Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Komunikace není jen otázkou spojení

Automa 11/2001

(Bk)

Komunikace není jen otázkou spojení

Uživatelé řídicích systémů B&R pro vzájemnou výměnu dat mezi systémy, diagnostiku a programování s výhodou používají naprosto transparentní komunikační platformu B&R Automation Net™. V rámci této platformy lze komunikovat po různých sběrnicích, od sériových linek, přes sběrnici CAN a Profibus až po Ethernet TCP/IP. Pro aplikace s nejvyššími nároky na rychlost a deterministickou odezvu je nově k dispozici protokol Ethernet Powerlink – samozřejmě plně integrovaný do konceptu B&R Automation Net.

Obr. 1.

Automation Net
Připomeňme si nejprve stručně výhody komunikační platformy Automation Net firmy B&R. Tato platforma umožňuje propojit do jedné transparentní sítě různé síťové standardy. Proč je to nutné? Příčina tkví v tom, že v mnoha podnicích je souběžně používáno několik různých typů sběrnic, a to z historických důvodů, neboť původně byly automatizovány jen oddělené „ostrůvky“ výrobních linek, i proto, že pro různé aplikace jsou vhodné různé sběrnice. Moderní automatizace však vyžaduje sdílet data napříč těmito sběrnicemi, aby bylo možné získávat potřebné informace, kdekoliv je to nutné, a to on-line, v reálném čase.

Automation Net je nástroj, který tuto integraci dat napříč sběrnicemi umožňuje. Dovoluje uživateli nejen přenášet data, ale také zařízení na dálku monitorovat, ovládat a programovat. Výhodou je, že Automation Net je plně integrován do operačních systémů všech zařízení B&R, a tudíž že jeho začlenění do aplikací vyžaduje pouze minimální úsilí.

Pro hladké propojení Automation Netu se světem PC a internetu je určen tzv. Process Visualisation Interface (PVI). Využívá rozsáhlou knihovnu DLL, technologie OPC, komponenty Active X a internetové technologie.

OPC je účinný nástroj pro komunikaci procesních zařízení s aplikacemi SCADA, založený na technologiích OLE a COM. Vzhledem k tomu, že OPC jako softwarové rozhraní využívají různí dodavatelé softwaru i hardwaru, podstatně zjednodušuje proces komunikace.

Z internetových technologií v Automation Netu je třeba se zmínit alespoň o HTTP Serveru, který zpřístupňuje technologická data prostřednictvím běžného internetového prohlížeče. Pro použití na PC je HTTP Server součástí PVI, avšak může být také součástí operačního systému nových modulů CPU řídicích systémů.

Obr. 2.

Ethernet Powerlink
Na myšlence využít ke komunikaci v průmyslu Ethernet je lákavé především to, že ethernetové standardy jsou široce rozšířené a oblíbené a masová výroba činí ethernetové komponenty levnými. Naneštěstí není aplikace Ethernetu pro řídicí účely bez problémů. Není divu, Ethernet byl původně navržen pro použití v kanceláři, a nemusel tedy vyhovovat vysokým nárokům průmyslové automatizace. Největší obtíží je časový nedeterminismus Ethernetu, způsobený řízením provozu na síti mechanismem CSMA/CD. Otázka, jak lze problém determinismu řešit, byla podrobně probrána např. v článku [1]. Ve zmíněném článku bylo také představeno řešení firmy B&R – Ethernet Powerlink, který měl světovou premiéru v loňském roce na veletrhu SPC/IPC/Drives v Norimberku. V České republice byl poprvé uveden na veletrhu Amper 2001.

Ethernet Powerlink využívá k řízení přístupu na síť mechanismus označený jako Slot Communication Network Management. Tento mechanismus je modifikací metody master-slave a spojuje v sobě výhodu velmi vysoké přenosové rychlosti s optimálním vytížením sítě při minimálním rozptylu v časování telegramů. V režimu master--slave řídí komunikaci na síti řídicí zařízení – master. Ten dokáže zabránit kolizím, k nimž by jinak mohlo dojít, kdyby se dvě zařízení pokusila vysílat současně, avšak nevýhodou je, že zařízení nemohou komunikovat přímo, ale vždy jen prostřednictvím nadřízené stanice. U metody Slot Communication Network Management je tomu jinak. Každé zařízení v síti má přísně vymezenou dobu k vysílání, kdy smí vysílat data kterékoliv stanici, několika stanicím nebo i všem stanicím v síti. Tím je zaručeno, že vysílá právě jen jedna stanice. Ke kolizím nemůže dojít a šířka přenosového pásma sběrnice je optimálně využita.

Ethernet Powerlink ale musí kromě rychlé cyklické výměny dat zabezpečit i acyklickou komunikaci, která však cyklickou nesmí nijak ovlivnit. Pro použití v automatizaci je také nezbytné vyřešit synchronizaci vstupně--výstupních dat a řídicích systémů v celém automatizovaném celku. V rychlé cyklické výměně dat je nejkratší nastavitelná doba cyklu sběrnice 400 µs (to navíc odpovídá periodě regulátoru polohy na servozesilovačích B&R Acopos). V této periodě může být plně obslouženo až osm zařízení. V případě, že to nestačí, je nutné doby cyklu prodloužit: v 500µs cyklu lze obsloužit přibližně deset zařízení, v cyklu 1 ms jich může být až třicet. To vše za předpokladu, že každá stanice posílá přibližně 100 bytů užitečných dat. Délka tohoto rámce je pro stanice jednotlivě parametrizovatelná a síť tak lze optimalizovat přesně podle nároků aplikace.

