VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA
Bakalářské/kombinované studium 2008 - 2011 Bakalářská práce
Tomáš Babka Výuková stanice pro automatizační pracoviště Allen – Bradley
Jihlava 2011
Vedoucí bakalářské práce: Ing. Michal Bílek
UNIVERSITY JIHLAVA
Bachelor/Combined Studies 2008 - 2011 Bachelor Thesis
Tomáš Babka Training Workstation for Allen – Bradley
Jihlava 2011
The Bachelor Thesis Work Supervisor: Ing. Michal Bílek
Prohlášení Prohlašuji, že předložená bakalářská práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Veškerou literaturu a další zdroje, z nichž jsem při zpracování čerpal, v práci řádně cituji a jsou uvedeny v seznamu použité literatury. Souhlasím s prezenčním zpřístupněním své práce v univerzitní knihovně. V Praze dne 20.5.2011
Tomáš Babka
Poděkování Rád bych poděkoval Ing. Michalovi Bílkovi za odborné vedení, rady a připomínky, které mi poskytl při zpracování této bakalářské práce.
Anotace Tato bakalářská práce se věnuje v teoretické části popisu řídicích systémů dle jejich určení, přehledu průmyslových komunikací, současným trendům v oblasti řídicích systémů, možnostem procesního řízení a bezpečnosti v automatizaci. V praktické části se tato bakalářská práce věnuje vytvoření výukového manuálu pro základní práci se systémem PAC Allen – Bradley řady 1769. Výukový manuál bude v rozsahu dvou cvičení (2 x 2 hodiny), vytvoření výukového manuálu pro praktickou automatizační úlohu realizovanou PAC Allen – Bradley řady 1769. Dále pak samotné realizaci výukového pracoviště včetně výukového modelu. Bylo zjištěno, že realizace výukové stanice včetně výukového modelu je poměrně náročná činnost. Zejména pak z hlediska organizačního. Též finanční náročnost samotné realizace je poměrně značná. Nicméně je možné úspěšně realizovat novou výukovou stanici včetně výukových manuálů, tak aby byla přínosem i pro studenty, kteří nemají předchozí zkušenosti z oblasti automatizace.
Klíčové pojmy: Řídicí systém, operátorský panel, distribuovaný systém, frekvenční měnič, ethernet, switch, managed switch, kombinační logika, procesní řízení, Allen – Bradley, CompactLogix, PowerFlex, PanelView Plus, Point IO, Stratix.
Annotation This thesis focuses on the theoretical description of automation control systems according to their destination, an overview of industrial communications, current trends in control systems, process control capabilities and safety in automation. The practical part of this thesis is focused to the creation of a hands on manual for learning basic job running on PAC Allen - Bradley 1769th Training manual will be in the range of two exercises (2 x 2 hours), a training manual for the practical task automation implemented PAC Allen - Bradley 1769. Furthermore, the realization of training model is part of thesis. It was found that the implementation of training workstation, including the training model is no so easy work. Mainly the time management is complicated, also the financial requirements of the implementation are quite significant. However, it is possible to successfully implement new training stations, including training manuals, so that was beneficial for students who have no previous experience in the field of automation. Key words Control system, human – machine interface, distributed control system, drive, Ethernet, switch, managed switch, ladder logic, process control, Allen – Bradley, CompactLogix, PowerFlex, PanelView Plus, Point IO, Stratix.
OBSAH Úvod .......................................................................................................................... 9 I TEORETICKÁ ČÁST BAKALÁŘSKÉ PRÁCE 1. Popis řešeného problému teoretické části ............................................................ 10 1.1. Cíle teoretické části bakalářské práce byly stanoveny následovně:................ 10 2. Rešerše ................................................................................................................. 12 2.1. Historie řídicích systémů ................................................................................ 12 2.2. Rozdělení řídicích systémů ............................................................................. 14 3. Průmyslové komunikace...................................................................................... 19 3.1. RS 232............................................................................................................. 19 3.2. RS 485............................................................................................................. 21 3.3. Profibus........................................................................................................... 22 3.4. MODBUS ....................................................................................................... 23 3.5. CAN-BUS ....................................................................................................... 25 3.6. CANopen ........................................................................................................ 26 3.7. DeviceNet ....................................................................................................... 27 3.8. MODBUS TCP/IP .......................................................................................... 29 3.9. PROFINET ..................................................................................................... 29 3.10. Ethernet IP (Industrial Protocol) ..................................................................... 31 4. Současné trendy v oblasti řídicích systémů ......................................................... 37 4.1. Uživatelská přívětivost.................................................................................... 37 4.2. Finanční náročnost .......................................................................................... 37 4.3. Konektivita...................................................................................................... 38 4.4. Spolehlivost..................................................................................................... 39 4.5. Zabezpečení .................................................................................................... 40 5. Možnosti procesního řízení.................................................................................. 42 5.1. Historie............................................................................................................ 42 5.2. Současnost....................................................................................................... 42 5.3. Trendy ............................................................................................................. 42 6. Bezpečnost v automatizaci................................................................................... 43 6.1. Historie............................................................................................................ 43 6.2. Normy ............................................................................................................. 45 6.3. Popis bezpečnostních řetězců.......................................................................... 47 6.4. Senzory ........................................................................................................... 48 6.5. Bezpečnostní logické prvky ............................................................................ 49 6.6. Aktuátory ........................................................................................................ 51 6.7. Vyloučení chyby ............................................................................................. 51 II PRAKTICKÁ ČÁST BAKALÁŘSKÉ PRÁCE 7. Popis řešeného problému praktické části ............................................................. 53 7.1. Cíle praktické části bakalářské práce byly stanoveny následovně:................. 53 8. Analýza a návrh řešení......................................................................................... 56 9. Popis implementace ............................................................................................. 59 10. Výsledky testování........................................................................................... 61 11. Srovnání s existujícími řešeními...................................................................... 62 11.1. Wago versus Allen - Bradley .......................................................................... 62 11.2. Mitsubishi versus Allen - Bradley ................................................................. 62 Závěr ........................................................................................................................ 63 Seznam použitých zkratek ........................................................................................... 65 Seznam použité literatury ............................................................................................ 66 Seznam obrázků........................................................................................................... 68 Seznam příloh .............................................................................................................. 69
Úvod Bakalářská práce řeší realizaci výukového pracoviště pro řídicí systémy. V rámci práce bude realizováno pracoviště na bázi automatizačních prostředků Allen – Bradley. V bakalářské práci bude též zpracována teoretická část, která obsáhne obecnou historii řídicích systémů, průmyslových komunikací a přehled současných trendů v oblasti řídicích systémů. Dále budou zpracovány manuály pro výuku tak, aby bylo možné praktické využití díla, ať již ve výukovém plánu, či jako obohacení programu pro rozšíření obecného přehledu studentů oboru počítačových systémů v předmětu „Počítačové řídicí systémy“. Důležitou didaktickou vlastností bude i samotné provedení praktické části, které klade důraz na profesionální zpracování výukové stanice tak, aby bylo možné na této stanici demonstrovat požadavky na kvalitativní standardy vyžadované v reálném komerčním prostředí. Jedním z podnětů pro téma bakalářské práce byla skutečnost, že Vysoká škola polytechnická v Jihlavě (dále jen VŠPJ) disponuje celkem pěti identickými sestavami automatizačních prostředků Allen – Bradley. Práce je prvním krokem k uvedení svěřených prostředků do praktického používání. Jelikož není v možnostech řešitele realizovat všech pět výukových stanic (včetně lektorské), vzniknou zde též náměty pro další studentské práce.
9
I TEORETICKÁ ČÁST BAKALÁŘSKÉ PRÁCE
1. Popis řešeného problému teoretické části Pro zdárné vypracování bakalářské práce byly stanoveny exaktní cíle. Nezbytnou součástí je tedy uvedení postupů a nástrojů použitých pro zdárné řešení.
1.1. Cíle teoretické části bakalářské práce byly stanoveny následovně: –
Popis řídicích systémů dle jejich určení
–
Přehled průmyslových komunikací
–
Současné trendy v oblasti řídicích systémů
–
Možnosti procesního řízení
–
Bezpečnost v automatizaci
Pro zpracování uvedených cílů byla použita kombinace různých metod. Historie a rozdělení řídicích systémů vychází z dostupné literatury a dále pak z osobních zkušeností autora nabytých v průběhu patnáctiletého působení v oboru průmyslové automatizace. Významným nástrojem byla též tzv. firemní literatura. Přehled průmyslových komunikací byl zpracován převážně na základě dostupné odborné a firemní literatury. Autor se zde snaží vyvarovat se vnášení subjektivních dojmů, a to především v části věnované průmyslovému ethernetu. Zachování nestranného postoje je zde velmi důležité i z hlediska možného dalšího použití této části, například pro přípravu výukového manuálu. Současné trendy v oblasti řídicích systémů vychází především ze zkušeností autora a firemní literatury. Jedná se o velmi diskutované téma. Na rozdíl od popisu zaběhnutých řešení, vyjma malého množství článků v odborných časopisech, zde totiž prakticky není k dispozici odborná nekomerční literatura. Též je potřeba zmínit, že nové trendy v oblasti řídicích
10
systémů se prosazují poměrně pomalu. Hlavním důvodem je konzervativní přístup koncových uživatelů, který je jakýmsi přirozeným faktorem zaručujícím spolehlivost výroby a tím i ochranu investic. Autor zde samozřejmě uplatňuje i poznatky získané z mnoha setkání s koncovými uživateli v průběhu své profesní kariéry. Pro kapitolu „Možnosti procesního řízení“ byla použita odborná literatura, firemní literatura a osobní zkušenosti autora. V kapitole „Bezpečnost v automatizaci“ autor využívá svých znalostí této poměrně mladé disciplíny. Též je pro zpracování využita odborná a firemní literatura. Vzhledem ke skutečnostem, že problematika bezpečnosti v oblasti automatizace je poměrně nová a stále se rozvíjející disciplína, je této problematice věnována velká pozornost. Pro praktickou část bakalářské práce byly stanoveny níže uvedené cíle. Nezbytnou součástí je tedy uvedení postupů a nástrojů použitých pro zdárné řešení praktické části.
11
2. Rešerše První část této kapitoly se věnuje vykreslení historie řídicích systémů od druhé světové války po současnost. Druhá část kapitoly popisuje rozdělení řídicích systémů z hlediska určení a řízení aplikace.
2.1. Historie řídicích systémů Již v průběhu druhé světové války došlo ke zvýšení poptávky po automatizaci různých procesů. Jednalo se především o řízení zbraní a šifrování. Vzhledem k dostupným automatizačním prostředkům, byly úlohy realizovány především reléovou technikou, mechanickými systémy, pneumatickými systémy, v menší míře se uplatňovaly elektronkové systémy. Již zmíněné systémy (např. reléové) jsou schopny spolehlivě vykonávat automatické řízení, nicméně mají řadu omezujících vlastností. Mezi tyto vlastnosti patří jednoznačné schéma, což znamená, že v případě potřeby změny řízení technologie je nutná i změna zapojení řídicího systému. V praxi nejde o nic jiného než o nutnost opravdové změny zapojení. V šedesátých a sedmdesátých létech se s uvedením polovodičových součástek do praxe objevují první úvahy o programovatelném řídicím systému. Zvláště automobilový průmysl (zde se jedná především o automobilový průmysl ve Spojených státech amerických) vyžaduje změnu řízení výroby poměrně často a to především vlivem rychlé obměny vyráběných modelů. Nejvíce pravděpodobnou verzí podněcující vznik prvního programovatelného řídicího systému se tedy jeví požadavek automobilového koncernu General Motors (dále jen GM). Jedna z divizí GM vypsala v roce 1968 soutěž na dodání programovatelného řídicího systému. V této soutěži zvítězila společnost Bedford Associates z Bedfordu ve státě Massachusetts a odstartovala tím novou etapu řídicích systémů. Jelikož se jednalo o osmdesátý čtvrtý projekt společnosti Bedford Associates, dostal tento pracovní název 084. Pro realizaci projektu 084 byla též založena nová právní identita, společnost MODICON, což je zkratka pro MODular DIgital CONtroller. Jak je patrné z výše uvedených řádků, jednalo se o programovatelný řídicí systém, který nahrazoval především reléové řídicí systémy. Společnost Modicon pokračovala ve vývoji, stále však pro své
12
systémy
používala
označení
x84.
Lze
tedy
konstatovat,
že
první
programovatelný logický automat (PLC – Programmable Logic Controller) byl uveden do praxe v 1968 (Melore 1999). Výše bylo popsáno uvedení programovatelných logických automatů (dále jen PLC) na trh, je též nutné zmínit, že klasické PLC a jeho funkcionalita nevyhovovala všem průmyslovým odvětvím. To, co plně vyhovovalo v automobilovém průmyslu, nesplňovalo požadavky pro spojité procesní řízení. Proto téměř souběžně s vývojem PLC probíhal vývoj řídicích systémů pro procesní
řízení.
Zde
byly
hnacím
motorem
především
požadavky
petrochemických koncernů, a to opět především ve Spojených státech amerických. K prvnímu použití programovatelného řídicího systému došlo v procesní úloze v rafinerii Texaco Port Arthur, ve státě Texas ve Spojených státech amerických. Jednalo se o první předzvěst distribuovaného řídicího systému – DCS (Distributed Control System). Oficiálně byly první distribuované systémy uvedeny na trh v roce 1975, jednalo se o systémy hned několika konkurenčních výrobců. Hlavní vlastností odlišující distribuované řídicí systémy od PLC byla schopnost vykonávat úlohy procesního řízení, zejména regulační smyčky. Distribuované řídicí systémy též integrovaly úroveň operátorského rozhraní do koncepce řízení. V prvních verzích je tato funkcionalita nazývána HMI (Human Machine Interface), tedy jako rozhraní člověk – stroj. Pokročilejší operátorské stanice (v praxi označovány jako OWS – Operator Workstation) jsou často označovány jako SCADA (Supervising Control And Data Acquisition). Operátorské rozhraní u distribuovaného řídicího systému je tedy nedílnou součástí samotného systému. Z důvodu spolehlivosti a dostupnosti v době hlavního rozvoje, byl u většiny operátorských
stanic
používán
operační
systém
UNIX.
