KOMUNIKAČNÍ TECHNIKA
„Vývoj, výroba a odbyt výrobků vyžaduje stále rychlejší výměnu informací ve formě řeči, obrazu, textu a dat.“
KOMUNIKAČNÍ TECHNIKA
PRŮMYSLOVÉ KOMUNIKAČNÍ SÍTĚ - PKS PKS - prostředek pro řízení technologických procesů
CÍL komunikace mezi množstvím spolupracujících zařízení
POŽADAVKY • spolehlivost •schopnost práce v reálném čase
VÝVOJ ARCHITEKTURY ŘÍDÍCÍHO SYSTÉMU Od centralizované
architektury
(centrální řídící stanice (PC) – všechny akční členy/senzory procesu, automaty, roboty, PLC)
k otevřeným distribuovaným systémům (rozdělení systému na několik vzájemně spolupracujících celků propojených průmyslovými komunikačními linkami)
centrální řízení + centrální kontrola
Centrální PC
Nevýhody kabeláž (velké vzdálenosti) + nutnost zesilování signálu ⇒ ↑ nákladů
Výhody ↑ produktivity dílčích prací, distribuované zpracování založené na klient/server architektuře
POŽADAVKY NA KOMUNIKAČNÍ SYSTÉMY Z HLEDISKA JEDNOTLIVÝCH ÚROVNÍ ŘÍZENÍ PODNIKU
Úroveň řízení výroby • data pro plánování a optimalizaci výrobního procesu z hlediska kvality, ekon. náročnosti, materiálových úspor, … • požadavek – ↓ rychlosti odezvy , ↑ objem přenášených dat - Mbyte • sítě typu LAN , WAN , GAN
Úroveň řízení procesu • automatizované řízení celého technolog.procesu, koordinace a optimalizace činnosti regulátorů (v třetí vrstvě), operátorské zásahy, • požadavek: rychlost odezvy – 0,1 -1s, objem přenášených dat – Kbyte, • Industrial Ethernet
Úroveň bezprostředního řízení • přístroje, které řídí jed. stroje, dílčí procesy, regulátory, programovatelné automaty a jejich senzory • požadavek: rychlost odezvy - ms, objem přenášených dat - byte, • průmyslové komunik.sítě (FAN – Field Area network - INTERBUS, PROFIBUS, CANBUS)
KOMUNIKAČNÍ MODEL ISO/OSI KO definuje pravidla, která musí dodržet každá stanice (řídicí členy, operátorské stanice), účastnící se komunikačního procesu, t.j. výměny informace mezi účastníky přenosu.
1
2 • vrstvy zajišťují funkce pro vrstvu vyšší, užívají služby vrstvy nižší • mezi jednotlivými vrstvami jsou mezivrstvové protokoly • mezi prvky stejné vrstvy jsou vrstvové protokoly • u komunik. průmysl sítí se implementují většinou pouze vrstvy 1,2, 7
KOMUNIKAČNÍ MODEL ISO/OSI hlavní úkoly
Fyzická vrstva
- zajišťuje skutečný fyzický přenos jednotlivých bitů přenášené zprávy. - zajišťuje kódování zprávy do formy změn napěťových (nebo proudových pulzů), modulování, nebo demodulování kódované zprávy - definuje všechny elektrické a fyzikální vlastností sítě, tzn. přenosové medium (kroucený dvoudrát, koaxiální kabel, optické kabely apod.), přenosové rychlosti, připojovací konektory, topologii sítě apod (hubby, opakovače). - navazování a ukončování spojení s komunikačním médiem. - podílení se na procesu aby všechny zdroje byly efektivně rozloženy mezi všechny uživatele
Linková vrstva
- přenos ucelených rámců tj. vysílání a přijímání proudu bitů strukturovaných do bloků, data přepravovaná uvnitř rámce = paket - zabezpečení proti chybám při přenosu, - detekce chyb, - opakované vysílání poškozených rámců, potvrzování správně přijatých rámců - stanovení přístupové metody – definice pravidel vedoucích k získání oprávnění vysílat (pokud je více účastníků), zdroj – cíl (master – slave, peer to peer), producent- konzument
Síťová vrstva
- vytváří cestu, po které putují informace - význam především v sítích , v níž existují alternativní přenosové cesty mezi přijímačem a vysílačem , cíl – volba nejvhodnější), tj. realizuje směrování v přepojovaných uzlech rozlehlých sítí - zabezpečuje adresování, tj. formát adres a způsob adresování, zodpovědná za adresaci a posílání paketů v síti
Transportní vrstva
- komunikace koncových účastníků - úlohou je zaručit, že info z předchozí vrstvy přišly v požadovaném pořadí a bez zdvoiení, bezchybný přenos dat, detekce chyb - odpovědnost za rozložení zprávy do paketů a její opětovné složení
FYZICKÁ VRSTVA – přenosové médium Drátová komunikace • kroucená dvoulinka, koaxiální kabely, optická vlákna - světlovody (skleněné nebo plastové)
Bezdrátová komunikace • přenosové prostředí - vzduch
Kroucená dvoulinka • z párů vzájemně zkroucených vodičů • stíněný nebo nestíněný - ↓ odolnost proti průmyslovému rušení, proti vlivům rázových a magnetických polí, indukovaných napětí apod.
