Evropský polytechnický institut, s.r.o. BAKALÁŘSKÁ PRÁCE David BLAŤÁK

Evropský polytechnický institut, s.r.o.

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

2009

David BLAŤÁK

Evropský polytechnický institut, s. r. o. Kunovice Studijní obor: Ekonomická informatika

Analýza a návrh průmyslové sítě k podpoře automatizace technologických procesů (Bakalářská práce)

Autor:

David Blaťák

Vedoucí práce:

Ing. Ludvík Prášil

Kunovice, červen 2009

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně pod vedením pana Ing. Ludvíka Prášila, a uvedl v seznamu literatury všechny použité literární a odborné zdroje.

Kunovice, červen 2009

Dovoluji si tímto poděkovat panu Ing. Ludvíkovi Prášilovi za jeho odborné vedení při vypracování této bakalářské práce, za metodické pokyny, konzultace a podnětné připomínky, které mi byly poskytnuty v průběhu jejího zpracování. Děkuji také panu Ing. Františkovi Bednářovi za jeho vedení a konzultace při zpracování bakalářské práce.

Kunovice, červen 2009

........................................ podpis

Obsah Úvod ......................................................................................................................................6 1 Průmyslové sítě v podnicích ČR ......................................................................................8 1. 1 Modernizace podniků .....................................................................................................8 1. 2 Počátky sítí – sedmdesátá léta ......................................................................................11 1. 2. 1 ArcNet.......................................................................................................................12 1. 2. 2 Token-ring ................................................................................................................13 1. 2. 3 100VG-AnyLAN ......................................................................................................13 1. 2. 4 FDDI .........................................................................................................................14 1. 2. 5 EtherNet ....................................................................................................................14 1. 3 Počátky automatizace ...................................................................................................17 2 Analýza automatizace technologických procesů v Precheza a.s.................................19 2. 1 Precheza a. s..................................................................................................................19 2. 2 Automatizace provozu v Precheza a. s. ........................................................................20 2. 2. 1 EtherNet/IP ...............................................................................................................22 2. 2. 2 ControlNet ................................................................................................................24 2. 2. 3 DH+ ..........................................................................................................................26 2. 2. 4 DeviceNet .................................................................................................................26 2. 3 SLC automat .................................................................................................................27 2. 3. 1 Procesory ..................................................................................................................30 2. 3. 2 Vstupy a výstupy ......................................................................................................33 2. 3. 3 Operátorský panel .....................................................................................................34 2. 3. 4 RSLogix 5000 ...........................................................................................................35 2. 3. 5 RSView32.................................................................................................................36 2. 3. 6 RSLinx ......................................................................................................................38 2. 4 Záložní zdroje ...............................................................................................................39 2. 5 Kabely...........................................................................................................................41 2. 5. 1 Vedení kabelů ...........................................................................................................42 3 Návrh komunikační průmyslové sítě v Precheza a. s. k podpoře automatizace technologických procesů....................................................................................................43 3. 1 Redundance komunikačních sítí ...................................................................................43 3. 2 Oddělení komunikačních sítí ........................................................................................44 3. 2. 1 Propojování přístrojů ................................................................................................46 3. 2. 2 Stínění kabelů ...........................................................................................................46 3. 3 Napájení ........................................................................................................................48 3. 3. 1 Jednotné napájení řídících automatů.........................................................................49 3. 3. 2 Přepěťové ochrany ....................................................................................................50 3. 4 Úspora elektrické energie .............................................................................................51 Závěr ...................................................................................................................................53 Použitá literatura ...............................................................................................................57

Úvod Tato bakalářská práce se zaměřuje na analýzu a návrh průmyslové komunikační sítě k podpoře automatizace technologických procesů, které se používají ve výrobních podnicích. V této práci jsem se především zaměřil na průmyslové komunikační sítě, které jsou využívány pro řízení automatických systémů, přenos technologických dat a průmyslové programovatelné logické automaty v podniku PRECHEZA a. s. Snažil jsem se provést rozbor jednotlivých typů komunikačních sítí, se zaměřením na jejich jednotlivé výhody a nevýhody. Dále se zabývám návrhem na automatizaci jednotlivých výrobních linek a na zlepšení komunikace programovatelných logických automatů. Zabývám se otázkami z pohledu funkčnosti, stability, spolehlivosti a bezpečnosti jednotlivých výrobních linek. Při psaní bakalářské práce jsem využil mnoho informací z různých pramenů. Potřebnou literaturu jsem získal z Vědecké knihovny v Olomouci a od vedoucího práce. Další cenné informace jsem získal na základě teoretických podkladů zabývajících se touto problematikou. Po shromáždění množství informací jsem analyzoval získaný materiál, následovala komparace. Závěrečnou fází byla samostatná tvorba textu. Využil jsem metodu literární a analytickou. Použitím odborné literatury, doplňováním, opravováním a zdokonalováním získala bakalářská práce definitivní podobu. V první kapitole jsem se zaměřil na podniky, ve kterých se využívají automatické řídicí systémy. Na jejich historii, rozvoj a počátky modernizace. V této kapitole dále popisuji jednotlivé typy komunikačních sítí z hlediska historie a jejich rozšíření do běžného života. Dále se zabývám počátky automatizace a robotizace podniků, jejich postupné zavádění a využívání. Druhá kapitola se zaměřuje na analýzu automatizace technologických procesů v chemickém podniku PRECHEZA a. s. Sledoval jsem využívání moderních trendů v řízení výrobních procesů pomocí programovatelných logických automatů. Dále jsem sledoval jejich stabilitu, flexibilitu, vizualizaci a používané komunikační karty. Sledoval jsem využívání záložních zdrojů energie a průmyslové síťové prvky určené pro komunikaci mezi jednotlivými automaty. Operátorské panely, které slouží k vizualizaci jednotlivých výrobních linek. Kapitola také slouží k zmapování současné situace v oblasti 6

automatizace v podniku, sběru technických informací a analýzy. Z analýz trendů jsem analyzoval jednotlivé vyskytující se slabé články současného řídicího systému. Po konzultacích s vedoucím práce jsem navrhl opatření, které vedou ke zlepšení současného stavu zařízení, aby nedocházelo k výpadkům výroby z hlediska nestabilního řídicího systému. Třetí kapitola obsahuje návrh na zlepšení a stabilitu ve vazbách v komunikaci mezi jednotlivými komunikačními sítěmi v PRECHEZA a. s. V této kapitole se především zaměřuji na zvýšení stability a bezpečnosti jednotlivých výrobních linek. Dále navrhuji řešení centralizovaného napájení, aby nedocházelo ke krátkodobým výpadkům v důsledku nestability komunikační sítě a řídicích automatů, protože i krátkodobý výpadek může mít za následek zdlouhavé a složité najíždění výrobní technologie. Navrhuji využít zapojení automatů v redundantní komunikační síti, aby se zamezilo náhodným výpadkům z hlediska nestabilní funkce jedné komunikační sítě. Dále jsem navrhl řešení ke snížení spotřeby elektrické energie jednotlivých pohonů výrobních linek. Tím by došlo ke snížení přímých nákladů na výrobu.

7

1 Průmyslové sítě v podnicích ČR 1. 1 Modernizace podniků Vstoupili jsme do 21. století a koncepce sjednocení světa se uplatňuje téměř v každé oblasti související s výrobou. Ve zpracovatelském průmyslu se tento trend projevuje například stupněm globálního rozvoje nadnárodních společností. Je těžké najít výrobce jakékoli velikosti, který by neměl závody na několika různých kontinentech, aby byl blíže k surovinám, zákazníkům nebo zdroji levné a přitom dostatečně kvalifikované pracovní síly. Pokračující optimalizace řady výrobních operací je (a nadále zůstane) technickým a technologickým fenoménem této doby. Její pozitivní technické, organizační i ekonomické efekty jsou zjevné nejenom bezprostředně ve sféře hromadné a sériové výroby. Vnitropodniková

automatizace,

opírající

se

o

progresivní

výrobní,

servisní,

technologickou, technickou a obslužní techniku (zvláště o výpočetní techniku), generuje zásadní transformaci managementu výrobních a logistických procesů, ale i potřebu komplexního zkvalitňování podnikového řízení [1]. Automatizace se v zostřujícím konkurenčním prostředí stává životně nezbytnou nejenom ve velkých mezinárodních firmách, ale i v malých výrobních podnicích. Aktivně k ní přistupují i podniky v České republice. Hlavní trendy v rozvoji průmyslové automatizace je modernizace výrobních linek, které jsou přímým důsledkem globalizace světového obchodu. Pro výrobce znamená větší trhy, větší počty a různorodost produktů i více partnerů, a tím značně podporuje jejich zájem o automatizaci. Výrobcům se na jedné straně rozšiřují příležitosti k podnikání, ale na druhé straně jsou před ně stavěny nové náročné úkoly, které musí splnit, pokud chtějí jako světoví výrobci uspět. Firmy prodávající své produkty na celém světě musí počítat s tím, že budou čelit tvrdé konkurenci a stále rostoucího počtu „globálních“ hráčů. Trvalý tlak na snižování cen v globalizované ekonomice nepřipouští žádnou jinou alternativu než neustále zdokonalovat výrobní i obchodní procesy ve firmách. Klíčovými úkoly pro podniky jsou zejména: naučit se rychle reagovat na požadavky uživatelů a dokázat se vyrovnat s neustálým úbytkem vzdělaných a zkušených pracovníků i s rostoucím tlakem na zlepšení finanční výkonnosti podniku. To vyžaduje 8

především zvýšit produktivitu v celém výrobním a obchodním procesu, zlepšit využití výrobního zařízení, zvýšit výnosy, zajistit špičkovou kvalitu produktů při zachování bezpečnosti, flexibility a dodavatelské výkonnosti a rovněž, při trvale rostoucích cenách energie, zvýšit energetickou účinnost všech aktivit. Koneční uživatelé si velmi dobře uvědomují, jaké výhody jim v tomto úsilí mohou přinést moderní automatizační prostředky, a také je ve stále větší míře využívají. V oblasti automatizace nespojitých výrobních činností hlavními odběrateli automatizačních systémů a komponent zůstávají tradiční průmyslová odvětví s velkým podílem předvýrobních, montážních a kontrolních operací, od automobilového a leteckého průmyslu, přes strojírenství a zpracování kovů, výrobu polovodičů, elektronických a elektrotechnických přístrojů a zařízení, plastikářský a gumárenský průmysl až po automatizaci technických zařízení budov. Zajímavým trendem v poslední době je využití průmyslových robotů jako osobních asistentů, které s dělníkem vzájemně spolupracují na jednom pracovišti bez oddělující ochranné mříže. Přímá spolupráce člověka a robota účelně kombinuje a využívá schopnosti a specifické přednosti každého z nich a rozšiřuje možnosti použití robotů v nových, netradičních výrobních oborech. V oblasti automatizace spojitých technologických procesů zůstane klíčovým odběratelem automatizačních systémů a komponent i v budoucnu chemický, energetický, potravinářský, plastikářský a petrochemický průmysl. Zájem o automatizaci výrazně poroste v rychle expandujícím farmaceutickém průmyslu, při kontinuální výrobě potravin a nápojů, ve vodohospodářských soustavách i v sektoru biotechnologií (např. při výrobě biopaliv). Očekává se také, že rekordně vysoké ceny ropy a zemního plynu budou impulzem k realizaci velkých projektů zaměřených na modernizaci a rozšiřování zpracovatelských kapacit ropných, plynárenských a rafinerských společností. Hlavní indikátory profilující růst obratu na trhu s průmyslovou automatizací v jednotlivých regionech, a to zejména z hlediska růstu produktivity a objemu průmyslové výroby a jeho možného dopadu na světový trh v příštích letech? Výsledky analýz jsou prezentovány v mnoha tabulkách a grafech, z nichž jednoznačně vyplývá, že rozhodující podíl na světovém trhu se systémy a prostředky pro automatizaci v průmyslu mají stále USA, EU a Japonsko. Jejich dominance však rok od roku mírně klesá, protože rychle přibývají další regiony, kde strmě roste průmyslová výroba s velkými požadavky na automatizaci. 9

