Roboty a manipulátory Sběrnicové systémy Katedra elektrotechniky a automatizace Technická fakulta, ČZU v Praze Miloslav Linda Michal Růžička Vladislav Bezouška

Obsah přednášky Protokoly, topologie EtherNet, DeviceNet PROFIBUS, PROFINET CAN bus AS-i Proudová smyčka IO link TIA/EIA 232 TIA/EIA 485

Topologie Logická topologie Fyzická topologie popisuje ,jakým způsobem jednotlivá zařízení získávají přístup k posílání informací po síti.Je třeba uvážit ,že v daný okamžim může do sítového segmentu (části, bloku) vysílat pouze jedno koncové zařízení. Fyzická topologie udává jakým způsobem jsou jednotlivá zařízení mezi sebou propojeny

Topologie

Sběrnicová (BUS) Realizována pomocí jednoho souvislého useku kabelu, na který se připojují ostatní zařízení pomocí spojek nebo odboček.Zakončení této sítě je realizováno pomocí terminátorů, které zabraňují zpětnému odražení signálu. Informace vyslaná z jednoho zařízení je vyslána ke všem zařízením současně, ale pouze adresát může tuto informaci zpracovat .

Výhody a nevýhody sběrnice Jednoduchá realizace sítě a připojování dalších zařízení. Realizace sítě vyjde na malé náklady. Vhodné pro malé a dočasné sítě. Nevýhody Pokud nastane problém s kabelem vypadne celá sít. Omezená délka kabelu a počet stanic. V jeden okamžik lze poslat pouze jednu informaci. Malá přenosová rychlost. Výkon sítě klesá s připojováním dalších zařízení. Vyslaná informace je zachycena všemi zařízeními, dochází k zbytečnému zatěžování sítě.

Kruhová (RING) Je uspořádána tak, že jednotlivé stanice jsou navzájem propojeny a tvoří uzavřený kruh.Data v této síti obíhají od vysílajícího zařízení přes všechny ostatní zařízení v síti a mohou si je přečíst jen ty stanice, kterým jsou určena. Pokud se poruší některé zařízení nebo se přeruší kabel celá sít vypadne. Pro připojení jednotlivých zařízení se používají stejné přípojky a rozbočky jak v topologii sběrnicové.Výhodou o proti sběrnicové topologii je, že každé zařízení funguje jako opakovač a tudíž zesiluje signál a posílá ho dál.

Výhody a nevýhody sběrnice Nevznikají kolize, protože data putují jedním směrem. Realizace sítě vyjde poměrně na malé náklady . Odpadá potřeba ukončovat sít pomocí terminátorů. Nevýhody Data musí projít přes všechny stanice, tudíž zbytečné zdržování přenosu. Zhroucení jednoho uzlu znamená nefunkčnost celé sítě. Je těžké najít a odstranit závadu. Při připojování nového zařízení se musí odstavit celá sít.

Hvězdicová topologie (STAR) připomíná svým zapojením hvězdici.Skládá se ze samostatných kabelů, které vedou od jednoho zařízení k rozbočovači nebo přepínači.V přepínači (SWITCH) se pak data nasměrují ke správnému adresátovi. Odpadá tu tedy povinnost aby data musela projít přes všechny zařízení jako tomu bylo např. u kruhové topologie. Naopak v rozbočovači (HUB) se data posílají k dispozici i ostatním stanicím pro které nejsou určeny, ale přečíst si je může jen adresát .Dochází zde tedy ke stejnému zdržení jako u topologie kruhové .

Výhody a nevýhody sběrnice Selhání jednoho zařízení neochromý celou sít. Nedochází ke kolizím dat. Snadné nastavení a rozšíření. Snadné nalezení chyby a oprava. Nevýhody Vyšší spotřeba kabelů. Při selhání HUBu nebo SWIRCHe selhání celé sítě.

Stromová topologie Stromová topologie je složena z několika hvězdicových topologií ,které jsou vzájemně propojeny HUBy nebo SWITCHemi .Tato topologie má stejné výhody i nevýhody jako má hvězdicová topologie.Tato topologie se používá většinou ve velkých firmách.

Mesh topologie nebo také sítová, smyčková, pletivová nebo úplná topologie. Jedná se o topologii, v které je každé zařízení propojené s každým (full mesh) nebo může být použita alternativa kdy se některé spoje vynechají (částečný mesh). Výhodou této topologie je velká spolehlivost. Když některý spoj vypadne data si k cíli najdou jinou cestu. Tato topologie, se ale moc nerealizuje pomocí kabelů, využívá se jí v bezdrátových sítích.

