Proměny průmyslové automatizace

Prezentace na téma: "Proměny průmyslové automatizace"— Transkript prezentace:

1 Proměny průmyslové automatizace
František Zezulka, Ondřej Hynčica UAMT FEKT VUT v Brně, Kolejní 4, Brno NEXT

2 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

3 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

4 Průmyslové komunikační systémy v kontextu automatizačních prostředků

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

6 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

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

8 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

9 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

10 Profibus - komunikační model RM ISO OSI a Model Profibus

11 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

12 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

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

14 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

15 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

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

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

18 Foundation Fieldbus – komunikační model
PHY

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

20 Foundation Fieldbus – fyzická vrstva

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

22 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

23 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

24 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),

25 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.

26 LonTalk Příklad sítě LonWorks

27 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

28 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

29 AS-interface – příklad toplogie

30 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

31 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

32 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

33 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

34 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

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

36 Průmyslový Ethernet - přehled 1/2
Již není standardem IEEE – 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

37 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

38 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

39 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)

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

41 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

42 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

43 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

44 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

45 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 (Digital communication in Industrial Control systems) – IEC ( Fieldbus for Industrial Control systems)

46 Standardy průmyslových sítí IEC 61158, IEC 61784-1
Tyto standardy nahrazují původní standardy (CENELEC) EN (General purposes fied communication systems) EN (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

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

48 Standard IEC Standard IEC definuje profily komunikujících zařízení:

49 Aktuální struktura a aktivity SC65C
Struktura SC65C

50 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 včetně specifikace ukazatelů vlastností RTE

51 Jak dál ve standardizaci průmyslové komunikace? 1/2

52 Komunikační modely průmyslových Ethernetů

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

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

55 Děkuji za pozornost