Promeny%20prumyslov

1
Promeny prumyslové automatizace
František Zezulka, Ondrej Hyncica UAMT FEKT VUT
v Brne, Kolejní 4, 612 00 Brno E-mail
zezulka_at_feec.vutbr.cz, xhynci00_at_stud.feec.vutbr.c
z
NEXT?
2
Motto

• Prumyslové komunikacní systémy nejsou jen
  propojovacím kanálem mezi automatizacními
  prostredky v rídicí architekture stroju,
  výrobních linek, technologických, energetických
  a dopravních systému, ale staly se nejen
  automatizacním prostredkem, ale zároven fenoménem
  automatického rízení.
• Jako takové si zaslouží systematickou pozornost.

NEXT?
3
Osnova

• Prehled automatizacních prostredku
• Prumyslové komunikacní systémy v kontextu
  automatizacních prostredku
• Sbernice v DCS, PLC a IPC orientovaných
  systémech
• Rozdelení prumyslových komunikacních systému,
  jejich charakteristiky, parametry a oblasti
  použití
• Strukturalizace prumyslových sbernic
• Standardizacní proces, IEC 1158, EN 5O170
• Prehled prumyslových komunikacních prostredku
• Ethernet
• Prumyslový Ethernet
• Norma IEC 61158

NEXT?
4
Prumyslové komunikacní systémy v kontextu
automatizacních prostredku
5
Rozdelení prumyslových komunikacních systému,
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
Standardizacní proces

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

8
Profibus

• Príklad prumyslové sbernice dle doporucení 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)
• Komunikacní model
• Fyzické vlastnosti, prístupová metoda, topologie
• Parametry (vzdálenost, rychlost
• Soucasnost a budoucnost

10
Profibus - komunikacní model RM ISO OSI a
Model Profibus
11
Profibus - základní vlastnosti 1/2

• Fyzická vrstva
• Médium - kroucená stínená dvoulinka (RS 485),
  svetlovodic
• Prumyslové provedení konektoru
• Délka segmentu 1 200m bez opakovacu (repeater),
  32 úcastníku na segment, Max. 128
• Škála rychlostí od 9.6 kbitu/sec. do 12
  Mbitu/sec. (DP), 31.25kbitu/sec. (PA)
• Integrované radice Profibus DP

12
Profibus - základní vlastnosti 2/2

• Linková vrstva
• Vrstva prístupu k prenosovému médiu, zabezpecení
  a prístup k 7. aplikacní vrstve
• Hybridní prístupová metoda token passing a Master
  Slave

13
FIP - EN 50170, díl 3.

• FIP Evropské firmy, hlavne Francie
• Prenos na severoamerický kontinent
• jako WorldFIP
• RS 485, kroucená dvoulinka,
• rychlosti 31.25 až 2,5 Mbitu/sec.,
• segment pro 32 úcastníku, max. 256 úcastníku

14
FIP - EN 50170, díl 3.

• Prístupová metoda - zdrojove orientovaný polling
• Cyklicky poveruje jednotlivé stanice vysílat nebo
  prijímat data
• arbitr vlastní seznam všech sítových promenných
  (65 536)
• Každá promenná má vlastní identifikátor
• Stanice prijímají zprávy dle identifikátoru
• Nekolik stanic muže soucasne prijímat vysílaná
  data

15
FIP - EN 50170, díl 3.

• FIP rozšíren ve Francii a na severoamerickém
  kontinentu
• Spolu s Profibusem se úcastnil standardizace v
  ISP projektu
• Spolu s Profibusem je inspirací pro Foundation
  Fieldbus

16
P-Net EN 50170, díl 1.

• Vyvinut a rozšíren v Dánsku
• Vhodný pro propojování rozsáhlých sítí
• Speciální prístupová metoda s nízkou prenosovou
  rychlostí

