sítě EtherNet/IP. V popisu zařízení je obsažen typ a verze, identifikační údaje a konfigurovatelné síťové parametry. EtherNet/IP komunikuje prostřednictvím EtherNetu, kde využívá standardní protokoly

ze skupiny TCP/UDP/IP. Jsou používány dva způsoby komunikace: 

explicitní přenos je prováděn použitím protokolů TCP/IP a je používán k přenosu typu žádost-odpověď mezi dvěma uzly sítě,



implicitní přenos je realizován použitím protokolů UDP/IP a je určen pro cyklický přenos uživatelských a vstupních a výstupních dat.

33

V úrovni síťové vrstvy se zprávy CIP se zabalují do paketů TCP nebo UDP. Protokol CIP dělí komunikaci na dva základní mechanismy komunikace: 

spojovaná komunikace (connected messaging) znázorňuje spojení na bázi protokolu CIP používané pro přenos vyhrazených zpráv, jako jsou přenosy I/O nebo přenos explicitních zpráv,



nespojovaná komunikace (unconnected messaging) je určena k propojování spojení protokolem CIP nebo pro přenos nepravidelných zpráv s nízkou prioritou. Komunikační model objektů CIP typu producent-konzument umožňuje výhodnější

využití možnosti komunikačního kanálu. Zařízení, které potřebuje číst vybraná data (konzument), se k příjmu vybraných dat přihlásí pouze jednou a zařízení poskytující tato data (producent) je bude opakovaně odesílat po vytvořeném spojení, které se zřizuje procesem nazvaným Connection Origination. Uzel, který zahajuje spojení, je označován jako žadatel o spojení. Uzel, kam je cíleno spojení, je označován jako příjemce spojení. Žadatel o spojení nejprve odešle nespojovanou explicitní zprávu s žádostí o vytvoření spojení, která obsahuje navrhované parametry spojení. Pokud je cílový uzel schopen spojení navázat, odesílá potvrzení s přesnými parametry a navazuje spojení. Mezi parametry spojení patří: 

identifikátor - pro každý směr zvlášť,



způsob přenosu - implicitní/explicitní,



spouštěcí mechanismus přenosu dat - cyklická data, změna stavu,



počet a formát přenášených údajů - každý směr zvlášť.

Obr. 2.3.6. Způsob spojení protokolem CIP a připojení k hromadnému příjmu zpráv (multicast) [12]

34

Spojení, při kterém byl použit CIP, je určeno jednoznačným identifikátorem Connection ID, zvlášť pro každý směr přenosu (obr. 2.3.6). Typ spojení je závislý na charakteru a způsobu odesílání dat. Spouštěcím mechanismem v síti EtherNet/IP je změna stavu nebo cyklická kontrola. Počet přenášených údajů (dat) může být i nulový, tím se ověřuje správná funkčnost zařízení (heartbeat). Implicitní zprávy (I/O data) v síti EtherNet/IP se odesílají jednotlivým účastníkům nebo hromadně více účastníkům (multicast). Pokud se chce k existujícímu spojení připojit další zařízení, posílá žádost o příjem a poté zde může poslouchat v módu multicast. Takovéto spojení lze využít pouze ke čtení (obr. 2.3.6). Pokud nedošlo k vysílání typu multicast, je vytvořeno nové spojení s novou adresou pro multicast a uzel, který žádal o spojení, je o tom informován. Zprávy v módu multicast jsou odesílány protokolem UDP. Parametry vysílání v módu multicast jsou určeny v procesu zřizování spojení. Standard EtherNet/IP definuje tři druhy zařízení: 

messaging class - zařízení podporující explicitní přenos zpráv, která neumožňují přenášet implicitní zprávy (tedy I/O). Převážně jde o zařízení pro konfigurování, parametrizaci anebo diagnostiku.



adapter class - zařízení zpracovávající data v režimu reálného času, která ale sama nemohou zahajovat spojení. Jedná se vzdálené vstupní a výstupní periferie.



scanner class - zařízení sestavují spojení pro přenos dat v reálném čase s ostatními zařízeními třídy scanner class nebo se zařízeními třídy adapter class. Jedná se především o řídicí členy, např. programovatelné automaty (PLC). Standard EtherNet/IP není určen pro úlohy řízení v reálném čase. EtherNet/IP používá

pro zajištění vlastností v reálném čase pouze základní mechanismy, např. rozdělení kolizních domén, použití přepínačů (switch), oddělování segmentů, rychlost EtherNetu. Při navrhování je nutné zvážit, zda možná zpoždění nebo ztráty dat jsou přijatelné. EtherNet/IP, DeviceNet a ControlNet používají stejné aplikační knihovny, objekty i profily zařízení, lze proto do řídicích systémů lehce implementovat nejrůznější zařízení i vyvíjet nové prvky. Jednotná aplikační vrstva umožňuje propojit komunikační struktury přes různé sítě jednotným protokolem.

35

Síť EtherNet/IP je bez zvláštních úprav vrstva 1 až 4 a je ve všech případech plně kompatibilní se standardní sítí EtherNet. Její předností je vedle společného výskytu s ostatními ethernetovými aplikačními programy také propojitelnost se síťovými prvky a infrastrukturou a to včetně budoucího vývoje EtherNetu a ethernetových protokolů. [12]

EtherNet/IP Přenosová rychlost

10, 100, 1000 Mb/s

Způsob komunikace

Peer to Peer

Vzdálenost

tenký koaxiální kabel 185 m, Kroucená dvoulinka 100 m, vlákno 400 m s možností 50 km

Topologie

sběrnice, hvězda, sériové zřetězení (daisy chain)

Přenosové medium

koaxiální kabel, kroucená dvoulinka, optické vlákno

Maximální počet stanic

1 024 uzlů, rozšiřitelný pomocí směrovačů

EMS odolnost

vyšší než u EtherNet TCP/IP

Zabezpečení

vysoké

Otevřenost

velmi rozšířeno a dostupné

Náročnost implementace

snadné přidání nových prvků

HART

2.3.7

HART

(Highway

Addressable

Remote

Transducer)

se

stává

populárnější

v celosvětovém standardu pro Master-Slave komunikaci. Protokol HART byl vyvinut již na konci 80. let, ale masivně začal být výrobci využíván a podporován koncem let 90. Propojení zařízení je realizováno analogovou smyčkou, na kterou je přidružen obousměrný sériový digitální přenos dat mezi dvěma zařízeními nejčastěji inteligentním senzorem a programovatelným automatem. HART může fungovat i jako sběrnice, která dovoluje zajistit propojení komunikací mezi mnoha zařízeními.

