Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Konvertory průmyslových sběrnic

Distribuované systémy založené na průmyslových sběrnicích jsou v současné době v podstatě již jedinou alternativou při projektování a stavbě řídicího systému. Množství standardizovaných a používaných sběrnic je poměrně velké. Důvody jsou historické, ale i praktické – existují sběrnice vyvinuté pro specifickou potřebu, které se pro své výhody později uplatnily i v jiných odvětvích. Příkladem může být sběrnice CAN, původně vyvinutá pro použití v automobilech, která je rozšířena i v systémech pro sběr dat a průmyslovou automatizaci. Tento článek objasňuje princip převodu dat z jedné sběrnice do druhé pomocí konvertorů sběrnic, jejichž přehled je na stranách 26 a 27.

Pro „klasické“ průmyslové sběrnice, které se začaly v průmyslu objevovat koncem 60. let minulého století, bylo charakteristické využití sériového přenosového protokolu a centrálního řízení přístupu jednotek ke sběrnici, většinou metodou master-slave. Tyto charakteristiky přetrvaly až do začátku současného tisíciletí, do masivního nástupu rychlého Ethernetu. Přestože má dnes většina osvědčených sběrnic vyvinutých na sériových protokolech i verzi pracující na platformě IP (Modbus TCP, Profinet atd.), Ethernet své tažení do oblasti průmyslu dosud nezavršil. Nespojovaná služba linkové vrstvy IP z principu nezaručuje předání dat v určeném čase, což může být při řízení procesu v reálném čase potenciálním zdrojem problémů. Spojovaná služba sériových protokolů se z tohoto hlediska jeví pro svou jednoduchost spolehlivější. Proto se průmyslové sběrnice založené na sériových protokolech stále používají v nižších úrovních komunikační hierarchie řídicích systémů. Avšak nebyly ani sjednoceny standardy. V Evropě lze stále ještě nejčastěji nalézt Profibus, v USA Foundation Fieldbus. Z historických a licenčních důvodů však mnozí výrobci senzorů a akčních členů využívají i jiné sběrnice. Často se objevuje Modbus, v 90. letech dvacátého století se rozšířil CAN, na nižších úrovních řízení AS-Interface.

Tento stav působí projektantům nepříjemné problémy. Ne vždy je totiž na trhu k dispozici plný sortiment senzorů a akčních členů, které je možné k projektované sběrnici připojit. U větších systémů téměř vždy nastane situace, že některý specifický senzor nebo akční člen existuje pouze ve verzi pro jinou sběrnici. Někdy je nutné podobně připojit i celou síť se skupinou přístrojů.

K vyřešení těchto problémů byly vyvinuty převodníky (konvertory) sběrnic. Termín „převodník“ je sám o sobě již příznakem potíží se zavedeným názvoslovím. Na obr. 1 je ukázána zavedená (anglická) terminologie zařízení umožňujících propojení mezi dvěma datovými rozhraními na různých úrovních modelu ISO/OSI. Názvy prozrazují původ svého vzniku v oblasti nespojované sítě založené na protokolech ze skupiny IP (Internet Protocol). Přepínač (switch) i směrovač (router) již svým názvem reflektují jev nespojované služby s možností alternativních cest dat od odesilatele k příjemci.

Klasické průmyslové sběrnice vznikly ještě před zavedením protokolu IP, a dokonce i před zavedením referenčního modelu ISO/OSI. Patří k sítím spojovaným a při pokusu specifikovat je pomocí modelu ISO/OSI se objeví obtíže s přiřazením služeb k jednotlivým vrstvám. Fyzická vrstva bývá ještě snadno odlišitelná, nejstarší průmyslové sběrnice využívají rozhraní podle normy TIA/EIA--422/485 (RS-422/485), modernější a specializované sběrnice mají vlastní standardy.