EtherNet/IP a DeviceNet Vhodné pro veškeré standardní průmyslové aplikace včetně síťové komunikace v rámci PLC nebo systémů SCADA a ERP/MES. Umožňuje jednoduchou a obsáhlou komunikace prostřednictvím protokolu CIP se sítěmi DeviceNet a ControlNet.

EtherNet/IP Ethernet Industrial Protocol (Ethernet/IP) je otevřený síťový standard, podporující implicitní (skryté) zprávy (real-time I/O zprávy), explicitní (otevřené) zprávy nebo obojí a současně využívá komerčních komunikačních čipů a fyzických médií.

ControlNet ControlNet je moderní řídicí sběrnice pro průmyslové aplikace. Je to relativně velice rychlá – 5Mb/s (například oproti síti DeviceNet), deterministická a opakovatelná síť, kombinující úkoly dříve existujících sítí DH+ a Remote I/O. Oproti těmto starším sítí přináší ControlNet zlepšení spočívající především v možnosti přesného plánování přenosů. Je určena jak k výměně dat mezi procesory, případně k jejich programování, tak ke sběru dat ze vzdálených I/O zařízení, a to v rozsáhlých a rychlých systémech.

DeviceNet DeviceNet je otevřený síťový standard pro přenos dat v průmyslových systémech. DeviceNet byla vůbec první implementací protokolu CIP; tato síť byla představena v roce 1994. Podporuje až 64 zařízení, přenosová rychlost je volitelně 125 kb/s, 250 kb/s nebo 500 kb/s v závislosti na rozsahu sítě. Tato síť umožňuje připojovat a odpojovat zařízení za chodu. Přenosovým médiem je speciální čtyř žilový stíněný kabel (2 vodiče datové, 2 napájecí a stínění), který sdružuje rozvod napájení a přenos dat, má také vysokou odolnost proti rušení.

PROFINET, PROFIBUS, PROFIsafe Tři varianty protokolů zajišťují vysoké rychlosti přenosu dat, např. vstupních/výstupních dat pro motory a roboty, jež jsou kriticky závislá na přenosu v reálném čase, pro komunikaci po síti v rámci PLC či systémů SCADA a MES/ERP. Obsáhlé možnosti diagnostiky, nastavování parametrů a konfigurace.

PROFIDrive Jednou z nejrychleji rozvíjejících se oblastí automatizace je víceosé polohové řízení. Automatizované procesy jako například tiskařské stroje, obráběcí nebo textilní stroje apod. mohou pracovat rychleji, přesněji a spolehlivěji než dříve v případě konvenčních systémů založených na mechanických převodovkách. PROFIdrive nad technologiemi PROFIBUS a PROFINET umožňuje takové systémy realizovat. Více informací naleznete v brožuře PROFIdrive Technology and Application - System description.

PROFINET PROFINET, průmyslový Ethernet pro moderní automatizovanou výrobu, je budoucnost průmyslových komunikací v automatizaci. Propojuje zařízení, řídicí systémy i celé části technologie, aby umožnil rychlejší, bezpečnější, levnější a kvalitnější výrobu. Umožňuje snadno integrovat stávající systémy a zařízení, přičemž přináší výhody Ethernetu až na úroveň samotné technologie. Informace o této technologii jsou v brožuře PROFINET Technology and Applications - System description.

PROFIsafe Funkční bezpečnost ve výrobních podnicích je nedílnou součástí automatizace. Bezpečnostní systémy jsou nutné pro ochranu zařízení, zdraví, životů i okolního prostředí. Narozdíl od minulosti, kdy byly bezpečnostní systémy implementovány nezávisle na hlavním řídicím systému, jsou dnes jeho nedílnou součástí. Technologie jako PROFIBUS nebo PROFINET poskytují dostatečné možnosti, aby bylo možné vytvářet distribuované řídicí systém s integrovanými bezpečnostními funkcemi. Více informací o technologii PROFIsafe naleznete v brožuře PROFIsafe Technology and Application - System description. 