36

HART lze využít například k následujícím účelům: 

Nastavení a přenastavení přístroje (např. senzoru)



Čtení naměřených dat



Diagnostika zařízení



Dálkové řešení poruch a problémů



Čtení a mazání stavových a chybových hlášení

Princip funkce HART je specifikován 3 vrstvami OSI modelu: 

Fyzická vrstva (Physical Layer) - 1. (nejnižší) vrstva OSI modelu



Linková vrstva (Data Link Layer) - 2. vrstva OSI modelu



Aplikační vrstva (Application Layers) - 7. (nejvyšší) vrstva OSI modulu

1. Fyzická vrstva modelu OSI zajišťuje vzájemné fyzické propojení a přenos bitů (bitový tok) mezi dvěma nebo více propojenými zařízeními. Přenos signálu v síti HART je prostřednictvím měděného dvouvodičového vedení, nejvhodnější je stíněná zkroucená dvoulinka s vodiči průměru 0.81 mm nebo větší. Podle HART specifikace má smyčka obsahovat zařazený rezistor 230 až 1100 Ohmů, obvykle se používá hodnota 250 Ohmů. Pro napájení smyčky se používá zdroje napětí 24 V DC. Požadavkem na tento zdroj je, aby měl max. zvlněné napětí 0,2 V a na výstupu by měl být zařazen sériový odpor max. 10 Ohmů. K modulaci jednotlivých bitů se využívá FSK klíčování (Frequency Shift Keying Bell 202) tím způsobem, že sinusová složka proudu se přidá ke stejnosměrné složce proudu klasické analogové smyčky 4-20 mA. V případě, že není použitá analogová komunikace, je stejnosměrná hodnota 4 mA. Logické úrovni 1 odpovídá frekvence sinusového signálu 1,2 kHz, hodnotě logické úrovně 0 odpovídá frekvence 2,2 kHz (viz obrázek 2.3.7). Velká výhoda tohoto systému je plynulá změna fáze mezi logickými stavy 1 a 0, čímž se negenerují vyšší harmonické složky jako u obdélníkových signálů a eliminuje elektromagnetické rušení. Díky tomu je tato modulace odolná proti vnějšímu okolnímu rušení. To umožňuje "dálkovou" komunikaci až na vzdálenost do 3 000 m. Pro vzdálenost větší než 1000 m je nezbytně nutné hlídat kapacitu kabelu. Kapacita kabelu by měla být menší než 100 pF/m. Přenosová rychlost je definována fixní rychlostí 1200 b/s. [13]

37

Obr. 2.3.7 Bitový tok - způsob přenosu jednotlivých bitů v rámci analogové proudové smyčky 4-20 mA [13] 2. Linková vrstva modelu OSI se stará o správný přenos dat komunikačním kanálem mezi komunikujícími zařízeními, směrování a řízení přenosu. Tato vrstva také organizuje přenášená data do paketů (rámců) a zabezpečuje datový tok. HART využívá komunikaci typu Master/Slave (žádost/odpověď). To znamená přenos dat a přístup na sběrnici mnoha jednotlivých zařízení Slave, která jsou řízena nadřazenou jednotkou Master. Slave jednotky jsou na sběrnici tolken, jež udává, která jednotka bude v daném časovém úseku s Master komunikovat. Komunikační periodu určuje časovač a když „přeteče“, je přístup jednotce odejmut a přidělí se přístup vedlejší sousední jednotce. Z pohledu topologie a komunikační struktury se používají následující varianty: 

Komunikace bod-bod (Point-to-Point) - jde o nejjednodušší variantu. Vzájemně propojuje dvě jednotky např. PLC a senzor a může fungovat společně s analogovým přenosem (přenos hodnoty změnou úrovně proudu).



Komunikace multidrop - na jedné společné sběrnici je připojen jeden či dva Mastery a dvě či více Slave jednotek. Je možno připojit až 16 jednotek při krátké 4 bitové adrese. Při dlouhé 32bitové adrese je počet jednotek závislý na typu zařízení



Speciální komunikace "burst" - slave jednotka vysílá všem ostatním jednotkám odpovědní zprávu

38

V provedení komunikace bod-bod se obvykle HART využívá jako doplněk k analogové proudové smyčce. Zde se k určité přenášené hodnotě veličiny odpovídá určitá hodnota proudu smyčkou. Při použití multidropu se už jedná o plně digitální komunikaci, kde každé připojené zařízení si nastaví proud na nejnižší hodnotu, to znamená 4 mA a k rozlišení Slave jednotek se využívá adresace. Adresa může být krátká nebo dlouhá. Krátká - 4 bitová adresa nabývá hodnot 0-15. Adresa byla přidělena Master jednotkou již v počátku komunikace. Dlouhá adresa – 32 bitová je zvláštní v tom, že je pevně přidělená u každého Slave zařízení. Skládá se z kódu výrobce, typu a sériového čísla. Struktura zprávy (rámce) sběrnice HART při komunikaci multidrop: 

Preamble - alespoň 3 Byty s hodnotou 0xFF, slouží pro synchronizaci přenosu



Start charakter - indikuje směr přenosu dat, označuje krátký nebo dlouhý formát rámce nebo burst mód



Adresa - v případě Master je 1 bit, v případě jednotky Slave udávají adresu buď v krátkém formátu 4 bity nebo v dlouhém 32 bitů



Command - určuje číslo příkazu např: 0 - přečti jednoznačný identifikátor senzoru, 1 - přečti hodnotu primární proměnné, 2 - přečti hodnotu výstupního proudu atd. Číslo příkazu je uvedeno i v odpovědi senzoru řadiči Master.



Byte count - 1 Byte s počtem bitů přenášených jako status + data v následující sekci



Status - v odpovědi senzoru na každý příkaz indikuje stav



Data - eventuální data příkazu nebo odpovědi od senzoru (0 až 25 bajtů)



Checksum - kontrolní součet zprávy od Start charakter Bytu 7. Aplikační vrstva modelu OSI definuje příkazy, odpovědi, datové typy a stavové

informace podporované komunikačním protokolem. HART zde řídí některé speciální věci, jako např. nastavení proudu smyčkou. Celý přenos informací a komunikace je tvořena definovanými příkazy (commands). Ty jsou rozděleny do třech kategorií:

39



Univerzální příkazy - jsou obsaženy ve všech zařízeních podporujících standard HART. Umožňují vzájemnou komunikaci mezi rozdílnými zařízeními různých výrobců. Jejich obsahem je přenos dat o výrobci a typu zařízení, měřené veličině a jejích jednotkách, osmiznakový popis, hodnota proudu na výstupu a jeho úroveň v procentech z rozsahu, sériové číslo, měřící rozsah a limity apod.



Obecné praktické příkazy - jedná se o volitelné příkazy, které nemusí již být obsaženy ve všech zařízeních HART. Obsahují možnost: čtení a volbu až čtyř dynamických proměnných, změnu rozsahu vysílače, nastavení pevného výstupního proudu, provádění samotestování, zápis tlumící časové konstanty apod.



Specifické příkazy zařízení – jsou to speciální příkazy, které jsou pro určitou funkci skupiny přístrojů. Například obsahují započetí a ukončení měření, volbu primární proměnné, ladění parametrů, nastavení a informace o kalibraci, specifické informace o stavu a konstrukci zařízení, čtení a zápis typu senzoru, mazání čítačů, servisní testování zařízení, softwarové spínání relé apod. Datová struktura pak obsahuje následující položky:



Digitální data v 35 až 40 proměnných



Identifikace zařízení: označení, výrobce, typu, sériového čísla



Kalibrační data a proměnné: dolní a horní hodnoty rozsahu, dolní a horní mezní limit senzoru, tlumení, datum poslední kalibrace



Procesní proměnné: primární proměnné, sekundární proměnné měřící a parametry s více proměnnými



Stavové a diagnostické výstrahy: selhání funkce, změny konfigurace, pokles napájení, zafixování nebo saturace hodnoty proudu ve smyčce, primární nebo sekundární proměnné mimo rozsah, chyba komunikace Komunikace HART je z pohledu podpory nadřazených systémů na úrovni fyzické

a linkové vrstvy, které obvykle pracují jako Master. Nejčastěji se s ním můžeme setkat u systémů s PLC (Programmable Logic Controller) nebo PAC (Programmable Automation Controller). Začíná být podporován i výkonnějšími systémy jako jsou vestavné nebo různé průmyslové počítače a klasické PC. Pro možnost připojení například HART senzoru k PC pak slouží HART modemy a různé převodníky průmyslových sběrnic. Ty dokážou převádět