17
Foundation Fieldbus

• Inspirován spoluprací PNO (Profibus) a WorldFIP v
  ISP projektu
• Nejblíže svetovému standardu fieldbusu dle ISA
  SC 50
• Ve variante H1 implementuje IEC 61158 -2 pro
  linkovou vrstvu
• Ve variante H1vhodný pro chemii a výbušnou zónu (
  rychlost 31.25 kbitu/sec.)
• Standardizace 8. vrstvy RM ISO OSI

18
Foundation Fieldbus komunikacní model
PHY
19
Foundation Fieldbus fyzická vrstva

• Fyzická vrstva
• Dle ISA a IEC 1158-2 do výbušné zóny
• Doplnování a odstranování záhlaví
• Proudová smycka, napájení po sbernici
• Kódování Manchester II
• Pevná rychlost 31.25 kbitu/sec.

20
Foundation Fieldbus fyzická vrstva
21
Další prumyslové komunikacní systémy

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

22
Totálne distribuované rídicí systémy

• Automatizace budov
• Energetické a další rozlehlé systémy
• LONworks, EIB, X10
• Žádný arbiter
• Žádný rídicí clen
• Sítové promenné (producer /consumer, publisher
  /subscriber

23
LONworks 1/3

• protokol musí být implementovaný do velmi levného
  cipu,
• musí podporovat prenos nejbežnejšími médii od
  kroucené dvoulinky, radiového prenosu, telefonní
  linky, silových rozvodu, infracerveného prenosu
  až po koaxiální kabel a svetlovodic,
• musí umožnit pripojení až desítek tisíc úcastníku
  síte

24
LONworks 2/3

• musí zarucovat velmi bezpecný provoz, nebot jeho
  základní poslání je v rízení procesu a ne pouze v
  prenosu dat,
• doba odezvy musí být nezávislá na rozlehlosti
  síte,
• musí umožnit peer-to-peer komunikaci, tj. každý
  úcastník musí mít možnost bez arbitra komunikovat
  s jiným libovolným úcastníkem (což má úzkou
  souvislost s bezpecným provozem síte, která tak
  není vystavena zhroucení pri zhroucení arbitra),

25
LONworks 3/3

• musí umožnit zabudovat arbitráž jednoho úcastníka
  nad druhým rešení musí být softwarové a zcela
  nezávislé na výrobci cidel a akcních clenu (musí
  to být možné provést v protokolu),
• na LonTalk musí být pripojitelné výrobky ruzných
  výrobcu bez jakýchkoli dohod a konzultací proste
  jen tím, že jsou pomocí cipu pripojitelné do síte
  LonWorks,
• interface musí být pro komunikující prvek zcela
  pruhledný.

26
LonTalkPríklad síte LonWorks
27
LonTalk

• Peertopeer 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
• Ruzné topologie
• Dve specifikace na 31 resp. 62 aktivních a/nebo
  124 resp. 248 pasivních binární I/O zarízení
• Plug and play
• 5 resp. 10 msec cyklus síte
• Speciální fyzická vrstva s profilovým nestíneným
  nekrouceným kabelem
• Unikátní APM (alternating puls modulation)
  zarucující vysokou robustnost
• Predevším pro prenos binárních signálu
• Jen do nevýbušného prostredí
• Vyvinuta varianta Safety at Work

29
AS-interface príklad toplogie
30
Ethernet a prumyslové komunikace 1/2

• State of the art v prumyslových sítích
• Príliš mnoho systému
• K jednomu automatizacnímu prístroji nekolik
  komunikacních standardu
• Nevýhoda pro výrobce
• Nevýhoda pro uživatele
• Plne vyhovující stav z hlediska funkcnosti
• Safety varianty u nejvýznamnejších fieldbusu
• Real-time z principu zarucen u dedikovaných
  systému
• Uzavrenost vzhledem k privátním sítím, tudíž není
  treba rešit security