To, že celosvětový zájem o automatizaci průmyslu dále poroste, je podle názoru analytiků téměř jisté i přes obavy, že by americká ekonomika mohla v důsledku dlouhodobých problémů na trhu s nemovitostmi přejít do recese. Je to dáno hlavně tím, že investoři a distributoři se nyní začínají soustřeďovat především na rozvíjející se trhy, kde se očekává významný nárůst objemu investic. Jde především o rychle rostoucí národní ekonomiky v jihovýchodní Asii (Čína, Indie, Indonésie, Tchaj-wan, Malajsie atd.), které se stávají centrem růstu průmyslové výroby ve světě. Jedním z důvodů, proč se s automatizačními systémy v současné době na světových trzích tak dobře obchoduje, je obrovský tlak na výrobní podniky, aby se co nejrychleji přizpůsobovaly měnícím se podmínkám v globalizovaném prostředí. Koneční uživatelé čelící globalizaci jsou nuceni zvyšovat výkonnost svých podniků na úroveň, která by bez použití moderních systémů pro automatizaci výrobních a obchodních procesů byla těžko představitelná [2]. V důsledku toho čeká dodavatele automatizačních systémů pro průmysl dlouhodobě udržitelné vysoké tempo růstu zájmu o jejich výrobky i služby Praxe potvrdila, že proces automatizace nelze zužovat výlučně na vyšší stupeň hardwarového a softwarového zabezpečení sledovaných výrobních cyklů či jednotlivých operací. Stranou nezůstávají ani zdánlivě nevýrobní vnitropodnikové procesy, zvláště zdokonalování vnitropodnikové evidence a komunikace, náhrada zastaralé „papírové" materiálové, montážní, produktové a logistické evidence elektronickou, objektivizace plánovacích, finančních a realizačních dat atd. Investičně i realizačně náročná automatizace vytváří předpoklady pro rozšíření portfolia nabízených výrobků a odstranění časově i finančně náročných rutinních pochodů i pro další úspory energie, materiálu a vynaložené práce, pro zvyšování kvality a provozní spolehlivosti nabízených produktů aj. Akcent na zjednodušení existujících informačních procesů, na optimalizaci evidence toků v podnicích, rozpracovanosti výroby a odbytu, nevyúsťuje pouze v eliminaci donedávna neodmyslitelné „papírové" zátěže těchto procesů (od montážního listu exaktního výrobku až po leckdy zahlcující kvanta dílenských a skladových průvodek). Podnikový management žádá, aby automatizační technika převzala na sebe rovněž úlohu „hlídače" skladových zásob, režijních nákladů, objednavatele výrobních pomůcek, termínů oprav jednotlivých strojů apod. K efektivnímu využívání ekonomických dat slouží ERP1

1

Enterprise Resource Planning

10

systémy. ERP systémy integrují veškerá data a procesy organizace do unifikovaného celku [3]. Někdejší dispečerský model řízení se v podmínkách postupné automatizace krok za krokem proměňuje v operativní, stále více elektronizovaný, s dokonalým informačnědokumentačním zabezpečením a s permanentní, průběžně objektivizovanou zpětnou vazbou. Samozřejmě, takto komplexně pojatá automatizace řízení výroby není realizovatelná bez zevrubné analýzy stávající informační báze a bez navržení nového objektivizovaného modelu. Stala by se prázdným pojmem i tehdy, pokud by management firmy po jejím zavedení netrval na striktním dodržování nově přijatých pravomocí u všech subjektů vnitropodnikové kooperace a na odpovědnosti jednotlivých funkčních článků při operacích s automatizovanými informačními soubory. Moderní automatizační modely respektují objektivně zformovanou paletu ekonomických, organizačních, plánovacích a kalkulačních činností uvnitř podnikových struktur. Někteří manažeři však nemají snahu implementovat výlučně nové, ale i maximálně unifikovat probíhající řídicí procesy.

1. 2 Počátky sítí – sedmdesátá léta V historickém počátku budování komunikačních sítí, v sedmdesátých letech, se přísně rozlišovalo mezi několika kategoriemi. Jednalo se o komunikační sítě pro hlasovou komunikaci, datovou komunikaci a pro zábavu. • Hlasová komunikace se odehrávala po pevné analogové síti s komutací okruhů nebo rádiové síti. • Zábava zprostředkována výhradně po sítích rozhlasového a televizního signálu. • Datová komunikace vstoupila do síťového světa jako poslední a ve svých začátcích vlastně jen umožňovala buď přímé připojení terminálu k hlavnímu (hostitelskému) počítači po sériových spojích nebo na dálku přes modem2.

2

zařízení, které umožňuje přenos dat (informací, internetu) po telefonní lince

11

V osmdesátých letech se svět komunikačních sítí výrazně změnil. V kategorii sítí pro šíření zábavy se poprvé objevují kabelové komunikační sítě. V rámci aplikací se rozšiřuje využívání přenosu souborů, elektronické pošty a přihlašování na dálku. Technologie lokálních komunikačních sítí umožnila propojit osobní počítače, pracovní stanice a servery prostřednictvím sdíleného přenosového prostředku do sběrnice (síť typu Ethernet3) nebo do kruhu (síť typu Token Ring4).

Komunikační sítě se dají rozdělit na 5 základních skupin, podle použité technologie. Rozsah komunikační sítě z pohledu velikosti může sahat od jedné místnosti až po celosvětové sítě. • ArcNet • Token-ring • 100VG-AnyLAN • FDDI • EtherNet

1. 2. 1 ArcNet Zkrácení slovního spojení "Attached Resource Computer Network" (počítačová komunikační síť s propojenými prostředky). Jedná se o počítačovou komunikační síť vyvinutou společností Datapoint Corporation roku 1976, která umožňuje propojit širokou škálu zařízení a pracovních stanic. Maximální počet je 255. Přenosovým médiem je koaxiální kabel RG-62 A/U s impedancí 93 ohmů. ArcNet lze provozovat i na kroucené dvoulince nebo optickém kabelu. S použitím koaxiálního kabelu je maximální délka kabelu od pracovní stanice k HUBu 610 metrů [4].

3

vyvinut firmou Xerox v roce 1976

4

představena v roce 1984 společností IBM. Jedná se o síť s kruhovou topologií.

12

Uvedená komunikační síť využívá přístupovou metodu založenou na předávání známky a má přenosovou rychlost 2,5 Mbps. Novější verze ArcNet Plus podporuje přenosovou rychlost až 20 Mbps. Maximální dosah komunikační sítě je 6,5 km. Fyzické zapojení je hvězda (strom).

1. 2. 2 Token-ring Komunikační síť Token Ring se dostala na trh v roce 1985. Token Ring je označována jako IEEE 802.5. Jedná se o komunikační síť s kruhovou topologií, využívá se zde přístupová metoda založená na předávání známky. Komunikační síť pracuje rychlostí 4 Mbps nebo 16 Mbps. Ačkoli je založena na kruhové topologi, síť Token-ring používá hvězdicové skupiny až osmi pracovních stanic napojených na kabelový koncentrátor (MAU - Multistation Access Unit), který je napojen na hlavní kruh. Maximální počet stanic u této sítě je až 260 na jeden koncentrátor. Jako přenosové médium se používá stíněná nebo nestíněná kroucená dvoulinka a optický kabel. Maximální délka kabelového segmentu je 45 - 200 metrů, podle typu použitého kabelu.

1. 2. 3 100VG-AnyLAN Jedná se o komunikační síť od firmy Hewlett-Packard se standardem IEEE 802.12. Rychlost této komunikační sítě je minimálně 100 Mbps. Maximální dosah komunikační sítě je 7,7 km. Maximální počet stanic není omezen, záleží na počtu HUBů. Médiem je kroucená dvoulinka a optický kabel. Je zde použita bezkolizní přístupová metoda, umožňující dvě úrovně priority (nízkou a vysokou). Používají se zde jako rozbočovače HUBy. Komunikační síť lze rozšiřovat připojováním podřízených HUBů na centrální HUB. Na 7,7 km je jeden rozbočovač. Za každý druhý rozbočovač se musí odečíst 1,1 km. Kdyby toto řešení komunikačních sítí přišlo dříve, stalo by se možná rozšířenější než EtherNet. Je zřejmě lepší a výhodnější.

13

1. 2. 4 FDDI Zkratka slovního spojení "Fiber Distributed Data Interface" (optické rozhraní pro distribuovaná data). Byla vytvořena roku 1986. A byla určena pro výkonné a nákladné počítače, kterým nedostačovala šířka pásma ve stávajících architekturách. Rychlost přenosu je 100 Mbps používající dvojitou protisměrnou kruhovou topologii, podporující až 500 počítačů. Jeden kruh se označuje jako primární a druhý jako sekundární. Provoz většinou probíhá pouze v primárním kruhu. Pokud dojde k selhání primárního prstence, FDDI automaticky překonfiguruje komunikační síť tak, aby data probíhala v druhém kruhu, a to v opačném směru. Díky této redundanci je zajištěna vysoká spolehlivost komunikační sítě. Jako přístupovou metodu používá předávání známky. Komunikační sítě FDDI jsou vhodné pro systémy, které požadují přenos velkých objemů informací, jako je například zpracování grafiky, animací atd. Komunikační síť FDDI používá jako médium optický kabel (vlákno). Celková délka kabelu nesmí být větší než 100 km, takže není určena pro používání v technologiích WAN. Po každých přibližně 2 km se musí použít opakovač. Jiná varianta se nazývá CDDI. Jako médium se používá kroucená dvoulinka. Použitím měděného vodiče se však výrazně omezí možnosti přenášení dat na dálku.

1. 2. 5 EtherNet Přes 80 % zasíťovaných počítačů je připojeno pomocí EtherNetu. EtherNet byl vyvinut firmou Xerox v roce 1976. EtherNet používá přístupovou metodu CSMA/CD5. Má svůj typ rámců. Původně používal sběrnicovou topologii a umožňoval připojit na hlavní segmenty až 1024 počítačů a pracovních stanic. Jednotlivé stanice jsou propojeny pomocí koaxiálního kabelu, optickým kabelem či kroucenou dvojlinkou [5]. EtherNet původně využíval jen jednu specifikaci, pro kterou jsou charakteristické přenosová rychlost 10 Mb/s, přenos v základním pásmu, délka segmentu do 500 m,

5

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA/CD, je protokol pro přístup k přenosovému médiu v počítačových sítích

14

topologie sběrnice a tlustý koaxiální kabel s charakteristickou impedancí 50 W. Kromě této původní varianty EtherNetu se již delší dobu využívají i další varianty fyzické vrstvy, které jsou přizpůsobeny tenkému koaxiálnímu kabelu a kroucené dvojlince. V poslední době se dále objevuje rychlý (fast) EtherNet s fyzickou vrstvou řešenou tak, že je možné dosáhnout přenosové rychlosti 100 Mb/s. To, co je v průmyslových komunikačních sítích dále specifikováno ve druhé vrstvě komunikačního modelu, totiž tvar rámce dat, mechanismus rozpoznání chyby, adresování apod., v původním EtherNetu rovněž chybí. Sítě LAN, pro které je technologie EtherNet velmi vhodná, vesměs nevyužívají pro otevřenou komunikační strukturu referenční model ISO/OSI, nýbrž jednodušší a méně striktní síťový model TCP/IP s příslušnými protokoly definujícími způsob přenosu dat. V ekvivalentu referenčního modelu ISO/OSI by tyto protokoly představovaly třetí – síťovou (IP) a čtvrtou – transportní (TCP) vrstvu. Line Rok 1972 1976 1980 1983 1990 1995 1998 2002

Etapa vývoje začátek vývoje ve firmě Xerox první předvedení Ethernetu (přenosová rychlost 3 Mb/s) standard Ethernet V1.0 (DIX) standard IEEE 802.3 (médium: koaxiální kabel tlustý i tenký) Ethernet na kroucené dvoulince (10Base-T) rychlý (Fast) Ethernet (100Base-X) gigabitový Ethernet (1000Base-T) 10gigabitový Ethernet

Wireless Rok 2004 2007 2008 2009 20??