CANopen EtherCAT a Modbus-TCP EtherCAT: Krátké doby cyklu a vysoká rychlost a synchronizace téměř bez jakéhokoli kolísání představují jeho základní vlastnosti. Jeho jednotný profil umožňuje obsáhlou komunikaci pomocí sítě CANopen. Modbus-TCP: Jednoduchý, strukturovaný datový model vychází z architektury klient/server a data přenáší v rámci paketů TCP/IP. Díky tomu je Modbus plně kompatibilní s běžnými sítěmi Ethernet.

Síť IO-Link Připojení z bodu do bodu na úrovni strojů Zjednodušená montáž a zmenšený objem signálů díky sériovému přenosu dat. Snadné uvedení do provozu díky automatickému nastavení parametrů. Omezení odstávek díky diagnostice

AS-i (Actuator Sensor Interface) Optimalizovaný provoz při snížených nákladech. Ideální všude tam, kde jsou vyžadována decentralizovaná řešení. AS-Interface je rychlé, odolné a vyznačuje se nízkými náklady, a je proto vhodné pro binární a analogové akční členy, snímače, malé ventilové terminály a inteligentní válce.

AS-i Cílem standardu je podpora binárních akčních členů a senzorů na nejnižších úrovních procesní automatizace. Jde o sběrnici s Master-Slave řízením, současně lze připojit až 31 účastnických jednotek. Důležitým rysem standardu je možnost jejich napájení po sběrnici, která tak slouží pro napájení i pro přenos dat. Velkou výhodou je také prakticky libovolná topologie (liniová, hvězda, strom či jejich kombinace) a neexistence terminátorů na koncích vedení.

Základní charakteristika Nestíněná dvoudrátová sběrnice s libovolnou topologií Přenos dat a napájení po jediném vedení Délku vedení maximálně 100 m, při použití opakovačů 300 m Maximálně 31 účastnických stanic Maximálně 124 senzorů a 124 akčních členů Řízení komunikace na principu Master - Slave Kódování dat kódem Manchester Zabezpečení telegramu paritou Vysoká rychlost komunikace (cykl sběrnice kratší než 5 ms) Velmi jednoduchá instalace

Fyzická vrstva sběrnice Vzhledem k využití jediného vedení pro přenos napájení i datových signálů je definice fyzické vrstvy zcela specifická. Nominální hodnota napájecího napětí je 24 V. Součástí napájecího zdroje je i standardem definovaná indukčnost, která se podílí na přenosu dat. Při vysílání mění jednotlivé stanice odběr proudu, což vyvolá vznik napěťových impulsů (kladných a záporných) na vedení. Tyto napěťové impulsy jsou superponovány na napájecím napětí, jejich výskyt a polarita jsou sledovány a vyhodnocovány.

Struktura sběrnice Jak již bylo uvedeno, sběrnicové propojení všech stanic může mít prakticky libovolnou topologii (sběrnici, odbočná vedení, hvězdu, strom nebo jejich libovolnou kombinaci). Jediným požadavkem je, aby součet délek všech větví vedení nepřesáhl 100 m. Je-li požadována vyšší délka vedení, je nutno použít opakovač. Lze použít maximálně dva opakovače v jednom systému, celková délka vedení je tedy omezena na 300 m. Jak již bylo uvedeno výše, standard nevyžaduje použití terminátorů na koncích vedení, což dále zjednodušuje instalaci. Vzhledem ke zcela libovolné topologii sběrnice by použití klasických pasivních terminátorů stejně nebylo možné.

Kabelové propojení Připojení modulů k tomuto kabelu je realizováno krempováním, tzn. nejsou třeba žádné konektory ani odizolování spojů. Tato metoda současně zrychluje a zjednodušuje instalaci, neboť tvar kabelu brání připojení s opačnou polaritou. Standard ASI používá vlastní kabel. Jde o plochý kabel se dvěma vodiči dle následujícího obrázku:

AS-i

Literatura [1] Talácko, J.: Automatizace výrobních zařízení. ČVUT Praha, 2000 [2] Červeňan, A.: Hodnotenie pracovného priestoru robota. Slovenská technická univerzita v Bratislave, 2005 [3] Konečný, Z.: Technologie Top Down Design v návrhu struktur robotů. Robotika, 2005 [2] GE Fanuc Automation, Charlottesville, USA: dostupné z <http://globalcare.gefanuc.com/> [cit. 2007-03-22] [3] GE Fanuc Automation, Charlottesville, USA: dostupné z <http://www.gefanuc.com/en/> [cit. 2007-03-22]

Závěr Přehled sběrnicových systémů

Děkuji za pozornost