31
Ethernet a prumyslové komunikace 2/2

• Proc tedy Ethernet jako další fieldbus
• Jednotná komunikace ve všech úrovních podnikové
  komunikace
• Možnost využití IT nákladu na vývoj systému jen
  pro automatizaci
• Masové rozšírení Ethernetu a tím nízká cena
  komponent
• Vysoká a neustále rostoucí rychlost prenosu
• Nebo neco více než jen další fieldbus?
• Ethernet prošel vývojem, již není standardem IEEE
  802.3
• Prirozene otevrený smerem k Internetu

32
Ethernet v automatizaci

• Jak splnuje podmínky systému automatického
  rízení?
• R-T vlastnosti (determinismus, vcasnost,
  soucasnost)
• Safety
• Security
• Robustnost
• V mnoha ohledech nedostatecne.
• Proto šel vývoj k prumyslovým Ethernetum

33
Ethernet v prumyslové komunikaci

• Ethernet versus fieldbusy a nižší druhy sbernic
• Standard v kancelárských a informacních sítích
• Popularita
• Internet
• Výkon/cena
• Rychlost
• Prepínaný
• Prumyslový Ethernet versus Ethernet
• Real-time
• Safety
• Security
• Robustní provedení
• Automatizacní profily

34
Ethernet pro kanceláre 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
• Kancelárské provedení
• Dobré EMC vlastnosti
• Otevrenost k internetu
• Stále vyšší rychlost (10Mbit/s, 100Mbit/s fast
  Ethernet, 1Gbit/s, 10Gbit/s)
• Vynikající pomer výkon/cena
• Strukturovaná kabeláž
• Klient/server
• Prepínání - zmenšení kolizních domén, cesta k
  real - time

35
Ethernet pro kanceláre a IT 2/2

• Komunikacní model Ethernet TCP/IP s dalšími
  protokoly

36
Prumyslový Ethernet - prehled 1/2

• Již není standardem IEEE 802.3 cesta k
  výkonnému fieldbusu a neco/hodne navíc
• Kvazideterminismus
• Priority v prístupovém MAC mechanismu
• UDP místo TCP
• Producer consumer
• Publisher - subscriber
• Prepínání (switching)/ Bezkolizní domény
• Topologie
• Smerování/ Segmentování
• Plánování komunikace
• Vysoká rychlost prenosu
• Duplexní provoz

37
Prumyslový Ethernet 2/2

• Determinismus
• Synchronizace (PTP protokol dle IEEE 1588)
• Robustnost
• Fyzická
• Elektrické provedení (EMC)
• Safety
• Firewall, implementace security mechanismu z IT
• Jednotná komunikacní technologie v celé
  informacní pyramide
• Vysoká ekonomika projektování, uvádení do provozu
• Otevrenost k Internetu
• Umožnuje využití všech Internetových technologií
• Vzdálené monitorování
• Standardní (elektricky), levné Ethernetové karty

38
Ethernet a Real-Time 1/3

• Systém reálného casu je takový systém, který je
  schopen správne reagovat na vstupní události do
  predem stanoveného pevného casového okamžiku.
• Kategorie RT systému

39
Ethernet a Real-Time 2/3

• Dva aspekty funkce RT systému
• vcasnost (timeliness) - reakce systému (rídicího,
  komunikacního), kdy systém provede požadovanou
  operaci do urcitého daného casu (deadline)
• soucasnost (synchronism) - synchronizace akcí
  jednotlivých úcastníku s predepsanou presností
  daného casového okamžiku td, v urcitém
  tolerancním casovém pásmu (jitter)

40
Ethernet a Real-Time 3/3

• Znázornení vcasnosti a soucasnosti systému

41
Mechanismy pro zajištení RT funkce prumyslového
Ethernetu 1/2

• prepínání (prepínaný Ethernet) bezkolizní
  domény, není sdílené médium, každý úcastník má
  svuj segment
• segmentování (rozdelení LAN na casove kritické RT
  segmenty a casove nekritické) fyzické oddelení
  real-time zpráv od casove nekritických