V
průběhu
následujících let se situace samozřejmě poněkud změnila.
13
2.2. Rozdělení řídicích systémů Tato kapitola bude věnována rozdělení řídicích systémů, jak z hlediska určení, tak i z hlediska rozsahu řízené aplikace. Nejprve tedy programovatelné logické systémy – PLC. Tyto systémy byly při svém vzniku primárně určeny jako náhrada reléových systémů automatického řízení. To je ostatně patrné i z označení PLC. Rozdělení z hlediska rozsahu aplikace: –
Nano systémy: jedná o systémy s velmi malým počtem vstupů a výstupů. Tyto systémy obvykle obsahují pouze binární vstupy a výstupy, analogové vstupy či výstupy jsou spíše výjimkou. Nano systémy často nejsou ani modulární, ani nejdou rozšířit dalšími moduly vstupů či výstupů. Rozsah IO může začínat na jednotkách vstupů či výstupů. Vybavení komunikačními rozhraními je zpravidla též omezené. Tyto systémy jsou velmi často také označovány jako “Inteligentní svorkovnice“. První na trh uvedené PLC byly svým rozsahem zařaditelné právě mezi Nano systémy, nicméně jejich mechanické rozměry tomu neodpovídaly.
–
Micro systémy: jedná o systémy s počtem vstupů a výstupů, který obvykle nepřekračuje jednotky stovek. Tyto systémy obsahují jak binární vstupy a výstupy, tak i analogové vstupy a výstupy. Micro systémy bývají modulární, jdou rozšířit dalšími moduly vstupů či výstupů. Vybavení komunikačními rozhraními zpravidla obsahuje port pro základní konektivitu (RS232 dnes již častěji USB) a vzhledem k současným trendům je stále obvyklejší rozhraní Ethernet.
–
Mid range systémy: (systémy středního rozsahu) jedná o systémy s počtem vstupů a výstupů dosahujícího v maximální konfiguraci až jednotek tisíc. Tyto systémy obsahují jak binární vstupy a výstupy, tak i analogové vstupy a výstupy. Modularita je u MidRange systému již samozřejmostí, jdou rozšířit dalšími moduly vstupů či výstupů, stejně tak i komunikačními procesory. 14
Standardní
vybavení
komunikačními
rozhraními
zpravidla
obsahuje pouze port pro základní konektivitu (RS232 dnes již častěji USB). Další konektivita je zajištěna přídavnými moduly komunikačních procesorů, vzhledem k předpokládaným nárokům. –
High end Stand alone systémy:
(obecně
vrchol
nabídky
jednotlivých výrobců) jedná se o systémy s počtem vstupů a výstupů dosahujícího v maximální konfiguraci až několika desítek tisíc. Tyto systémy obsahují jak binární vstupy a výstupy, tak i analogové vstupy a výstupy. Modularita je u těchto systému již samozřejmostí, jdou rozšířit dalšími moduly vstupů či výstupů, stejně tak i komunikačními procesory. Další možností architektury u High end Stand alone systému je výstavba distribuovaného systému, kdy dílčí části řízení, či IO jsou připojeny prostřednictvím komunikace.
Standardní vybavení komunikačními rozhraními
zpravidla obsahuje pouze port pro základní konektivitu (RS232 dnes již častěji USB). Další konektivita je zajištěna přídavnými moduly komunikačních procesorů, vzhledem k předpokládaným nárokům. Svými vlastnostmi zmíněné systémy dnes již splňují nároky kladené na DCS. Začínáme tedy hovořit o “Hybridních systémech“ a v posledních několika letech se též objevuje zkratka PAC (Programmable Automation Controller). –
High end Redundand systémy:
(obecně
vrchol
nabídky
jednotlivých výrobců) stejně jako High end Stand alone systémy disponují počtem vstupů a výstupů dosahujícího v maximální konfiguraci až několika desítek tisíc. I další vlastnosti jsou téměř totožné se Stand alone systémy. Největší přidanou hodnotou redundantních systémů je, jak již z označení vyplývá redundance. Zpravidla se jedná o redundanci procesorovou a komunikační. V některých případech lze realizovat zdvojení či ztrojení vstupů a výstupů. Následně je využit systém vyhodnocení dva ze tří, kdy se v uživatelském programu vyhodnocuje shodnost minimálně dvou signálů (samozřejmě v určitém intervalu shody). U výstupních
15
signálů je v praxi používáno pouze zdvojení (redundantní výstupy). High end Redundand systémy jsou velmi často označovány též jako vysoce dostupné systémy případně jako ESD (Emergency Shut Down) systémy. Jak je patrné ze samotného označení systémů, jsou tyto používány především pro řízení technologií, u kterých je vyžadováno kontrolované odstavení. Přičemž nedodržení algoritmu vede k vážným materiálním škodám na technologii, v nejhorším případě k újmě na zdraví či úmrtí. Typickými technologiemi pro redundantní systémy jsou energetika či petrochemický průmysl. V případě redundantních systémů je možno
hovořit
též
o
tzv.
bezpečnostních
systémech.
Bezpečnostním systémům bude však věnována samostatná kapitola (Šmejkal, Martinásková, 2009). Rozdělení z hlediska typu aplikace: –
Konvenční systémy: jedná se o systémy, které jsou určeny pro řízení jednoduchých automatizačních úloh. Převážná část úlohy je řešena kombinační logikou. Nejsou kladeny velké nároky na procesní řízení, postačují základní regulační instrukce, doba odezvy regulační smyčky je v řádu stovek milisekund. U výše zmíněných systémů se stále používá označení PLC.
–
Sekvenční systémy: speciální systémy pro řízení sekvenčních úloh. Dnes jejich úlohu zcela převzaly hybridní systémy PAC.
–
Motion systémy: systémy pro řízení úloh, kde je vyžadované přesné řízení pohybu.
V současné době je tato funkcionalita
implementována ve většině systémů PLC a samozřejmě u systémů PAC. –
Bezpečnostní systémy: systémy pro řízení bezpečnostních aplikací. Bezpečnosti jako takové nebyl v počátcích rozvoje průmyslu přikládán velký význam. Stejně tak tomu bylo i v oblasti bezpečnosti
v automatizačních
systémech.
Postupně
si
zaměstnavatelé však začali uvědomovat skutečné náklady spojené
16
s pracovními úrazy. Tím byl otevřen prostor pro bezpečnost v automatizaci, postupně se jednoduchá bezpečnostní zařízení vyvinula až do bezpečnostních systémů. Bezpečnostní řídicí systémy slouží tedy pro řízení automatizačních úloh, kde je vyžadováno speciální obsloužení bezpečnostních obvodů. Takové úlohy se nejvíce objevují u výrobců strojů, kde je obsluha bezpečnostních obvodů přímo předepsána evropskou legislativou. Samozřejmě i v oblasti procesního řízení se objevují požadavky na bezpečnostní řízení, a to v kombinaci s požadavkem na redundantní řízení. Většina renomovaných výrobců řídicích systému již nabízí bezpečnostní funkcionalitu integrovanou do PAC. –
CNC systémy: jsou určeny pro úlohy řízení obráběcích strojů. CNC (Computer Numeric Control) - jedná se o poměrně specifickou oblast automatizačních úloh, z tohoto důvodu jsou v naprosté většině CNC aplikací používány pro tyto aplikace speciálně vyvinuté systémy. Realizace CNC úloh prostřednictvím volně programovatelných systémů je samozřejmě možná, nicméně finanční nároky pro vytvoření aplikace samotné a pro realizaci uživatelského rozhraní jsou tak vysoké, že realizace touto cestou je naprosto ojedinělá.
–
Systémy pro řízení robotických pracovišť: v oblasti průmyslové automatizace je
rozuměno robotickým pracovištěm takové
pracoviště, kde je vykonávána složitější technologická činnost bez zásahu operátora. V praxi se jedná většinou o 3D aplikace, tato robotická
pracoviště
jsou
velmi
rozšířená
zejména
v automobilovém průmyslu, jedná o svařovací, lakovací či jiná pracoviště. Samozřejmě i jiná průmyslová odvětví hojně využívají robotických pracovišť, velmi rozšířené jsou tzv. delta roboty, zejména při osazování desek plošných spojů. U systémů pro řízení robotických úloh jsou nejčastěji nasazovány za tímto účelem vyvinuté systémy. Některé PAC mají integrovanou podporu pro
17
tvorbu uživatelských aplikací pro robotické úlohy, nicméně PAC nejsou příliš často pro robotické úlohy využívány. –
Hybridní systémy (PAC – Programmable Automation Controller – Programovatelné Automatizační Systémy). Jak je již ze samotné zkratky patrné, jedná se řídicí systémy, které jsou schopny realizovat řízení komplexních automatizačních úloh. V nedávné minulosti, byly velmi často nasazovány řídicí systémy dle typu aplikace. V praxi to znamenalo, že často bylo pro řešení jedné automatizační úlohy použito více řídicích systémů. Jednalo se většinou o konveční řídicí systém v kombinaci se specializovaným systémem, který řešil nadstandardní požadavky řešené úlohy. Patrným trendem posledních let je nasazování hybridních systémů PAC. Tyto systémy jsou schopny realizovat řízení automatizační úlohy s rozličnými požadavky, jako jsou dávkové řízení, sekvenční řízení, pokročilé procesní řízení, řízení pohybu (motion úlohy) či bezpečnostní úlohy (Šmejkal, Martinásková, 2009).
18
3. Průmyslové komunikace První nasazené řídicí systémy většinou obsluhovaly pouze část technologie, nevznikaly tedy ani požadavky na přístup k aktuálním datům z jiných řídicích systémů. Též operátorská úroveň byla v počátcích řešena především hardwarově, takže ani zde nevznikal požadavek na komunikaci. Postupně se však vlivem stále četnějšího užití řídicích systémů začínají objevovat první požadavky na výměnu aktuálních dat mezi jednotlivými systémy. Tyto požadavky jsou nejdříve řešeny hardwarově prostřednictvím přímého propojení metalickými vodiči. Toto řešení je však poměrně cenově náročné. Též vznikají nároky na manuální práci při jeho realizaci. Dalším negativním faktorem
je
minimální
flexibilita
funkcionality.
Kumulace
negativních
v případě faktorů
nutnosti vedla
změny k hledání
sofistikovaného řešení pro komunikaci mezi jednotlivými řídicími systémy. V tuto chvíli lze poprvé zmínit samostatnou disciplínu průmyslových komunikací. Dále bude tato kapitola věnována popisu a rozdělení nejčastěji používaných průmyslových komunikací.
3.1. RS 232 Jedná o standard, který byl uveden do používání v roce 1962. Tento standard umožňuje komunikaci typu peer to peer, což v praxi znamená, že se jedná o výměnu dat dvou zařízení na stejné úrovni (rovný s rovným). Jako mnoho jiných funkcionalit ani RS 232 nebyla samozřejmě prvotně vyvinuta pro potřeby průmyslové automatizace. Hlavním motivem bylo nasazení v oblasti telekomunikací a počítačů. Ještě v nedávné době bylo rozhraní RS 232 nedílnou součástí téměř každého osobního počítače. Dnes je již situace poněkud odlišná a zejména u přenosných počítačů již obvykle RS 232 není součástí standardního vybavení. Prostředky průmyslové automatizace (řídicí systémy, měřicí stanice) již brzy po uvedení zmiňovaného standardu tento standard převzaly. Ještě v první dekádě druhého tisíciletí je mnoho řídicích systémů vybaveno rozhraním RS 232 jako standardním
19
vestavěným komunikačním portem. I v oboru průmyslové automatizace je však tento standard postupně vytěsňován a stává se výsadou pouze levnějších verzí řídicích systémů, zatímco u takzvaných high end systémů je patrný nástup USB rozhraní.
Není účelem této práce
detailně popisovat protokol RS 232, z tohoto důvodu se zaměříme na zvláštnosti jeho použití v průmyslové automatizaci. Nejprve je nutno zmínit, že RS 232 (Recommended Standard) řeší především definici jednotlivých signálů a jejich napěťové úrovně. Jedná se o sériovou komunikaci, což znamená, že informace je přenášena po jednotlivých bitech postupně za sebou. RS 232 řeší z pohledu OSI modelu pouze fyzickou vrstvu, což znamená, že implementace protokolu se liší dle výrobců řídicích systémů. Zpravidla řídicí systém standardně na RS 232 podporuje ASCII přenos, kdy výměna informací probíhá dle ASCII (American Standard Code for Information Interchange), tento způsob se obvykle uplatní při komunikaci s jednoduššími zařízeními, které nepodporují jiné protokoly. Druhou možností je podpora nativního protokolu příslušného výrobce. Přestože standard definuje i použité konektory, v oblasti řídicích systémů je situace s jejich používáním odlišná. Z hlediska používaných konektorů je většinou u řídicích systémů preferován Canon (D Sub) 9pin, nicméně velmi často je možné se setkat s implementací konektoru typu Mini Din, či využitím konektoru RJ 45 pro RS 232. Jelikož standard nedefinuje typ použitých vodičů, je při použití standardní kabeláže obvyklá vzdálenost mezi komunikujícími řídicími systémy maximálně patnáct metrů, při použití nízkokapacitních kabelů lze tuto vzdálenost prodloužit, většinou se tato metoda v průmyslovém prostředí však nepoužívá. Naprosto otevřeně lze zmínit skutečnost, že RS 232 je v současné době v průmyslové automatizaci stále velmi často používána především díky své jednoduchosti a cenové dostupnosti (http://cs.wikipedia.org/wiki/RS232).