Etapa vývoje WiMAX HSDPA HSPA VoIP LTE (Long Term Evolution) IEEE 802.16m (až 1 Gbps) Wireless Sensor Networks (bezdrátové senzorové sítě)

Tabulka č. 1: Graf vývoje Line/Wireless Zdroj: Průmyslový ethernet. Automa [online]. 2005 [cit. 2005-02-03]. Dostupný z WWW: .

15

Z tabulky č. 1 je zřejmé, že EtherNet prodělal vývoj především v rychlosti: od standardních 10 Mb/s verze IEEE 802.3 z roku 1983 až po 10 Gb/s ve specifikaci z roku 2002. Proměňovala se i používaná přenosová média – od silného (tlustého) a tenkého koaxiálního kabelu se přes kroucenou nestíněnou dvojlinku v několikažilovém kabelu došlo až k současnému optickému kabelu a rádiovému přenosu. V současnosti se za přenosové médium nejčastěji používají kroucená dvojlinka, optický kabel a bezdrátový přenos podle specifikace IEEE 802.11 (Wi-Fi – WLAN). S vývojem přenosového média se změnila i základní topologie sítě EtherNet. Cesta vedla od sběrnice s odbočovacími členy (T-členy) a krátkými přípojkami na silném koaxiálním kabelu, přes sběrnici s odbočovacími členy (T-člen) s přípojkami nebo bez přípojek (tenký koaxiální kabel) k topologiím hvězda a strom, které se používají v současné době pro všechny varianty standardu IEEE 802.3. Průmyslové komunikační sítě jsou navrženy především pro použití v průmyslovém prostředí jako komunikační sítě menšího rozsahu. EtherNet je využíván v komunikačních sítích rozsáhlejších a umožňuje bezproblémové napojení na intranet/internet. Také vlastní protokoly internetu, jako HTTP, FTP a SMTP, využívají protokol TCP/IP. Předpokladem pro využití komunikační sítě EtherNet TCP/IP a následně i internetových technik pro průmyslovou automatizaci ve smyslu sběru technologických dat, binárního řízení a ovládání a dynamické optimalizace je, že budou správně specifikovány a poté prostřednictvím „kancelářské“ metody komunikace, tj. metody EtherNet TCP/IP, splněny požadavky kladené při automatizace strojů, výrobních linek i technologických procesů. Použití komunikační sítě EtherNet TCP/IP v průmyslové automatizaci s sebou na jedné straně přináší i lákavou možnost vizualizace řízeného procesu při použití libovolného počítače zapojeného v intranetu závodu nebo internetu propojujícího dva výrobní celky jednoho výrobce na dvou i vzdálených kontinentech. Na druhé straně vyvolává potřebu účinné ochrany proti zneužití tohoto globálního přístupu do prostředí zcela „soukromého" sektoru průmyslového měření, ovládání, řízení.

16

1. 3 Počátky automatizace Počátky prvních jednoduchých logických řídicích jednotek lze datovat do 50. let dvacátého století. Skutečně prudký vzestup v této oblasti ovšem nastal až počínaje rokem 1984, když se objevily standardní programovací jazyky a odpovídající hardware s vlastní inteligencí. Každý z uživatelů mohl začít psát programy způsobem, který mu vyhovoval a byl mu blízký. Závodní elektrikář dal pochopitelně přednost postupovému diagramu vycházejícímu ze schématu elektrického obvodu. Řídící technici zabývající se spojitými technologickými procesy požadovali funkční grafy znázorňující řídicí sekvence způsobem nezávislým na konkrétním použitém zařízení, což je metoda standardně zavedená v chemickém průmyslu [6]. A mladí lidé, kteří se již učili programovat s použitím programovacích jazyků, tíhli k záznamu programů v textové podobě, což je vedlo k používání tzv. seznamů příkazů (statement lists), tj. mnemotechnických6 zkratek programových příkazů a adres. Technické inovace rychle následovaly jedna za druhou a s nimi začala růst také popularita programovatelných automatů. Řídicí jednotky byly stále výkonnější a již se neomezovaly jen

na

základní

sadu

binárních

instrukcí

spjatou

s

původními

programovatelnými automaty. Čím dál tím více rostla také jejich schopnost realizovat velmi složité funkce ve velmi krátkých časových cyklech. Výpočetní moduly vykonávaly potřebné řídicí funkce, zatímco desky I/O pro připojování periferních zařízení byly stále častěji nahrazovány komunikačními deskami umožňujícími přenášet data po digitálních komunikačních sběrnicích. Důležitým inovačním zlomem v historii programovatelných automatů byla změna jejich struktury v důsledku decentralizace vstupů a výstupů (Input/Output – I/O). Důvodem byla potřeba zmenšit náklady na kabeláž. Jednotky I/O byly tudíž umístěny přímo do míst vzniku vstupních, popř. působení výstupních signálů a spojeny s centrálním řídicím systémem prostřednictvím jediného kabelu se dvěma nebo čtyřmi vodiči a příslušného komunikačního protokolu – tj. průmyslové komunikační sběrnice. Důležitou vlastností, která přispěla k úspěchu programovatelných automatů, je jejich odolnost. Moderní řídicí systémy lze poměrně snadno vytvářet při použití modulů, 6

slovní či grafické konstrukce podporující zapamatování nebo zpracování informace mozkem pomocí

přidružení představ či jiných informací.

17

které se obejdou bez ventilátorů a přídavného chlazení. Mnohé moduly lze vyjímat i vkládat dokonce bez vypnutí napájecího napětí. Důležité je zachovat vkládání jednotlivých modulů podle pokynů od výrobce. Každý výrobce automatů používá rozlišné zapojení. Pro současné programovatelné automaty je charakteristická schopnost realizovat početnou a v mnoha ohledech rozšířitelnou množinu funkcí, jako je např. čítání, měření v různých módech, nastavování polohy, regulace nebo řízení na bázi vaček. Díky široké nabídce procesorových modulů – od zařízení pro jednoduché aplikace až po nejvýkonnější modely – lze v současnosti vhodně vyřešit téměř jakoukoliv řídicí úlohu. Koncem šedesátých let dvacátého století se začaly používat první SLC vyvinuté v USA firmou Allen Bradley (Milwaukee ve státě Wisconsin). Ta se později stala součástí koncernu Rockwell International, nyní Rockwell Automation.

18

2 Analýza automatizace technologických procesů v Precheza a.s. 2. 1 Precheza a. s. Precheza a. s., se sídlem v Přerově má více než stoletou tradici, a to zejména ve výrobě anorganických chemických produktů. Je největším výrobcem anorganických pigmentů v ČR, jedním ze tří výrobců titanové běloby v rámci zemí CEFTA a vývozcem technologického know-how. Prodejcem výrobků akciové společnosti PRECHEZA je AGROFERT HOLDING. Hlavní náplní činnosti společnosti je výroba a prodej produktů anorganické chemie, včetně výrobků zpracovatelských, navazujících doplňkových a pomocných výrob. Důležitým předmětem podnikání je prodej licence na výrobu titanové běloby. Další činnost se týká oblasti služeb - pronájmy nebytových prostor, práce charakteru oprav a údržby. PRECHEZA a.s. aktivně působí ve Svazu chemického průmyslu ČR, Hospodářské komoře. V roce 1994 se stala přidruženým členem Asociace výrobců titanové běloby (Titanium Dioxide Manufacturers Association - TDMA) a v roce 2000 jejím řádným členem. Záměr udržet vysoký standard kvality výroby a výrobků vedl až k zavedení systému řízení.

Obrázek č. 1: Sídlo PRECHEZA a. s. Zdroj: PRECHEZA [online]. 2001 [cit. 2008-08-18]. Dostupný z WWW: .

19

Management společnosti a jeho jednotlivé součásti, zejména bezpečnost a hygiena práce, ekologie a jakost byly transformovány do podoby celosvětově uznávaných standardů Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO). Od roku 1995 je certifikován systém jakosti výroby titanové běloby, v roce 1999 byl certifikát rozšířen o systém jakosti výroby termických železitých pigmentů. Certifikaci shody s ISO 9002 a kontrolní audity provádí společnost Lloyd´s Register Quality Assurance. Systém environmentálního managementu byl toutéž společností certifikován na shodu s ISO 14001 v prosinci 2001. Kromě toho jsou jednotlivé výrobky certifikovány na shodu s příslušnými technickými normami ISO a DIN. Hygienické a ostatní relevantní atestace regulované sféry provádějí externí autorizované či akreditované osoby. Zavedením certifikovaného způsobu ochrany životního prostředí se PRECHEZA a.s. zařadila mezi prvních šest evropských výrobců titanové běloby [7].

2. 2 Automatizace provozu v Precheza a. s. Vzhledem k dnešnímu rychlému vývoji elektroniky a elektronické komunikace dochází k rozvoji automatizace v různých odvětvích průmyslu a nejinak je tomu i podniku Precheza a. s. Kdybychom se podívali na řídící systém podniku před několika lety, narazili bychom na celou řadu vzájemně nekompatibilních komunikačních systémů. Tyto nekompatibilní systémy vyžadovaly složitá přemostění a byly nutné ovladače umožňující vzájemné předávání dat. Nejenže se tím tok dat zpomaloval, ale pro techniky bylo obtížné zajistit přenos dat z jedné úrovně aplikace na druhou. S rostoucími nároky na řízení a zpětnou kontrolu jednotlivých technologických procesů je zapotřebí kvalitní a stabilní komunikace mezi jednotlivými pracovními stanicemi, operátorskými panely7, SLC8 automaty a jednotlivými ovládacími a signalizačními prvky určených pro řízení výrobního procesu. Přenosy dat u technologického systému jsou v současné době prováděny pomocí průmyslových komunikačních sítí. K řízení jednotlivých technologických procesů se v Precheza a. s. používají SLC automaty od firmy Allen – Bradley. Na českém trhu ji zastupuje firma ControlTech.

7

Slouží k monitorování stavu technologie …

8

Small Logic Controller (programovatelný logický automat)

20

Společností Rockwell Automation (Allen-Bradley) vyvinutá síťová architektura NetLinx se skládá z několika průmyslových sítí. Nejnižší vrstvu tvoří komunikační síť DeviceNet, která nahrazuje komunikační síť Remote I/O. Střední vrstvu tvoří moderní komunikační síť ControlNet, která podstatně rozšiřuje rychlost starších komunikačních sítí DH+ a DH485 a zajišťuje deterministický a uživatelem plánovatelný přenos dat. Nejvyšší vrstvu tvoří komunikační síť EtherNet/IP. Komunikační sítě DeviceNet, ControlNet a EtherNet/IP používají stejný komunikační protokol – Control and Information Protocol (CIP). Komunikační sítě Remote I/O, DH+ a DH485 jsou původní komunikační sítě vyvinuté společností Allen–Bradley. Komunikační sítě DeviceNet a ControlNet byly vyvinuty firmou Rockwell Automation, nyní jsou však vlastněny a spravovány organizacemi ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) a CI (ControlNet International). Tyto organizace také představily síť EtherNet/IP, která je otevřeným standardem – její použití je bezplatné [8].

Všechny využívané procesy mají společné některé základní charakteristiky: •

technologická linka není centralizována do jednoho “boxu”, ale je rozložena po celé výrobní hale

•

pro optimální řízení procesu je nutné rychlé a bezporuchové měření všech požadovaných veličin procesů na rozlehlém prostoru

•

rychlé a spolehlivé musí být rovněž ovládání akčních členů

•

cyklus zpracování naměřených signálů musí proběhnout v určitém stanoveném časovém intervalu – 0,90ms/K instrukcí typického aplikačního programu

•

vysokou stabilitu systému a komunikačních sítí

•

udržování a zálohování jednotlivých programů o

zavedení systému v návaznosti na ISO

o

ověřování softwaru + licencí

Komunikace mezi jednotlivými SLC automaty a pracovními stanicemi se provádí pomocí průmyslových komunikačních sítí. Jedná se zejména o komunikační sítě: 21

•

EtherNet/IP – informační síť

•

ControlNet – řídící a informační síť

•

DH+ - informační síť

•

DeviceNet – síť koncových zařízení

Obrázek č. 2: Používané komunikační průmyslové sítě Zdroj: AB [online]. 2008 [cit. 2008-10-03]. Dostupný z WWW: .

