Proměny průmyslové automatizace František Zezulka, Ondřej Hynčica UAMT FEKT VUT v Brně, Kolejní 4, 612 00 Brno E-mail: zezulka@feec.vutbr.cz, xhynci00@stud.feec.vutbr.cz NEXT

Motto: Průmyslové komunikační systémy nejsou jen propojovacím kanálem mezi automatizačními prostředky v řídicí architektuře strojů, výrobních linek, technologických, energetických a dopravních systémů, ale staly se nejen automatizačním prostředkem, ale zároveň fenoménem automatického řízení. Jako takové si zaslouží systematickou pozornost. NEXT

Osnova: Přehled automatizačních prostředků Průmyslové komunikační systémy v kontextu automatizačních prostředků Sběrnice v DCS, PLC a IPC orientovaných systémech Rozdělení průmyslových komunikačních systémů, jejich charakteristiky, parametry a oblasti použití Strukturalizace průmyslových sběrnic Standardizační proces, IEC 1158, EN 5O170 Přehled průmyslových komunikačních prostředků Ethernet Průmyslový Ethernet Norma IEC 61158 NEXT

Průmyslové komunikační systémy v kontextu automatizačních prostředků

Rozdělení průmyslových komunikačních systémů, jejich charakteristiky, parametry a oblasti použití

Charakteristiky Sensor/aktor bus Device bus Fieldbus Charakteristika AS-i, Interbus, HART, proprietární (FlexIO apod.) Device bus DeviceNet, Interbus S, CAN a další proprietární Fieldbus Profibus, WorlFIP, P-Net, ControlNet a další

Standardizační proces ISA SP 50 a IEC SC 65 IEC 1158 Evropský standardizační proces EN 50170 Profibus FIP P-Net

Profibus Příklad průmyslové sběrnice dle doporučení SP 50 Polovina 80. let Standardizace jako DIN 19245 Standardizace jako EN 50170, díl 2 Standardizace v ISO 61158

Profibus Struktura Komunikační model Profibus FMS (propojení PLC, IPC, OS) Profibus DP (decentralizované periferie) Profibus PA (technologické procesy) Komunikační model Fyzické vlastnosti, přístupová metoda, topologie Parametry (vzdálenost, rychlost Současnost a budoucnost

Profibus - komunikační model RM ISO OSI a Model Profibus

Profibus - základní vlastnosti 1/2 Fyzická vrstva Médium - kroucená stíněná dvoulinka (RS 485), světlovodič Průmyslové provedení konektorů Délka segmentu 1 200m bez opakovačů (repeater), 32 účastníků na segment, Max. 128 Škála rychlostí od 9.6 kbitů/sec. do 12 Mbitů/sec. (DP), 31.25kbitů/sec. (PA) Integrované řadiče Profibus DP

Profibus - základní vlastnosti 2/2 Linková vrstva Vrstva přístupu k přenosovému médiu, zabezpečení a přístup k 7. aplikační vrstvě Hybridní přístupová metoda token passing a Master – Slave

FIP - EN 50170, díl 3. FIP – Evropské firmy, hlavně Francie Přenos na severoamerický kontinent jako WorldFIP RS 485, kroucená dvoulinka, rychlosti 31.25 až 2,5 Mbitů/sec., segment pro 32 účastníků, max. 256 účastníků

FIP - EN 50170, díl 3. Přístupová metoda - zdrojově orientovaný polling Cyklicky pověřuje jednotlivé stanice vysílat nebo přijímat data arbitr vlastní seznam všech síťových proměnných (65 536) Každá proměnná má vlastní identifikátor Stanice přijímají zprávy dle identifikátoru Několik stanic může současně přijímat vysílaná data

FIP - EN 50170, díl 3. FIP rozšířen ve Francii a na severoamerickém kontinentu Spolu s Profibusem se účastnil standardizace v ISP projektu Spolu s Profibusem je inspirací pro Foundation Fieldbus