20
3.2. RS 485 Tento standard byl uveden v roce 1983, na rozdíl od RS 232 je zde kladen důraz na možnost vytvoření vícebodového spojení. Tato funkcionalita umožňuje výměnu dat mezi několika účastníky, což je základní výhoda v porovnání s RS 232. Lze již hovořit o první komunikaci typu sběrnice. Standard RS 485 dovoluje propojit až 32 zařízení. Při použití opakovačů může být počet uzlů vyšší. Maximální přenosová rychlost klesá s délkou vedení. Přenosová rychlost u krátkých spojů (jednotky metrů) může být až 10 Mb/s. Vzhledem k odlišným napěťovým úrovním od RS 232 dovoluje spojení až na vzdálenost 1200 metrů. Při maximální vzdálenosti je samozřejmě nutné vzít v potaz klesající přenosovou rychlost. Standard nedefinuje typy konektorů, v praxi jsou používány stejné konektory jako u RS 232, velmi často se u řídicích systémů můžeme setkat s provedením, kdy je RS 485 vyvedena pouze na svorkovnici. Toto řešení se objevuje především u malých řídicích systémů. Jediným nešvarem, který přináší, je skutečnost, že různí výrobci velmi často zaměňují označení svorek (A,B), což vede k prodlevám při oživování. Stejně jako RS 232 je i RS 485 stále často používána pro komunikaci v oblasti řídicích systémů. V závislosti na výrobci je pak implementován odpovídající telegram. Velmi často je využíván telegram Modbus, který je podporován většinou výrobců řídicích systémů (http://www.rs485.cz). Kromě výše popsaných standardů RS 232 a RS 485 existuje ještě standard RS 422. Ten není ovšem tolik rozšířen. Standard RS 422 lze považovat za podmnožinu RS 485. Kompatibilita těchto standardů však není stoprocentní. Komponenty vyhovující RS 485 mohou být většinou bez problémů používány v sítích založených na RS 422, naopak to však neplatí.
21
Jak bylo již zmíněno, výše popsané standardy řeší pouze fyzickou vrstvu přenosu dat, avšak nezabývají se implementací telegramu pro přenos dat. Ten je samozřejmě velmi důležitý a většina výrobců podporuje přenos podle ASCII, dále pak řídicí systémy obvykle
podporují
podporovaných
nativní
telegramů
telegram se
liší
i
dle
výrobce.
v závislosti
na
Rozšíření lokálních
(geografických) zvyklostech. V prostředí Evropy, kde majoritní podíl na trhu řídicích systémů zastávají produkty Siemens, je nejvíce rozšířeným telegramem Profibus.
3.3. Profibus –
Fyzická vrstva Profibus podporuje přenos po sběrnici RS 485 (Profibus DP/FMS), po optickém vláknu (Profibus DP/FMS). V prostředí s nebezpečím výbuchu pak po proudové smyčce IEC 1158-2 (Profibus PA).
–
Linková vrstva Fieldbus Data Link definuje mechanismus přístupu na přenosové médium (token passing, master-slave) a zabezpečuje tvorbu zprávy na úrovni bitového řetězce včetně generování kontrolních částí.
–
Aplikační vrstva Je nejvyšší vrstvou v referenčním modelu ISO/OSI, poskytuje jednotlivé služby nezbytné pro realizaci komunikace z hlediska uživatele. V současné době existují tři varianty komunikačního standardu Profibus. Základní varianty komunikace Profibus
–
Profibus DP (Decentralized Periphery) Nejvíce používaná varianta Profibusu, určený pro komunikaci typu master-slave. Je vhodný zejména pro rychlý přenos signálů z procesu pomocí decentralizovaných periférií a vzdálených ostrovů vstupů/výstupů. Fyzická vrstva je kroucená dvoulinka (standard RS 485), případně optické vlákno.
22
–
Profibus FMS (Fieldbus Message Specification) Určen pro komunikaci v heterogenním prostředí, poskytuje množinu
služeb
pro práci s
daty,
programy a
alarmy.
Komunikačním médiem je podobně jako u varianty Profubus DP buď kroucená dvoulinka nebo optické vlákno. –
Profibus PA (Process Automation) Jedná se o rozšířenou normu Profibus DP. Je určen pro řízení pomalých procesů zvláště ve výbušném prostředí, neboť odpovídá jiskrové bezpečnosti. Aby bylo možné síť využívat v tomto prostředí, je použita i speciální fyzická vrstva - proudová smyčka podle standardu IEC 1158-2 komunikující stálou rychlostí 31,25 kbit/s (http://cs.wikipedia.org/wiki/Profibus). Na rozdíl od Evropského prostředí, kde je nejvíce rozšířen právě
zmíněný Profibus, je situace v Severní a Jižní Americe odlišná. Zde je tím nejvíce rozšířeným telegramem na standardu RS 485 MODBUS.
3.4. MODBUS –
Fyzická vrstva Přenos po asynchronní sériové lince (RS-485, RS-232, RS-422), po optickém vláknu.
–
Linková vrstva Podobný přístup jako u Profibusu. Jedná o typ komunikace master – slave. Na sběrnici je jedno "master" zařízení, které posílá dotazy, ostatní zařízení jsou "slave". "Slave" zařízení odpovídá na dotazy, které jsou mu adresovány. V pozici „mastra“ je tedy řídící prvek (řídicí systém či počítač), v roli „slave“ zařízení jsou ovládané nebo sledované prvky (čidla, měřicí přístroje, řídicí systémy, atd.).
–
Aplikační vrstva V současné době existují tři varianty komunikačního standardu Modbus.
23
Základní varianty komunikace Modus –
MODBUS RTU (Remote Terminal Unit) - asynchronní sériový přenos (RS 232, RS 485, optické vlákno, radiový přenos). Modbus upřednostňuje sériovou komunikaci standardu RS 485. Preferovaný režim sériové linky je 19,2 kbaud, 8 datových bitů a sudá parita. Modbus definuje dva sériové vysílací režimy, Modbus RTU a Modus ASCII. Režim určuje, v jakém formátu jsou data vysílána. Každá jednotka musí podporovat režim RTU, režim ASCII je nepovinný. Všechny jednotky na jedné sběrnici musí být nastaveny do stejného režimu. V praxi je převážně používán režim RTU, režim ASCII je využíván velmi málo. Časování a definice telegramu zajišťuje rychlou a spolehlivou komunikaci po sběrnici RS 485, aniž by byly kladeny přehnané nároky na připojená zařízení. Díky svým dobrým vlastnostem a otevřenosti patří MODBUS RTU k nejrozšířenějším komunikačním standardům pro průmyslovou automatizaci.
–
MODBUS Plus – vysokorychlostní varianta. Využívající speciální fyzické vrstvy. Dnes již není téměř využívána.
–
MODBUS TCP – komunikace po Ethernetu za využití telegramu Modbus. Této variantě bude věnováno více prostoru v další části. Nicméně je nutno zmínit, že se jedná o jednu z prvních průmyslových
komunikací,
která
byla
implementována
na
Ethernetu. Dodnes patří MODBUS TCP k nejvíce rozšířeným průmyslovým
komunikacím
na
standardu
Ethernet
(http://cs.wikipedia.org/wiki/Modbus). Výše popsané dva telegramy patří mezi nejčastěji používané ve spojení se standardem RS 485 (případně RS 232). Je ovšem nutné zmínit, že jsou k dispozici i další telegramy pro komunikaci na zmíněných standardech. Jejich míra rozšíření je však v porovnání s Profibusem či MODBUSem o poznání menší. Za zmínku stojí snad ještě telegram DF1, který je standardně implementován na řídicích systémech Allen- Bradley.
24
3.5. CAN-BUS (Controller – area network) Jedná se o standard, který byl vyvinut společností Robert Bosch. Vývoj standardu započal v roce 1983, přičemž standard jako takový byl primárně určen pro použití v automobilovém průmyslu. Tomuto faktu odpovídá i skutečnost, že první uvedení standardu proběhlo v roce 1986 na kongresu SAE (Society of Automotive Engineers) v Detroitu.
Samotná motivace pro vývoj tohoto standardu prvotně vychází
z ekonomických požadavků, konkrétně snižování výrobních nákladů. Již v polovině dvacátého století dochází k neustálému zdokonalování automobilů, a to především integrací velkého množství elektronických komponentů. Mnoho mechanických částí bylo nahrazeno elektronickými (karburátor, atd.). Je vyvinuto mnoho nových zařízení zvyšujících užitnou hodnotu a bezpečnost automobilu (ABS, airbagy, servořízení, centrální zamykání, elektrická stahování oken, ESP, brzdový asistent, palubní počítač, klimatizace, tempomat, atd.). Současné automobily mají až 80 různých elektronických zařízení, která vyžadují komunikaci. Vzájemné propojení všech těchto systémů znamenalo obrovské množství kabelů a konektorů. To přinášelo mnoho problémů, jako je zvyšování hmotnosti, zvyšování výrobních nákladů a také vzhledem k velkému počtu konektorů je vysoká pravděpodobnost výskytu poruchy. To vše byly dostatečné důvody pro započetí vývoje standardu. CAN BUS je tedy sběrnice umožňující vzájemné propojení účastníků, přičemž je možné řízení priority zpráv. Z principu standardu je nutné, aby na sběrnici byl řídicí procesor. Přenosová rychlost na CAN BUS může být až 1Mbit/s při velmi krátké vzdálenosti, při delších vzdálenostech samozřejmě znatelně klesá. Není účelem zde uvádět detailní popis, ten je popsán v ISO11898-2. Jelikož díky své oblibě standard pronikl i do oblasti průmyslového řízení, bude se práce dále věnovat průmyslovým
komunikacím
využívajím
standard
CAN
BUS
(www.can.bosch.com/docu/can2spec.pdf).
25
3.6. CANopen CANopen je protokol založený na standardu aplikační vrstvy CAL (CAN Application Layer). Je podporován mezinárodním sdružením výrobců automatizační techniky - CiA (CAN in Automation) pro komunikace na sběrnici CAN. CANopen byl vyvinut v rámci společného evropského projektu EEC ESPIRIT III - ASPIC. V současné době je tento protokol součástí normy EN 50325-4. Jeho cílové využití je v aplikacích průmyslové automatizace, kde jsou zařízení jako např. distribuované I/O moduly, pohony, atd., které komunikují přes sběrnici CAN. Otevřenost a zároveň důsledné zachování kompatibility jsou jedny z hlavních vlastností protokolu CANopen. CANopen je založen na koncepci tzv. profilů zařízení (device profiles). Každé zařízení má z hlediska komunikace dvě skupiny služeb. První skupina jsou standardní služby společné pro všechny typy zařízení, zatímco druhá skupina jsou speciální služby, závislé na typu zařízení (např. digitální I/O, frekvenční měniče). Zájmové skupiny uvnitř organizace CiA pracují na standardizaci jednotlivých profilů zařízení, nicméně každý výrobce je schopen v rámci volitelné úrovně služeb definovat vlastní profil svého zařízení za současného zajištění kompatibility. Je to zajištěno pomocí standardního konfiguračního souboru EDS (Electronic Data-Sheet), který je výrobce povinen dodat ke každému svému výrobku. Přes standardní konfigurační software CANopenNode-Master (jde o univerzální program pro všechny typy zařízení), do kterého se EDS načte, se pak komunikuje s příslušným prvkem sítě, nastavují se jeho povinné a volitelné parametry. Zmíněné řešení zajišťuje snadnou systémovou integraci a standardizaci jednotlivých skupin výrobků, což umožňuje koexistenci výrobku stejného druhu od dvou nezávislých výrobců. Toto je značná výhoda, což ocení především systémoví integrátoři, kteří při návrhu komplexního řešení příslušné automatizační úlohy mají k dispozici kompatibilní prvky od mnoha výrobců. Umožňuje jim to propojit výrobky od nezávislých výrobců do jedné
komunikační sítě bez nutnosti psát
specializovaný software zvlášť pro každé zařízení. CANopen je podporován většinou významných výrobců automatizační techniky. Mezi významné
26
propagátory komunikace CANopen patří například společnost Schneider Electric (http://www.canopen.us/history.htm).
3.7. DeviceNet Jedná se o další průmyslovou komunikaci, která využívá fyzické vrstvy CAN BUS. DeviceNet byl vyvinut společností Allen – Bradley, dnes oficiálně Rockwell Automation. DeviceNet využívá fyzické vrstvy CAN BUS, přičemž na aplikační vrstvě je používán telegram CIP (Common Industrial Protocol), který se osvědčil již v komunikaci ControlNet (též Allen - Bradley, popis níže). Uvedení DeviceNet, stejně jako CANopen mělo především poskytnout moderní a robustní náhradu pro aplikace, které dosud využívali komunikací na standardu RS485. Samozřejmě bylo cílem i z hlediska nákladů přiblížit DeviceNet k RS485. Postupem času vlivem snah o větší rozšíření, byla správa DeviceNet
předána
společnosti
ODVA
(Open
DeviceNet
Vendors
Association). ODVA je nezávislá společnost, která dnes standard DeviceNet spravuje, jako další činnost lze uvést například testování výrobků podporujících DeviceNet. Jak bylo již výše zmíněno DeviceNet používá CIP telegram, tento telegram používají další komunikace spravované organizací ODVA, jedná se o ControlNet a EtherNet/IP (v tomto případě IP znamená „Industrial Protocol“, popsány budou níže). DeviceNet nabízí velmi podobnou funkcionalitu jako CANopen, i parametry jsou v mnohém podobné. Obě komunikace používají pro identifikaci zařízení EDS (Electronic Data Sheet) soubory, ty jsou obvykle k dispozici na internetových stránkách výrobce zařízení. Uživatelský komfort je na velmi vysoké úrovni, jako příklad lze uvést funkci ADR (Automatic Device Replacement), která je nativní funkcí DeviceNet. ADR zajistí v případě poruchy zařízení, že po jeho výměně za shodný typ, je proveden automatický download konfigurace do nového zařízení. Tento proces zajistí tzv. DeviceNet Scanner (takto je označován řídicí prvek na DeviceNet). Samotné fyzické provedení kabeláže se též snaží přiblížit nárokům uživatelů na cenově efektivní řešení. Jsou používány kroucené dvoupáry, případně ploché kabely (pod značkou KwikLink), které umožňují snadné dodatečné přidání účastníka. Hlavním popularizátorem komunikace
27
DeviceNet je společnost Rockwell Automation. Je ovšem nutné zmínit, že v evropských podmínkách stále vítězí CANopen. V lokálních podmínkách je situace poněkud odlišná. Vlivem vyšších nákladů na realizaci tzv. „device buses“ je nadále velmi často používána komunikace na standardu RS-485, případně připojení jednotlivých zařízení konvenčním způsobem (bez komunikace), (Robert D. Law, 2011).