42
Mechanismy pro zajištení RT funkce prumyslového
Ethernetu 1/2

1. vysoká rychlost prenosu (10Gbitu/s i vyšší) a
   plný duplex zkrácení kolizního casového
   intervalu zpráv
2. prioritní sloty ve formátu protokolu Ethernet dle
   IEEE 802.1p (pakety oznacené vyšší prioritou
   jsou prenášeny pred pakety s nižší prioritou)
3. použití UDP namísto TCP (nespojovaná služba
   poskytuje predání zprávy po predešlé chybe
   prenosu již pri dalším vysílání zprávy)
4. snížení casového tolerancního pásma (jitter)
   protokolem PTP (Precision Time Protocol) dle
   standardu IEEE 1588 synchronizace

43
Synchronizace v prumyslovém Ethernetu 1/2

• Ethernet TCP/IP je z principu nedeterministický
• Casový rozvrh komunikace a provedení akcí si
  nejsou jednoznacne prirazeny
• Synchronizacní mechanismy, použité v sítích LAN
  jako NTP (Network Time Protocol) a SNTP (Simple
  Network Time Protocol) nereší požadavky
  prumyslové automatizace
• Treba implementovat do Ethernetu TCP/IP levný
  synchronizacní prostredek, který príliš nezatíží
  výkon jednotlivých úcastníku síte.
• Rešením je zpusob synchronizace PTP (Precision
  Time Protocol) dle standardu IEEE 1588

44
Synchronizace v prumyslovém Ethernetu 2/2

• Synchronizace distribuovanými hodinami reálného
  casu
• Umožnuje Ethernetu TCP/IP dosáhnout lepší
  synchronizace než jaké dosahují soucasné
  fieldbusy
• Používá se již v soucasných variantách
  prumyslového Ethernetu, v casove kritických
  aplikací jako jsou pohony, systémy distribuce
  energie, systémy back-up pro další informacní
  kanály apod.
• Používají ho napr. EtherCAT, Ethernet
  IP(CIPsync), Ethernet Powerlink, Profinet V3

45
Standardizace prumyslových komunikacních sítí

• Fieldbus prumyslový komunikacní systém pro
  komunikaci v úrovni bezprostredního rízení (PLC a
  1. úroven rízení v architekture DCS)
• IEC (International Electrotechnical Commision)
  normotvorná organizace
• Standard Committees, Working groups
• SC65C pripravovala 15 let Fieldbus (celosvetový
  standard prumyslového komunikacního prostredku)
• 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 prumyslových sítí IEC 61158, IEC
61784-1

• Tyto standardy nahrazují puvodní 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 duvodu)
  jednotný celosvetový standard, ale standardizace
  7 stávajících fieldbusu Foundation Fieldbus,
  ControlNet, Profibus, P-Net, SwiftNet, WorlFIP,
  Interbus-S

47
Standardy prumyslových sítí IEC 61158, IEC
61784-1

• Vztah mezi standardy Fieldbusu

48
Standard IEC 61784-1

• Standard IEC 61784-1 definuje profily
  komunikujících zarízení

49
Aktuální struktura a aktivity SC65C
Struktura SC65C
50
Další aktivity SC65C

• Standardizace prumyslového Ethernetu
• Implementace stávajících prumyslových Ethernetu
  do IEC 61158
• (HSE, Ethernet/IP, PROFInet, PowerLink, EtherCAT
  a dalších)
• Stanovení pravidel pro RTE ve standardu IEC
  61784-2 vcetne specifikace ukazatelu vlastností
  RTE

51
Jak dál ve standardizaci prumyslové komunikace?
1/2
52
Komunikacní modely prumyslových Ethernetu
53
Jak dál ve standardizaci prumyslové komunikace?
2/2

• Takže výsledkem bude 11 standardu RTE uvnitr ICE
  61784-2, z nichž každý bude mít nekolik
  komunikacních profilu.

54
Záver

• Prumyslové komunikacní systémy fenomén
  automatizace
• Prumyslové sbernice
• Evropské prumyslové sbernice
• IEC 61158 a IEC 61784
• Prumyslový Ethernet
• Výhled

55
Dekuji za pozornost