40

komunikaci proudovou na napěťovou např. RS-232, USB či RS-485 a některé umí i transformovat strukturu HART rámce na strukturu paketu jiného komunikačního standardu. Z pohledu čtení, zpracování dat a komunikace na úrovni aplikační vrstvy už dnešních OPC servery HART datovou strukturu plně podporují. Začínají se používat i malé PLC, které umí dekódovat informace obsažené v HART rámcích a datech. Umí vyhodnotit tyto informace a podle nich spínat příslušné výstupy a vykonávat další operace. HART komunikace se vyskytuje u mnoha vyspělých senzorů, které jsou vybaveny napojením na proudovou smyčku. Protože je přenos dat pomocí proudu odolnější vůči elektromagnetickému rušení než napěťový přenos, lze ho nasadit i do provozů těžkého průmyslu. Může se použít i na větší vzdálenosti bez potřeby opakovačů nebo jiných jednotek pro rekonstrukci bitového toku. Nevýhodou je pak o něco složitější diagnostika a hledání případných poruch. [13]

HART Přenosová rychlost

1200b/s

Způsob komunikace

Master/Slave, broadcast, multimaster

Vzdálenost

3 km

Topologie

bod-bod

Přenosové medium

kroucená dvoulinka

Maximální počet stanic

Master/Slave = 3 (2 master, 1 slave) Multimaster = 17 (2 masters, 15 slaves)

EMS odolnost

kontinuální změně fáze FSK, nevzniká elmag. rušení

Zabezpečení

vysoké

Náročnost implementace

Záleží na typu zařízení

41

2.3.8

InterBus

InterBus je standardizovaná průmyslová sběrnice. Slouží pro komunikaci a přenos řídících zařízení (PLC, PC) se senzory, aktuátory a I/O rozhraními. Komunikace probíhá po dvouvodičovém

vedení.

Topologie

je

provedena

pomocí

aktivního

kruhu,

jde

o deterministickou síť s konstatní dobou komunikace libovolného zařízení s řídicím systémem bez kolizí v přístupu na sběrnici. InterBus je otevřený systém pro propojení I/O zařízení a běžně užívaných průmyslových zařízení s řídicím systémem. InterBus byl v roce 2000 standardizován jako IEC 61158, DIN 19258 a European standard EN 50254. INTERBUS Club se stará o rozvoj a sdružuje 600 firem. Z pohledu topologie je InterBus tzv. ring systémem, to znamená síť s kruhovou topologií, kde všechny aktivní prvky systému připojené ke sběrnici jsou propojením uzavřeny v jedné přenosové smyčce (viz. obrázek 2.3.8). Každé zařízení přijímá signál, který zesílený pošle dalšímu zařízení v síti. To umožňuje vyšší přenosové rychlosti na delší vzdálenosti. Data jsou posílána dopředu i nazpět prostřednictvím dvouvodičového kabelu. Z vnějšího pohledu se celá struktura jeví jako otevřený strom.

Obr. 2.3.8 Topologie InterBus sítě [14]

Struktura je postavena na principu komunikace Master/Slave. Hlavní linka sběrnice vychází z Master jednotky a propojuje všechny Slave jednotky. Z principu kruhové topologie, poslední Slave jednotka automaticky uzavírá síť (viz. obrázek 2.3.8). Tím je vyřešeno zakončování sítě a odporové přizpůsobení tak, jak je to obvyklé u sítí sběrnicového typu.

42

Použitím dvouvodičového vedení dle specifikace standardu RS-485 se dosáhne rychlosti až 500kb/s. Při využití optických vláken struktura sítě zůstává stejná, protože je opět využíváno dvou vláken. To umožňuje libovolné záměny obou médií v různých částech okruhu. Při použití skleněných optických vláken lze prodloužit vzdálenost mezi sousedními zařízeními až na 3600 m, u měděných vodičů je možná vzdálenost až 400 m. Celou strukturu sítě lze rozdělit na několik základních elementů: 

řídící deska = Master - řídí přenos dat, provádí diagnostiku a analýzu chyb



vzdálená sběrnice - fyzicky přenáší data prostřednictvím měděných kabelů (RS-485 standard), optických vláken, IrDA a jiných médií



Terminál sběrnice - připojuje terminálové moduly a vzdálené sběrnice. Tímto způsobem je možné připojit senzory a aktuátory individuálními segmenty umožňujícími jednoduché připojení/odpojení.



Lokální sběrnice - umožňuje připojit lokální zařízení. Tato zařízení jsou napájena přímo po sběrnici.



Krátká smyčka - připojení libovolných senzorů a aktuátorů dvoudrátovým nestíněným kabelem na krátké vzdálenosti max. 200m (max. 20m mezi sousedními zařízeními). Ten přenáší data i provádí napájení (19 až 30V a až 1.8A). Adresování v InterBus síti není založeno na jedinečné adrese daného zařízení, ale

na fyzickém umístění v síti. To znamená, první Slave zařízení za Master má imaginární adresu jedna, druhé dva atd. Nevznikají problémy s nastavováním adresy. Nově připojené zařízení do sítě dostane imaginární adresu následující po posledním prvku. Pomocí software lze však ke každé jednotce přiřadit jméno a tak se vyhnout automatickému "přeadresování" při odpojení nějaké jednotky. Tento systém se nazývá Summation frame method InterBus je jediný sběrnicový systém Master/Slave který používá pouze jeden protokolový komunikační rámec pro přenášení zpráv od všech zařízení. Tento způsob poskytuje vysokou efektivnost přenosu dat a umožňuje zároveň vysílání i příjem dat = full duplex.

43

Přenos dat je uskutečňován pomocí rámců. Jsou složené ze záhlaví, které tvoří loopback slovo pro kontrolu správně zakončené a propojené sítě. Dále obsahuje datové segmenty od jednotlivých jednotek, kódování rámce a zakončení rámce. Rámec lze připodobnit k registru, kde každé zařízení v síti má určen segment. Každé zařízení vysílá a přímá data, která pro sebe potřebuje a nehledí na obsah dat dalších zařízení. Při jednom cyklu projde rámec postupně všemi jednotkami. Z tohoto důvodu je doba jednoho cyklu závislá na počtu jednotek, to znamená, že čím je větší počet jednotek, tím je doba cyklu delší. Pokud se nemění počet prvků, je délka rámce stejná a tím se nemění ani délka jednoho cyklu. Toho se využívá pro systémy pracující v reálném čase, kdy je přesně znám a garantován přenos dat v určitém čase. Vyhneme se tím možnému problému, který může vzniknout při konfliktu v přístupu na sběrnici vzniklé náhodným přístupem na sběrnici. Obsah dat je chráněn 16-ti bitovým cyklickým kódem CRC16. Když Master nevysílá žádná uživatelská data, je datový tok vyplněn stavovými telegramy. Jestliže je mezera v přenosu delší než 25 ms, zařízeními vyhodnotí tuto situaci jako systémový reset a musí přepnout do tzv. bezpečného stavu. Kdyby došlo v případě chyby k přerušením okruhu, Master pozná z délky došlého zbytku rámce místo přerušení. [14]

InterBus Přenosová rychlost

500 kb/s

Způsob komunikace

Master/Slave s přenosem celého rámce

Vzdálenost

segment 400 m při kroucené dvoulince až 3600 m u optického vlákna, celkem 12,8 km