2. 2. 1 EtherNet/IP Na informační úrovni jsou komunikační sítě obvykle rozsáhlé a objemy přenášených dat značné. Příkladem může být celopodniková komunikační síť pro sběr dat a údržbu aplikačních programů řídicích systémů. Vhodnou datovou komunikační sítí pro informační úroveň je EtherNet TCP/IP, který je podporován většinou výrobců automatizační a výpočetní techniky a má dostatečnou přenosovou kapacitu. EtherNet by však neměl být používán pro vlastní řízení nebo komunikaci mezi jednotlivými řídicími systémy, neboť to není deterministická komunikační síť. To však nevylučuje použití TCP/IP pro přenos dat mezi vzdálenými celky [9]. 22

Komunikační síť EtherNet/IP9 je založena a vystavěna na celosvětově známé komunikační síti EtherNet s protokolem TCP/IP. Umožňuje nám efektivně spravovat řízení v reálném čase a informační tok v rámci výroby a IT podniku. Prostřednictvím komunikační sítě EtherNet/IP můžeme přenášet data z řídících prvků, zařízení a informačních systémů na základní řídící úrovni podniku do dalších částí společnosti. Snadný přístup k těmto informacím má zásadní význam pro přijímání informovaných rozhodnutí o kapacitě a řízené podniku. EtherNet/IP má otevřený sítový standart, který využívá normu IEEE10 802.3 (Institute of Electrical and Electronics Engineers). V praxi to znamená, že nám pro připojení do této komunikační sítě vystačí „obyčejná“ síťová karta v osobním počítači. Všeobecná znalost a dostupnost hardware spojená s vysokou rychlostí komunikace činí tuto síť velice atraktivní pro mnoho aplikací. Typickou úlohou pro tuto komunikační síť je přenos dat do osobního počítače popřípadě operátorských panelů. Lze ji ale také použít pro komunikaci mezi řídicími systémy nebo pro komunikaci se vstupy a výstupy nebo i pro připojení frekvenčních měničů11 atd. Typy přenosů v komunikačních sítích EtherNet/IP • informační: Přenos časově nekritických dat. Typické jsou velké pakety. Informační datové výměny jsou většinou krátce žijící explicitní spojení mezi jedním tvůrcem a jedním cílovým zařízením (kanál může zůstat otevřený). Informační datové pakety využívají TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) protokol a výhod TCP datových vlastností • I/O data: Přenos časově kritických dat. Typické jsou malé pakety. I/O datové výměny jsou dlouhotrvající implicitní spojení mezi jedním tvůrcem a více cílovými zařízeními. I/O datové pakety využívají UDP/IP (User Datagram Protocol / Internet Protocol) protokol a výhod výkonu a rychlosti UDP. Spojení se nazývá implicitní proto, že význam přenášených dat je implicitně definován pomocí identifikace připojení (Connection ID).

9

IP - Industrial Protocol

10

česky „Institut pro elektrotechnické a elektronické inženýrství“

11

slouží k regulaci otáček asynchronních motorů pomocí změny frekvence

23

• přenášení dat v reálném čase mezi procesory: Cyklická datová synchronizace mezi jedním produkujícím procesorem a více konzumujícími procesory. Data přenášená v reálném čase využívají UDP/IP protokol a výhod výkonu a rychlosti UDP

2. 2. 2 ControlNet ControlNet je nová generace datové komunikační sítě pro automatizaci a řízení. Je to výkonná deterministická komunikační síť s přenosovou rychlostí 5 Mbit/s, umožňující zasílat časově kritická data deterministicky a opakovatelně. Na chod komunikační sítě nemá vliv změna počtu připojených zařízení. ControlNet umožňuje určit časový okamžik odeslání dat (determinismus) a tento časový okamžik se nemění, pokud jsou zařízení připojována nebo odpojována od komunikační sítě (opakovatelnost). Komunikace se plánuje pomocí detekovaného softwaru [10]. Časově kritická data jsou deterministicky přenášena vysokorychlostním spojením, zatím co ostatní data jsou přenášena přes klient-server spojení. Silnou stránkou této komunikační sítě je možnost více přístupů v jeden okamžik. Například možnost více uzlů přijímat současně data vysílaná jedním uzlem. Výhody ControlNetu: • flexibilita instalace • možnost zálohování • rovnocenný přístup ke komunikační síti z každého uzlu • jediné propojení pro přenos vstup/výstupních dat, programování • zlepšená peer-to-peer12 komunikace • uživatelsky volitelná četnost přenosu vstupů/výstupů • determinismus/opakovatelnost • zjednodušený přístup k analogovým datům 12

rovný s rovným, P2P nebo klient-klient je označení architektury počítačových sítí, ve které spolu komunikují přímo jednotliví klienti (uživatelé)

24

• vysoká obnovovací rychlost • zlepšená systémová diagnostika

Technické parametry: • přenosová rychlost: 5Mbit/sec • maximální počet uzlů: 99 • připojení: pomocí rozbočovačů Allen-Bradley, které umožňují připojení na libovolném místě segmentu, délka segmentu závisí na počtu připojených uzlů a mohou být spojovány pomocí opakovačů do rozsáhlejších komunikačních sítí • medium: koaxiální kabel RG6 (cenová výhodnost, dostupnost, odolnost vůči rušení, vhodná šířka přenášeného pásma), BNC konektory • topologie: sběrnice, strom, hvězda

Výběr fyzické vrstvy komunikační sítě ControlNet je výsledkem kompromisu mezi přenosovou rychlostí, počtem komunikačních uzlů, maximální délkou komunikační sítě, odolností proti rušení a obtížnosti instalace. Jako přenosové prostředí využíváme koaxiální kabel RG6 standardně používány v rozvodech kabelové televize. Kabel je opatřen konektory typu BNC a pro připojení zařízení ke komunikační síti jsou použity speciální koaxiální rozbočovače. Délka komunikační sítě závisí na počtu připojených zařízení, při dvou uzlech je maximální délka vedení 1 000 m, při 48 uzlech 250 m. Topologie komunikační sítě může být buď hvězdicová, nebo stromová. Pomocí opakovačů je možné zvětšit počet uzlů na 99 nebo prodloužit koaxiální vedení na délku až 6 km. Komunikační síť ControlNet využívá přenosový model nazvaný producerconsumer. Protokol komunikační sítě ControlNet poskytuje každému uzlu (zařízení) garantovanou možnost přístupu k přenosovému prostředí použitím patentovaného algoritmu časových řezů. Tento algoritmus zaručuje předávání pravidelně se opakujících i mimořádných zpráv. Přenos pravidelných zpráv je deterministický a opakovatelný. 25

Aktualizace vstupu a výstupů je konfigurovatelná uživatelem a nezávislá na přidání nebo vyjmutí zařízení z komunikační sítě. Část časového řezu nevyužitá pro přenos pravidelných zpráv je použita pro přenos mimořádných zpráv, jejichž okamžik přenosu není kritický. Připojení systému ke komunikační síti ControlNet je provedeno přes převodník 1747-ACNR15, který poskytuje procesorům spojení s komunikační sítí. Tyto adaptéry jsou navrženy jak pro zajištění plánované, tak pro neplánové komunikace po komunikační síti. Mezi hlavní výhodu tohoto spojení se považuje, že modul má v sobě zabudované dva BNC konektory pro redundantní spojení.

2. 2. 3 DH+ Průmyslová komunikační síť Data Highway Plus (DH+) je domovskou sítí řídicích systémů SLC5. Kromě řídicích systémů řady SLC5 mohou v této komunikační síti být připojeny operátorské panely, osobní počítače s použitím speciálních modulů (1784PKTX), řídicí systémy SLC500 řady 5/04, řídicí systémy ControlLogix atd. Ke komunikační síti může být připojeno až 64 zařízení. Komunikační síť není učena pro připojení vzdálených vstupů a výstupů [11].

1770-CDx, Belden 9463 Typ kabelu 3000m (při rychlosti 57kbps) Maximální délka Přenosová rychlost 57, 115, 230kbps Tabulka č. 2: DH+ Zdroj: AB [online]. 2008 [cit. 2008-10-03]. Dostupný z WWW: .

2. 2. 4 DeviceNet DeviceNet je standardní otevřená komunikační síť, přístupná všem výrobcům automatizační techniky pro připojení do systému, která umožňuje přenos dat na nejnižší úrovni řízení-snímačů a akčních členů. Výrobci automatizační techniky nemusejí kupovat hardware ani software nebo licenční práva na napojení do řídicího systému. 26

DeviceNet je založen na komunikačním protokolu Controller Area Network (CAN), který byl původně vyvinut pro evropský automobilový průmysl. CAN komunikační 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. Maximální délka komunikační sítě (v metalickém provedení) je 500m, maximální počet uzlů na síti je 64 a maximální přenosová rychlost je 500kbit/s. Přenosové médium je speciální 5ti žilový kabel (2 vodiče datové, 2 vodiče napájecí a stínění). Na obrázku č. 3 je příklad definovaných korektorů pro fyzickou vrstvu sběrnice DeviceNet. Mohou to být šroubovací svorkovnice, pevně připevněné dráty nebo dva typy rozpojitelných konektorů.

Obrázek č. 3: Připojovací konektory DeviceNet Zdroj: AB [online]. 2008 [cit. 2008-10-03]. Dostupný z WWW: .

2. 3 SLC13 automat Programovatelné automaty se staly nejvýznamnějším řídícím prostředkem pro řízení technologických procesů, výrobních linek a strojů již během první poloviny 80. let. První programovatelný automat nebyl o nic více než jen elektronickou náhradou relé. 13

Small Logic Cell

27

Dnešní SLC automaty se staly výrobními nástroji s klíčovým významem. Jako součást celopodnikového řešení zajišťují řízení v rámci více disciplín. Základní řídící úrovni a rovněž dodávají data softwarovým aplikacím, které je převádějí na informace sloužící k lepšímu rozhodování řídících pracovníků a pracovníků obsluhy [12]. Původně byly SLC používány jako náhrada za klasické logické14 řídicí systémy. Ty byly nejprve reléové, později využívaly modernější elektronické prvky – tranzistory a pak integrované obvody. Ve všech těchto případech se ale jednalo o tzv. pevně naprogramovaný řídicí systém, u kterého třeba i malá změna technologie vyvolala nutnost rozsáhlých změn řídicího systému (měnilo se schéma zapojení) případně jeho výměny. Výhodou použití SLC je, že se jedná o volně programovatelný řídicí systém. Změny technologie lze pak řešit pouhým doplněním dalších modulů ke stávajícímu SLC (u modulárního provedení), respektive použitím rozšiřovací jednotky (u kompaktního provedení). Pochopitelně s touto změnou konfigurace souvisí také změna programu, který SLC vykonává. Výhodou též je, že SLC umožňují jednoduše kombinovat dva základní typy řídících systému.

Jednak jsou to systémy: • distribuované – řídicí systém se nachází přímo u strojů, které má řídit. • systémy integrované – řídicí systém je na pracovišti řídících pracovníku (velínu).

