Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Komunikační sítě odolné při poruše a plug-and-play v řídicích systémech

Požadavky na komunikační sítě v průmyslu jsou odlišné od požadavků na běžné kancelářské a domácí sítě. Nejdůležitější vlastností průmyslových sítí je odolnost při poruše. Proto se v průmyslu často používají sítě s kruhovou topologií. Sítě DLR, Device Level Ring, využívají přepínače vestavěné přímo v automatizačních zařízeních a tím instalaci ethernetových sítí s kruhovou topologií ještě zjednodušují.

 
Návrh řídicích systémů, jejich uvádění do provozu a odstraňování problémů obvykle vyžadují důkladné znalosti a zkušenosti s použitou technikou. Nástroj ADC, Automatic Device Configuration, od společnosti Rockwell Automation umožňuje realizovat tyto činnosti mnohem širšímu okruhu techniků.
 
Spojením sítí DLR a nástroje ADC vznikají spolehlivé a snadno udržovatelné řídicí systémy pro široké spektrum průmyslových odvětví.
 

Device Level Ring (DLR) – zvýšení odolnosti, zjednodušení struktury a snížení nákladů na komunikační sítě

 

Přísloví říká, že řetěz je tak silný, jak silný je jeho nejslabší článek. Toto tvrzení platí i v průmyslové automatizaci: často se může stát, že porucha jedné jediné komponenty dostane celou výrobní linku „na kolena“. Odolnost komunikační sítě proti poruše je proto u automatizačních inženýrů na seznamu požadovaných vlastností na předním místě; nesmí jí však být dosaženo na úkor rychlosti, flexibility a komunikačního výkonu.
 
Elegantním a efektivním řešením je využití topologie Device Level Ring (DLR) v síti průmyslového Ethernetu EtherNet/IP. DLR využívá ethernetové přepínače (switch) vestavěné přímo v komponentách řídicího systému, jako jsou I/O moduly, programovatelné automaty nebo měniče frekvence (obr. 1). Vyznačuje se velkou dostupností, rychlou detekcí chyb a rekonfigurací při poruše. Konkrétně síť DLR s padesáti uzly se po poruše zotaví do 3 ms. Proto lze sítě DLR využít i pro velmi rychlé řízení a řízení v reálném čase. Tato síť musí vždy obsahovat minimálně jeden uzel nakonfigurovaný jako supervizor kruhu a libovolný další počet komunikačních uzlů. Jestliže supervizor detekuje přerušení kruhu, přesměruje data druhou polovinou kruhu a tak velmi rychle obnoví komunikaci. V době zotavení komunikační sítě přitom není přerušena komunikace mezi programovatelnými automaty a jim podřízenými vstupy a výstupy. Pokročilé možnosti diagnostiky umožňují najít místo selhání a tak urychlují údržbu sítě.
 
Kromě rychlého zotavení komunikace při poruše pomáhá topologie DLR také zjednodušit strukturu komunikační sítě při zachování možnosti připojení dalších účastníků a koexistence se sítěmi s jinou topologií.
 
Dále budou uvedeny základní výhody sítí DLR.
 
Redundantní provoz. Jestliže jedno zařízení v kruhu selže, ostatní zařízení tím nejsou dotčena, protože supervizor komunikaci přesměruje do druhé části kruhu. Supervizor na komunikaci dohlíží tím, že do sítě vysílá zprávy beacon a čeká na odpověď.
 
Jednoduchá instalace. Každé zařízení obsahuje ethernetový přepínač se dvěma porty. Jednotlivá zařízení se propojují se svými sousedy do jednoduchého řetězu. Nakonec se poslední zařízení propojí s prvním a tím vznikne kruh.
 
Jednoduché nastavení. Protože v kruhové topologii DLR má každý přepínač jen dva porty, je jejich konfigurace jednoduchá. Uživatel jednoduše přepínacím prvkem přímo na přepínači nebo zaškrtnutím políčka v konfiguračním softwaru určí jednoho nebo několik účastníků komunikace jako supervizory a to je vše.
 
Méně kabelů. Propojení peer-to-peer potřebuje méně kabeláže než jiné topologie, a tím klesají i náklady na kabelové rozvody.
 
Plná kompatibilita s ADC. Možnost automatického nastavení parametrů po výměně zařízení, popsaná v dalších odstavcích, je pro mnoho zákazníků základním předpokladem pro udržení spolehlivosti zařízení.
 
Velmi rychlé zotavení. Ve srovnání s tradičními ethernetovými systémy odolnými při poruše (např. využívajícími STP nebo RSTP, které se uplatňují v běžných informačních systémech) je zotavení sítě DLR výrazně rychlejší. Jestliže dojde k přerušení komunikačního kruhu, není spojení mezi programovatelnými automaty, I/O moduly, pohony a dalšími komunikačními uzly ztraceno.
 
Jednoduchá diagnostika. Jedním povelem lze zjistit stav kteréhokoliv účastníka připojeného ke kruhu a lokalizovat tak místo poruchy. Porucha je signalizována prostřednictvím terminálu HMI/SCADA.
 
Koexistence s běžnou ethernetovou sítí. Síť DLR lze snadno začlenit do kombinované sítě s tradiční ethernetovou hvězdicovou topologií.
 
Nezávislost na fyzickém médiu. Sítě DLR mohou využívat metalické i optické kabely. Optické kabely nejsou citlivé na rušení a mohou být vedeny společně se silovými kabely. Kromě toho mají větší dosah a umožňují propojit i vzdálenější účastníky.
 