Topologie

sběrnice, sběrnice, strom

Přenosové medium

kroucená dvoulinka, optické vlákno

Maximální počet stanic

512

EMS odolnost

niská

Zabezpečení

není vyžadováno

Náročnost implementace

snadné přidání nových prvků

44

2.3.9

LonWorks

LonWorks je průmyslová komunikační sběrnice vyvinutá v letech 1989 až 1992 firmou Echelon Corporation ve spolupráci s firmami Toshiba a Motorola. V roce 1992 byla ogiciálně uvedena na trh. Vychází z obecné definice sítě zvané Local Operating Networks (LON), tj. místní datová síť. Technologie LonWorks používá k vzájemné komunikaci mezi rovnocennými jednoduchými inteligentními stanicemi protokol LonTalk. Stanice jsou obecně složeny z inteligentních zařízení a uzlů. Jsou propojeny jedním či více komunikačními médii, která spolu komunikují jedním komunikačním protokolem. Uzly jsou naprogramovány na vysílání zpráv, pokud dojde ke změně různých stavů a podmínek a nebo jako reakce na přijatou zprávu. Tato technologie byla původně určena pro automatizaci budov. Technologie LonWorks však nalézá široké uplatnění i v energetice, při propojování přístrojů a akčních členů spínacích stanic, ale i v řízení technologických procesů. Tato technologie je nejrozšířenější v USA, kde pokrývá velkou část aplikací v oblasti automatizace budov, protože byla vyvíjena s ohledem na implementaci amerických komunikačních standardů pro automatizaci budov BackNet. Technologie LonWorks nabízí univerzální komunikaci po libovolném vedení. Jako přenosové médium může sloužit téměř cokoliv, kroucená dvoulinka, optické vlákno, bezdrátové spojení síťového rozvodu 230V nebo i kabelová televize. Tím je vhodná nejen pro řízení spotřebičů a automatizaci budov. Jedním systémem lze ovládat klimatizaci, topení, světlo, ale i dálkově odečítat měřiče energií nebo regulovat technologické celky. Díky tomu, že je tato forma otevřená a univerzální, lze síť LonWorks použít v libovolné aplikaci od rodinného domu až výrobní továrny, od aut přes železniční dopravu až po letadla. Pro použití stačí použít správné existující rozhraní pro komunikaci s uzlem nebo naprogramovat volné I/O piny uzlu sítě na libovolné nově vzniklé rozhraní pro komunikaci s daným zařízením, CPU nebo senzorem. Síť LonWorks využívá přímo komunikaci prostřednictvím Peer-to-Peer architektury s prioritním systémem zasílání zpráv. Základem sítě LonWorks je inteligentní uzel, tzv. node, který je založen na speciálních mikrokontrolérech, nazývaných Neuron chipem, na nichž běží LonTalk protokol. Nezávislost na přenosových mediích je docílena Neuron chipem na typu tranceiveru, který zprostředkovává jeho propojení s daným fyzickým médiem. Díky tomu lze fyzicky pakety přenášet libovolným způsobem například využitím zkrouceného páru vodičů,

45

radiového přenosu, optických vláken, koaxiálního kabelu nebo i po napájecím výkonovém vedení a síťovými rozvody 230/400V. Využít lze i vedení kabelové televize. Nezávislost Topologie sítě je docílena díky použití architektury Peer-to-Peer pro řízení přenosu a směrování paketů. Použitá topologie je závislá na použitém transceiveru a ne na komunikačním modelu. Samotné řízení přenosu a směrování paketů (zpráv) provádí LonTalk protokol, který je základem každého firmware Neuron chipu. Uzly jsou identifikovány adresacemi v síti unikátním 48 bitovým identifikátorem, tzv. Neuron ID, uloženým v EEPROM každého Neuron chipu. Každý Neuron chip může provádět i jednoduchá zpracování dat. Chip se proto zvlášť programuje prostřednictvím jazyka Neuron C. Každý uzel může být připojen k síťovému nástroji pro managment. To umožňuje uživateli řídit operační mód daného uzlu přes síťové řídící příkazy. Tím je možné provádět základní operace, např. softwarové připojení a odpojení od sběrnice a měnit nastavení a konfiguraci uzlu. Technologie LonWorks podporuje dva druhy propojení pomocí aplikací běžících na PC v OS Windows: 

DDE Server (Dynamic Data Exchange Server) definuje standardní cestu, jak mohou Microsoft Windows aplikace sdílet data s jinou aplikací. Takové aplikace jsou například Microsoft Excel, Microsoft Visual Basic, National Instruments LabVIEW nebo Wonderware InTouch. Jejich prostřednictvím je pak možné monitorovat a modifikovat komunikaci v síti LonWorks.



Device/User Inteface/Network Managment Application Programming Interface (API) poskytuje programátorům komplexní knihovnu sítě a základních datových prostředků. Tím umožňuje volně vývojářům připravovat aplikace. API obsahuje konfigurační a monitorovací funkce uzlu (Neuron chipu) jakými jsou například multi-channel, multi-media a router managment služby. K vyvážení aplikací pro LonWorks síť je zapotřebí vývojový software. Firma Echelon

dodává software pro PC s OS Windows pod názvem NodeBuilder Development System. Ten poskytuje v klasickém prostředí oken vývojové prostředí a překladač pro aplikace psané v jazyku Neuron C, Neuron C debugger prohlížeč pro správu síťových proměnných a zpráv, program loader pro načítání nové aplikace do Neuron chipu, DDE Server pro programy OS Windows a mnoho konfiguračních utilit pro řízení uzlu. [15] 46

1. Fyzická vrstva OSI modelu definuje propojení po fyzickém komunikačním médiu. Velkou výhodou protokolu LonTalk je schopnost přenosu po libovolném médiu, pro který existuje tranceiver. Tranceiver je přímo připojen k určitým pinům neuron chipu, tvoří tím uzel sítě. Hlavní využití je v navázání více druhů médií, kdy například od vzdálené řídící stanice je použito jiné přenosové médium než u místního přístroje. Jsou podporovány i tzv. vícenásobné komunikační kanály, kde pojem kanál se udává jako fyzické transportní médium pro datové pakety s možností připojit až 32385 uzlů. Každá síť může být složena z jednoho nebo více kanálů tvořených i různými fyzickými médii. Pro přenos z jednoho kanálu do druhého se využívají routery. 2. Linková vrstva OSI modelu ovládá a řídí přístup na médium a provádí kódování dat pro případnou opravu chyby vzniklé přenosem. Zde se využívá cyklický kód CRC. Pro přístup se aplikuje metoda CSMA/CA pro přenášení paketů. Všechny uzly resp. jejich Neuron chipy sledují přenos po síti a čekají na stav, kdy bude síť v nečinnosti, aby mohly vysílat. Vysílání předchozího uzlu je ukončeno synchronizačním bitem, který ukončuje přenášený rámec. Poté každý uzel chvíli „odpočívá“. Určité uzly nebo zprávy z míst s vyšší prioritu odpočítávají kratší čas. Každý Neuron chip uzlu má proto několik bufferů s rozdílnou prioritou pro rozdělení priorit jednotlivých paketů. Pak následuje čekání dle náhodně vygenerované doby a pokud se do té doby neobjeví na sběrnici komunikace, vyšle uzel svůj paket. Počet čekacích slotů se automaticky zvyšuje s rostoucí vytížeností sítě. Je možné využít i detekce kolize, ale tu musejí pak podporovat všechny tranceivery (hardware) zapojené v síti. 3. Síťová vrstva OSI modelu je zodpovědná za správné doručení paketu cílovému uzlu nebo více uzlům. Pro adresování sítě se využívá 3-úrovňové adresace k identifikaci daného uzlu. 