Tak je možno spojit výhody obou systému – řídicí systém je blízko u řízeného stroje a přitom lze řídit dílnu, provoz, podnik jako celek. Základním prvkem distribuovaných řídících systému jsou SLC. K těm jsou připojeny snímače (dnes i inteligentních tzv. smart senzoru) a akční členy (pohony a regulační orgány). SLC automaty jsou propojeny pomocí různých průmyslových sběrnic a napojeny na vizualizační a dispečerské integrované řídicí systémy. Vytváří se tak systémy CIM15. Pomocí sběrnice připojujeme k SLC vzdálené vstupy a výstupy (remote I/O). Další 14

logos = týkající se myšlení – z řečtiny

15

Computer Integrated Manufacture = integrované řízení podniku pomocí počítačů

28

výhodou je, že v současnosti již SLC obsahují technické (hardware – moduly pro komunikaci s analogovým prostředím) i programové (software - instrukce) prostředky, které umožňují realizovat kromě logického řízení též regulaci analogových veličin a nahrazovat tak klasické regulátory. SLC automat je modulární řídicí systém. Obsahuje procesory, vstupní a výstupní jednotky a periferní zařízení, které umožňuje sestavit výkonný a flexibilní řídicí systém s možností konfigurace vlastností a parametrů komunikací. Programovatelné automaty se dělí do několika kategorií, které se navzájem liší především počtem vstupů a výstupů.

V současné době SLC dělíme: • velmi malé • malé • střední • modulární

Další dělení je z hlediska flexibility počtu vstupů a výstupů: • kompaktní (Fixed Hardware Style) o Toto provedení je levné a používá se spíše pro jednodušší aplikace. Variabilnost konfigurace je u něj malá. Obvykle má pouze omezený počet digitálních vstupu, digitálních výstupu a někdy též rychlé čítače16, nebo analogový vstup či výstup. Určitou variabilitu umožňuje též použití výměnných násuvných modulu (tzv. piggyback), které se zasouvají do patic na desce plošného spoje. Některé kompaktní SLC mají též možnost zvětšit variabilitu konfigurace použitím přídavných modulů.

16

sledování signálů o velké frekvenci

29

• modulární (Modular Hardware Style) o Je vhodné pro náročnější aplikace. Umožňuje výrazně větší variabilnost konfigurace. Základem je rám (rack, chassis) jehož součásti je zdroj. V zadní části rámu je vedena interní sběrnice, na níž jsou konektory pro připojení modulů. Délka rámu je různá podle počtu slotů pro zasunutí modulu (unit). Jako první se vpravo od modulu (Allen-Bradley SLC) zdroje zasouvá modul CPU (processor) a pak následují další vstupní/výstupní moduly (I/O modules, v/v moduly). K základnímu rámu, ve kterém je CPU je možno u některých SLC připojit další rozšiřovací rámy. Ty už mají pouze v/v moduly a CPU je společná v základním rámu [13].

2. 3. 1 Procesory Procesory SLC nabízejí širokou volbu druhu a velikosti paměti, vstupně – výstupní kapacity, instrukční sady, napájení a komunikační rozhraní. Procesory disponují vysokou spolehlivostí s možností stovek tisíc instalací. V Precheza a. s. se využívají řídící automaty SLC 500 od firmy Allen-Bradley, respektive programovatelné automaty nové generace CLX17.

Obrázek č. 4: Procesory SLC 500 Zdroj: Ab [online]. 2009 [cit. 2009-03-02]. Dostupný z WWW: .

17

ControLogiX

30

Řídicí systémy SLC-500 mohou navzájem komunikovat po sériové průmyslové komunikační síti DH-485 rychlostí 19,2 kBaud. Na této komunikační síti může pracovat až 32 stanic. Celková délka komunikační sítě může být max. 1,3 km. Datový kanál pro přímé napojení na DH-485 mají všechny procesory 5/01 až 5/03. Procesor 5/04 je vybaven kanálem DH+ a umožňuje kombinovat systémy SLC-500 a SLC-5. Procesory 5/05 jsou vybaveny standardním EtherNet portem s protokolem TCP/IP a je možné je začlenit do počítačové komunikační sítě. Druhý datový kanál na procesorech 5/03 až 5/05 je typu RS232 a lze na něm používat protokol DH-485. Pomocí speciálních komunikačních jednotek lze systém připojit i na ostatní komunikační linky - ControlNet, DeviceNet a RIO a používat všechny technické prostředky navržené pro tyto linky.

31

Typy procesorů pro řídící automaty SLC 500 (Allen-Bradley):

Procesor (katalogové č.)

5/01

Kapacita paměti (instrukčních slov)

1K/4K 4 K/ 16 K

5/02

5/03

5/04

5/05

4 K + 16 K

12 K + 4 K 8K+4K

16 K + 4 K 32 K + 4 K 64 K + 4 K

16 K + 4 K 32 K + 4 K 64 K + 4 K

baterie

baterie

baterie

baterie

EEPROM / UVPROM

EEPROM / UVPROM

Flash

Flash

Flash

Doba cyklu pro 1 K instrukcí

8 ms/K

4,8 ms/K

1 ms/K

0,9 ms/K

0,9 ms/K

DH-485

standard

standard

standard

s 1761NET-AIC

s 1761NET-AIC

ne

ne

ne

standard

ne

RS-232

na 1747-KE

na 1747-KE

standard

standard

ne

RIO

na 1747-SN

na 1747-SN a 1747DCM

na 1747-SN a 1747DCM

na 1747-SN a 1747DCM

na 1747-SN a 1747DCM

Zálohování kondenzátor paměti/ doba / baterie zálohování

Zálohování programu

DH+

Tabulka č. 3: Typy procesorů SLC 500 Zdroj: SOFTYON [online]. 2008 [cit. 2008-11-06]. Dostupný z WWW: .

32

2. 3. 2 Vstupy a výstupy Vstupní a výstupní moduly jsou nabízeny v různých řadách se 4, 8, 16 a 32 přípojnými body a mohou zpracovávat jak střídavé, tak i stejnosměrné veličiny a napěťové úrovně. Výstupní moduly jsou k dispozici s reléovými výstupy [14].

Obrázek č. 5: Vstupně/výstupní moduly Zdroj: Ab [online]. 2009 [cit. 2009-03-02]. Dostupný z WWW: < http://citace.com/apl-www.php >.

Podle zpracovávaného signálu rozeznáváme moduly: • binární (diskrétní = Discrete I/O) • analogové • speciální (moduly rychlých čítaců, moduly pro komunikaci) Některé moduly se označují jako inteligentní - mají vlastní mikroprocesor a programové vybavení od výrobce (firmware), které zajistí předzpracování signálu vysílaného do CPU. Prahová úroveň mezi high (true) (=logická 1) a low (false) (= logická 0) je přibližně na 1/2 jmenovitého napětí jednotky. Nezapojený vstup se chová tak, jako kdyby na něm byla logická 0 (v souladu s „klasickými“ prvky automatizační techniky jako jsou relé a stykače, kde stav „nesepnuto“ odpovídá logické 0). V tom je rozdíl od integrovaného obvodu, mikroprocesoru a mikrokontroleru, kde se nezapojený vstup chová, jako kdyby na něm byla úroveň logické 1. Binární jednotky dále rozdělujeme na stejnosměrné a střídavé, nebo na vstupní, výstupní a kombinované (např. 16 bitu, z nichž 8 je vstupních a 8 výstupních). Podle počtů bitu se dělají jednotky 4, 8, 16, 32 bitové. Vstupy jsou galvanicky oddělené (GO), výstupy mohou být galvanicky oddělené (optron, optotriak, relé – pomalejší). Stejnosměrné vstupní binární jednotky se dělají nejčastěji pro napětí 24 V (menší problémy s rušením než u 5 V), ale též 5 V, 12 V, 48 V. Střídavé 33

vstupní binární jednotky se dělají pro napětí 24 V, 48 V, 115 V, 230 V. Stejnosměrné výstupní binární jednotky – provedení je s výstupy tranzistorovými (PNP nebo NPN). Napětí je obvykle dáno rozmezím např. 10 až 50 V, 24 až 48 V. Střídavé výstupní binární jednotky – provedení je s výstupy triakovými nebo reléovými (ty lze použít i jako stejnosměrné). U triakových jednotek je opět napětí dáno rozmezím např. 24 až 250 V, 100 až 240 V. U reléových jednotek je dáno jen maximální napětí – např. 250 V. V současné době v Precheza a. s. jsou zejména vyžívané vstupně/výstupní jednotky s napětím 24V stejnosměrné, avšak ve starších aplikacích se můžeme setkat s jednotkami na napětí 230V střídavé. Jednotky se střídavým napětím 230V bývají často zdrojem poruch, z hlediska chybného vyhodnocení vstupního napětí. Vzhledem k delším kabelovým vedením k jednotlivým vstupním signálům dochází k nechtěné indukci napětí ve vodičích kabelů a tím k falešnému vstupnímu signálu na kartě.

2. 3. 3 Operátorský panel PanelView (obrázek 6.) se vyrábí v různých variantách panelů operátora pro řídicí systémy SLC-500. PanelView je vysoce funkční a cenově příznivý panel operátora, s možností snadného připojení na komunikační síť DH-485, ( DH+, RemoteI/O, ProfiBus, DeviceNet, EtherNet). Panel View používáme zejména pro jednoduché aplikace s minimálními požadavky na ovládání a vizualizaci. Výhodou je jejich robustnost a vysoký stupeň krytí IP, proti vniknutí vody a prachu.

Obrázek č. 6: Operátorské panely Zdroj: Conteroltech [online]. 2008 [cit. 2008-12-28]. Dostupný z WWW: .

34

2. 3. 4 RSLogix 5000 Při programování aplikací využíváme integrované vývojové prostředí, které spustíme na počítači třídy PC. Prostředí obsahuje editor (textový nebo grafický) ve kterém vytváříme program, překladač do kódu SLC (kompilátor) – přeložený program se pak vysílá do SLC, zpětný překladač (dekompilátor) – umožní natáhnout program z SLC do PC a provést jeho zpětný překlad, nástroje pro ladění programu (debugger), nástroje pro monitorování stavu SLC – někdy i včetně možnosti zjištění jeho hardwarové konfigurace, simulátor SLC a hypertextový kontextové senzitivní nápovědný systém. Vlastnosti softwaru •

forma zápisu v žebříčkové logice umožňuje soustředit se na aplikační logiku místo striktního dodržování programové syntaxe.

•

nástroje pro ladění programu, který pomáhá uživateli orientaci v nalezených chybách

•

editace programu pomoci „DRAG-AND-DROP“ funkcí

•

snadné vyhledávání a záměna dat v kódu

•

rozsáhlá knihovna datamonitorů, na kterých lze pozorovat změny a vzájemné interakce, usnadňující ladění programu

•

knihovna pro kompilaci programu pro různá zařízení

Minimální požadavky na PC •

operační systém Microsoft Windows 95 a vyšší

•

pentium/300 (Pentium III doporučováno)

•

32 MB RAM (64 MB doporučováno)

•

50 MB volného místa na harddisku

•

VGA grafický adaptér 640 × 480 (800 × 600 doporučováno)

•

myš

•

v souladu s politikou Microsoft

35

Pro programování a vytváření projektu je určeno speciální softwarové prostředí RSLogix 5000. To slouží jak k tvorbě uživatelských programů, tak ke konfiguraci I/O jednotek (konfigurační data jsou součástí uživatelského projektu).

Procesor lze programovat: • v reléovém diagramu (LAD) • ve funkčních blocích (FBD) • v sekvenčních diagramech (SFC) • v „structured“ textu (ST)

Procesor v sobě integruje prostředky jak pro klasické řízení, sekvenční řízení, tak pro speciální aplikace s využitím např. rozsáhlé matematiky a speciálních instrukcí pro řízení pohonů. Instrukční soubor mu umožňuje provádět hrubé řízení smyčky s výpočtem dráhy, synchronizací více os, interpolaci dráhy atd.