Obrázek 1: Ukázka topologie DeviceNet, použití KwikLink
Zatím byla v této části věnována pozornost jednodušším průmyslovým komunikacím a komunikacím typy device bus. S postupným rozšiřování distribuovaných systémů řízení vyvstala potřeba komunikace vhodné pro rychlý přenos velkého objemu dat. Tato potřeba je indukována především rozsáhlými SCADA systémy, které velmi často integrují i nástroje pro historizaci dat. V komerční sféře je již používán Ethernet, v oblasti průmyslové automatizace
panuje
zpočátku
patrný
odstup
pro
použití
Ethernetu
v průmyslových aplikacích. Přesto se začínají objevovat první řídicí systémy podporující komunikaci na standardu 10Base5, jedná se však stále o lineární topologie. Větší rozšíření průmyslových komunikací na bázi Ethernetu nastává 28
s příchodem standardu 10/100 Base T. Zde se již jedná o hvězdicovou topologii. Dalším moderátorem při rozvoji Ethernetu v průmyslovém prostředí je uvedení tzv. manažovatelných přepínačů. Není účelem této práce uvádět detailní popis standardu Ethernet, nýbrž se níže zaměříme na průmyslové komunikace využívající tohoto standardu.
3.8. MODBUS TCP/IP Jedná se variantu kde pro přenos telegramu MODBUS je využit Ethernet TCP/IP. MODBUS TCP je dodnes jednou z nejvíce rozšířených průmyslových komunikací. Nespornou výhodou je skutečnost, že MODBUS TCP využívá standardní OSI model, kde v aplikační vrstvě je použit telegram MODBUS. Tato skutečnost umožňuje využít pro stavbu sítě konvečních prků pro Ethernet. Velmi často je MODBUS TCP používán pro komunikaci mezi jednotlivými procesory, též je často využíván pro připojení vzdálených ostrovů vstupů a výstupů. Jsou zde ovšem i určité limitující skutečnosti, přičemž hlavní z nich je nemožnost použití MODBUS TCP jako realtime komunikaci. Toto se snaží napravit nová specifikace MODBUS RTSP (RealTime Subsriber Publisher). Nepatrnou vadou je pak dědičná skutečnost, že označování registrů na MODBUS začíná vždy od 1. Tato skutečnost je obvykle pro pracovníky, kteří se s MODBUSem setkávají poprvé poněkud překvapivá, neboť obecně veškeré konkurenční systémy začínají obvyklým číslováním od nuly. Uvedené drobné nedostatky nic nemění na skutečnosti, že MODBUS TCP je velmi oblíben
mezi
uživateli,
čemuž
odpovídá
i
jeho
míra
rozšíření
(http://www.rtaautomation.com/modbustcp).
3.9. PROFINET Další velmi úspěšnou komunikací na bázi Ethernetu je PROFINET. Tato komunikace je vyvinutá společností Siemens, nicméně jak je již zvykem je spravována nezávislou organizací PI (Profibus International). [Automatizace 2004] Profinet je otevřený komunikační standard mezinárodní organizace Profibus International (PI), založený na standardu Ethernet. Je ideálním řešením pro nasazení systému průmyslového Ethernetu v 29
automatizaci. Profinet je společným, do budoucna orientovaným pokračováním úspěšných sběrnicových a komunikačních systémů Profibus a průmyslový Ethernet. Integruje zkušenosti získané z nasazení systému Profibus, úspěšné a zavedené průmyslové sběrnice (fieldbus), i systému průmyslový Ethernet jako komunikační sběrnice pro vyšší úrovně řídicích systémů a úrovní manažerských systémů s přenosy větších datových objemů. Profinet nabízí jednotné a ucelené řešení pro veškeré požadavky průmyslové automatizace. Uživatelům poskytuje odstupňovanou komunikační architekturu, pokrývající celý rozsah podnikové automatizace od časově nenáročných průmyslových procesů až po specifické nároky aplikací z oblasti řízení pohybu. Řešení využívající přenos dat na základě standardu Profinet mají tyto výhody: –
komunikace mezi logickými programovatelnými automaty v distribuovaných systémech (distribuovaná inteligence),
–
komunikace mezi distribuovanou přístrojovou technikou, jako jsou vzdálené v/v, pohony apod.,
–
izochronní komunikace v aplikacích pro řízení pohybu,
–
jasná pravidla pro návrh a instalaci se standardizovanými konektory a síťovými komponentami,
–
vzdálená údržba a diagnostika po síti prostřednictvím zavedených standardů informační techniky (např. SNMP),
–
jednoduchá integrace stávajících řešení na bázi sítí Profibus do nových struktur Profinet (tzn. garantovaná ochrana investic).
Profinet je založen na standardech informační techniky, jako je např. TCP/IP, ale pro účely provozní automatizace poskytuje také možnosti komunikace v reálném čase prostřednictvím technologie RT (real-time). Celý systém pak uzavírá izochronní komunikace IRT (Isochronous Real-Time) určená pro velmi výkonné úlohy řízení pohybu, který vyžaduje přísně deterministické chování. Díky takto odstupňované komunikační architektuře je možné tyto protokoly bez jakýchkoliv omezení kombinovat. Profinet tedy nabízí otevřený standard komunikace (umožňující např. diagnostiku či připojení na síť Internet) a současně komunikaci v reálném čase. Profinet
30
definuje objektový model pro distribuovaná automatizační řešení, který umožňuje vývoj různorodých aplikací a integruje zařízení od různých výrobců do jediného kompaktního systému. Jednotné automatizační řešení na bázi jednotného komunikačního standardu pro všechny úrovně průmyslové automatizace (od systémů kategorie MES přes technologie logických programovatelných automatů až k distribuovaným systémům s odezvou v reálném čase) je totiž neustále velmi lákavou představou a právě Profinet dokáže takové řešení nabídnout (Kosek, 2004).
3.10.
Ethernet IP (Industrial Protocol)
Jedná se o další komunikační standard, který využívá standardního Ethernetu. Tato komunikace je nativní pro řídicí systémy Allen – Bradley. Stejně jako již zmíněný DeviceNet, využívá v aplikační vrstvě telegram CIP. Ethernet IP je spravován nezávislou organizací ODVA. Společně se standardem MODBUS TCP patří Ethernet IP mezi nejčastěji používané průmyslové komunikace na bázi ethernetu. Zejména v Americe a Asii jde o velmi rozšířené řešení. [AUTOMA 2008] Standard EtherNet/IP (EtherNet/Industrial Protocol) je jeden z široce používaných standardů průmyslového Ethernetu, který byl vyvinut pro průmyslovou automatizaci. Standardní řešení, spočívající ve stoprocentní kompatibilitě s Ethernetem TCP/IP, přináší jako hlavní výhodu možnost využít standardní technické a programové prostředky Ethernetu pro konfigurování a ovládání automatizačních prostředků. Síť EtherNet/IP je plně kompatibilní se standardní sítí Ethernet podle normy IEEE 802.3 a využívá neupravené vrstvy komunikačního modelu od fyzické, přes vrstvu protokolů TCP/IP až po aplikační vrstvu. Využívá tedy standardní komunikační model Ethernetu s řešením na aplikační úrovni. V rámci sítě EtherNet/IP jsou jednotlivým ethernetovým uzlům přiřazeny předem definované typy zařízení se specifickými vlastnostmi a funkcemi (profily). Profily zařízení a aplikační vrstva EtherNetu/IP jsou tvořeny protokolem CIP (Common Industrial Protocol), který se používá 31
v průmyslových sítích DeviceNet a ControlNet. Protokol CIP pracuje s objektovým modelem a využívá komunikaci na principu producent-konzument. Použitím protokolu CIP se dosahuje interoperability mezi všemi sítěmi, které ho podporují – tedy sítěmi DeviceNet, ControlNet a EtherNet/IP. Mezi hlavní přednosti systému Ether-Net/IP patří: –
ucelený systém přenosu dat systémem producent-konzument,
–
koexistence s dalšími úlohami řešenými v síti Ethernet,
–
využití standardního řešení Ethernetu s možností použít běžné síťové komponenty pro rychlosti 10 Mb/s, 100 Mb/s a 1 Gb/s.
CIP Aplikační vrstvu tvoří objektově orientovaný protokol CIP. Každé zařízení je podle protokolu reprezentováno skupinou objektů. Každý objekt obsahuje atributy (data), služby (příkazy) a specifikaci funkcí (reakce na události). V rámci CIP je definováno, jaká data musí obsahovat každý objekt. Existují tři skupiny objektů - povinné, aplikační a objekty definované výrobcem. Povinnými objekty jsou: –
objekt identifikující zařízení (identification object),
–
objekt specifikující předávání zpráv (message router object),
–
objekt pro správu spojení (connection object),
–
jeden nebo několik objektů s parametry konfigurace komunikační sítě (network link object).
Aplikační objekty obsahují data specifická pro komunikující zařízení a jsou vázány na typ a funkci těchto zařízení. Skupina aplikačních objektů tvoří profil zařízení. Výrobci si mohou specifikovat i vlastní zvláštní objekty. Aby bylo zřejmé, které objekty jsou v daném zařízení charakterizovány, jsou pro jednotlivá zařízení sestaveny tzv. elektronické popisy zařízení (Electronic Device Sheets – EDS), které obsahují základní informace potřebné pro konfigurování zařízení pro síť EtherNet/IP. Jde o jednoduchý textový soubor 32
používaný nástroji pro konfigurování sítě EtherNet/IP a pro připojení zařízení v jejím rámci. Popis zařízení obsahuje typ a verzi, identifikační údaje a konfigurovatelné síťové parametry. Způsob komunikace Pro komunikaci prostřednictvím Ethernetu využívá síť EtherNet/IP standardní protokoly ze skupiny TCP/UDP/IP. Podle způsobu přenosu existují v síti EtherNet/IP dva způsoby komunikace – explicitní a implicitní: –
explicitní přenos je realizován s použitím protokolů TCP/IP a je určen k přenosu typu žádost-odpověď mezi dvěma uzly sítě,
–
implicitní přenos je založen na protokolech UDP/IP a je určen pro cyklický přenos uživatelských a vstupních a výstupních dat.
Na úrovni síťové vrstvy se zprávy CIP zapouzdřují do paketů TCP nebo UDP. Protokol CIP nabízí dva základní mechanismy komunikace – spojovanou a nespojovanou: –
spojovaná
komunikace
(connected
messaging)
představuje
spojení na bázi protokolu CIP používané pro přenos rezervovaných zpráv, jako jsou přenosy I/O nebo přenos explicitních zpráv, –
nespojovaná komunikace (unconnected messaging) je určena k navazování
spojení
protokolem
CIP
nebo
pro
přenos
nepravidelných zpráv s nízkou prioritou; správu prostředků pro nespojované služby má v každém zařízení na starosti modul Unconnected Message Manager. Komunikační model objektů CIP typu producent-konzument umožňuje lépe využít možnosti komunikačního kanálu. Zařízení, které potřebuje číst určitá data (konzument), se k jejich příjmu přihlásí pouze jednou a zařízení poskytující tato data (producent) je bude opakovaně odesílat po vytvořeném spojení, které se zřizuje procesem nazvaným Connection Origination. Uzel, který zahajuje spojení, je označován jako originator (žadatel o spojení), cílový uzel spojení je označován jako target (příjemce spojení). Žadatel nejprve
33
odešle nespojovanou explicitní zprávu s žádostí o vytvoření spojení (Forward_Open), která obsahuje navrhované parametry spojení. Jestliže je cílový uzel schopen spojení navázat, odesílá potvrzení s přesnými parametry a navazuje spojení. Mezi parametry spojení patří: –
identifikátor (pro každý směr zvlášť),
–
způsob přenosu: implicitní/explicitní,
–
spouštěcí mechanismus přenosu dat (cyklická data, změna stavu),
–
počet a formát přenášených údajů (každý směr zvlášť).
Každé spojení s použitím CIP je určeno jednoznačným identifikátorem (Connection ID), a to jednotlivě pro každý směr přenosu. Typ spojení je závislý na charakteru a způsobu odesílání dat. Spouštěcí mechanismus v síti EtherNet/IP může být pouze cyklický (cyclic) nebo změna stavu (change of state). Počet přenášených údajů (dat) může být i nulový a tehdy jde o zprávu indikující správnou funkci zařízení (heartbeat). Implicitní zprávy (I/O data) mohou být v síti EtherNet/IP odesílány jednotlivým účastníkům (mód unicast) nebo jako hromadné (multicast). Jestliže se chce k již existujícímu spojení připojit další zařízení (originator), posílá žádost o příjem (spojení pouze ke čtení – listen only) a poté zde může poslouchat v módu multicast. Nešlo-li o vysílání typu multicast, je příjemcem spojení vyhrazena nová adresa pro multicast a žádající uzel je o tom informován. Zprávy v módu multicast jsou odesílány protokolem UDP na vyhrazenou adresu (v rozsahu adres IP mezi 239.192.0.0 až 239.195.255.255). Parametry vysílání v módu multicast jsou určeny v procesu zřizování spojení. Standard EtherNet/IP definuje tyto tři druhy zařízení: –
messaging class: zařízení podporující explicitní přenos zpráv, která neumožňují přenášet implicitní zprávy (tedy I/O); typicky jde o zařízení pro konfigurování, parametrizaci anebo diagnostiku,
34
–
adapter class: zařízení zpracovávající data v režimu reálného času, která ale sama nemohou zahajovat spojení; jsou to např. vzdálené vstupní a výstupní periferie,
–
scanner class: zařízení, která zřizují spojení pro přenos dat v reálném čase s ostatními zařízeními třídy scanner class nebo se zařízeními třídy adapter class; jde především o řídicí členy, např. programovatelné automaty (PLC).
