Proměny průmyslové automatizace

1. 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

2. Motto: Průmyslové komunikační systémy nejsou jen propojovacímkanálem 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 • 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 • 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 modelRM 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 31.25 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 61158 -2 pro linkovou vrstvu • Ve variantě H1vhodný pro chemii a výbušnou zónu ( rychlost 31.25 kbitů/sec.) • Standardizace „8. vrstvy“ RM ISO OSI

18. Foundation Fieldbus – komunikační model PHY

19. Foundation Fieldbus – fyzická vrstva • 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.

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. LonTalkPříklad 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 IT1/2 • 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 IT2/2 Komunikační model Ethernet TCP/IP s dalšími protokoly

36. Průmyslový Ethernet - přehled1/2 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

37. Průmyslový Ethernet2/2 Determinismus • 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-Time1/3 Systém reálného času je takový systém, který je schopen správně reagovat na vstupní události do předem stanoveného pevného časového okamžiku. Kategorie RT systémů

39. Ethernet a Real-Time2/3 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. Ethernet a Real-Time3/3 Znázornění včasnosti a současnosti systému

41. Mechanismy pro zajištění RT funkce průmyslového Ethernetu1/2 • 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 Ethernetu1/2 • 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 Ethernetu1/2 • 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 Ethernetu2/2 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 61784-1 (Digital communication in Industrial Control systems) – IEC 61158 ( Fieldbus for Industrial Control systems)

46. 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

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

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

49. Aktuální struktura a aktivity SC65C Struktura SC65C

50. 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