P-Net – EN 50170, díl 1. Vyvinut a rozšířen v Dánsku Vhodný pro propojování rozsáhlých sítí Speciální přístupová metoda s nízkou přenosovou rychlostí

Foundation Fieldbus Inspirován spoluprací PNO (Profibus) a WorldFIP v ISP projektu Nejblíže „světovému standardu“ fieldbusu dle ISA SC 50 Ve variantě H1 implementuje IEC 61158 -2 pro linkovou vrstvu Ve variantě H1vhodný pro chemii a výbušnou zónu ( rychlost 31.25 kbitů/sec.) Standardizace „8. vrstvy“ RM ISO OSI

Foundation Fieldbus – komunikační model PHY

Foundation Fieldbus – fyzická vrstva Dle ISA a IEC 1158-2 do výbušné zóny Doplňování a odstraňování záhlaví Proudová smyčka, napájení po sběrnici Kódování Manchester II Pevná rychlost 31.25 kbitů/sec.

Foundation Fieldbus – fyzická vrstva

Další průmyslové komunikační systémy CAN (mimo ISO RM OSI) DeviceNet (device bus ODVA/Rockwell) ControlNet (fieldbus ODVA/Rockwell) CANopen Interbus AS-interface HART další

Totálně distribuované řídicí systémy Automatizace budov Energetické a další rozlehlé systémy LONworks, EIB, X10 Žádný arbiter Žádný řídicí člen Síťové proměnné (producer /consumer, publisher /subscriber

LONworks 1/3 protokol musí být implementovaný do velmi levného čipu, musí podporovat přenos nejběžnějšími médii od kroucené dvoulinky, radiového přenosu, telefonní linky, silových rozvodů, infračerveného přenosu až po koaxiální kabel a světlovodič, musí umožnit připojení až desítek tisíc účastníků sítě

LONworks 2/3 musí zaručovat velmi bezpečný provoz, neboť jeho základní poslání je v řízení procesu a ne pouze v přenosu dat, doba odezvy musí být nezávislá na rozlehlosti sítě, musí umožnit peer-to-peer komunikaci, tj. každý účastník musí mít možnost bez arbitra komunikovat s jiným libovolným účastníkem (což má úzkou souvislost s bezpečným provozem sítě, která tak není vystavena zhroucení při zhroucení arbitra),

LONworks 3/3 musí umožnit zabudovat arbitráž jednoho účastníka nad druhým; řešení musí být softwarové a zcela nezávislé na výrobci čidel a akčních členů (musí to být možné provést v protokolu), na LonTalk musí být připojitelné výrobky různých výrobců bez jakýchkoli dohod a konzultací prostě jen tím, že jsou pomocí čipu připojitelné do sítě LonWorks, interface musí být pro komunikující prvek zcela průhledný.

LonTalk Příklad sítě LonWorks

LonTalk Peer–to–peer prediktivní p-naléhající CSMA metoda RS 485 a další dle média Kód Manchester II Bohaté možnosti adresování až 32 tis. node Možnost implementace všech vrstev RM Twist, PWL, koaxiál, telefonní linky, bezdrát

AS-interface Typický sensor/actor bus Různé topologie Dvě specifikace na 31 resp. 62 aktivních a/nebo 124 resp. 248 pasivních binární I/O zařízení Plug and play 5 resp. 10 msec cyklus sítě Speciální fyzická vrstva s profilovým nestíněným nekrouceným kabelem Unikátní APM (alternating puls modulation) zaručující vysokou robustnost Především pro přenos binárních signálů Jen do nevýbušného prostředí Vyvinuta varianta Safety at Work

AS-interface – příklad toplogie

Ethernet a průmyslové komunikace 1/2 State of the art v průmyslových sítích Příliš mnoho systémů K jednomu automatizačnímu přístroji několik komunikačních standardů Nevýhoda pro výrobce Nevýhoda pro uživatele Plně vyhovující stav z hlediska funkčnosti Safety varianty u nejvýznamnějších fieldbusu Real-time z principu zaručen u dedikovaných systémů Uzavřenost vzhledem k privátním sítím, tudíž není třeba řešit security

