Aktuální vydání

celé číslo

05

2019

komunikace a software pro snímače a akční členy

tlakoměry

celé číslo

Automationworx zaručuje vysokou produktivitu

číslo 1/2005

Automationworx zaručuje vysokou produktivitu

Jednou z rozhodujících hybných sil inovací strojů i výrobních systémů jsou požadavky na růst produktivity výroby. Významnou roli zde hrají, již od svého uvedení na trh před přibližně patnácti lety, také průmyslové provozní sběrnice, které umožňují zefektivnit výrobu tím, že zjednodušují původní architekturu automatizovaných systémů využívající programovatelné automaty (PLC) a k nim paralelně připojené vstupy a výstupy. Díky sběrnicím je možné stroje a výrobní linky uvádět do provozu mnohem rychleji a při výskytu problému jednodušeji diagnostikovat jejich závadu. To významně zkracuje doby prostojů.

Jednou z nejvýznamnějších světově rozšířených sběrnic je s více než 6,5 milionu instalovaných uzlů v 560 tisících aplikacích (to představuje investiční náklady přes 1 miliardu eur) sběrnice Interbus, která tvoří komunikační páteř mnoha automatizačních projektů. V současné době již lze konstatovat, že provozní průmyslové sběrnice jsou základem všech moderních strojů a výrobních systémů.

Jedním z rozhodujících argumentů pro použití provozních sběrnic je zkrácení intervalu od začátku montáže zařízení po dosažení plánovaného objemu produkce. Čím dříve je zařízení uvedeno do provozu, tím kratší je doba návratnosti vložených investic. Dalšími argumenty pro využívání sběrnic jsou zkracování doby prostojů, zmenšování objemu servisních činností a snižování nákladů na údržbu díky rozsáhlým možnostem diagnostiky.

V budoucnu význam komunikací v průmyslu dále poroste. Mezi důležité činitele tohoto rozvoje patří integrace všech zařízení a subsystémů v rámci jedné úrovně výrobního systému – tedy horizontální integrace, a konzistentní přenos dat napříč všemi úrovněmi řízení výroby – vertikální integrace.

Vývoj komunikačních systémů v průmyslu

V oblasti průmyslových komunikačních systémů bylo v různých geografických oblastech a pro různé obory průmyslu vyvinuto mnoho řešení a standardů. Různé provozní sběrnice jsou dnes používány pro komunikaci mezi snímači a akčními členy a řídicí technikou ve strojích a výrobních zařízeních téměř po celém světě.

Naproti tomu je zde Ethernet se svou otevřeností, vynikajícími vlastnostmi pro bezproblémovou komunikaci mezi nejrůznějšími zařízeními a flexibilní topologií. Ethernet je již dlouho standardem pro komunikaci v kancelářích a na manažerské úrovni řízení výroby. Ovšem používá se i pro komunikaci mezi systémy a subsystémy v automatizaci. Je tedy celkem pochopitelná snaha použít jej jako univerzální komunikační nástroj a začlenit do něj i komunikaci na nejnižší úrovni řízení, tj. připojit k ethernetové síti i snímače a akční členy a dosáhnout tak jeho optimální integrace s provozními sběrnicemi.

Požadavky na průmyslovou komunikaci

Hlavním úkolem komunikačních systémů v automatizaci je přenášet vstupní a výstupní signály mezi řídicími systémy, snímači a akčními členy. Další důležitou úlohou je synchronizace pohonů a v neposlední řadě také přenos bezpečnostních signálů. Zkombinuje-li se Ethernet a provozní sběrnice, vznikne komplexní systém, který splňuje požadavky na horizontální integraci dat i na jednoduché propojení snímačů a akčních členů v provozu.

Obr. 1. Obr. 1. Profinet je vhodný pro různé třídy zařízení z hlediska jejich požadavků na chování v reálném čase

V současné době se diskutuje o různých pojetích použití Ethernetu na úrovni řízení výrobního provozu. Uživatelé se pokoušejí zjistit, která z vyvíjených koncepcí je z hlediska budoucnosti „ta pravá“. Požadavky konstruktérů strojů i výrobních systémů na komunikační systémy založené na Ethernetu lze shrnout do pěti bodů:

  • protokol umožňující komunikovat prostřednictvím Ethernetu v reálném čase,
  • topologie vhodná pro distribuované řídicí systémy,
  • integrace provozních sběrnic,
  • otevřenost a možnost připojit všechny běžné řídicí systémy,
  • ochrana investic.

Nejúplnější koncepce

Uvedená kritéria mohou být použita za základ pro srovnání existujících koncepcí komunikačních systémů založených na Ethernetu. Je zřejmé, že nejúplnější koncepcí se z tohoto hlediska jeví systém Profinet. To je důvod, proč se firma Phoenix Contact rozhodla začlenit Profinet jako součást svých automatizačních řešení.

Profinet umožňuje komunikaci v reálném čase (RT, real time) i izochronní komunikaci (IRT, isochronous real time) a tím vychází vstříc požadavkům různých tříd zařízení (obr. 1). Lokální i distribuovaná vstupní a výstupní zařízení jsou Profinetem obsluhována shodně. Zařízení s malými požadavky na práci v reálném čase mohou být snadno obsluhována pomocí Profinetu RT. Profinet IRT ve spojení s odpovídajícím hardwarem je vhodný komunikační systém pro odezvy řádově v milisekundách a méně, a je tedy ideální volbou pro pohony s velkými nároky na dynamiku a synchronizaci.