Reálný čas Standard EtherNet/IP není primárně určen pro úlohy řízení v reálném čase. Pro zajištění vlastností reálného času používá Ether- Net/IP pouze základní mechanismy, jako je rozdělení kolizních domén s použitím přepínačů (switch) a oddělování segmentů, nebo spoléhá na dostatečnou rychlost Ethernetu. Při každém jeho použití je proto nutné zvážit, zda možná zpoždění nebo ztráty dat jsou přijatelné. V případě náročnějších úloh, jako je např. řízení pohonů při použití objektů CIP Motion, nabízí EtherNet/IP mechanismus objektu CIP Sync. Mechanismus CIP Sync umožňuje řešit synchronizaci na principu distribuovaných hodin podle standardu IEEE 1588. Používá k tomu princip, který umožňuje vložit časovou známku odesílaných paketů. Známé časy odeslání dat lze použít ke kompenzaci doby přenosu paketů. Bezpečnost (safety) Pro bezpečnou komunikaci (ve smyslu normy IEC 61508, tj. safety) je definováno rozšíření CIP Safety, umožňující realizovat bezpečnou komunikaci mezi dvěma uzly po síti EtherNet/IP, a to i pro připojení I/O. Protokol CIP Satefy je certifikován TÜV k použití až do SIL 3. Protože sítě DeviceNet, ControlNet a EtherNet/IP používají stejné aplikační knihovny, objekty i profily zařízení, lze do řídicích systémů velmi snadno začleňovat nejrůznější zařízení i vyvíjet nové prvky. Jednotná aplikační vrstva umožňuje propojit komunikační struktury přes různé sítě jednotným protokolem – protokolem CIP.
35
Síť EtherNet/IP je Ethernetem v pravém slova smyslu, bez zvláštních úprav vrstev 1 až 4 a je ve všech případech plně kompatibilní se standardní sítí Ethernet. Její předností je vedle koexistence s ostatními ethernetovými aplikačními programy také kompatibilita se síťovými prvky a infrastrukturou, a to včetně budoucího vývoje Ethernetu a ethernetových protokolů (Zezulka, Hynčica, 2008).
Obrázek 2: Ukázka topologie Ethernet IP, použití star v kombinaci s DLR
36
4. Současné trendy v oblasti řídicích systémů Tato kapitola se věnuje aktuálním trendům v oblasti řídících systému a to v členění na podkapitoly popisující uživatelskou přívětivost, finanční náročnost, konektivitu, spolehlivost a zabezpečení řídicích systémů.
4.1. Uživatelská přívětivost V současné době je kladen důraz na snadnou práci s řídicími systémy. V první řadě se jedná o vlastnosti samotného hardware. Zde je uživateli upřednostňována taková konstrukce hardware, která neklade přehnané nároky na projekční činnost a též na činnosti související s fyzickou montáží systémů. Dalším faktorem, který značně ovlivňuje uživatelskou přívětivost je vývojový software. Přestože většina výrobců podporuje programovací nástroje v souladu s normou IEC 61131-3, nelze v žádném případě tvrdit, že konkurenční vývojové prostředí jsou srovnatelné. Je potřeba brát v potaz řadu faktorů, které ovlivňují práci s vývojovým software. Počínaje grafickým provedením, dále pak dostupnost nástrojů pro správu uživatelsky vytvořených objektů, zmínit lze i nadstandardní nástroje pro podporu tvorby uživatelské dokumentace. Výše uvedené skutečnosti jsou požadavky trhu, který reaguje na zeštíhlování v oblasti lidských zdrojů. V praxi tak nastává situace, kdy nejsou již k dispozici úzce specializovaní pracovníci, nýbrž je požadován jedinec zvládající několik disciplín v rámci oboru průmyslové automatizace.
4.2. Finanční náročnost Obvykle
nejvíce
omezujícím
faktorem
v oblasti
průmyslové
automatizace je finanční náročnost. Zatímco technickými parametry je nabízené řešení obvykle schopné splnit požadavky koncového uživatele, parametry finanční velmi často nenaplňují jeho představy. Finanční náročnost je dána především relativně malosériovou výrobou automatizačních prostředků a též značnými nároky na spolehlivost, které vedou k vysokým nárokům zejména v oblasti vývoje a testování výrobků před uvedením na trh. Z výše zmíněných důvodů se snaží většina předních výrobců řídicích systémů uvádět na trh jednotlivé řady řídicích systému v různých výkonových provedeních,
37
tento přístup je označován jako škálovatelný řídicí systém. Je tedy uživateli umožněno aby zvolil finančně odpovídající řešení, které bude vhodné pro danou úlohu. V rámci finanční náročnosti je potřeba též zmínit pojem „TCO – Total cost ownership, přeloženo jako Ochrana celkového vlastnictví“. Jedná o skutečnost, že každá technologie se vyvíjí a zejména v oblasti elektronických zařízení je tento vývoj vcelku rychlý v porovnání s ostatními odvětvími. Koncový uživatel tedy velmi často vznáší námitku, zda prostředky investované do automatizačních technologií nejsou neúměrně vysoké vzhledem k morální životnosti celé investice a tím nedochází ke snížení hodnoty celkového vlastnictví. Tuto skutečnost renomovaní výrobci řídicích systémů samozřejmě reflektují. V praxi to znamená, že jsou nabízeny komplexní řešení umožňující generační přechod mezi jednotlivými produktovými řadami daného výrobce, včetně retreofitů pro usnadnění montážních prací.
4.3. Konektivita V současné době je již v naprosté většině aplikací vyžadována možnost výměny dat nejen mezi systémy jednoho výrobce, ale též mezi systémy více výrobců. Zmíněné nároky jsou obvykle řešeny prostřednictvím komunikačních modulů dodávaných třetími stranami (tzv. 3rd party či encompass moduly). Časté je též využití softwarového řešení, které využívá PC pro zprostředkování komunikace mezi různými protokoly. Patrným trendem vzniklým v důsledku komunikačních požadavků, je zakládání nezávislých organizací spravujících průmyslové komunikační standardy. Jak již bylo zmíněno v části věnující se průmyslovým komunikacím, jedná se zejména o organizaci ODVA a organizaci
PI
(Profibus
International).
komunikační protokol CIP používaný na
Organizace
ODVA
spravuje
Ethernet IP, DeviceNet a
ControlNet. Jedním z významných členů společnosti ODVA je společnost Rockwell Automation (výrobce systému Allen – Bradley), další významní členové jsou společnosti Schneider Electric, Omron, CISCO a Bosch Rexroth. Další společnosti, které podporují protokol CIP, jsou uváděny jako výrobci a dodavatelé zřízení podporujících protokol CIP.
Další velmi významnou
společností je PI (Profibus International), jedná se společnost sdružující
38
uživatele a výrobce podporující komunikační protokoly založené na standardu Profibus. Nejvýznamnějším členem sdružení PI je společnost Siemens, celosvětově má PI téměř 1400 členů.
4.4. Spolehlivost Jedním z velmi ceněných parametrů řídicích systémů je spolehlivost, někdy se též můžeme setkat s označením dostupnost systému. Prvním úhlem pohledu může být subjektivní pocit uživatele, ten však může být ovlivněn například jednou negativní událostí. V rámci objektivnosti jsou samozřejmě v oblasti řídicích systémů (a obecně u elektrotechnických produktů) zavedeny parametry jak stanovit požadovanou úroveň spolehlivosti a jak spolehlivost klasifikovat. Základním parametrem spolehlivosti řídicích systémů je MTBF (Mean Time Between Failures, přeloženo jako Střední doba mezi poruchami). Tento parametr je udáván většinou renomovaných výrobců řídicích systémů. Je pouze nutné zmínit, že velmi často jsou k dispozici dvě rozdílné hodnoty MTBF pro identický výrobek, je to hodnota vypočtená a hodnota získaná korekcí z praxe, kde po určitém množství nasazených kusů lze sledovat i počet reklamací a oprav. Dalším parametrem, který je často používán je MTTF (Mean Time To Failure, přeloženo jako Střední doba do poruchy) , tento parametr je obvykle uváděn u zařízení, kde se nepředpokládá oprava. V případě možnosti opravy zařízení je důležitý parametr MTTR (Mean Time To Repair, přeloženo jako Střední doba opravy). V důsledku je tedy možné u řídicího systému vyjádřit MTBF jako součet MTTF a MTTR, přičemž v praxi je většinou oprava řídicího systému prováděna jako výměna vadného modulu, tak
aby
odstávka
technologie
byla
co
nejkratší.
Dalším
poněkud
komplexnějším parametrem jsou SIL (Safety Integrity Level, přeloženo jako bezpečnostní úrovně). SIL společně s parametrem CAT (kategorie zapojení) určují požadavky a následné zařazení řídicího systému z hlediska spolehlivosti a bezpečnosti. V současné době však probíhá změna platnosti evropské legislativy
a
parametry
SIL
a
CAT
budou
postupně
nahrazeny
sofistikovanějším dělením dle PL (Performance Level, přeloženo jako Výkonnostní úrovně), (Stibor, 2011).
39
4.5. Zabezpečení Ještě v nedávné době bylo zabezpečení před neoprávněným přístupem do řídicích systémů řešeno hlavně na lokální úrovni, jelikož největší hrozbou nebyl nepřátelský útok, nýbrž neodborný zásah pracovníků, kteří nebyly oprávněni pro práci s daným řídicím systémem. Jak již bylo zmíněno nepřátelský útok po síti nebyl předpokládán a počítačové viry byly výsadou osobních počítačů. Výše zmíněné se však změnilo v roce 2010, kdy byl zaznamenán první počítačový virus napadající průmyslové řídicí systémy. Jednalo se virus Stuxnet, který útočil na řídicí systémy Simatic S7. V době, kdy byl objeven, byl už několik měsíců v oběhu a využíval operačních systémů Microsoft Windows. Tedy takových zneužití, která jsou známa útočníkovi dřív, než na ně přišel výrobce software. Zájimavou chybou, kterou červ použil pro své šíření, je chyba MS Windows při čtení souborů *.lnk. Jakmile se uživatel chtěl podívat na svou přenosnou USB paměť, na které se nacházel poškozený soubor *.lnk, došlo ke spuštění jiného programu nacházejícího se ve stejném adresáři a instalaci červa do systému. Stuxnet je také neobvyklý svou značnou velikostí půl megabajtu a tím, že je programován v několika různých programovacích jazycích. Červ testoval, zda se nachází na počítači, na kterém je nainstalován řídicí software Siemens (WinCC, Step7), ze kterého jsou sledovány specifické automaty (S7-300) s připojenými moduly pro řízení frekvenčních měničů. V takových případech červ upravil software PLC, tak aby docházelo k opakované změně výstupní frekvence měničů. Aby zamaskoval svoji činnost, podstrčil do Step7 své DLL knihovny tak, aby uživatel infikovaného počítače měl pocit, že v PLC se nachází původní nepoškozený software. Součástí Stuxnetu byla i funkce pro připojení ke vzdálenému internetovému serveru, aby od něj červ přijal další příkazy a mohl jej informovat o své činnosti. Cílem útoku byl pravděpodobně závod na obohacování uranu v Natanzu v Íránu. Skutečnost jaké skutečné škody virus napáchal a kdo byl
40
jeho původcem je stále předmětem mnoha spekulací a konspirací (http://cs.wikipedia.org/wiki/Stuxnet).
41
5. Možnosti procesního řízení Tato kapitola se zaměřuje na oblast procesního řízení z hlediska jeho možností. V podkapitole porovnává historii, současnost a dnešní trendy.
5.1. Historie V minulosti bylo procesní řízení zvláštní disciplínou oboru průmyslové automatizace. Na rozdíl od kombinačního řízení používaného pro samostatné stroje a jednodušší technologie, vyžaduje procesní řízení výpočetně náročnější řízení spojitých procesů. První programovatelné řídicí systémy PLC nedisponovaly potřebným výkonem pro řízení procesních úloh. Vznikl tedy druh řídicích systému nazývaný distribuované řídicí systémy (DCS – Distributed Control System).
5.2. Současnost V průběhu vývoje řídicích systémů dospěly PLC do stavu, kdy jejich výpočetní možnosti jsou totožné se systémy označovanými jako DCS. Označení PLC je dnes vyhrazeno pouze pro nejjednodušší systémy, sofistikovanější systémy jsou označovány jako hybridní, či jako PAC (programmable automation controller). Systémy PAC jsou plně schopny realizovat i velmi složité a distribuované úlohy procesního řízení.
5.3. Trendy Nejnovějšími možnostmi v procesním řízení jsou zejména nadstavbové software, které umožňují zefektivnění plánování výroby a vykonávání výroby. Obecně hovoříme o systémech plánování zdrojů (Enterprise Ressource Planning) a systémech vykonávání výroby (Manufacturing Execution System). Z hlediska možností zvyšujících efektivitu řídicích systémů, se pak jedná o nástroje jako například Fuzzy design či pokročilé regulátory. Tyto nástroje jsou obvykle k dispozici jako zvlášť placený doplněk k základnímu vývojovému software. Nezřídka se lze setkat i s přístupem licencování pokročilých regulátorů dle skutečného počtu jejich použití v daném projektu.