Ethernet a průmyslové komunikace 2/2 Proč tedy Ethernet jako další fieldbus Jednotná komunikace ve všech úrovních podnikové komunikace Možnost využití IT nákladů na vývoj systémů jen pro automatizaci Masové rozšíření Ethernetu a tím nízká cena komponent Vysoká a neustále rostoucí rychlost přenosu Nebo něco více než jen další fieldbus? Ethernet prošel vývojem, již není standardem IEEE 802.3 Přirozeně otevřený směrem k Internetu

Ethernet v automatizaci Jak splňuje podmínky systémů automatického řízení? R-T vlastnosti (determinismus, včasnost, současnost) Safety Security Robustnost V mnoha ohledech nedostatečně. Proto šel vývoj k průmyslovým Ethernetům

Ethernet v průmyslové komunikaci Ethernet versus fieldbusy a nižší druhy sběrnic Standard v kancelářských a informačních sítích Popularita Internet Výkon/cena Rychlost Přepínaný Průmyslový Ethernet versus Ethernet Real-time Safety Security Robustní provedení Automatizační profily

Ethernet pro kanceláře a IT 1/2 Ethernet TCP/IP, IEEE 802.3, WiFi (bezdrátová varianta) De facto standard od poloviny 80. let pro LAN Nedeterministický, CSMA/CD Kancelářské provedení Dobré EMC vlastnosti Otevřenost k internetu Stále vyšší rychlost (10Mbit/s, 100Mbit/s – fast Ethernet, 1Gbit/s, 10Gbit/s) Vynikající poměr výkon/cena Strukturovaná kabeláž Klient/server Přepínání - zmenšení kolizních domén, cesta k real - time

Ethernet pro kanceláře a IT 2/2 Komunikační model Ethernet TCP/IP s dalšími protokoly

Průmyslový Ethernet - přehled 1/2 Již není standardem IEEE 802.3 – cesta k výkonnému fieldbusu a něco/hodně navíc: Kvazideterminismus Priority v přístupovém MAC mechanismu UDP místo TCP Producer – consumer Publisher - subscriber Přepínání (switching)/ Bezkolizní domény Topologie Směrování/ Segmentování Plánování komunikace Vysoká rychlost přenosu Duplexní provoz

Průmyslový Ethernet 2/2 Determinismus Robustnost Synchronizace (PTP protokol dle IEEE 1588) Robustnost Fyzická Elektrické provedení (EMC) Safety Firewall, implementace security mechanismů z IT Jednotná komunikační technologie v celé informační pyramidě Vysoká ekonomika projektování, uvádění do provozu Otevřenost k Internetu Umožňuje využití všech Internetových technologií Vzdálené monitorování Standardní (elektricky), levné Ethernetové karty

Ethernet a Real-Time 1/3 Systém reálného času je takový systém, který je schopen správně reagovat na vstupní události do předem stanoveného pevného časového okamžiku. Kategorie RT systémů

Dva aspekty funkce RT systému: Ethernet a Real-Time 2/3 Dva aspekty funkce RT systému: včasnost (timeliness) - reakce systému (řídicího, komunikačního), kdy systém provede požadovanou operaci do určitého daného času (deadline) současnost (synchronism) - synchronizace akcí jednotlivých účastníků s předepsanou přesností daného časového okamžiku td, v určitém tolerančním časovém pásmu (jitter)

Znázornění včasnosti a současnosti systému Ethernet a Real-Time 3/3 Znázornění včasnosti a současnosti systému

Mechanismy pro zajištění RT funkce průmyslového Ethernetu 1/2 přepínání (přepínaný Ethernet) – bezkolizní domény, není sdílené médium, každý účastník má svůj segment segmentování (rozdělení LAN na časově kritické RT segmenty a časově nekritické) – fyzické oddělení real-time zpráv od časově nekritických