Obr. 2. Obr. 2. Tvorba modelu výrobního zařízení sestaveného z funkčních bloků

Profinet podporuje architekturu CBA (Component Based Architecture) pro systémy s distribuovanou inteligencí. Architektura CBA dovoluje snadno a efektivně spravovat i složité distribuované řídicí systémy. Základním prvkem jsou komponentové modely vytvořené na základě specifikace DCOM (Distributed Component Object Model) od firmy Microsoft, sestavené z funkčních bloků, které jsou vzájemně propojeny vazbami (obr. 2).

Profinet je v současné době podporován mnoha výrobci řídicí techniky s významným podílem na trhu. To zaručuje připojitelnost všech běžných řídicích systémů, a tudíž ochranu investic vložených do systému automatizace výroby.

K síti Profinet lze pomocí komunikační brány připojit i zařízení připojená na jiné komunikační sběrnice, např. Interbus.

Integrace komunikačních systémů Profinet a Interbus

Profinet IO je specifikace, která umožňuje do sítě Profinet integrovat lokální i distribuovaná vstupní a výstupní zařízení. Tím jsou podporovány všechny důležité mechanismy potřebné pro integraci systémů Interbus do sítě Profinet (obr. 3; systémem Interbus se zde míní provozní a řídicí přístroje propojené navzájem sběrnicí Interbus). Model I/O zařízení je založen na mechanismu slotů a subslotů, pomocí něhož lze zobrazit a pro komunikaci zpřístupnit („namapovat„) nejen modulární přístroje, ale i kompletní subsystémy. Systém Interbus může být do sítě Profinet integrován třemi různými způsoby:

  • systém Interbus jako zařízení v síti Profinet,
  • subsystémy Interbus jako modulární zařízení v síti Profinet,
  • zařízení na sběrnici Interbus jako virtuální zařízení v síti Profinet.
Obr. 3. Obr. 3. Šestnáctibitový model zařízení Profinet IO s mechanismem slotů a subslotů

První způsob spočívá v tom, že celý systém Interbus může být v síti Profinet zobrazen jako jediné zařízení. Tak může být jeden I/O telegram sítě Profinet použit k přenosu kompletních informací ze všech zařízení systému Interbus. Důsledkem je nižší zatížení sítě Profinet, protože není nutné pro každé zařízení systému Interbus generovat vlastní telegram. Systém Interbus se konfiguruje softwarem Config+ a k jeho diagnostice je určen software Diag+. To znamená, že uživatel, který chce začlenit systém Interbus do sítě Profinet, nemusí původní systém nijak měnit a přizpůsobovat.

Za druhé, malé subsystémy Interbus a modulární I/O mohou být pro síť Profinet zobrazeny a zpřístupněny jako modulární zařízení. Zde se používá mechanismus slotů a subslotů, který umožňuje adresovat každý jednotlivý modul stejně, jako by byl připojen přímo na síť Profinet. Tímto způsobem není možné pro Profinet zpřístupnit složitější sběrnicové systémy Interbus s několika úrovněmi, protože mechanismus slotů a subslotů lze použít pouze pro jednoúrovňovou strukturu.

Třetí možností jsou virtuální zařízení. V komunikační bráně (gateway) mezi provozní sběrnicí a Profinetem se vytvoří tzv. virtuální zařízení, která odpovídají zařízením připojeným na provozní sběrnici. Tato zařízení jsou tak pro Profinet kompletně zpřístupněna a mohou být adresována stejným způsobem jako zařízení připojená přímo k Profinetu. Výsledkem je úplné začlenění všech provozních zařízení do sítě Profinet, které zajišťuje, že všechna zařízení jsou spravována a řízena stejným způsobem. Protože však pro každé virtuální zařízení musí být v síti Profinet generovány odpovídají I/O telegramy, může to vést u rozsáhlých sítí s mnoha připojenými subsystémy nižší úrovně k nepříjemnému nárůstu zatížení sítě.

Popsané metody začlenění systémů Interbus do sítě Profinet splňují požadavky uživatelů na konzistentní komunikační systém, který kombinuje výhody provozních sběrnic, jako je snadná instalace, práce v reálném čase a možnosti diagnostiky, s otevřeným a perspektivním komunikačním konceptem založeným na Ethernetu.

Začlenění bezpečnostní techniky

Bezpečnostní technika hraje v moderních komunikačních systémech důležitou roli. Interbus Safety je sběrnice, která doplňuje možnosti sběrnice Interbus přenosem bezpečnostních signálů tak, že výsledné řešení odpovídá kategorii 4 podle EN 954-1 a lze jej použít i u zařízení úrovně bezpečnosti SIL 3 podle IEC 61508. Bezpečnostní i provozní data jsou přitom přenášena stejným kabelem. To znamená, že výhody sběrnice Interbus, především snadnou diagnostiku, krátké doby odezvy a možnost lokální diagnostiky, lze využít i v aplikacích se zvýšenými požadavky na bezpečnost. Základním rysem sběrnice Interbus Safety je jednoduchá správa a údržba zařízení. Koncepce samostatného bezpečnostního řídicího systému podstatně zkracuje dobu potřebnou k programování a testování.

Závěr

V podobě Automationworx předkládá firma Phoenix Contact uživatelům otevřenou, flexibilní a volně rozšiřitelnou platformu, která podporuje výrobní zařízení a systémy po celou dobu jejich života, od konstrukce a návrhu, přes provoz po údržbu a případnou rekonfiguraci a umožňuje zvyšovat jejich produktivitu. Platforma je založena na komunikačních systémech Interbus a Ethernet s protokolem Profinet. Komponenty systému jsou navrženy pro bezproblémovou spolupráci a dovolují vytvářet konzistentní horizontálně i vertikálně integrované komunikační systémy.

Dipl. Ing. Martin Müller,
Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg
Překlad a úprava Gustav Holub

Phoenix Contact, s. r. o.
Technická 15
616 00 Brno
tel.: 542 213 401
fax: 542 213 701
http://www.phoenixcontact.com