2. 3. 5 RSView32 RSView32 je průmyslový vizualizační softwarový balík využívající architekturu otevřené platformy. Systém podporuje propojení mezi průmyslovými technologiemi a standardními programy. RSView32 je možno provozovat na 32bitovými operačními systémy firmy Microsoft a nabízí vše potřebné pro tvorbu operátorského interface a řešení úloh sběru dat a řízení. Zahrnuje v sobě jak standardní nástroje pro vytváření obrazovek, tak rozsáhlou knihovnu objektů, které lze vkládat do aplikací. Umožňuje také import grafiky z jiných aplikací, nebo přímo vložení obrázku ve formátu BMP případně WMF. Pomocí RSView32 lze také provádět animaci vytvořených objektů, a to posuvem ve vertikálním nebo horizontálním směru, rotaci, translaci a kombinace těchto posuvů. Dalšími možnostmi jsou změna velikosti a možnosti grafických úprav, barevných úprav, změny vrstev atd. 36

Obrázek č. 7: Ukázka z prostředí RSView32 Zdroj: RSView32, Rockwell automation [počítačový program]. Ver. 6.40, 2009 [citováno 2009-03-03]. Dostupné z: < http://www.rockwellautomation.com/rockwellsoftware/design/rsview32/>.

Další velmi často využívaná funkce je prostředek pro záznam dat. Ten umožňuje ukládat data v databázovém formátu DBF, což umožňuje zobrazení i zpracování dat v jiných programech (např. MS Excel). RSView32 v sobě obsahuje velmi výkonný výstražný systém, který umožňuje nejen zobrazovat alarmy, ale i provést akci na základě tohoto alarmu (např. spustit zvuk - pomocí WAV souboru, nebo spuštění průmyslové houkačky). Formulář pro zobrazení alarmu je volně programovatelný, alarmy lze filtrovat, stanovovat úrovně podle různých hledisek, a tím zobrazit jen nejdůležitější informace pro získání rychlého přehledu nad technologií. RSView32 komunikuje pomocí AdvancedDDE s komunikačním softwarem RSLinx (popř. WinLinx pro Windows). Tento software umožňuje rychlou a spolehlivou komunikaci s řídicími systémy Allen-Bradley popř. i s řídicími systémy jiných výrobců. Komunikace pomocí DDE umožňuje nejen výměnu dat mezi RSView32, ale i výměnu dat se všemi programy podporující DDE (např. Excel). Tento komunikační software také dokáže distribuovat data pres komunikační síť EtherNet pomocí NetDDE, což umožňuje, 37

že každý na podnikové komunikační síti může "vidět" popř. zasahovat do řídicího systému a tím i do technologie.

2. 3. 6 RSLinx RSLinx je 32-bitová aplikace, zajišťující komunikaci mezi automatem a HMI (Human Machine Iinterface) aplikací, např. automat SLC/CLX - InTouch. Zajišťuje také sdílení a vzájemné předávání dat pro aplikace využívající protokol DDE (Dynamic Data Exchange) nebo OPC (OLE for Process Control).

Obrázek č. 8: Ukázka z prostředí RSLinx Zdroj: RSLinx, Rockwell automation [počítačový program]. Ver. 2.53. , 2009 [citováno 2009-03-03]. Dostupné z: < http://www.rockwellautomation.com/rockwellsoftware/design/rslinx/>.

Základním oknem programu RSLinx je RSWho, který v levé části zobrazuje použitelné ovladače a v pravé části připojená zařízení. Ovladači se vybírá mezi připojenými typy komunikačních sítí (EtherNet, DH-485 přes převodník PIC). Zařízení v síti jsou specifikována svým uzlem a jedinečným identifikačním číslem připojeného zařízení (uzlu) v komunikační síti. 38

2. 4 Záložní zdroje Každé řízení vždy vyžaduje dostatek energie, ať již jde o řízení lidí energickým šéfem nebo o řízení průmyslové úlohy řídicím systémem. Obzvláště důležitý je proto výběr spolehlivého zdroje energie. Takovým zdrojem je například záložní zdroj. Tyto záložní zdroje nám umožňují stálé napájení procesoru a ostatních periferií i při krátkodobých poklesech napětí v rozvodné síti. UPS18 používají tři základní technologie pro napájení a ochranu zálohovaného zařízení. Pro zálohování samostatných PC a u malých zařízení nejvíce využíváme nejjednodušší zapojení OFF line, kdy UPS pracuje jen v případě úplného výpadku elektrické sítě. Pro citlivější zařízení s nutností ochrany nejen před úplným výpadkem napájení, ale i přechodovými stavy, jako je podpětí a přepětí, preferujeme zapojení zvané Line interactive, tedy stálé sledování nejen výpadku, ale i kvality napájecí sítě. Třetí, nejkvalitnější technologie používaná v UPS je ON line, neboli zapojení s dvojitou konverzí. Energie přicházející do chráněného zařízení je zcela oproštěna od výkyvů v napájecí síti. Pro kritické aplikace se nevystačí ani s touto dokonalou úpravou elektrické energie, takže se pro různé účely používá ještě tzv. redundantní zapojení dvou nebo i více UPS o takovém výkonu, že mohou zálohovat chráněné zařízení téměř na 100 % i při poruše jednoho zdroje. Zařízení, které je schopno sladit činnost dvou a více paralelních UPS, se nazývá statický přepínač (STS). Zdroje UPS ve třífázovém provedení jsou určeny pro velké výkony až 1 000 kVA, při redundantním zapojení mohou být výkony ještě vyšší. Spolehlivost UPS je dána nejen kvalitní technologií a součástkovou základnou, ale i vlastním zdrojem energie baterií. Pro účely zálohování jsou nejvhodnější olověné baterie, dnes bezúdržbové, jejichž životnost byla prodloužena díky četným technickým vylepšením. Přesto je baterie nejslabším článkem UPS a výrazně ovlivňuje jeho spolehlivost.

18

z anglické zkratky Uninterruptible Power Supply (zdroje nepřetržitého napájení)

39

V Precheza a. s. se používají UPS od firmy APC. Typická specifikace je: Vstupní parametry • jmenovité vstupní napětí: 230V • vstupní kmitočet: 50/60 Hz +/- 3 Hz (autodetekce) • rozsah vstupního napětí: 160 - 286V • nastavitelný rozsah vstupního napětí: 151 - 302V • automatická regulace napětí (AVR)

Obrázek č. 9: UPS APC6000 Zdroj: APC [online]. 2006 [cit. 2009-02-03]. Dostupný z WWW: .

Výstupní parametry • výstupní výkon: 670W / 1000 VA • maximální nastavitelný výkon: 670W / 1000 VA • jmenovité výstupní napětí: 220, 230 nebo 240V • výstupní kmitočet (synchr. se sítí): 47 - 53 Hz • druh průběhu: sinusový průběh • výstupní zásuvky: 4x 40

Baterie a doba zálohování • typ baterie: bezúdržbový olověný zatavený akumulátor • typická doba nabíjení: 3 hodiny • typická doba zálohování pro 335W: 31,5 minuty • typická doba zálohování pro 670W: 9 minut • baterie vyměnitelné za provozu

2. 5 Kabely Kabely zajišťují přenos dat mezi jednotlivými komponenty v rámci pevné instalace nebo jejího propojení s okolím. Vyskytují se v široké škále konstrukčních provedení s různým uspořádáním vodičů, jejich izolace, tvaru a ochrany před vnějším prostředím. Jednotlivé druhy kabelů: • kabely pro velmi citlivé signály přenášejí analogové signály nízkých úrovní (např. výstupy některých snímačů, přijímacích antén apod.) nebo vysokorychlostní digitální komunikační signály, • kabely pro citlivé signály přenášejí běžné analogové signály (např. proudová smyčka 4-20mA, výstupy snímačů a převodníků s rozsahem do ±10 V apod.), nízkorychlostní digitální komunikační signály (RS-422, RS-485) a logické signály, • kabely přenášející méně rušivé signály, představované kabely síťového nebo stejnosměrného napájení, které nejsou připojeny k silně rušícím zařízením bez odrušovacích prostředků, • kabely přenášející rušivé signály, jako jsou napájení a výstupy měničů frekvence, motorových spouštěčů, svařovacích zařízení, spínaných zdrojů a dalších průmyslových, vědeckých a lékařských zařízení využívajících ve své činnosti vysokofrekvenční signály,

41

• kabely přenášející silně rušivé signály, zejména kabely vn a vvn, kabely v rozvodnách i některé případy z předchozí skupiny se zvláště výraznými rušivými vlivy.

2. 5. 1 Vedení kabelů Kabely většinou nejsou vedeny jednotlivě, ale seskupují se do svazků vedených stanovenými trasami. Kabelové trasy mají často podobu kabelových žlabů, lávek nebo roštů nebo jsou pro ně použity prvky stavební konstrukce. Ve většině případů jsou takové trasy nebo jejich části vytvořeny z kovových, a tedy vodivých materiálů, takže po vhodném propojení mohou zajistit funkci paralelního zemního vodiče, významného prvku zlepšujícího vlastnosti instalace z hlediska EMC. Vodivé propojení dílčích částí kabelových tras musí mít malou impedanci pro rušivé signály v širokém pásmu kmitočtů. Proto je vhodnější místo dlouhého tenkého propojujícího vodiče volit širší pásky délky ne větší než pětinásobek šířky, nebo ještě lépe vodivé propojení překrývající celý spoj.

42

3 Návrh komunikační průmyslové sítě v Precheza a. s. k podpoře automatizace technologických procesů V současné době je úroveň řízení jednotlivých výrobních linek v Precheza a. s. na vysoké úrovni. Využívají se všechny moderní trendy v řízení, regulaci a automatizaci provozu. S rostoucími nároky na vysoké pracovní tempo, spolehlivost a bezpečnost jednotlivých úseků, přesto navrhuji některá řešení pro podporu automatizace v Precheza a. s. Jedná se zejména o zabezpečení funkčnosti průmyslových komunikačních sítí, ve kterých jsou přenášeny technologické a řídící informace k SLC automatům. Tyto komunikační sítě musí splňovat všechny normy a standardy. Z tohoto důvodu navrhuji některá opatření, která přispějí k stabilitě komunikační sítě a jejich periferií.

3. 1 Redundance komunikačních sítí Pro zvýšení stability a nepřetržitosti provozu navrhuji zapojení řídících automatů do redundantního zapojení komunikační sítě. V redundantním řešení je aplikace vykonávána v primárním systému, včetně komunikace se vstupy a výstupy. Vizualizace i operátorské panely také komunikují s primárním systémem. V sekundárním systému běží identická úloha a přes optické vlákno pomocí modulu SRM19 jsou veškerá data synchronizována s primárním řídicím systémem. V případě jakéhokoliv výpadku primárního systému přebírá řízení aplikace sekundární systém. Toto přepnutí je tzv. beznárazové = ostatní zařízení mohou bez přerušení pokračovat komunikovat s řídicím systémem. Systémy musí být navrženy tak, aby při poruše přešly do bezpečného pracovního režimu (fail-safe). Systémy současně musí být při poruše některé komponenty nebo při vyčerpání zdroje energie rovněž schopny činnosti s menší výkonností (fail-soft). Důležitým opatřením typu fail-soft je zapojení zařízení současně do několika různých komunikačních sítí. Selhání jedné komunikační sítě ovlivní pouze ta zařízení, která tato komunikační síť podporovala. Zařízení zapojená do ostatních – nezávislých a třeba i

19

samoregulační mechanismy

43

distribuovaných – komunikačních sítí zůstanou danou zmíněnou událostí, která způsobila poruchu první komunikační sítě, nedotčena.

Obrázek č. 10: Redundance komunikační sítě Zdroj: SOFIN [online]. 2008 [cit. 2009-02-03]. Dostupný z WWW: .