Mechanismy pro zajištění RT funkce průmyslového Ethernetu 1/2 vysoká rychlost přenosu (10Gbitů/s i vyšší) a plný duplex– zkrácení kolizního časového intervalu zpráv prioritní sloty ve formátu protokolu Ethernet dle IEEE 802.1p (pakety označené vyšší prioritou jsou přenášeny před pakety s nižší prioritou) použití UDP namísto TCP (nespojovaná služba poskytuje předání zprávy po předešlé chybě přenosu již při dalším vysílání zprávy) snížení časového tolerančního pásma (jitter) protokolem PTP (Precision Time Protocol) dle standardu IEEE 1588 – synchronizace

Synchronizace v průmyslovém Ethernetu 1/2 Ethernet TCP/IP je z principu nedeterministický Časový rozvrh komunikace a provedení akcí si nejsou jednoznačně přiřazeny Synchronizační mechanismy, použité v sítích LAN jako NTP (Network Time Protocol) a SNTP (Simple Network Time Protocol) neřeší požadavky průmyslové automatizace Třeba implementovat do Ethernetu TCP/IP levný synchronizační prostředek, který příliš nezatíží výkon jednotlivých účastníků sítě. Řešením je způsob synchronizace PTP (Precision Time Protocol) dle standardu IEEE 1588

Synchronizace v průmyslovém Ethernetu 2/2 Synchronizace distribuovanými hodinami reálného času Umožňuje Ethernetu TCP/IP dosáhnout lepší synchronizace než jaké dosahují současné fieldbusy Používá se již v současných variantách průmyslového Ethernetu, v časově kritických aplikací jako jsou pohony, systémy distribuce energie, systémy back-up pro další informační kanály apod. Používají ho např. EtherCAT, Ethernet IP(CIPsync), Ethernet Powerlink, Profinet V3

Standardizace průmyslových komunikačních sítí Fieldbus – průmyslový komunikační systém pro komunikaci v úrovni bezprostředního řízení (PLC a 1. úroveň řízení v architektuře DCS) IEC (International Electrotechnical Commision) – normotvorná organizace Standard Committees, Working groups SC65C připravovala 15 let Fieldbus (celosvětový standard průmyslového komunikačního prostředku) Výsledkem je “The international fieldbus“ (z konce 1999) definovaný standardy: – IEC 61784-1 (Digital communication in Industrial Control systems) – IEC 61158 ( Fieldbus for Industrial Control systems)

Standardy průmyslových sítí IEC 61158, IEC 61784-1 Tyto standardy nahrazují původní standardy (CENELEC) EN 50170 (General purposes fied communication systems) EN 50254 (High efficiency communication subsystems for small data packages) Výsledkem práce SC65C není (z mnoha důvodů) jednotný celosvětový standard, ale standardizace 7 stávajících fieldbusů: Foundation Fieldbus, ControlNet, Profibus, P-Net, SwiftNet, WorlFIP, Interbus-S

Standardy průmyslových sítí IEC 61158, IEC 61784-1 Vztah mezi standardy Fieldbusu

Standard IEC 61784-1 Standard IEC 61784-1 definuje profily komunikujících zařízení:

Aktuální struktura a aktivity SC65C Struktura SC65C

Standardizace průmyslového Ethernetu Další aktivity SC65C Standardizace průmyslového Ethernetu Implementace stávajících průmyslových Ethernetů do IEC 61158 (HSE, Ethernet/IP, PROFInet, PowerLink, EtherCAT a dalších) Stanovení pravidel pro RTE ve standardu IEC 61784-2 včetně specifikace ukazatelů vlastností RTE

Jak dál ve standardizaci průmyslové komunikace? 1/2

Komunikační modely průmyslových Ethernetů

Jak dál ve standardizaci průmyslové komunikace? 2/2 Takže výsledkem bude 11 standardů RTE uvnitř ICE 61784-2, z nichž každý bude mít několik komunikačních profilů.

Závěr Průmyslové komunikační systémy – fenomén automatizace Průmyslové sběrnice Evropské průmyslové sběrnice IEC 61158 a IEC 61784 Průmyslový Ethernet Výhled

Děkuji za pozornost