42
6. Bezpečnost v automatizaci 6.1. Historie Jakákoliv výroba provází lidstvo odjakživa a to ve všech myslitelných odvětvích. V minulosti byly stroje velice málo používané – používalo se jich běžně především tam, kde ušetřily lidem těžkou práci, jako mlýny, hamry, katry a další technika poháněná přírodními živly. Stroje tehdy obsluhovalo poměrně malé množství lidi, kteří byli svými předchůdci školeni v oblasti bezpečnosti práce, aniž by si to jeden či druhý uvědomovali. Úrazy byly sice běžné, ale kvůli relativní vzácnosti technologií ve společnosti jich bylo velice málo. Masivní rozvoj používání strojů nastal po příchodu parního stroje, který zabezpečil relativně levný, ale hlavně nepřetržitý přísun energie pro pohon potřebných technologií. V této době dochází v oblasti bezpečnosti k zásadnímu obratu. Stroje nejsou nijak zabezpečovány, aby neubližovaly lidem a jako obsluha jsou najímány pracovní sily často z těch nejchudších vrstev, které nemají dostatečné vzdělání. Úrazy a to i ty nejtěžší se stávají každodenním problémem, který není ale nijak řešen. Zraněný pracovník je okamžitě nahrazen zdravým. Z pohledu provozovatelů a bezpečnosti práce bylo toto období zlatými časy. Další rozvoj používání strojů nastal s příchodem elektřiny. Ta přinesla možnost používat stroje i tam, kde byl parní stroj příliš veliký či nákladný. S tímto rozmachem byl spojen další narůst úrazovosti, ale stále jej nikdo neřešil. Otcem myšlenky bezpečnosti práce byly odbory, které vznikly ve Spojeném Království. Odbory se začaly bouřit proti stavu, kdy dělník po úrazu často nepřišel pouze o práci, ale díky faktu že byl nevýdělečný, přišel spolu se svými blízkými o vše. Odbory začaly pomalu prosazovat, aby zranění dělníci dostávali sice malý, ale stálý přísun peněz a rodiny dělníků neupadly do kolotoče dluhů. Protože jak jsme si řekli, byly úrazy na denním pořádku, výrobci začali sami přemýšlet, jak těmto úrazům předcházet. Poměrně záhy zjistili, že vhodné opatření, které zabrání úrazu je v dlouhodobém měřítku zanedbatelná investice ve srovnání se sice malými, ale častými platbami nevýdělečným dělníkům. Další rozvoj zažila bezpečnost v době, kdy se zaměstnavatelé začali obracet na pojišťovny a chtěli pojistit proti žalobám a
43
platbám odškodného. To jsme ale již ve 20. století a zejména v USA jsou vytvářeny první
předpisy a
návrhy,
které doporučují výrobcům
a
provozovatelům doplnit technologie o mechanické zábrany, aby nedocházelo ke zbytečným úrazům. V této době ještě nelze mluvit o normách v oblasti bezpečnosti. Různé technologie se ale dále rozšiřují a hlavně zrychlují. Mechanické zábrany jsou již nedostačující, a proto se různými kombinacemi reléových obvodů vytváří první bezpečnostní obvody, které jsou časem vyvinuty v obvody, které jsou schopné zároveň detekovat základní chybné parametry, jako zkraty. Tato technika se hojně používá v různých modifikacích do devadesátých let dvacátého století. Roku 1986 přichází firma Pilz na trh s prvním produktem určeným pro obvody nouzového zastavení. Jedná se o krabičku s elektronickými a elektrotechnickými prvky, které nahrazují stykačovou kaskádu a mají zároveň sledování vstupních a výstupních parametrů obvodů (odolnost proti zkratům). Již o dva roky později přichází na trh firma GuardMaster se zásadní inovací, která přidává další funkčnost tomuto produktu. V průběhu několika málo let se na trhu objevuje několik dalších výrobců. Z původního termínu v němčině „Sicherhitsrelais“ – tedy bezpečnostní relé se kvůli názvosloví přechází na anglický termín „Safety module“ – tedy bezpečnostní modul. Cílem je nezavádět uživatele na scestí – relé dále označuje pouze spínací prvek, kdežto modul je krabička s dodatečnými funkcemi. Další inovace a tlaky na zefektivnění bezpečnosti z řad uživatelů vedou na konec devadesátých let, kdy několik výrobců představuje bezpečnostní PLC. Na prvních systémech v počátcích spolupracují firmy HIMA a Pilz, kdy si za základ vzali tehdy moderní architekturu standardních řídicích systémů Simatic S5. Ve vývoji se však záhy rozešli a každý šel svojí vlastní cestou. Jelikož systémy nejen těchto dvou rivalů uměly komunikovat přes různé sběrnice, byli alespoň na čas zákazníci uspokojeni. Ne však na dlouho (Stibor, 2011). Cílem každého výrobce je minimalizovat vstupy a maximalizovat zisk. Proto byl vznesen požadavek na další zlevnění bezpečnosti a její daleko větší provázanosti se standardními řídícími funkcemi. V této oblasti jsou v současné době dvě vedoucí společnosti. Jedná se o firmy Rockwell Automation se svými 44
výrobky pod značkami Allen - Bradley a GuardMaster (ten stejný GuardMaster, který uvedl na trh „druhé bezpečnostní relé“) a Siemens s řídicími systémy Simatic F. Princip jejich činnosti je velice podobný. Umějí řídit výrobní proces, přičemž mají další procesor, který zpracovává redundantně bezpečnostní program. Díky tomu je daleko větší flexibilita a kratší časová odezva, než v případě odděleného řešení klasického a bezpečnostního řízení a náklady byly redukovány dále sjednocením programovacích prostředí a dalších pomůcek(Stibor, 2011). Nejpokročilejší oblastí s vysokým výkonem CPU, kde se užívá této funkce integrace bezpečnosti, jsou CNC řídicí systémy. V této oblasti hrají světový prim výrobci Heidenhein, Fanuc a Siemens, kteří nabízí plnou integraci bezpečnostních funkcí i do číslicově řízených systémů. Poslední oblastí, kde jsou potřeba bezpečnostní systémy jsou tzv. DCS systémy,
tedy
systémy
decentralizovaného
řízení.
Jsou
využívány
v technologiích zejména s vysokým počtem vstupů a výstupů. Z pohledu bezpečnosti je stejně důležité ochránit obsluhu a další ohrožené osoby, ale je zároveň životně důležité zabezpečit kontinuálnost procesu výroby. Toto si můžeme představit tak, že díky poruše jednoho snímače není možné například zastavit linku na kontinuální lití oceli, jejíž prohřátí a počátek výroby stojí řádově statisíce korun. V případě poruchy systému je řízení či snímání přepnuto na záložní systém, obsluha má čas problém původního řízení odstranit. V této oblasti se etablovaly firmy Rockwell Automation, Yokogawa a ABB.
6.2. Normy Norem, které je třeba prostudovat, abychom mohli splnit požadavky zákonů a nařízení vlády je celá řada. Ve zkratce si projdeme ty nejdůležitější. Je však nutno upozornit na fakt, že řešitel není oprávněn normy vykládat. Toto právo náleží pouze státní správě, soudním znalcům apod..
45
Normy dělíme do několika skupin a to:
Norma typu základní bezpečnostní norma, uvádějící základní pojmy, A
zásady pro konstrukci a všeobecná hlediska, která mohou být aplikována na všechna strojní zařízení.
Norma typu skupinová B
bezpečnostní
norma,
zabývající
se
jedním
bezpečnostním hlediskem nebo jedním typem bezpečnostního zařízení, které může být použito pro větší počet strojních zařízení.
Norma typu se B1
týká
jednotlivých
bezpečnostních
hledisek
(např.
bezpečných vzdáleností, teploty povrchu, hluku) atd.
Norma typu se týká příslušných bezpečnostních zařízení (např. dvouručních B2
ovládacích zařízení, blokovacích zařízení, zařízení citlivých na tlak, ochranných krytů) atd.
Norma typu bezpečnostní normy pro stroje, určující detailní bezpečnostní C
požadavky pro jednotlivý stroj nebo skupinu strojů. Pokud se norma typu C odchyluje od jednoho nebo více opatření, kterými se zabývá část této normy, má přednost dodržení normy typu C. Norma typu C se nazývá normou výrobkovou.
Závaznost jednotlivých norem je dána jejich vyhlášením ve Věstníku jako norem harmonizovaných (popřípadě norem určených) i když splnění základních požadavků stanovených evropskými směrnicemi nebo nařízením vlády, je možné prokázat i jiným způsobem než těmito normami. Tato možnost však nebývá výrobci vzhledem ke složitosti legislativního řešení využívána.
46
Harmonizovaná norma – je norma, která je v souladu s uvedeným dokumentem (Stibor, 2011).
6.3. Popis bezpečnostních řetězců Rizika je třeba aktivně vyhledávat a omezovat. Pokud pomineme způsob omezování vycházející z opatření zabudovaných v konstrukci stroje a informací pro používání, zbude nám poměrně rozsáhlá oblast, která řeší omezování rizika pomocí bezpečnostní ochrany. Tento způsob omezování rizika je oblastí, kde aplikujeme určitý hardware zapojený dle projektu vytvořeného na základě analýzy rizik. Použití tohoto hardwaru je podmíněno použitím daných komponent a jejich správným pospojováním tak, abychom dodrželi hierarchii navrženého řetězce. Celý bezpečnostní řetězec si můžeme rozdělit do trojice částí: –
Senzory – jakékoliv zařízení sbírající informace o stavu či poloze prvku důležitého pro bezpečnostní funkci.
–
Logické prvky – tedy prvky rozhodující na základě informací od senzorů, jak bude dále aplikace řízena. Do této oblasti rovněž spadají decentrální vstupy a výstupy bezpečnostního nebo integrovaného bezpečnostního systému, včetně všech prvků datových sběrnic.
–
Aktuátory (někdy označované jako ovládací prvky) – tedy prvky, které provádějí příkazy na základě rozhodnutí bezpečnostní logiky. Do této oblasti patří především stykače a ventily, které mohou například ovládat přívod média důležitého pro pohon aplikace. Dále do této oblasti mohou spadat frekvenční měniče (či pohony – dle definice jednotlivých výrobců) a servo-pohony, které ovšem mají bezpečnostní funkce, jež splňují požadavky na příslušné zapojení v bezpečnostních obvodech.
47
6.4. Senzory Funkcí senzorů je informovat bezpečnostní logiku. Senzory lze z důvodů přehlednosti rozdělit do řady skupin ať už dle principu funkce, nebo dle bezpečnostní funkce, kterou zastávají. Protože každý výrobce rozděluje svoje výrobky samostatně, uvedeme dělení dle bezpečnostní funkce: Snímání přítomnosti osob: používá se zejména tam, kde potřebujeme vyloučit přítomnost osoby v nebezpečném prostoru. K detekci se používají optoelektronické prvky, které jsou dnes k dispozici ve třech variantách – optické bariéry (sestava vysílač-přijímač), které mají jeden či více paprsků, bariéra detekuje přerušení jakéhokoliv paprsku a vypíná tím například nebezpečný pohyb stroje. Dále se jedná o 2D optický scanner, který sleduje plochu, zda není narušena cizím předmětem (nerozlišuje osoby či předměty). V poslední době byl vyvinut i 3D kamerový systém, který na základě obrazu ze 3 kamer dokáže určit přítomnost osoby nejen v ploše, ale i v prostoru. Systém je sice certifikován pro použití do nejnebezpečnějších aplikací, nicméně praxe ukazuje, že jde zatím o velice nákladnou technologii, která v nedávné minulosti neměla vyřešena všechny nedostatky (například citlivost na změnu v podmínkách osvětlení nebezpečného prostoru). Snímání přítomnosti osob však dokážou podobně řešit nášlapné rohože, které vypínají nebezpečné pohyby stroje při detekci zátěže. Nebezpečným místem může být rovněž například hrana krytu, který vykonává pohyb pojezdem, kde může dojít ke stlačení těla/částí těla. Pro zabezpečení takovýchto míst mohou sloužit bezpečnostní hrany, které při deformaci nebezpečný pohyb stroje vypínají. Prostředky nouzového zastavení jsou povoleny dle normy ČSN EN 60204-1 ve čtyřech provedeních a to: vypínač ovládaný tlačítkem, vypínač ovládaný tažným lankem, vypínač ovládaný pedálem (bez mechanického krytu) a za určitých okolností hlavním vypínačem. Bezpečnostní koncové spínače jsou používány tam, kde je třeba omezit například pracovní rozsah stroje. Používány jsou různé varianty spínání těchto prvků, většinou se však jedná o různé podoby vačkového mechanismu.
48
Spínače bezpečnostních krytů jsou velice důležitým prvkem každého stroje. Bezpečnostní kryty jsou řešeny samostatnou bezpečnostní normou ČSN EN 1088. Snímání polohy krytu je možno realizovat mechanicky, magneticky či RFID principem. Některé aplikace mohou vyžadovat zamčení krytu během doby, než je například dobrzděn setrvačník či zastaven kotouč pily. V tomto případě se používají tzv. tlačítka s žádostí o vstup. Tlačítko žádosti o vstup potom realizuje reakci standardního řízení na zastavení nebezpečného pohybu. Po bezpečném vyhodnocení, že aplikace stojí, je odemčen kryt a tím umožněn zásah obsluhy či údržby. LOTO systémy (zkratka anglických slov lock-out tag-out) jsou systémy, které znemožňují provoz stroje či jeho části v době, kdy je na stroji prováděna například činnost údržby či čištění. Jádrem celého systému je hlavní vypínač. Hlavní vypínač je vybaven klíčem, který pokud chci z vypínače vyjmout, musím nastavit do polohy vypnuto. Vytažením klíčku z hlavního vypínače potom mechanika vypínače znemožní zapnutí bez opětného vložení klíčku. Vyjmutý klíč potom použiji například k odemčení bezpečnostního krytu, zamčení důležitého ventilu a podobně. Cílem celé této skládačky je donutit obsluhu/údržbu a další zvolit správný technologický postup a mít kontrolu nad strojem, pokud na něm například provádím údržbu. Klíč mám v kapse a vím, že mi stroj nikdo nespustí, když na něm pracuji. Posledním prvkem jsou dvouruční ovládání. Pro konstrukci musí být použita norma ČSN EN 574+A1. Použití je nutné tam, kde je třeba, aby byla zaručena přítomnost obsluhy na jednom určitém místě a nedošlo tak k jejímu ohrožení v nebezpečném prostoru. Realizace se provádí většinou pomocí dvojice tlačítek, která splňují umístění a další parametry dle zmiňované normy, na něž je třeba působit, aby stroj vykonával potřebnou činnost.