3. 2 Oddělení komunikačních sítí Dále navrhuji pro bezpečný a bezproblémový chod výrobních linek přehledné oddělení průmyslových řídících komunikačních sítí od ostatních komunikačních sítí a kabelových vedení. Síťové komunikační kabely musí být kladeny do ochranných hadic, samostatně a odděleně od ostatních vedení. Kabeláž doporučuji provést ve třídě Heavy Duty,

která

vykazuje

spolu

s

odolností

proti

vlhkosti

také

odolnost

proti

elektromagnetickému rušení (tj. elektromagnetickou kompatibilitu – EMC), jiskrovou bezpečnost (v prostředí s nebezpečím výbuchu nesmí tyto datové kabely být v žádném případě zdrojem iniciace potenciálního výbuchu) a odolnost proti zvýšené provozní teplotě v blízkosti strojů a dalších zařízení. Dále musí být tyto komunikační kabely extrémně odolné proti účinkům vibrací strojů a jejich částí, na nichž jsou upevněny, a tudíž dimenzovány na extrémně velký počet ohybů i na působení krutu. Pláště komunikačních kabelů musí odolávat kyselinám, zásadám i ropným látkám (oleje, paliva atd.). 44

Problematika kabeláže pevné instalace rozhodně není jednoduchá. V mnoha případech je třeba respektovat jak požadavky na klasické silnoproudé rozvody, včetně prioritních otázek elektrické bezpečnosti, tak problematiku rušení, zahrnující dnes i velmi vysoké kmitočty. Kabely různých skupin (podle druhu přenášených signálů) nesmějí být vedeny ve stejném svazku, aby se zamezil přenos rušení mezi blízkými vodiči vzájemnou fyzikální vazbou. Jednotlivé komunikační kabely mají být vedeny co nejtěsněji přimknuté k vodivé konstrukci, takže výhodnější je vedení v rohu a nejméně výhodné je vedení na okraji konstrukce. Svazky lze sice vést v jednom kabelovém žlabu, ale to při dostatečné vzdálenosti mezi nimi nebo lépe při jejich oddělení stínicí přepážkou. Mnohem účelnější je vést komunikační kabely je v samostatných žlabech. Žlaby s komunikačními kabely pro velmi citlivé signály se doporučuje provést jako zcela uzavřené. Z hlediska dlouhodobého použití kabelu pro průmyslový EtherNet je rozhodující provedení jeho pláště. Plášť musí ochránit jádro kabelu před prachem, vlhkostí, agresivními kapalinami a předčasným zestárnutím, tj. obecně zabránit ztrátě požadovaných vlastností jádra. Tyto kabely se však již příchodem 10 Gbps rychlostí blíží maximu svých možností. Pro zamezení rušivých vlivů na komunikační kabely doporučuji využití komunikačních kabelů z optických vláken. Princip vedení světla je jednoduchý. Světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí s rozdílnou optickou hustotou a tedy s rozdílným indexem lomu, kde se zčásti láme a prostupuje z jednoho prostředí do druhého, a z části se odráží a vrací se zpět do prostředí, ze kterého přichází. Nakolik se paprsek odrazí zpět do prostředí, ze kterého pochází, záleží na úhlu, ve kterém paprsek do vlnovodu přichází. Pro každé optické rozhraní však existuje mezní úhel odrazu. Pokud světlo dopadá pod tímto úhlem (nebo menším) dochází k tzv. totálnímu odrazu, kdy se 100% světla odráží a neopouští prostředí, ze kterého přichází. Právě tento princip "vnitřních odrazů" využívají optická vlákna. Využitím optických kabelů zamezíme rušivým vlivům.

45

3. 2. 1 Propojování přístrojů Při návrhu na zlepšení propojení jednotlivých přístrojů pevné instalace je nutné brát v úvahu také další zásady respektující potlačení přenosu rušivých signálů vzájemnou impedancí zejména zemního, napájecího nebo společného signálového vodiče. Mezi takové zásady patří: • nepoužívat zřetězené propojení zemnicích svorek jednotlivých přístrojů s uzemněním v jednom místě, ale raději připojit každý přístroj zvlášť k zemnicí síti co nejkratším vodičem • v případě několika přístrojů pro ně nepoužívat společný „zpětný“ signálový vodič, ale raději vést signálové vedení od každého přístroje důsledně dvouvodičové až ke zdroji s případnou možností propojení vodičů na stejném potenciálu v jednom bodě • vést přímé a zpětné napájecí nebo datové vodiče vždy společně co nejblíže u sebe bez vytváření prostorových smyček • nepoužívat zřetězené propojení napájecích svorek jednotlivých přístrojů se společným přívodem od napájecího zdroje, ale k napájení přístrojů použít samostatné přívody od napájecího zdroje • zvážit napájení jednotlivých přístrojů ze samostatných galvanicky oddělených napájecích zdrojů • zvážit galvanické oddělení signálových a výkonových obvodů např. optickou vazbou v obvodu pro přenos dat

3. 2. 2 Stínění kabelů V současnosti je preferováno připojení stínění na obou koncích stíněného vodiče k uzemněné skříni přístrojů. Pokud přitom hrozí průchod významných rušivých proudů takovým stíněním, doporučuji zřídit další paralelní zemní vodiče o dostatečně velkém průřezu, který díky své menší impedanci omezí proudy ve stínění. Takové paralelní zemní vodiče mohou být tvořeny skutečně paralelně vedeným vodičem dostatečného průřezu, ale 46

i kovovým žlabem, dobře vodivou kabelovou lávkou (po celé trase) nebo, jako nejúčinnější, kovovou trubkou, ve které je kabel uložen. Nesmí se také opomenout kvalitní vodivé spojení stínění se skříní přístroje zásadně provedené po celém obvodu vodiče. Pro tento účel jsou vyráběny kovové kabelové průchodky vybavené kovovými pružinami (Obrázek č. 11), lamelami, vodivou pryží nebo obdobnými prvky, které stínění vodivě připojují.

Obrázek č. 11: Kabelová vývodka Zdroj: LAPP GROUP [online]. 2005 [cit. 2009-02-03]. Dostupný z WWW: .

Stínění není vhodné zakončovat skroucením (pigtails), protože se tímto chybným ukončením ruší stínící efekt ve vyšších frekvencích. Aby se ve stínění zabránilo vzniku vyrovnávacích proudů, lze stínění kabelu uzemnit přes svorku, která je připojena k rámu přes RC člen20. Stínění kabelů na straně síťových zařízení (přepínače, huby, mosty, směrovače) musí být ukončeno takto: •

stínění komunikačního kabelu musí být ukončeno přímým spojením se zemí pouze na jedné straně kabelu (a to na straně aktivního síťového prvku)

•

pokud je z jakéhokoliv důvodu propojení stínění se zemí i na straně EtherNet/IP zařízení, je tak třeba učinit přes paralelní kombinaci RC zobrazené na obrázku 12

20

omezovač přepěťových špiček

47

Schéma spojení stínění a zemnění

Obrázek č. 12: Připojení stínění Zdroj: AutoCAD, Autodesk [počítačový program]. Ver. 2008. , 2009 [citováno 2009-01-03]. Dostupné z: < http://partnerproducts.autodesk.com/compatiblewith/autocad.asp>.

Aby nevznikaly zemnící smyčky21 je třeba, aby stínění bylo spojeno se zemí pouze na jedné straně, a to na straně aktivních síťových prvků (přepínače, směrovače atd.). Spojení stínění se zemí na straně řídicích zařízení (SLC, senzory a atd.), je možné jen pomocí paralelní kombinace RC. Pokud je konektor (zásuvka) RJ-45 spojen přímo se zemí (díky konstrukci zařízení), nesmí být stínění na zástrčce RJ-45 připojeno.

3. 3 Napájení Průmyslové prostředí často bývá zdrojem silného elektromagnetického rušení. Indukcí a nevhodně uložených stíněných kabelů může vzniknout velké přepětí, které citlivou, složitou a drahou elektroniku SLC zničí. Nejde přitom jen o cenu vlastního SLC. Selhání řízení může být příčinou velkých škod i v řízeném procesu. S postupnou modernizací jednotlivých výrobních úseků často docházelo k montáži jednotlivých SLC automatů do různých rozvodných skříní, které nejsou umístěny v jednom místě (budově), a tím docházelo k tomu, že jednotlivá napájecí místa pro řídící automaty jsou rozdílného napájecího napětí (fází). Tímto řešením dochází k rozdílným napěťovým potenciálům. Z tohoto pohledu navrhuji vytvořit jednotné napájecí místo pro všechny řídící systémy. V této síti by bylo riziko přepěťových špiček sníženo na minimum. 21

zemnící smyčky vznikají spojením uzemňovacích bodů, například stínění, na více bodech se zemí. Pak může nastat situace, kdy stíněním protéká určitý elektrický proud, což má nepříznivý vliv na vlastní funkci stínění.

48

3. 3. 1 Jednotné napájení řídících automatů Z hlediska bezporuchového a bezpečného chodu výrobních linek, je potřeba kvalitní a stabilní napájení jednotlivých periferií. Z tohoto důvodu jsem navrhnul sjednocení (ucelení) všech napájecích napětí z jednoho centralizovaného místa. V tomto centrálním napájecím místě budou umístěny veškeré ochranné a jistící prvky, které jsou nutné pro napájení automatů a komunikačních síťových prvků. Dnešní technologické linky jsou totiž velice citlivé na tzv. mikrovýpadky elektrické energie nebo na spínací podpětí.

Typy problémů: •

ztráta napájení (blackout) - úplná ztráta napájecího napětí po dobu delší než 2 sinusové cykly. Způsobí, že připojená zátěž přestane fungovat.

•

krátkodobý pokles - velmi krátkodobý pokles napětí o 15-20% („bliknutí světel“)

•

napěťová špička - krátkodobé přepětí o více než 10% -může způsobit poškození zařízení

•

dlouhodobé podpětí (brownout) - dlouhá linie nízkého napětí

•

dlouhodobé přepětí - dlouhá linie vysokého napětí

•

rušení v síti (šum) - způsobuje elektromagnetické rušení

•

změna frekvence - odchylka od standardní frekvence (50Hz, způsobuje např. změnu rychlosti motorů, „spadnutí“ počítače, atd...)

•

napěťové rázy - mžikové špičky až 20 000V, jsou způsobovány přeskokem jisker při spínání a elektrostatickými výboji. Mohou mít za následek chyby dat nebo i poškození počítačů.

•

harmonické zkreslení - harmonické zkreslení sinusového průběhu. Obvykle způsobeno nelineární zátěží (motory…) Způsobuje chyby v komunikaci nebo i poškození hardware 49

Centrální napájecí místo navrhuji jako samostatnou místnost, která by byla vybavena samostatnou klimatizací a záložním zdrojem elektrické energie UPS-OnLine. Napájecí napětí v místnosti by bylo odděleno od ostatních napěťových soustav, které bývají častým zdrojem poruch. Napájení bude provedeno jednofázovým přívodem přes záložní zdroj UPS-OnLine, aby nedocházelo k poklesu napájecího napětí při krátkodobých výpadcích. Těžištěm problémů které při se použití UPS záložních zdrojů vznikají, spočívá v plánované údržbě a správě. Musí se predikovat a stanovit odstávky na pravidelnou revizi a preventivní prohlídky zdrojů, jejich pravidelnou kontrolu a výměnu záložních baterií.

Periferie připojené na centrální napájecí místo: •

SLC automaty

•

stolní operátorské PC

•

operátorské panely

•

síťové komunikační prvky

3. 3. 2 Přepěťové ochrany Pro minimalizaci nebezpečí přepětí navrhuji montáž vhodné přepěťové ochrany. Firma Dehn + Söhne, známý výrobce přepěťových ochran, nabízí pro tyto účely modul SPS-Protector z řady Red/Line. Tento modul je určen pro SLC napájená síťovým napětím 230 V/50 Hz. Chrání jej před krátkodobým přepětím a vysokofrekvenčním rušením. Má optickou indikaci funkce diodou LED a spínač, jehož sepnutí indikuje závadu a umožňuje dálkové hlášení alarmu. Pro vyšší nároky lze místo modulu SPS-Protector použít moduly DEHNrail 230 FML a filtr NF 10 zařazené v sérii. Zatímco jmenovitý proud modulu SPSProtector je 3A, tato kombinace je schopna ochránit zařízení pracující se jmenovitým proudem až 10A. DEHNrail slouží jako ochrana proti přepětí a je stejně jako SPS-Protector 50

vybaven vizuální indikací funkce i kontaktem pro dálkové hlášení alarmu. Filtr NF 10 chrání zařízení před vlivy vysokofrekvenční interference. Pro trojfázové napájení je určena varianta DEHNrail 230/3N FML. Dehn + Söhne nabízí řešení i pro SLC který je napájen stejnosměrným napětím 24 V. Pak lze použít ochranný modul z typové řady Yellow/Line s označením Blitzductor® VT AD 24-. Tento modul se instaluje na lištu DIN před chráněný automat. Maximální napětí, při němž může modul trvale pracovat (UC), je 35V. Jmenovitý proud IN je 10A. Nominální propustný proud isn (8//20) je 1 kA. Úroveň napěťové ochrany UP je pro isn mezi vodiči méně než 70 V, mezi vodičem a zemí PG méně než 700 V, pro 1 kV/µs jsou tyto hodnoty 50 a 700 V. Chránit je třeba nejen napájení SLC, ale také jeho vstupy a výstupy. Vhodnou ochranu je nutné použít na výstupu z SLC, na vstupu do řízeného akčního členu i při přechodu signálových vodičů do vnějšího prostředí. Digitální vstupy/výstupy se oddělují pomocí relé, které bezpečně oddělí řídící napětí SLC automatů od ostatních napětí. Analogové vstupy/výstupy lze oddělit optickými členy. Pro velmi citlivá elektronická zařízení je nutné použít ještě prvky jemné ochrany, např. FDK/2 nebo FS. Na druhé straně taková ochrana přináší mírně zvýšené riziko poruchy vnesením dalšího elektronického prvku do napájecího okruhu.