V topologii není žádný ústřední bod, při jehož poruše zkolabuje celá síť. V tradiční síti s hvězdicovou topologií znamená ztráta přepínače ztrátu komunikace se všemi účastníky. Při poruše vestavěného přepínače v síti DLR zůstává komunikace ostatních účastníků zachována, jen se přesměruje do druhé poloviny kruhu.
 
Společnost Rockwell Automation podporuje DLR jako základní prvek své koncepce Rockwell Integrated Architecture. V rámci této podpory jsou nově vestavěným dvouportovým ethernetových přepínačem vybaveny i měniče PowerFlex značky Allen-Bradley. S počtem produktů v nabídce společnosti Rockwell Automation vybavených vestavěným přepínačem roste i využitelnost sítí DLR a možnost jejich využití v dalších oblastech průmyslu.
 

Plug-and-play v průmyslových řídicích systémech

V kancelářích a domácnostech je koncept plug-and-play naprosto běžný. Za samozřejmé je považováno, že např. tiskárnu lze jednoduše připojit do prvního volného portu USB na počítači a po několika minutách, než se tiskárna s počítačem „skamarádí“, je možné začít tisknout.
 
Také v průmyslu se koncept plug-and-play používá stále více. Nástroj ADC, Automatic Device Configurator, od společnosti Rockwell Automation však koncept plug-and-play povyšuje na novou úroveň.
 
Nástroj ADC lze využít obecně v sítích EtherNet/IP, tedy i v sítích s topologií DLR. Dále je zapotřebí vývojové prostředí Logix 5000 V20/21, určené pro řídicí systémy Allen-Bradley. Již od V17 tohoto prostředí bylo možné využívat profily AOP (Add-On Profiles). Jakmile byl představen nový produkt, společnost Rockwell Automation pro něj vyvinula profil AOP, který potom začlenila do prostředí Logix, aby usnadnila konfiguraci zařízení a umožnila jeho uvedení do provozu v režimu plug-and-play.
 
Profily AOP umožňují i dnes inženýrům několika kliknutími myší v prostředí Logix např. zvolit pohon, přiřadit mu IP adresu a zadat parametry specifické pro dané použití (proud a napětí, dobu rozjezdu a dojezdu atd.). Pohon tak lze kompletně nakonfigurovat v prostředí Logix, bez panelu na měniči.
 
Logix má nejen o pohonech, ale o všech připojených zařízeních všechny informace a technici, kteří mají do systému Logix přístup, je mohou z prostředí Logix uvádět do chodu, popř. měnit jejich parametry, a to i za chodu řízené technologie. Veškeré parametry se ukládají v prostředí Logix jako specifický projekt. Co umí konfigurátor ADC navíc? Například uživateli ukáže, když něco není v pořádku. Jestliže např. pohon neodpovídá na výzvy řídicího systému a je třeba jej vyměnit, technik může na místo přijít již se správným náhradním měničem.
 
Může se ovšem stát, že náhradní pohon má jinou, novější verzi firmwaru. Pro ADC ani toto není žádný problém. Po prvním připojení nového pohonu je nalezena a relokována jeho IP adresa. Logix zkontroluje sadu parametrů a zjistí, jaký firmware je třeba. Jestliže se firmware nového pohonu neshoduje s požadovaným firmwarem, Logix automaticky spustí nástroj na správu firmwaru, který do pohonu nahraje tu verzi firmwaru, kterou měl původní pohon. Potom už nic nebrání tomu, aby Logix do pohonu nahrál uloženou sadu parametrů a nový pohon mohl začít pracovat. Celý tento postup je možné vykonat krok za krokem manuálně, ovšem výhodou ADC je to, že vše udělá zcela automaticky: plug-and-play.
 
Proč výrobce tvrdí, že ADC povyšuje koncept plug-and-play na novou úroveň? Protože obsahuje specifické průmyslové funkce zaručující zabezpečení systému před neoprávněnými změnami. V praxi se může stát, že se někdo pokusí, třeba i neúmyslně, změnit parametry pohonu. Jestliže je však do pohonu nahrána sada parametrů z prostředí Logix, ADC takovou změnu rychle zjistí a nahraje do pohonu původní parametry uložené v projektu. Veškeré změny je totiž možné dělat jen z prostředí Logix a s využitím jeho schvalovacích procedur a bezpečnostních pravidel. Neautorizovaná změna parametrů
není možná.
 
Dokonce je možné vstupní port pohonu nastavit tak, aby byl určen jen ke čtení. Potom lze i z prostředí Logix parametry pohonu pouze číst, bez deaktivace ochrany portu je ani odtud nelze měnit.
 
Konfigurátor ADC jako součást konceptu Rockwell Integrated Architecture je v arzenálu automatizačních inženýrů mocnou zbraní k zabezpečení a zajištění konzistence celého řídicího systému: všechny nežádoucí, narušené a nesprávné soubory stejně jako soubory s nesprávným číslem verze jsou ihned odhaleny a díky tomu jsou instalace, uvádění do provozu a testování mnohem snazší a rychlejší. Výrazné úspory vznikají také z hlediska nákladů na provoz a údržbu, neboť lze využít automatické opravné postupy.
 

Závěr

Sítě s topologií DLR a automatický konfigurační nástroj ADC, součásti konceptu Rockwell Integrated Architecture, významnou měrou přispívají ke zvýšení spolehlivosti výrobních zařízení a zlepšení klíčových ukazatelů výkonnosti výroby KPI.
 
Obr. 1. Síť DLR – Device Level Ring – využívá dvouportové přepínače vestavěné přímo v automatizačních zařízeních
Obr. 2. Využití nástroje ADC – Automatic Device Configurator – pro automatickou konfiguraci pohonů po výměně