6.5. Bezpečnostní logické prvky Bezpečnostní logické prvky jsme si vyjmenovali v krátkosti hned na začátku v textu zabývajícím se historií. V dnešní době máme k dispozici tyto prvky:
49
Pozitiva
Bezpečnostní moduly
Malé bezpečnostní systémy
Velké bezpečnostní systémy
Integrované bezpečnostní systémy
- jednoduchost montáže - cenová výhoda u malých strojů - pro diagnostiku stačí pohled na LED - finanční výhodnost u středních aplikací - u některých výrobců modulární konfigurace - málo častý pokus o překonání - obvykle systémy s velice krátkým časem zpracování informace - modulární konfigurace - vzácné pokusy o překonání - možnost integrovat celou logiku do jednoho zařízení - možnost použít decentrální architekturu - jednoduchost navázání bezpečnosti na vizualizaci - čím více funkcí integruji, tím méně nákladné je nasazení systému
Negativa - finanční náročnost u větších aplikací - jednoduchost jejich překonání - pro údržbu a servis je třeba znalého pracovníka s odpovídajícím vybavením - nutnost použít standardního řízení pro technologický běh aplikace
- pro údržbu a servis je třeba znalého pracovníka s odpovídajícím vybavením
Zvláštní kategorií bezpečnostních logických prvků jsou logické obvody, které monitorují klidový stav hřídelí, které způsobují nebezpečí. Existují dva principy snímání na základě fyzikálních vlastností pohonů. První princip je snímání napětí indukovaného ve statoru pohybem rotoru. Maximální možná dosažitelná SIL 2 dle ČSN EN 61508 nebo PLd dle ČSN EN ISO 13849-1. Druhým principem je snímání otáček inkrementálními snímači. Pokud použiji dvojice snímačů, mohu dosáhnout nejvyšších požadavků, tedy SIL 3 nebo PLe dle příslušných norem.
50
6.6. Aktuátory Aktuátory jsou výkonové prvky, které mají za cíl převádět signály řídící v signály silové nebo ovládací. Stykače kontrolují přívody energií, stejně jako ventily, pohony a servo-pohony potom kontrolují otáčky, momenty a další veličiny, které jim byly určeny logickými obvody. Použití elektromechanických prvků, tedy ventilů a stykačů má málo omezení. Hlavním hlediskem, které musí být bráno na zřetel, je princip nuceného vedení kontaktů. Jednoduše řečeno takový prvek je každý, který má vedení kontaktů od elektromagnetické cívky řešeno tak, že nemůže nastat stav, kdy by médium (konkrétně elektrická energie, plyn či kapalina) protékalo tímto prvkem a přitom hlášení zpět do systému by byla informace o uzavření tohoto prvku. Všichni výrobci tuto podmínku řeší vyrobením kotvy stykače (nebo táhla ventilu) z jednoho kusu. Pokud by tedy došlo například ke svaření kontaktů stykače, i při vypnutí proudu procházejícím cívkou by nedošlo k odpadnutí kontaktů a tím hlášení do systému. V bezpečnostním systému musí následovat diagnostika na úrovni „nemám sepnut výstup/přesto je prvek aktivní“ a dle bezpečnostní kategorie musí být přijaty odpovídající opatření. U elektronických prvků je situace odlišná. Protože tyto nelze vybavit elektromechanickým principem, podmínku diagnostiky splňují tím, že obsahují velice podrobnou bezpečnostní diagnostiku svých stavů. Jelikož jsou většinou ovládány přes některou z datových sběrnic schopných přenášet bezpečnostní informace, data jsou doručena do bezpečnostní logiky a následně vyhodnocena.
6.7. Vyloučení chyby Důležitým údajem spojeným s normami ČSN EN ISO 13849-1 a ČSN EN 61508 je termín vyloučení chyby. Tento princip si můžeme vysvětlit na tlačítku nouzového zastavení. Tlačítko se skládá z jednoho hřibovitého tlačítka a dvojice kontaktů. Kontakty jsou v klidu sepnuty, pokud stisknu tlačítko (jedno tlačítko), pohyb tlačítka zapůsobí (přes jeden mechanický prvek) na kontakty, které se rozepnou. Kritickým místem je tedy mechanická vazba mezi tlačítkem a kontakty. Obecně řečeno se vyloučení chyby uplatňuje pro některé 51
mechanické body, které mohou způsobit poruchu. Pokud použití vyloučení chyby není akceptovatelné (např. pro PLe nebo jiné důvody) potom je nutné použít dvou separátních zařízení. Alternativně může být použita technologie, která umožňuje použít prvky s jedním kritickým místem jako například některé typy bezkontaktních dveřních senzorů. Vyloučení chyby je vždy stanoviskem výrobce konkrétního zařízení, konstruktér však je povinen na tuto skutečnost upozornit v analýze rizikovosti (Stibor, 2011). Bezpečnost – shrnutí Co říci závěrem? Celá problematika není nijak složitá. Základním problémem však je, že nezasvěcený člověk dostane příliš mnoho počátečních informací, ve kterých se těžko orientuje. Proto je nezbytné v případě požadavku na implementaci bezpečnosti v automatizovaném řízení obrátit se na certifikované odborníky.
52
II PRAKTICKÁ ČÁST BAKALÁŘSKÉ PRÁCE 7. Popis řešeného problému praktické části Praktická část řeší realizaci výukového pracoviště, její jednotlivé cíle a kroky jsou popsány v následujících kapitolách a podkapitolách.
7.1. Cíle praktické části bakalářské práce byly stanoveny následovně: –
Vytvoření výukového manuálu pro základní práci se systémem PAC Allen – Bradley řady 1769. Výukový manuál bude v rozsahu dvou cvičení (2 x 2 hodiny).
–
Vytvoření výukového manuálu pro praktickou automatizační úlohu realizovanou PAC Allen – Bradley řady 1769. Úloha bude výukovým manuálem pro funkční model vytvořený v praktické části.
–
Realizace pracoviště včetně fyzického provedení. Pracoviště bude složeno z řídicího systému PAC AB řady 1769, operátorského panelu, frekvenčního měniče a distribuovaných IO. Prvky automatizačního systému budou využívat komunikace Ethernet IP. Fyzické rozhraní pro připojení řízeného modelu bude realizováno průmyslovými
konektory.
Bude
zajištěna
kompatibilita
s testovacími přípravky (I/O simulátory) používanými na VŠPJ v předmětu Počítačové řídící systémy. –
Realizace výukového modelu procesního řízení - tepelné soustavy.
–
Dobudování laboratoře Rockwell Automation (dále jen RA).
–
Seznam námětů pro další bakalářské práce.
Pro vytvoření výukových manuálů byla použita firemní literatura. Autor zde též uplatnil své zkušenosti z účasti na vzniku laboratoří Allen - Bradley na Vysokém učení Technickém v Brně a na Technické univerzitě v Košicích. Výukové materiály jsou v souladu se zaměřením VŠPJ provedeny podrobněji, než je obvykle zvykem. Tato skutečnost by měla studentům, kteří budou na výukové stanici pracovat, umožnit samostatnou práci. Manuály též vedou
53
k jasnému a splnitelnému cíli cvičení, což je z didaktického pohledu velmi důležité. Výukové manuály tvoří přílohu bakalářské práce. Navazující výukový manuál je určen pro model tepelné soustavy, který je součástí praktické části bakalářské práce. Tento navazující výukový manuál byl vytvořen převážně na základě znalostí a zkušeností autora. Stejně jako základní výukové manuály, je i navazující manuál zaměřen na samostatnou práci při cvičení a zdárné dosažení cíle cvičení. V případě navazujícího výukového manuálu, je tento zaměřen na úvod do procesního řízení, kdy je obsluhována jednoduchá tepelná soustava. Pro samotnou realizaci pracoviště použil autor především svých praktických zkušeností. Fyzické provedení klade důraz na profesionalitu a kvalitu běžně vyžadovanou v komerční sféře. Samotný stojan stanice je konstruován z hliníkových profilů společnosti FM Systeme. Osazení stanice funkčními prvky Allen - Bradley je provedeno montáží na lištu DIN 35. Pro komunikaci jednotlivých komponent je použit Ethernet IP. Zvolený switch je vybaven optickým rozhraním pro možnost snazšího budoucího propojení více výukových stanic. Stanice disponuje rozhraním (konektorem) pro připojení simulátoru vstupů a výstupů, které je kompatibilní se standardně užívaným simulátorem na VŠPJ. Pro připojení praktických modelů jsou použity průmyslové konektory. Soupiska materiálu a podklady pro realizaci stanice jsou uvedeny jako příloha bakalářské práce. Realizace výukového modelu je po stránce fyzického provedení řešena obdobně jako samotné provedení celého pracoviště. Pro základní konstrukci jsou použity hliníkové konstrukční profily společnosti FM Systeme. Výukový model je zaměřen na demonstraci jednoduché procesní úlohy. Jedná se o aplikaci, kde je řešen regulátor teploty. Jako zdroj konstantní tepelné energie je zde použit světelný zdroj, konkrétně halogenová žárovka. Tato žárovka je z bezpečnostních důvodů vybavena ochranným sklem. Pro měření teploty je použito čidlo Pt 100, které se velmi často využívá v reálných aplikacích průmyslového řízení. Zvolený typ teploměru obsahuje integrovaný převodník odpor – proudová smyčka. Toto řešení je též velmi oblíbené v praxi, jelikož 54
odpadá nutnost kompenzace odporu připojovacích vodičů čidla Pt 100. K regulaci teploty bude použito proudění vzduchu. Toto proudění bude zajišťovat axiální ventilátor. Ventilátor bude opatřen na vstupu i na výstupu ochrannou mřížkou tak, aby byla zajištěna bezpečnost při práci s přípravkem. Regulace teploty bude prováděna změnou objemu proudícího vzduchu, přičemž tato je zajišťována změnou otáček ventilátoru. K tomuto účelu je použit frekvenční měnič. Samotný algoritmus regulace je vykonáván v PAC, přičemž komunikace s frekvenčním měničem je zajištěna prostřednictvím Ethernet IP. Výukový model je připojen k výukovému pracovišti pomocí průmyslových konektorů. V rámci bakalářské práce dojde tedy i k částečnému dobudování laboratoře RA na VŠPJ. Nicméně je to pouze první krok a k úplnému dobudování laboratoře je k dispozici ještě celkem pět identických sestav.
55
8. Analýza a návrh řešení Výukové pracoviště je navrženo takovým způsobem, aby umožňovalo komplexní demonstraci automatizační úlohy. Jako řídicí systém je použit PAC Allen - Bradley řady 1769. Procesor tohoto systému disponuje pamětí pro uživatelský program o velikosti 750 kB. Z komunikačních rozhraní je dispozici vestavěný sériový port RS 232 s možností použití telegramu DF1 či přenosu ASCII, nicméně tento port zůstane v aplikaci nevyužit. Dále je k dispozici vestavěný port pro Ethernet IP. Tento port bude využíván pro komunikaci řídícího systému s operátorským panelem, frekvenčním měničem a vzdálenými IO. Bude též využit pro programování systému, respektive pro připojení PC ze kterého bude programování prováděno. Řídicí systém řady 1769 je modulární systém, což znamená procesor jako takový nemá vestavěné IO. Je tedy možné použít lokálních IO, které se přidávají k procesoru jako jednotlivé moduly. Jejich počet je limitován výkonem napájecího zdroje řídicího systému. Nad možnosti lokálních IO je možné systém řady 1769 vybavit vzdálenými IO. Počet vzdálených IO není nikterak limitován, jediným omezujícím faktorem je počet
komunikačních
spojení,
které
dokáže
řídicí
systém
navázat
(connections). Použitý procesor 1769-L32E dokáže navázat šestnáct spojení pro vzdálená zařízení, obecně lze tedy připojit šestnáct různých zařízení (např. šestnáct ostrovů vzdálených IO). Výukové pracoviště bude osazeno jedním ostrovem vzdálených IO, zejména pro možnost názorného vysvětlení architektury distribuovaných IO. Pracoviště je vybaveno operátorským panelem PanelView Plus umožňujícím vizualizaci realizovaná úlohy, tento panel komunikuje s řídicím systémem též prostřednictvím Ethernet IP. Jedná o barevný operátorský panel s úhlopříčkou 6“ a dotykovým displejem. Vizualizační aplikace vyvinutá pro operátorský panel může být též provozována jako tzv. runtime přímo na PC. Další funkčním prvkem pracoviště je frekvenční měnič PowerFlex 40. Frekvenční měnič je též vybaven komunikačním rozhraním Ethernet IP. Pro řízení frekvenčního měniče je tedy na rozdíl o konvenčního řešení (binární komunikace, proudová smyčka či napětová úroveň) použit právě Ethernet IP. Tato metoda je zvolena z důvodu názorné ukázky trendů v automatizovaném řízení, kdy konveční řízení akčních 56
členů je nahrazováno řízením prostřednictvím komunikace. V případě rozsáhlých instalací je toto řešení velmi populární a přináší značné úspory. Pracoviště je též vybaveno dalšími prvky, které jsou nutné pro zdárný chod celého systému. Jedná o zdroj stejnosměrného napětí a ethernetový přepínač. Pro základní práci budou ke stanici dodány simulátory IO, které jsou standardně používány na VŠPJ v předmětu PRS. Výukové pracoviště je koncipováno tak, aby bylo možné využívat též názorných modelů jednoduchých automatizačních úloh. Pro potřeby připojení modelů je pracoviště vybaveno průmyslovými konektory. Součástí bakalářské je i jednoduchý model. Jedná se o model tepelné soustavy, který je volitelně připojitelný k výukovému pracovišti. Konstrukce modelu je po mechanické stránce podobná výukovému pracovišti. Z hlediska automatizačních prvků je model vcelku jednoduché zařízení, které je ovládáno pouze binárními a analogovými signály. Model je určen pro demonstraci jednouché regulační smyčky. Pro zajištění funkcionality výukového pracoviště je samozřejmě zapotřebí vývojových software v kterých budou potřebné aplikace vytvořeny. Řídicí systém je použit software RSLogix5000 ve verzi 18. Pro operátorský panel je použit software FTViewME ve verzi 6.0. Instalace vývojových software na pracovní stanici ve vlastnictví VŠPJ není předmětem bakalářské práce. Pro vlastní realizaci výukových manuálů a testování použije autor vlastních prostředků. V případě pokračujícího zájmu ze strany VŠPJ je autor samozřejmě ochoten pokračovat ve spolupráci při budování laboratoře Rockwell Automation. Základní vlastnosti software potřebných pro výukové pracoviště jsou popsány ve výukových manuálech, případně jsou zde uvedeny odkazy na firemní literaturu, která se patřičné problematice věnuje. Pro výukové pracoviště jsou určeny i dva výukové manuály (rozsah 2 x 2 hodiny). První výukový manuál je určen pro seznámení se s pracovištěm. Toto je velmi důležitý krok, jelikož pouze důkladné seznámení se s architekturou pracoviště může pomoci při následném cvičení dosáhnout stanovených cílů. Pochopení principů pracoviště je též nutné z hlediska 57
dodržení bezpečnosti práce při laboratorních cvičeních. V rámci prvního výukového manuálu je věnována pozornost základní práci na výukovém pracovišti. Značný prostor je věnován vytvoření hardwarové konfigurace a nastavení jednotlivých komponent pracoviště tak aby byla možná vzájemná komunikace. Základní práce se vstupy a výstupy je vysvětlena při práci se simulátory IO. Dále je první manuál zaměřen na základní binární instrukce a instrukce časovačů. Manuál obsahuje jednoduchou úlohu zapnutí motoru, která je vysvětlena krok za krokem, tak aby bylo možné její samostatné zvládnutí v průběhu časové dotace dvou hodin. Druhý výukový manuál navazuje na zkušenosti osvojené při cvičení dle prvního manuálu. Nejprve je úloha doplněna o jednoduchou vizualizační aplikaci. Následně je doplněno řízení motoru pomocí frekvenčního měniče.