První úroveň hierarchie je doména, jejíž identifikátor obsahuje 0, 1, 3 nebo 6 bajtů. Každý uzel se může začlenit jenom maximálně do dvou domén. K propojení domén slouží brány (Gateways).



Druhá úroveň adresování je podsíť. V každé doméně může být až 255 podsítí. Podsíť se skládá z logické skupiny uzlů z různých kanálů. Adresování samotných uzlů je kanálově nezávislé. K propojení podsítí slouží routery.



Třetí úroveň (nejnižší) tvoří samotný uzel, který je adresován 48-bitovým identifikačním číslem (Neuron ID). Každá podsíť může být tvořena až 127 uzly tzn. Až 32385 uzlů v jedné doméně. 47

4. Transportní vrstva OSI modelu zajišťuje spolehlivost doručení paketů. To znamená, že provádí kontrolu správného přenosu paketů sítí od vysílajícího uzlu k cílovému, zajišťuje potvrzování přijetí paketu, ničí duplikátně vyslané pakety a další služby. 5. Relační vrstva OSI modelu může použít třídu služeb známou jako žádost-odpověď, pokud požaduje akci od vzdáleného uzlu. Relační vrstva definuje standardní kódy zpráv pro síťový managment a diagnostiku. Použitím Network managment messages je usnadněna instalace a řízení sítě, kde je příkazy umožněno měnit nastavení a konfiguraci neuron chipů, to znamená změnu obsahu jejich EEPROM. Prostřednictvím Network diagnostic messages je zajištěna diagnostika sítě a případná oprava. Touto vrstvou je také definován ověřovací protokol pro ověřování zpráv a jejich oprávnění. Tímto způsobem je zabráněno neoprávněnému přístupu na uzel a do aplikace. Každý uzel má svůj 48-bitový ověřovací klíč. Dále pomocí této vrstvy se provádí rozhraní mezi 6. a 7. vrstvou protokolu běžícím v hostitelské aplikaci a nižšími vrstvami běžící jako firmware na Neuron chipech jednotlivých uzlů. 6. Prezentační hladina OSI modelu provádí vyměňování zpráv mezi aplikacemi tak, že došlý paket zprávy interpretuje jako: 

síťovou proměnnou



explicitní zprávu



cizí rámec

Prostřednictvím síťových proměnných se obvykle vyměňují Aplikační data. Aplikační data tvoří třídu zpráv, kde jsou data označena jako Neuron C proměnná. Tyto proměnné zjednodušují vývoj a instalování systému, definují a přiřazují data do určité skupiny dle jejich fyzikálního významu včetně jednotek. Roztříděná data mají pevně definováno, co prezentují za hodnoty a jak se s nimi má ve vzdálené aplikaci zacházet. LonTalk protokol definuje několik standardních proměnných, tzv. Standard Network Variable Types (SNVT), které tvoří skupinu předdefinovaných typů zastoupených fyzikálními jednotkami (například Volty, Ampéry, °C, metry, sekundy apod.). Explicitní zprávy jsou pro prezentaci dat, které se nehodí do síťových proměnných. Tyto zprávy se skládají ze dvou částí: kódu - 1 Byt, který aplikaci definuje interpretací dat a samotný obsah (data).

48

Cizí rámce jsou rámce dat, které vůbec nesouvisí s touto vrstvou, ale mají být přenesena do cílové aplikace bez bližší specifikace. Pomocí toho lze přenést surová data už do 228 Bytů. 7. Aplikační vrstva OSI modelu je místem, kde běží samotný aplikační program, který deklaruje používané typy síťových proměnných, kódy explicitních zpráv apod. Zde se mohou využívat standardní síťové proměnné, aby obě aplikace na obou stranách sítě mohly libovolně pracovat např. se stejnými jednotkami a data stejně interpretovaly. Tímto lze také definovat nové proměnné pro společné aplikace. Pokud se jedná o hotové produkty, dává obvykle výrobce k dispozici seznam proměnných, které zařízení využívají. [16]

LonWorks Přenosová rychlost

1,25 Mb/s

Způsob komunikace

Master/Slave, Peer to Peer

Vzdálenost

2 000 m při 78 kb/s

Topologie

jakákoliv topologie

Přenosové medium

kroucená dvoulinka, optické vlákno, bezdrátové spojení, síťového rozvodu 230V/400V, kabelová televize

Maximální počet stanic

32 000

EMS odolnost

vysoká

Zabezpečení

velké

Náročnost implementace

snadné přidání nových prvků

49

2.3.10

ModBus

ModBus je otevřený protokol pro vzájemnou komunikaci různých zařízení (PLC, dotykové displeje, I/O rozhraní apod.), Tento protokol také umožňuje přenášet data po různých sítích a sběrnicích (RS-232, RS-485, EtherNet TCP/IP, ModBus+ atd.). ModBus pracuje na aplikační hladině OSI modelu a poskytuje komunikaci na principu klient / server (Master/Slave) mezi zařízeními komunikujícími na různých typech sběrnic a sítích. Tento protokol byl vyvinut firmou Modicon v roce 1979 a postupně se stal průmyslovým standardem. ModBus je protokol typu žádost / odpověď a poskytuje přenos služeb specifikovaným tzv. kódem funkce (function code). Protože je ModBus plně otevřená architektura, umožňuje komunikaci po mnoha různých typech architektur sítí. Na úrovni aplikační vrstvy OSI modelu poskytuje tento protokol inicializaci a řízení pro velké množství průmyslových zařízení. Při propojování různých typů sítí, po kterých ModBus poskytuje komunikaci, je zapotřebí použít brány (Gateway) na každém rozhranní dvou sítí. 7. Aplikační protokol je definovaný jednoduchým PDU (Protocol Data Unit) na úrovni aplikační vrstvy OSI modelu a je tedy nezávislý na komunikaci spodních vrstev OSI modelu. Mapování ModBus protokolu na specifickou sběrnici nebo síť pak může přidat další data do tzv. ADU (Application Data Unit). Zatímco PDU je stejný pro komunikaci na všech typech sítí, ADU se může lišit v závislosti na typu sítě. ModBus ADU je sestavena klientem, který iniciuje datovou komunikaci. Kód funkce určuje serveru druh akce, kterou má s daty vykonat. Kód funkce má délku 1 Bytu, tedy rozsah kódu 1 až 255. Můžeme se setkat i s subfukčním kódy, které se přidávají k funkčním kódům pro určení vícenásobných akcí. Délka celého ADU je limitována maximální délkou dat pro přenos na fyzické síti. Komunikace probíhá na základě žádosti od Klienta na Server, při které se v PDU přenáší kód funkce a potřebná data. Když v průběhu komunikace nenastala chyba, tak Server po provedené akci vyšle odpověď zpět Klientu, která obsahuje původní kód funkce a data výsledku akce. Datový model protokolu může být rozdělen na série oblastí, kde každá má určité vlastnosti. Rozlišuje vstupy a výstupy, bitově adresované a slovem adresované položky a nezahrnuje chování aplikací. Všechna dotčená data však musí být v aplikační paměti komunikujícího zařízení. Každou primární oblast lze rozdělit až na 65536 položek, se kterými

50

se pracuje podle dodaného funkčního kódu. Na absolutních adresách v paměti zařízení nezáleží, je pracováno pouze s relativními odkazy. Kódy funkcí, které udávají typ akce k provedení dotazovanou stanicí, lze určit, jako veřejné kódy funkcí obsahují čísla 1 až 65 a 111 až 127 a mimo speciálních funkcí udávají i akce čtení stavů jednotlivých vstupů, nastavení výstupů, čtení stavu zařízení atd. Počet využívaných funkcí je závislý na požadavcích komunikujícího zařízení a síti, po které se komunikuje. ModBus lze připojit na sériovou linku. Pro komunikaci po sériové sběrnici existuje protokol ModBus Serial Line Protocol, který definuje 2. vrstvu OSI modelu (Linková vrstva). Na 1. vrstvě (Fyzické vrstvě) se využívá standardu rozhraní RS-232 nebo RS-485. ModBus

Serial

Line

protokol,

poskytuje

komunikaci

typu

Mater/Slave.