Ne každé zařízení však potřebuje komunikovat tak často jako regulátor pohonu. Proto lze do sítě Powerlink začlenit i tzv. pomalá zařízení. Potom je možné i ve 400µs cyklu poslat data většímu počtu zařízení než jen osmi. Rozdíl mezi tzv. rychlým a pomalým zařízením je v tom, že rychlá zařízení mohou vysílat v každém taktu sběrnice, kdežto z pomalých zařízení může v každém taktu posílat data právě jen jedno. Přijímají však všechna – jsou-li data pro ně určena. Tak je možné významně zvětšit počet zařízení v síti i při krátké periodě cyklu sběrnice. Celkem je v síti přípustných 254 stanic a jeden tzv. Slot Communication Network Manager.

Důležité je, že díky popsanému mechanismu, zvanému broadcast, je možné všechny digitální servopohony připojené na sběrnici synchronizovat během jednoho jejího taktu. Protože servozesilovače jsou autonomní, není nutné, aby posílaly data v každém taktu. Stačí, aby každý servozesilovač pouze dostal zprávu s daty potřebnými pro synchronizaci. Počet synchronizovaných os tak může být větší než osm. Rozptyl v časování samotné sběrnice je menší než 1 µs a je podstatně menší než u jiných sběrnic.

Takt sběrnice může být také synchronizován s taktováním třídy úloh v řídicím systému. V každém taktu sběrnice je navíc vyhrazen interval pro acyklickou komunikaci mezi zařízeními pomocí protokolů B&R Automation Net. Tím protokol Ethernet Powerlink plně zapadá do integrované komunikační strategie firmy B&R a jako takový může být použit k přenosu dat pro vizualizaci, výměně dat mezi řídicími systémy i k programování.

Ethernet Powerlink a standardy, IAONA
Ethernet Powerlink je postaven na standardu Fast Ethernet s přenosovou rychlostí 100 Mb/s. Specifikaci Ethernetu podle IEEE přesně odpovídá i topologie a provedení fyzické vrstvy. Z pohledu modelu ISO/OSI staví Ethernet Powerlink na dvou nejnižších vrstvách a nahrazuje druhou dvojici vrstev TCP/UDP a IP. B&R Automation Net ovšem může v aplikacích, kde je to nutné a kde naopak není nutná deterministická komunikace v reálném čase, pro komunikaci používat i protokoly TCP/IP nebo UDP/IP.

Jak je to s kompatibilitou Powerlinku a zařízení třetích stran? Firma B&R je od 1. dubna 2001 členem IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance). Tato organizace sdružuje významné světové výrobce automatizační techniky a jejím cílem je definovat a harmonizovat standardy pro použití TCP/IP a Ethernetu v oblasti průmyslového řízení a poskytnout je jako otevřenou platformu pro výrobce, vývojové pracovníky i uživatele. Poté, co dohodu o spolupráci s IAONA podepsala sdružení IDA Group a ODVA, vznikla velmi silná organizace zastřešující výzkumné a normalizační úsilí v oboru. Členství firmy B&R v IAONA je významné pro další rozvoj nejen Ethernet Powerlinku, ale celé platformy B&R Automation Net.

Nové produkty
Komunikace pomocí Ethernet Powerlinku se stává integrální součástí řešení dodávaných firmou B&R. Postupně se nejen rozšiřuje sortiment výrobků schopných začlenit se do této sítě, ale objevují se i výrobky speciálně určené pro Ethernet Powerlink. Jako příklad lze jmenovat rozbočovač (hub) AC808 v průmyslovém provedení pro osm linek. Protože Ethernet Powerlink důsledně vychází ze standardů pro Ethernet a Fast Ethernet, lze toto zařízení použít v jakékoliv síti Ethernet s rychlostí přenosu 100 Mb/s, popř. 10 Mb/s (přenosová rychlost se nastavuje automaticky). Také použité konektory jsou zcela běžné RJ45. Zapojení prvního konektoru lze tlačítkem přepólovat a rozbočovač tak využít k připojení jak koncového zařízení, tak i rozbočovačů mezi sebou, bez nutnosti použít překřížený kabel. Rozbočovač AC808 je na trhu k dispozici od listopadu 2001.

S novými produkty firmy B&R, které jsou určeny nejen pro Ethernet Powerlink, se mohou zájemci seznámit na veletrhu SPC/IPC/Drives ve dnech 27. až 29. listopadu v Norimberku. Pro ty, kdo nebudou moci tento veletrh navštívit, jsou k dispozici internetové stránky firmy B&R a samozřejmě pracovníci českého zastoupení firmy B&R.

Literatura:

[1] BÍLEK, K: Ethernet Powerlink – komunikace v reálném čase. Automa, 7, 2001, č. 3, s.48-50.

B&R automatizace, s. r. o.
Kalvodova 23, 602 00 Brno
tel.: 05/43 23 60 46
fax: 05/43 23 60 47
e-mail: office@br-automation.cz
web: www.br-automation.cz