FYZICKÁ VRSTVA – přenosové médium Koaxiální kabel • tvořen dvěma vodiči, • vnější obsahuje vnitřní , po kterém se přenášejí signály, • oba jsou od sebe oddělené izolací a mají vnější izolaci, vnější kabel má funkci stínění, •vyšší odolnost proti elekromagnetickému rušení a vlivu indukovaných napětí, ale horší proti magnetickému rušení, než symetrický kabel •typickou topologií tvořenou koaxiálním kabelem je sběrnice - industrial ethernet,.
FYZICKÁ VRSTVA – přenosové médium Optické kabely • využívají infračervené a viditelné oblasti světelného spektra pro přenos dat rychlostmi do 1 Gb/s na kilometrové vzdálenosti. • podstata: přeměna el. informačního signálu na optický • výhodou světelných vláken je vysoká přenosová kapacita při nízké ceně média a velká ↑ odolnost vůči rušivým vlivům ⇒ nízká chybovost přenosu, nevýhodou je příliš vysoká cena konektorů. • typickou topologií tvořenou optickým kabelem je hvězda
FYZICKÁ VRSTVA – fyzická topologie sítí Fyzická topologie - struktura fyzického propojení tzn. způsob, jak jsou vedeny propojovací kabely mezi stanicemi v síti.
FYZICKÁ VRSTVA – topologie typu „sběrnice“ data přenášena ve formě paketů
FYZICKÁ VRSTVA – topologie typu „hvězda“
FYZICKÁ VRSTVA – topologie typu „kruh“
KOMUNIKAČNÍ MODEL ISO/OSI hlavní úkoly
Fyzická vrstva
- zajišťuje skutečný fyzický přenos jednotlivých bitů přenášené zprávy. - zajišťuje kódování zprávy do formy změn napěťových (nebo proudových pulzů), modulování, nebo demodulování kódované zprávy - definuje všechny elektrické a fyzikální vlastností sítě, tzn. přenosové medium (kroucený dvoudrát, koaxiální kabel, optické vlákno apod.), přenosové rychlosti, připojovací konektory, topologii sítě apod (hubby, opakovače). - navazování a ukončování spojení s komunikačním médiem. - podílení se na procesu aby všechny zdroje byly efektivně rozloženy mezi všechny uživatele
Linková vrstva
- přenos ucelených rámců tj. vysílání a přijímání proudu bitů strukturovaných do bloků, data přepravovaná uvnitř rámce = paket - zabezpečení proti chybám při přenosu, - detekce chyb, - opakované vysílání poškozených rámců, potvrzování správně přijatých rámců - stanovení přístupové metody – definice pravidel vedoucích k získání oprávnění vysílat (pokud je více účastníků), zdroj – cíl (master – slave, peer to peer), producent- konzument
Síťová vrstva
- vytváří cestu, po které putují informace - význam především v sítích , v níž existují alternativní přenosové cesty mezi přijímačem a vysílačem , cíl – volba nejvhodnější), tj. realizuje směrování v přepojovaných uzlech rozlehlých sítí - zabezpečuje adresování, tj. formát adres a způsob adresování, zodpovědná za adresaci a posílání paketů v síti
Transportní vrstva
- komunikace koncových účastníků - úlohou je zaručit, že info z předchozí vrstvy přišly v požadovaném pořadí a bez zdvoiení, bezchybný přenos dat, detekce chyb - odpovědnost za rozložení zprávy do paketů a její opětovné složení
LINKOVÁ VRSTVA – logická topologie (přístupové metody) Přístupová metoda - definice pravidel vedoucích k získání oprávnění vysílat zprávu.
Náhodný přístup Uzel, který chce přenášet informaci, nejprve "naslouchá" dějům na přenosovém médiu a poté co zjistí, že zde neprobíhá komunikace, zahájí přenos. V případě, že se v jednom okamžiku pokusí o zahájení přenosu více uzlů (dojde ke kolizi), všechny kolidující uzly přeruší vysílání a pokus o vyslání zprávy opakují po náhodném časovém úseku (aby se předešlo opětovné kolizi). Metoda vhodná především pro sběrnicovou strukturu sítě. Hardwarové řešení této metody je poměrně jednoduché, při vyšší zátěži přenosového média vzrůstá počet kolizí a tím se snižuje přenosový výkon sítě. !!! požadavek práce v reálném čase se zaručenou dobou odezvy!!!
Definovaný (řízený) přístup Nedochází ke kolizím. Je možné stanovit nejdelší časový interval, za který příslušná stanice obdrží právo k přenosu.