Na komunikační linku může být připojen jen jeden Master a až 247 Slave. Komunikace je vždy inicializována jednotkou Master. Slave jednotky nikdy nevysílají data bez předchozí žádosti jednotky Master. Slave jednotky nemohou navzájem spolu komunikovat bez účasti Master. Struktura ModBus rámce pro komunikaci po sériové lince je shodná s obecným schématem rámce ADU. Adresa udává komunikující Slave jednotku a přenáší se v obou směrech komunikace, tedy ve směru od Master k Slave i zpět od Slave k Master. Komunikační systém ModBus přes TCP/IP zahrnuje dva rozdílné typy zařízení: hierarchii a architekturu komunikačního systému. Při ModBus TCP/IP architektuře komunikace uplatňuje ModBus pouze na úrovni aplikační vrstvy. Základem komunikace protokolu ModBus TCP/IP je ADU, které obsahuje MBAP Header (ModBus Application Protocol Header). Na nižších hladinách se již s rámci pracuje dle jednotlivých protokolů pro komunikaci v síti EtherNet tedy nezávisle na ModBus.

ModBus PLUS (ModBus +) Protokol pro 2. linkovou vrstvu OSI modelu označovaný jako ModBus PLUS na počátku vyvinula firma Schneider Automation pro výměnu informací mezi firemními produkty. Dnes se již jedná se o otevřený protokol, který definuje komunikaci typu Peer-toPeer s výměnou tokenu. Jde o strukturu sítě Token Ring s fyzickým přístupem založeným na přenosové rychlosti 1Mb/s. Tato síť podporuje až 64 adresovatelných uzlů (zařízení) při délce sítě 450 m až 32. Délku sítě lze prodloužit díky opakovači (repeater) až na 1800 m. Minimální 51

délka propojovacího kabelu mezi dvěma uzly jsou 3 m. Pro fyzické propojení se využívá stíněná kroucená dvoulinka. Zařízení, která používají sériové rozhraní, se mohou připojit prostřednictvím Bridge Multiplexerů. Každé řídící zařízení, které je připojeno k síti, má svoji adresu v rozsahu 1 až 64, která je nezávislá na fyzické lokalizaci jednotky v síti a je jedinečná. Pokud je zapotřebí větší počet připojených zařízení je nutné podsítě navzájem oddělit mostem. Při komunikaci přijímá dané zařízení token od předchozího zařízení a odesílá ho následujícímu. Díky tomu aplikační program tak může získat přístup k registrům všech komunikujících zařízení. Předávání tokenu začíná u zařízení s nejnižší adresou a postupuje už k nejbližší vyšší. Každé zařízení může vyslat zprávy každému v síti definováním své a cílové adresy v rámci. ModBus je plně otevřený protokol, což ho dovoluje aplikovat pro komunikaci na různých sítích a sběrnicích. Tím je velmi vhodný i do budoucna, protože i přes vývoj nových sítí lze stále využívat ModBus na úrovni aplikační vrstvy. [17] ModBus Přenosová rychlost

1 Mb/s

Způsob komunikace

Peer to Peer

Vzdálenost

segment 500 m

Topologie

sběrnice

Přenosové medium

kroucená dvoulinka

Maximální počet stanic

32 uzlů v segmentu, celkem do 64 uzlů

EMS odolnost

niská

Zabezpečení

vysoké

Náročnost implementace

snadné přidání nových prvků

52

2.3.11

ProfiBus

ProfiBus je průmyslovou sběrnicí, která byla v roce 1996 přijata evropskou normou EN50170, to zaručuje její standardizaci. Tato průmyslová sběrnice nachází v automatizační technice široké uplatnění a to hlavně v oblasti průmyslové automatizace, ale má i velké uplatnění v oblasti procesní automatizace. ProfiBus je navržen nejen pro automatizaci výrobních linek, ale i pro domovní či procesní automatizaci a také pro řízení výroby a distribuce energie. ProfiBus se stala dominantní průmyslovou sběrnicí v Evropě a je jednou z mála masově využívaných průmyslových sběrnic v České republice. ProfiBus se rozděluje označením na: 

ProfiBus DP (DP = decentralizované periférie) slouží pro připojení jednoduchých senzorických a akčních zařízení typu Slave k jedné řídící Master stanici. Tento protokol je určen pro rychlou pravidelnou výměnu dat mezi řídící jednotkou a decentralizovanými vstupy a výstupy.



ProfiBus PA (PA = procesní automatizace) je určena pro řízení pomalejších procesů. Procesní

automatizace

se

používá

k

monitorování

měřících

zařízení

a vyhodnocovacích zařízení pomocí komunikace. Je vhodná pro komunikaci ve výbušném prostředí, umožňuje napájení zařízení ze sběrnice. 

ProfiBus-FMS – slouží především pro přímou komunikaci mezi řídicími systémy. Způsob komunikace je ve funkci Master – multimaster, fungující na principu metody předávání tokenu stanicemi. Nejpoužívanější je ProfiBus-DP, který je navržen pro rychlou cyklickou komunikaci

mezi PLC a vzdálenými vstupy a výstupy. Topologie může být libovolná, to znamená sběrnice, strom, hvězda nebo kruh. ProfiBus preferuje topologii sběrnice. Maximální vzdálenosti se liší druhem použitého přenosového media. S použitím optického vlákna s opakovači lze dosáhnout až 80 km. S rostoucí přenosovou rychlostí klesá doporučená délka sítě. 1. Fyzická vrstva komunikačního systému určuje použití dané komunikační sítě. Tato vrstva má v sobě fyzikální vlastnosti sítě. Záleží proto na přenosové rychlosti, maximální délce sítě atd.