3. 4 Úspora elektrické energie K šetrnosti k životnímu prostředí a snížení negativních vlivů na životní prostředí navrhuji vypínání, respektive snižování otáček elektromotorů požitím frekvenčních měničů, nevyužívaných elektrických pohonů a tím snížení spotřeby elektrické energie. Pohony mohou být vypínány na základě vyhodnocení řídicího systému, který by byl naprogramován pro tuto funkci. Odstavování nevyužívaných pohonů by docházelo na základě hlášení (zobrazených na operátorském monitoru): • automaticky

–

programovatelný

automat

vyhodnotí

z předchozích

nasbíraných údajů o provozu zařízení informace o jejím stavu a sám 51

bezpečně

odstaví

zařízení

z chodu.

Tyto

odstavení

navrhuji

pro

elektromotory pohonů míchadel, které na základě informací o stavu hladiny roztoku v dané nádrži a proudovém zatížení elektromotoru, může tento pohon bezpečně odstavit a podat signalizační hlášení o vypnutí z hlediska úspory elektrické energie. • ručně – programovatelný automat vyhodnotí zařízení a doporučí operátorovi odstavení jednotlivých pohonů z hlediska úspory elektrické energie. Operátor z vizualizované hlášky vyhodnotí stav a možnost odstavení elektrických pohonů. • snižování otáček pohonů s použitím potřebných vazeb na řízení výrobní linky Zabránění neúčelné spotřebě elektrické energie by mělo být primárním úkolem všech výrobních podniků a jejich zaměstnanců.

52

Závěr Cílem této práce bylo analyzovat a navrhnout řešení na modernizaci a stabilizaci průmyslové komunikační sítě k podpoře automatizace výrobních linek v Precheza a. s. V první kapitole jsem se snažil analyzovat automatizaci z pohledu historie a z pohledu současných trendů v rozvoji automatizace a robotizace. V další kapitole jsem nahlédl do řízení linek v Precheza a. s. a analyzoval současnou situaci v řízení. Popsal jednotlivé řídící členy a síťové prvky, které slouží ke komunikaci. Po konzultacích a názorných ukázkách s vedoucím práce Ing. Ludvíkem Prášilem jsem zmapoval jednotlivé typy komunikačních sítí, které se v podniku využívají pro komunikaci mezi jednotlivými automaty. Analyzoval jednotlivé typy SLC automatů, jejich přídavné komunikační karty, řídící karty, napájecí moduly a procesory. Seznámil jsem se s vizualizací procesů, jejich tvorbou a úpravou jednotlivými softwarovými nástroji. Programováním jednotlivých SLC automatů a využíváním různých softwarových aplikací pro správu a údržbu těchto řídicích systémů. Řešení zadaného úkolu v bakalářské práci bylo zcela splněno. Ověřené návrhy na automatizaci provozních linek, které byly prováděny v laboratorních i provozních podmínkách, jednoznačně prokazují, že se podařilo splnit zadání úkolu v celém rozsahu.

Bylo by dobré v tomto projektu pokračovat, rozšířit o další návrhy na zkvalitnění z hlediska: • bezpečnosti zařízení • úspory energie • ekologie • stabilizaci chodu • stabilizaci napájení řídících systémů • centrálního napájecího místa

53

Jak jsem již uvedl, tato bakalářská práce nepokrývá celou problematiku automatizace v Precheza a. s., toto téma je velmi rozsáhlé. Jistě by bylo zajímavé vytvořit podrobnější analýzu z pohledu využití nejmodernějších řídících prvků v návaznosti na chod výrobních linek. Výsledky bakalářské práce mohou být využity v dalším teoretickém rozpracování uvedené problematiky, avšak i v praktickém aplikování návrhu.

54

Abstrakt BLAŤÁK, D.: Analýza a návrh průmyslové sítě k podpoře automatizace technologických procesů. Přerov 2009. Bakalářská práce. Evropský polytechnický institut, s.r.o. Vedoucí práce: Ing. Ludvík Prášil

Bakalářská práce se zabývá analýzou a návrhem průmyslové komunikační sítě k podpoře automatizace technologických procesů v chemickém podniku Precheza a. s. Pomocí teoretických poznatků jsem popsal současný stav automatizace v podnicích v ČR. Popsal jsem jednotlivé moderní trendy, které se v dnešní globalizační době využívají v podnicích. Dále jsou v první kapitole popsány jednotlivé typy komunikačních sítí, jejich historie a vývoj. Druhá kapitola obsahuje stručnou charakteristiku chemického podniku Precheza a. s., ve kterém byla provedena analýza průmyslové komunikační sítě. V jednotlivých částech jsou popsány průmyslové komunikační sítě, které se v současné době využívají k automatizaci podniku. V této kapitole jsou analyzovány jednotlivé komunikační periferie, řídící automaty, záložní zdroje a kabelové komunikační vedení. Třetí kapitola obsahuje návrh na vylepšení a stabilizaci průmyslové komunikační sítě.

Klíčová slova: ArcNet, EtherNet, EtherNet/IP, DeviceNet, ControlNet, DH+, Token-ring, 100VG-AnyLAN, SLC automat, záložní zdroje, procesor, vstupně/výstupní karty, operátorský panel, redundance komunikační sítě, stínění, UPS.

55

Abstract BLAŤÁK, D.: Analyses and project of industrial network to support automation of technological processes. Přerov 2009. Bachelor’s thesis. European polytechnic institute, Ltd Supervisor: Ing. Ludvík Prášek

This bachelor’s thesis deals with analyses and a project of an industrial network to support automation of technological processes in the chemical joint stock company Precheza. Using theoretical knowledge I described the present state of automation in plants in the Czech Republic. I described particular modern trends that are used in plants in the present globalizing time. Individual types of communication networks, their history and development are further described in the first chapter. The second chapter contains a brief characteristic of the chemical company Precheza in which analyses of the industrial communication network was done. Industrial communication networks that are used for automation of the plant are described in individual parts. Individual communication peripheries, controlling automatic machines, back-up sources and cable communication lines are analyzed in this chapter. The third chapter contains a project how to improve and stabilize industrial communication networks.

Key words: ArcNet, EtherNet, EtherNet/IP. DeviceNet, ControlNet, DH+, Token-ring, 100VG-AnyLan, PLC, automatic machine, back-up sources, processor, input/output cards, operator’s panel, redundancy of the communication network, shield, UPS. 56

Použitá literatura [1]

BARTŮNĚK, I. Distribuované moduly CAN pro průmyslové aplikace, Automatizace 39. 1996, č. 9 str. 423-424. ISBN 80-7300-029-6.

[2]

30 let automatizace. Triumfální cesta programovatelného automatu. Automa. 2008, roč. 8, č. 5 [cit. 2008-10-29].

[3]

Svět

sítí

[online].

2000

[cit.

2008-10-10].

Dostupný

z

WWW:

. [4]

NOVOTNÝ, R. Matematické modely pro návrh komunikačních sítí v distribuovaných řídicích systémech. [Disertační práce.] FEL, ČVUT, Praha, 2001.

[5]

NOVOTNÝ, R. Problematika průmyslových komunikačních sítí z pohledu heterogenních systémů HMI. In: Sborník z konference Autos 2001, Teris 2002, Praha 2001.

[6]

Precheza [online]. 2001 [cit. 2008-08-18]. Dostupný z WWW: .

[7]

BARTŮNĚK, I. Controller – Area. Network Automatizace, 1996, č. 4, str. 159163.

[8]

BRADÁČ, Z.; FIEDLER, P.; ZEZULKA, F. Prostředky průmyslové automatizace. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií vysoké učení technické v Brně, 2002. ISSN 0935-0187.

[9]

DUB, M.; FIBÍR, J.; NOVOTNÝ, R. Současný pohled na řízení automatizačních projektů. Automatizace. 1997, roč. 40, č. 9, s. 533–536. ISSN 0005-125.

[10] VRÁNA, J. Průmyslové sběrnice. Automatizace 38. 1995, č.12 str. 482-489. ISSN 1210-9592. [11] SUCHÝ, K.; VRÁNA, J. Sběrnice pro úroveň senzorů a aktorů INTERBUS-S. Automatizace 39. 1996 č. 1 str. 17-20. [12] Rockwell Automation [online]. 2008 [cit. 2008-02-06]. Dostupný z WWW: 57

. [13] NOVOTNÝ, R. Současné problémy realizace průmyslových komunikačních sítí. Automatizace. 1999, roč. 42, č. 9, s. 672–676. [14] HAASZ, V. Průmyslové komunikační systémy. Automatizace 40. 1997, č. 9 str. 540-544 [15] FISCHMANN, P. Průmyslový komunikační systém MODICON. Automatizace 39.1996, č. 10 str. 494-496 [16] ZEZULKA, F.; HRDLIČKA, M.; NOVOTNÝ, M.; PEKA, K. Sběrnice AS – Interface a její použití při sběru dat z technologického procesu. Automatizace 39. 1996, č. 11 str. 547-552 [17] ĎAĎO, S. HART - Protokol komunikace inteligentních senzorů. Automatizace 40. 1997, č. 9 str. 545-549. ISSN0005-125. [18] Controltech [online]. 2008 [cit. 2008-08-12]. Dostupný z WWW: . [19] Control engineering [online]. 2006 [cit. 2008-05-15]. Dostupný z WWW: . [20] Průmyslový ethernet. Automa [online]. 2005 [cit. 2005-02-03]. Dostupný z WWW: . [21] PRECHEZA [online]. 2001 [cit. 2008-08-18]. Dostupný z WWW: . [22] AB [online]. 2008 [cit. 2008-10-03]. Dostupný z WWW: . [23] AB [online]. 2008 [cit. 2008-10-03]. Dostupný z WWW: . [24] Ab [online]. 2009 [cit. 2009-03-02]. Dostupný z WWW: 58

. [25] SOFTYON [online]. 2008 [cit. 2008-11-06]. Dostupný z WWW: . [26] Ab [online]. 2009 [cit. 2009-03-02]. Dostupný z WWW: < http://citace.com/apl-www.php >. [27] Conteroltech [online]. 2008 [cit. 2008-12-28]. Dostupný z WWW: . [28] LAPP GROUP [online]. 2005 [cit. 2009-02-03]. Dostupný z WWW: . [29] APC [online]. 2006 [cit. 2009-02-03]. Dostupný z WWW: . [30] RSView32, Rockwell automation [počítačový program]. Ver. 6.40. , 2009 [citováno 2009-03-03]. Dostupné z:. [31] RSLinx, Rockwell automation [počítačový program]. Ver. 2.53. , 2009 [citováno 2009-03-03]. Dostupné z: . [32] AutoCAD, Autodesk [počítačový program]. Ver. 2008. , 2009 [citováno 200901-03]. Dostupné z: .

59