58
9. Popis implementace V průběhu realizace nenastaly vážnější komplikace. Příprava rámu výukové stanice byla velmi uživatelsky přívětivá díky použití hliníkových modulů FM Systeme. Elektrické zapojení jednotlivých komponent výukové stanice bylo víceméně rutinní záležitostí. Veškeré použité komponenty byly vybaveny aktuální verzí firmware, při této činnosti je obecně zapotřebí postupovat velmi obezřetně, jelikož v případě nevyžádaného přerušení může dojít k poškození dat přenášených do interní flash paměti. Příprava výukových manuálů si vyžádala poměrně velkou časovou dotaci, a to zejména z důvodu odzkoušení úloh včetně úvahy jak podrobně manuály připravit. Při realizaci modelu tepelné soustavy nastala však drobná komplikace ohledně vybraného motoru pro model. Z didaktických důvodů bylo nutné použít třífázový asynchronní motor, nejlépe s vinutím 3 x 230 V. Jako nejvhodnější byl vybrán motor výrobce Oriental Motor, který nejlépe splňoval požadované parametry, včetně malých zástavbových rozměrů a originálního příslušenství. Bohužel distributor prodloužil dodací dobu o dva měsíce z důvodu zemětřesení v Japonsku, které ovlivnilo část výroby zde umístěné. Bylo tedy nutné zvolit variantní řešení, bohužel v oblasti asynchronních motorů s malým výkonem není příliš bohatá nabídka. Vybrán byl výrobek české společnosti Atas, jedná se o asynchronní třífázový motor o nominálním výkonu patnáct Wattů. Motor má pevné vývody, což umožňuje pouze zapojení vinutí na 3 x 400 V. Tato skutečnost je drobnou nevýhodou, jelikož výuková stanice je napájená napětím 230 V, takže i na výstupu frekvenčního měniče je k dispozici pouze 3 x 230 V. Pro výukové účely není tato skutečnost nikterak limitující, pouze je nutné zmínit, že dojde ke snížení skutečného výkonu motoru.
59
Obrázek 3 Výuková stanice Allen - Bradley
Obrázek 4 Výukový model tepelné soustavy
60
10.
Výsledky testování
Při realizaci bakalářské práce byly použity pouze osvědčená a garantovaná řešení. Testování se omezilo na bezpečnost a celkovou funkčnost, včetně vhodnosti výukových manuálů. Základní testování funkčnosti provedl sám autor. Testování výukových manuálů bylo provedeno za pomoci spolupracovníků ze zaměstnání a za účasti správců laboratoří Allen - Bradley při vzdělávacích zařízeních (technické univerzity). Výukové manuály byly hodnoceny kladně, vytknuta však byla přílišná podrobnost. Též byla velmi kladně hodnocena uživatelská přívětivost práce se systémy Allen - Bradley, a to jak softwarových produktů, tak i samotného hardware.
61
11.
Srovnání s existujícími řešeními
Z prostředí VŠPJ je autor obeznámen se základními vlastnostmi systémů Mitsubishi a Wago. Je tedy možné provést alespoň základní srovnání systému Allen - Bradley s výše uvedenými.
11.1.
Wago versus Allen - Bradley
Řídicí systém Wago používaný na VŠPJ patří do skupiny malých programovatelných systémů, zatímco systém Allen - Bradley implementovaný v bakalářské práci patří do skupiny středně výkonných systémů. Co se vývojového prostředí týče systémy Wago používají vývojový software Codesys, subjektivní názor autora se přiklání spíše k prostředí RS Logix, které používají systémy Allen - Bradley. Tento názor však může být ovlivněn autorovou větší zkušeností se softwarem RS Logix. Provedení výukové stanice pro systém Wago je zaměřeno pouze na základní funkcionalitu, zatímco provedení výukové stanice realizované v rámci bakalářské práce klade důraz na komplexnost celého pracoviště a profesionální kvalitu mechanické práce.
11.2.
Mitsubishi versus Allen - Bradley
Řídicí systém Mitsubishi používaný na VŠPJ patří do skupiny malých programovatelných systémů, zatímco systém Allen - Bradley implementovaný v bakalářské práci patří do skupiny středně výkonných systémů. Co se vývojového prostředí týče, systémy Mitsubishi používají vývojový software GX IEC Developer, subjektivní názor autora se přiklání spíše k prostředí RS Logix, které používají systémy Allen - Bradley. Tento názor však může být ovlivněn autorovou větší zkušeností se softwarem RS Logix. Provedení výukové stanice pro systém Mitsubishi je zcela profesionální, včetně simulátorů pro vstupy a výstupy (včetně analogových). Je zřejmé, že se jedná přímo výukovou stanici dodávanou výrobcem.
62
Závěr Lze konstatovat, že bakalářská práce jako celek splnila svůj úkol. Řešitel se v rámci práce zdokonalil ve zpracování informačních zdrojů, které použil pro zdárné vypracování bakalářské práce. Též bylo nutné projevit organizační schopnosti při zajištění potřebných komponent pro praktickou část bakalářské práce. Praktická část si také vyžádala nemalou dávku duševní práce při programování vzorových úloh. Samotná realizace výukového pracoviště a didaktického modelu se neobešla bez manuální zručnosti. Veškeré výše uvedené skutečnosti nepochybně přispěly k osobnímu rozvoji řešitele. Dalším aspektům, které práce přinesla je věnován prostor níže. Dosažení cílů Cíle stanovené v zadání bakalářské práce byly splněny. Zejména pak praktická část je dle názoru řešitele vhodná pro další uplatnění při rozvoji výuky v oblasti průmyslové automatizace na VŠPJ. Přínos bakalářské práce Hlavní přínosy bakalářské práce spatřuje řešitel v jejím provedení, které je velmi blízké komerční realitě. Je potřeba zmínit, že práce nepřináší žádné vědecké či výzkumné výsledky, nicméně na to si práce nedělala ambice od samého začátku. Bakalářská práce byla věnována zejména popisu aktuálního stavu v oblasti průmyslových řídicích systémů, tomu byla věnována teoretická část. V praktické části byla vyhotovena výuková stanice založená na řídicím systému Allen - Bradley, dále pak didaktický výukový model. Také vznikly tři výukové manuály. Velká část bakalářské práce může být použita ke kompilaci výukových plánu pro předměty zabývající se právě průmyslovou automatizací. Signifikantním přínosem je utilizace svěřeného materiálu a započetí jeho užívání v praxi. Tímto započalo i budování laboratoře Allen - Bradley založené na komponentech výrobce Rockwell Automation.
63
Náměty pro další aktivity V průběhu práce vyvstalo několik námětů pro další aktivity v oblasti průmyslové automatizace na VŠPJ. Níže jsou uvedeny: –
Utilizace dalších svěřených sestav automatizačních komponentů. VŠPJ disponuje celkem pěti identickými sestavami.
–
Zpřístupnění výukové stanice prostřednictvím vzdáleného přístupu přes internet. Tato aktivita může pomoci při budování PR VŠPJ ve spolupráci s Rockwell Automation.
–
Realizace bakalářských prací na téma: o Výuková stanice Allen - Bradley. Bezpečnost v automatizaci v hlubších souvislostech. Zavedení harmonizovaných norem v ČR.
Realizace
didaktického
modelu
zaměřeného
na
elementární řešení bezpečnostních obvodů v automatizaci za použití koncepce prvků Allen - Bradley. o Výuková stanice Allen - Bradley. Precizní řízení pohybu (Motion Control). Popis základních a pokročilých řešení pro řízení pohybu. Obecný popis komerčně rozšířených standardů v oblasti Motion Control. Realizace didaktického modelu zaměřeného na základní řízení pohybu, za použití koncepce prvků Allen - Bradley, použití indexing servo. o Výuková stanice Allen - Bradley. Ukázkový projekt nekomerční vizualizace za použití MS Visual Studion 2010. Možnost použití freewarové knihovny Advance hmi.
64
Seznam použitých zkratek ASCII
American Standard Code for Information Interchange
CNC
Computer Numeric Control
DCS
Distributed Control Systém
ESD
Emergency Shut Down
GM
General Motors
HMI
Human Machine Interface
MODICON
MODular DIgital CONtroller
OWS
Operator Workstation
PAC
Programmable Automation Controller
PLC
Programovatelný logický automat
RA
Rockwell Automation
RS
Recommended Standard
SCADA
Supervising Control And Data Acquisition
VŠPJ
Vysoká škola polytechnická v Jihlavě
65
Seznam použité literatury 1. CHLEBNÝ, Jan; kolektiv. Automatizace a automatizační technika III. Brno: Computer Press, 2009. 296s. ISBN 978-80-251-2523-6 2. KOSEK, Rostislav. Profinet – řešení firmy Siemens pro průmyslový Ethernet v automatizaci. Praha: Automatizace 2004, ročník 47, číslo 9, strana 564. 3. MELORE, Phil. Your Personal PLC Tutor. US 1999. 4. Robert D. Law. DeviceNet Book of Knowledge. US 2011. 5. Rockwell Automation. 22-COMM-E EtherNet/IP Adapter. US 2004. 22COMM-UM004B-EN-P. 6. Rockwell Automation. 837E Solid-State Temperature Switch Installation Instructions. US 2011. 837E-UM001-EN-P. 7. Rockwell Automation. PanelView Plus user manual. US 2009. 2711P-UM001J-EN-P. 8. Rockwell Automation. PowerFlex 40 user manual. US 2008. 22BUM001G-EN-E. 9. Rockwell Automation. Stratix 2000 Ethernet Unmanaged Switch Installation Instructions. US 2011. 1783-IN001D-EN-P. 10. Rockwell Automation. User manual for 1769-IF4XOF2. US 2001. 1769-UM008A-EN-P. 11. Rockwell Automation. User manual for 1769-L32E. US 2010. 1769-UM011G-EN-P. 12. STIBOR, Karel. Seminář Bezpečnost v moderním průmyslu. Brno: 2011.
66
13. ŠMEJKAL, Ladislav. PLC a automatizace 2. Praha: BEN, 2009. 202s. ISBN 80-73000-087-3. 14. ŠMEJKAL,
Ladislav;
MARTINÁSKOVÁ,
Marie.
PLC
a
automatizace 1. Praha: BEN, 2009. 224s. ISBN 978-80-86056-58-6. 15. ZEZULKA, František. Prostředky průmyslové automatizace. Brno: VUTIUM, 2004. 16. ZEZULKA, František; HYNČICA Ondřej. Průmyslový Ethernet IX: EtherNet/IP, EtherCAT. Praha: AUTOMA 2008, číslo 10. 17. http://www.rs485.cz/ , [cit. 28.1.2011] 18. http://cs.wikipedia.org/wiki/Modbus/ , [cit. 14.2.2011] 19. www.can.bosch.com/docu/can2spec.pdf/ , [cit. 22.2.2011] 20. http://www.canopen.us/history.htm/ , [cit. 26.2.2011] 21. http://www.rtaautomation.com/modbustcp/ , [cit. 3.3.2011] 22. http://cs.wikipedia.org/wiki/Stuxnet/ , [cit. 26.3.2011] 23. http://cs.wikipedia.org/wiki/RS-232/ , [cit. 5.1.2011] 24. http://cs.wikipedia.org/wiki/Profibus/ , [cit. 11.1.2011]
67
Seznam obrázků Obrázek 1: Ukázka topologie DeviceNet, použití KwikLink.......................... 28 Obrázek 2: Ukázka topologie Ethernet IP, použití star v kombinaci s DLR.... 36 Obrázek 3 Výuková stanice Allen - Bradley .................................................. 60 Obrázek 4 Výukový model tepelné soustavy ................................................. 60
68
Seznam příloh 1. Základní výukový manuál, 26 stran. 2. Rozšířený výukový manuál, 38 stran. 3. Pokročilý výukový manuál, 36 stran. 4. Materiál a konečný rozpočet 4 strany.
69