53

Standard ProfiBus používá tři varianty fyzické vrstvy: 

rozhraní RS-485, které využívá ProfiBus DP a ProfiBus FMS



optické vlákno, které se používá pro ProfiBus DP a ProfiBus FMS



proudová smyčka podle IEC 1158-2 pro ProfiBus PA

Rozhraní RS-485 a optické vlákno lze libovolně kombinovat pomocí převodníků. 2. Linková vrstva slouží mimo služeb pro blokový přenos dat hlavně k řízení přístupu na sběrnici. ProfiBus má tuto vrstvu označenou jako FieldBus Data Link (FDL). Umožňuje v některých speciálních případech i realizovat přístup prostřednictvím aplikačních programů. Tato vrstva řeší metodu řízení přístupu na sběrnici. Je potřeba zajistit řízení oprávnění přístupů na sběrnici, aby každé zařízení mělo svůj čas, kdy na ni může vysílat. Důležité je, aby v danou chvíli vysílalo jen jedno zařízení a nedocházelo ke kolizím. Síť může být v provedení Monomaster nebo Multimaster. Pokud je síť nastavena jako Monomaster, zařízení komunikují v režimu Master/Slave. Když je sít nastavena v režimu Multimaster, je řídícím jednotkám povolen přístup pomocí metody token passing. Řídící jednotkou, která má v tu chvíli token, komunikuje s podřízenými v režimu Master/Slave. Funkce token passing znamená, že pomyslný Master je předáván postupně mezi jednotkami, které jsou vybavené čipem token, po uplynutí přesně nadefinovaného časového intervalu. To zajistí, že každá řídící jednotka má svůj vyhraněný čas na vysílání instrukcí. Metoda token passing se řadí k decentralizovaným metodám řízení přístupu na sběrnici. V takovém to případě musí každé aktivní zařízení, které je připojené na sběrnici, dodržovat mechanismus předávání pověření k přístupu na ni. Propojením všech těchto zařízení na sběrnici vzniká logický kruh. Označení je pomocí jejich adres. Každé zařízení má adresu sousedního zařízení, od kterého dostane token a adresu, kam ho následně předá. [18] 7. Aplikační vrstva specifikuje nezbytné služby pro komunikaci. Tato vrstva přímo spolupracuje s 2. vrstvou. Viz obrázek 2.3.11.

54

Obr. 2.3.11 - Architektura protokolů ProfiBus [6] Protokoly ProfiBus-PA a ProfiBus-DP je velmi podobné. Jejich rozdíl je pouze ve fyzické vrstvě, která upravuje jednotlivé přenášené znaky takovým způsobem, který se právě týká fyzické vrstvy. Komunikace je u protokolu DP a PA je stejná. Komunikace probíhá stylem Master/Slave. K jedné sběrnici lze současně připojit i několik Master stanic, kde probíhá komunikace stylem Master/Master pomocí funkce tzv. token. [6]

ProfiBus-DP/-PA/-FMS Přenosová rychlost

DP: 9,6; 19,2; 93,75; 187,5; 500 kb/s a 1,5; 3; 6; 12 Mb/s; PA: 31,25 kb/s

Způsob komunikace

Master/Slave s cyklickým dotazováním, Master/Master s předáváním pověření, hybridní přístup

Vzdálenost

DP: 100 až 1 200 m v segmentu, PA: 1 900 m v segmentu FMS: 80 km s použitím optického vlákna

Topologie

sběrnice, hvězda, kruh

Přenosové medium

kroucená dvoulinka, optické vlákno

Maximální počet stanic

126

EMS odolnost

vysoká

Zabezpečení

velké

Náročnost implementace

snadné přidání nových prvků

55

2.4

Souhrnné porovnání protokolů

2.4.1

Porovnání protokolů z fyzikálního hlediska:

Protokol

Rozlehlost sítě

AS-interface

100 m s s opakovačem 300 m

CANopen

1000 m

127

- sběrnice - kruh - strom - hvězda kroucená dvoulinka - sběrnice

DeviceNet

500 m s opakovačem 6 km koaxiální kabel 1000 m optické vlákno 30km

64

kroucená dvoulinka - sběrnice

99

koaxiální kabel optické vlákno

1024

koaxiální kabel optické vlákno kroucená dvoulinka kroucená dvoulinka kroucená dvoulinka optické vlákno

LonWorks

koaxiální kabel 185 m kroucená dvoulinka 100 m optické vlákno až 50km 3 km kroucená dvoulinka 400 m optické vlákno 3600 m s opakovačem 12,8 km 2 km

ModBus

v segmentu 500 m

64

ProfiBus

ProfiBus DP 1200 m ProfiBus PA 1900 m ProfiBus FMS 80 km

126

ControlNet

EtherNet/IP

HART InterBus

Počet stanic 62

3 až 6 512

32000

56

Přenosová media

Topologie

speciální dvoulinka

kroucená dvoulinka optické vlákno bezdrátové spojení síťové rozvody kroucená dvoulinka

- sběrnice - strom - hvězda - sběrnice - strom - hvězda - bod/bod - sběrnice - strom - hvězda - sběrnice - kruh - strom - hvězda - sběrnice

kroucená dvoulinka - sběrnice optické vlákno - kruh - hvězda

2.4.2 Protokol S-interface

CANopen

DeviceNet

Porovnání protokolů z pohledu komunikace:

Rychlost komunikace 167 kb/s

Způsob komunikace Master/Slave

10, 20, 50, 125, 250, 500, 800 kb/s 1 Mb/s 125, 250, 500kb/s

Master/Slave Peer to Peer Multicast Multimaster Master/Slave Peer to Peer Multimaster Master/Slave Producent /konzument Peer to Peer

ControlNet

5 Mb/s

EtherNet/IP HART

10, 100, 1000 Mb/s 1200 b/s

InterBus

500kb/s

Master/Slave

LonWorks

1,25 Mb/s

ModBus

1 Mb/s

Master/Slave Peer to Peer Peer to Peer

ProfiBus

DP: 9,6 kb/s – 12 Mb/s PA: 31,25 kb/s

Master/Slave Multimaster

Master/Slave Master/Master

Použití, specifické vlastnosti Vzdálené vstupy a výstupy Napájení po sběrnici Velká odolnost vůči EMS rušení Řídicí systémy strojů a zařízení Dopravní prostředky

Vzdálené vstupy a výstupy Velká odolnost vůči EMS rušení Vysokorychlostní řízení

Komunikace mezi řídicími systémy Snadné propojení s PC Komunikace pro snímače a měřící zařízení Přenos pomocí proudové smyčky Velká odolnost vůči EMS rušení Vzdálené vstupy a výstupy Komunikace mezi inteligentními stanicemi Komunikace mezi řídicími systémy a vzdálenými vstupy a výstupy Komunikace mezi řídicími systémy a vzdálenými vstupy a výstupy Nejrozšířenější protokol mezi systémy

57

3

Závěr

Úkolem této práce bylo shrnout problematiku datové komunikace v automatizovaném řízení technologických procesů. Tato problematika byla představena na několika vybraných používaných protokolech, se kterými jsem se setkal při studiu a ve své profesi. Nejlepší protokol nelze jednoznačně určit. Každý z popisovaných protokolů má specifické zaměření a to ovlivňuje oblast jeho využití. Je možné pouze zhodnotit dobré a horší vlastnosti jednotlivých protokolů a jejich určení ve sféře automatizace. Protokoly jsou důležitá součást automatizace. Ve většině případů ale bereme protokol pouze jako součást zařízení, které bude použito pro automatizované řízení technologických procesů. Každý protokol si nachází uplatnění v jiné sféře automatizace. Na méně rozsáhlé aplikace, jejichž hlavním úkolem bude připojení vzdálených vstupů a výstupů bez nutnosti propojení řídicích systémů, je vhodné použití nižších protokolů jako například AS-interface nebo CANopon. Tyto protokoly jsou navrženy pro přímou komunikaci se senzory a aktory a mají nižší počet připojitelných jednotek. Pro vyšší počet jednotek je možné použít například InterBus, který dokáže propojit až 512 zařízení. V prostředí, které je ovlivňováno velmi vysokým rušením, se uplatní zařízení s protokolem DeviceNet nebo speciální protokol HART, určený pro připojení snímacích a měřících zařízení pomocí proudové smyčky s jednosměrnou komunikací. LonWorks nebo EterNet/IP jsou protokoly, které jsou používány převážně pro automatizaci budov a „Inteligentní budovy“, kde je zapotřebí pomocí komunikace propojit velký počet zařízení. Ve specifických oblastech, kde je vyžadována vysoká přenosová rychlost pro přenos časově kritických vstupních a výstupních dat, se používá protokol ControlNet. Protokoly ModBus nebo ProfiBus jsou vhodné pro jejich způsob řízení Master jednotek k propojení řídicích systémů. Na světovém trhu je mnohem více protokolů než jen ty, které jsou uvedené v této práci. Mnoho firem však vytváří své vlastní protokoly. Jedná se spíše o uzavřené systémy a jejich použití je obtížnější z důvodu špatné nebo žádné možnosti propojení s jinými systémy. I v České republice jsou takoví výrobci. Průmyslová automatizace je z pohledu dostupných informaci dost uzavřený obor. Ani samy organizace, které určité protokoly zastřešují, neuvádějí jejich strukturu a způsob zpracování dat. Informace, které poskytují výrobci k systémům používajícím jednotlivé protokoly, jsou zaměřené na jednotlivé výrobky a na jejich použití. Nejsou ale zaměřené na to, jakým způsobem mezi sebou komunikují a jak zpracovávají data.