LINKOVÁ VRSTVA – logická topologie - řízený přístup MASTER/SLAVE
PRODUCENT/DISTRIBUTOR/KONZUMENT
Pouze jedna řídicí stanice (master), která jediná má právo zahájit komunikaci a vyzvat některou z podřízených stanic (slave) k vyslání dat. I komunikace mezi dvojicí podřízených stanic tak mže probíhat pouze prostřednictvím nadřízené stanice. Toto vyzývání bývá nejčastji organizováno jako tzv. cyklická výzva (cyclic polling) tzn. řídicí stanice postupně v definovaném sledu vyzývá podřízené stanice. Jestliže vyzvaná stanice má data pro vyslání, vyšle je,v opačném případě pouze potvrdí výzvu nebo neodpoví vůbec a řídicí stanice po uplynutí stanoveného intervalu vyzve další podřízenou stanici. Některé sítě a protokoly umožňují existenci více zařízení typu Master na jedné síti (tzv. Multi-master konfigurace).
Adresa odesílatele je nahrazena identifikátorem obsahu zprávy. Provoz na sběrnici opět řízen centrální jednou řídicí stanicí, která pracuje jako jakýsi distributor dat a posílá proto na sběrnici výzvy k tomu, aby byla vyslána data, jež specifikuje příslušným identifikátorem, tzn. vlastním jménem proměnné, jejíž aktuální hodnota má být dána k dispozici ostatním stanicím. V reakci na tuto výzvu vyšle ta podřízená stanice,která je producentem požadovaných dat, tato data na sběrnici, přičemž všechny ostatní podřízené stanice, které je potřebují a jsou tedy jejich konzumenty, je mohou zároveň číst. Jelikož řídicí stanice tím, že vyšle na sběrnici identifikátor specifikující jaká data mají být vyslána, dává té podřízené stanici, která je jejich producentem, pověření k přístupu ke sběrnici, hovoří se této souvislosti také o tzv.delegovaném pověření (Delegated Token).
Problémem centralizovaných přístupových metod závislost na řídicí stanici a z toho plynoucí zhroucení sítě při jejím výpadku ⇒ metody distribuovaného řízení
PEAR TO PEAR (TZV. TOKEN PASSING) Všechna zařízení jsou si rovna. Na síti neexistuje pevně vyhrazené zařízení typu Master. Stanice si předávají tzv. token, což je oprávnění k vysílání. Stanice která vlastní token je oprávněna vysílat. Ostatní stanice jsou na příjmu. Aby se zabránilo zahlcení sítě jedinou neustále vysílající stanicí, je obvykle oprávnění k vysílání omezeno na určitou dobu a toto oprávnění je cyklicky předáváno od jedné stanice k druhé stanici
KOMUNIKAČNÍ MODEL ISO/OSI hlavní úkoly Relační vrstva Prezentační vrstva Aplikační vrstva
- odpovědná za vypínání a zapínání komunikace mezi počítači - přiděluje čísla symbolickým jménům stanic - provádí zahájení a ukončení komunikace a její evidování - poskytuje služby pro kompresi dat a kódování znaků - upravuje (linearizuje) data pro potřeby přenosu z počítače do počítače v síti
- poskytnout aplikacím přístup ke komunikačnímu systému a umožnit tak jejich spolupráci. Poskytuje služby dalším programům, které prostřednictvím sítě komunikují. - vytváří styk mezi sítí a aplikačním programem - patří sem síťové databázové systémy, el. pošta atd.
PRŮMYSLOVÉ ZBĚRNICE - CANBUS Historie firma Bosch – průmyslová automatizace Využití automobilový průmysl, přenos signálu – kroucená dvoulinka Síťové propojení elektronických částí stroje nebo výrobního zařízení – např. snímačů a ovladačů s řídícím systémem robotu. Účastníci sběrnice mají rovnocenné postavení. Každá stanice přijme všechny data ze sběrnice, ale ukládá jenom ty, které ji přináleží. Data jsou identifikována podle funkčního označení. Řazení sběrnice Sběrnice volná – může vysílat každý, pokud začne vysílat více účastníků – upřednostněn rámec s vyšší prioritou CAN – BUS nepracuje s adresami, ale s identifikátory metodou filtrace rámců.
PRŮMYSLOVÉ ZBĚRNICE – PROFIBUS, PROFIBUS DP Rozdělení Aktivní účastnící – vysílání správy bez vyzvání, právo k vysílání (Token) je cyklicky předáváno od účastníka k účastníkovi Pasivní účastníci – právo pouze správa přijímat, nebo vysílat data na základě výzvy, přenos signálu – stíněná dvoulinka Přenosová rychlost – 9,6 až 500 Kb/s, délka vedení bez opakovačů cca 1200 m. Využití Rychlá výměna dat mezi senzory a aktory – Profibus DP
ETHERNET Historie firma Xerox – lokální počítačová síť Připojení PC přes síťovou kartu (řídící jednotka+vysílač/přijímač) Účastníci sběrnice mají rovnocenné postavení. Každá stanice přijme všechny data ze sběrnice, ale ukládá jenom ty, které ji přináleží. Data jsou identifikována podle adresy. přenos signálu – dříve koaxiál, teď kroucená dvoulinka Přenosová rychlost Fast Ethernet – 1Gb/s Přístup nedeterministický ( časová prodleva mezi opakovaným pokusem o vysíláním – pseudonáhodné číslo) ⇒ problémy s odezvou v reálném čase Trend – náhrada průmyslových zběrnic