58

Přesto jsem se pokusil vytvořit ucelený přehled o nejčastěji používaných protokolech v různých odvětvích, se kterými se setkáváme v automatizovaném řízení technologických procesů.

59

4

Seznam použitých pramenů a literatury

1. GROTH, Ing. David. Network+ Study Guide. s.l. : Sybex, 2005. ISBN 0-7821-4406-3. 2. SCHMID, Dietmar a kolektiv Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Europa - Sobotáles, 2005. ISBN 80-86706-10-9. 3. KUNDEROVÁ, Ing Ludmila; MALO, Ph.D., Ing. Roman. Informační zdroje a komunikace: Brno [Online]. Brno International Business School, 2008/2009 [cit. 2011-0218]. Dostupný z WWW: < https://akela.mendelu.cz/~lidak/share/bibs/final_BAE_4_LP _elective_Info_zdroje_komunikace_Kunderova_08_09.pdf.> 4. SMUTNÝ, Ph.D., Ing. Pavel Průmyslové sítě. e-automatizace.cz. [Online] [cit. 2011-1118]. Dostupný z WWW: < http://www.e-automatizace.cz/ebooks/ridici_systemy _akcni_cleny/S _Rozd%C4%9Bleni.html> 5. JOHNSON CONTROLS INTERNATIONAL, spol. s r.o. Inteligentní budova (I). TZBinfo. [Online] 2002-10-04. [cit. 2011-11-18]. Dostupný z WWW: < http://www.tzbinfo.cz/1143-inteligentni-budova-i.html> 6. ZEZELKA, CSc., Doc. Ing. František, FIEDLER, Ing. Petr ; BRADÁČ, Ing. Zdenek. Prostředky průmyslové automatizace. [Online] 2002-11-20 [cit. 2011-11-18]. Dostupný z WWW: < http://www.spsei.cz/att/soubory/prostredky_prumyslove _automatizace.pdf>. 7. System AS-Interface. Bulluff. [Online] Bulluff. [cit.2011-12-27]. Dostupný z WWW: < http://www.balluff.cz/download/katalogy/haupt/S50_0703_cz.pdf>. 8. ROMÁNEK, Ing. David. Co je CANopen a jak na něj. HW server. [Online] 2006-03-20. [cit. 2011-12-27]. Dostupný z WWW: . 9. VOJÁČEK, Antonín. Průmyslová sběrnice DeviceNet. HW server. [Online] 2005-08-20 [cit. 2011-12-27] Dostupný z WWW: . 10. ZEZULKA, CSc.,Doc. Ing. František; BRADÁČ, Ing. Zdeněk; FIEDLER, Ing. Petr; KUČERA, Ing. Pavel; ŠTOHL, Ing. Radek. Programovatelné automaty. Brno : FEKT Vysokého učení technického v Brně, 2003. 11. PŘIBYL, Jaroslav. EtherNet/IP. ControlTech. [Online] [cit. 2011-12-28]. Dostupný z WWW: . 12. ZEZULKA, CSc.,Doc. Ing. František; HYNČICA, Ondřej. Průmyslový Ethernet IX: EtherNet/IP, EtherCAT. AUTOMA časopis pro automatizační techniku. [Online]2008-10 [cit.2011-12-28]. Dostupný z WWW: < http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=37910>.

60

13. VOJÁČEK, Antonín. HART - Digitální komunikace po proudové smyčce. automacizace.hw.cz. [Online]. 2007-09-09 [cit. 2011-12-28]. Dostupný z WWW: . 14. VOJÁČEK, Antonín. Úvod do INTERBUS FieldBus. automacizace.hw.cz. [Online]. 2005-03-03 [cit. 2011-12-28]. Dostupný z WWW: . 15. VOJÁČEK, Antonín. Sběrnice LonWorks - 1.část - Úvod. automatizace.hw.cz. [Online]. 2005-04-05 [cit. 2011-12-28]. Dostupný z WWW: . 16. VOJÁČEK, Antonín.. Sběrnice LonWorks - 2.část - LonTalk protokol. automatizace.hw.cz. [Online]. 2005-04-11 [cit. 2011-12-28]. Dostupný z WWW: . 17. VOJÁČEK, Antonín.. MODBUS. automatizace.hw.cz. [Online] 2005-07-07 [cit. 201112-28]. Dostupný z WWW: . 18. HANZÁLEK, Zdeněk; BURGET, Pavel. Průmyslová sběrnice ProfiBus. hw.cz. [Online] 2004-01-17 [cit. 2012-01-03]. Dostupný z WWW: . 19. ŠPONAR, Ing. Radek. Vlastnosti a užití průmyslových sběrnic. Elektrorevue. [Online] 2004-19 [cit. 2012-01-03]. Dostupný z WWW: .

61

BANKOVNÍ INSTITUT VYSoKÁ ŠKOLA, a. s.

Vysoká škola:

Oborová katedra: Matematiky, statistiky a

informačních

Akademický rok : 201112012

technologií

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE

(PROJEKTU, UMĚLE C KÉHO DÍLA , UMĚLEC KÉH O VÝKON U)

pro

Pavel Hrdlička

studijní obor

INFORMAČNÍ TECHNOLOGIE

Název tématu:

"Datové komunikace pro automatizované technologických procesů"

Název tématu v

Cíl práce:

an gli čtině :

řízení

"Data Communication for Automated Process Control"

Shrnutí problematiky datových technologick ých proc e sů.

komunikací pro autom atizo vané

říze n í

Osnova práce: Základní pojmy, topologie, přenosová média, model OSI Přenosy dat v ASŘTP a inteligentních budovách - (základní charakteristiky, teoretická východiska, komunikační protokoly)

Popis procesu zpracování dat TP Závěrečná

zhodnocení jednotlivých skupin aplikací

Zásada pro vypracování:

Zásady pro vypracování v

bakalářské

" Metodických pokynech pro vypracování

práce j sou dále specifikovány

bakalářské,

resp. diplomové práce na

Bankovním institutu vysoké škole v Praze ''.

Rozsah grafických prací :

min. 40 stran

Seznam odborné literatury:

viz

Vedoucí

bakalářské

Datum zadání

práce :

bakalářské

Termín odevzdání

práce:

bakalářské práce:

bakalářská

Ing. Jan

Háněl

31. 10. 2011 30.4.2012

L. S.

Vedoucí oborové katedry

V Praze

30. 11. 2011

práce