Někdy je odlišitelná i linková vrstva, reprezentovaná více či méně propracovaným sériovým protokolem. K těm jednodušším patří např. MSP (Modbus Serial Protocol). Ale již protokol FDL (Fieldbus Data Link), prezentovaný často jako linková vrstva Profibusu, zahrnuje služby typické pro vrstvu síťovou, např. přístupovou metodu k síti. Vrstvy od linkové výše jsou většinou zahrnovány již do vrstvy aplikační, která poskytuje všechny služby nutné pro činnost uzlu v síti a přenos dat.

Na základě uvedených skutečností je patrné, že předání dat z jedné průmyslové sběrnice do druhé se může uskutečnit jen na úrovni této nejvyšší, aplikační vrstvy. Proto je konvertor průmyslové sběrnice často nazýván gateway (komunikační brána). Jde opět o název převzatý z terminologie ethernetových sítí. Někdy se dokonce používá i název layer 7 switch.

Gateway v tomto pojetí musí být plnohodnotným uzlem sítě se svou vlastní identitou (síťovou adresou). Předání dat z jedné průmyslové sběrnice do druhé je tedy realizováno jako odeslání dat do zvláštní síťové jednotky. S tím ovšem souvisí další komplikace. Přístup k síti je v mnoha průmyslových sběrnicích řízen centrálně metodou master-slave. Některé průmyslové sběrnice navíc umožňují i existenci několika jednotek master v jedné síti. Podle charakteru a funkce sítě je třeba se rozhodnout, zda bude konvertor (gateway) fungovat v síti jako jednotka master, nebo slave.

V této souvislosti je nutné zajistit i „konverzi“ všech služeb souvisejících s vrstvami, jejichž služby jsou zahrnuty do vrstvy aplikační. Jde hlavně o prezentaci dat, tedy „přebalení“ datových paketů z formátu jednoho protokolu do druhého, a směrování (routing), které musí zajistit doručení dat do uzlů sítě s nekompatibilním způsobem adresování.

Data jsou většinou „přebalována“ za použití tabulky v paměti konvertoru. Řádky tabulky obsahují celky dat, jejichž prezentace je smysluplná v obou konvertovaných protokolech. Ve většině případů lze při této prezentaci vyjít ze samotné struktury protokolu, někdy je nutné alespoň některá pravidla konverze stanovit při konfiguraci převodníku. Rovněž služba směrování je většinou zajištěna adresačními tabulkami, které je během konfigurace převodníku nutné naplnit ručně.

Velmi důležitou vlastností konvertoru je konformita všech použitých služeb rozhraní průmyslové sběrnice s příslušným standardem. Renomovaní výrobci si kompatibilitu nechávají ověřovat a jsou schopni ji doložit certifikátem vydaným příslušnou asociací výrobců. Naproti tomu i členové těchto asociací ve svých výrobcích často nestandardně modifikují služby i protokoly. Nejčastějším prohřeškem proti kompatibilitě je např. využití různých bitů hlavičky paketu, pro které standard neurčuje jednoznačné použití. Takové nekompatibility lze identifikovat jen obtížně.

Na obr. 2 je ukázán princip konvertoru (gateway) průmyslových sběrnic na obecném modelu ISO/OSI. Na aplikační úrovni modelu jsou data ze sběrnice předána vnitřnímu rozhraní. Z něj jsou vyzvednuta a zapsána do rozhraní výstupní sběrnice na aplikační úrovni modelu. Tato koncepce má výhodu i v tom, že ji lze v oblasti hardwaru realizovat jako modulární. Moduly rozhraní sběrnic, které se zasouvají do jednotného konektoru vnitřního rozhraní, mohou být výměnné, a tak je možné při omezeném počtu dílů sestavit gateway pro mnoho kombinací sběrnic. Většinou si však takto nemůže konvertor sestavit uživatel sám; každá kombinace mívá i svou verzi firmwaru řídicí jednotky převodníku.

Na obr. 4 je jako příklad ukázán komunikační model konvertoru Profibus-DP/Modbus RTU. Vnitřní rozhraní je obvykle realizováno sestavou adresových tabulek pro směrovací služby a oboustranně přístupnou tabulkou pro přenášená data. Směrovací (routovací) tabulky jsou osazovány při konfiguraci; jestliže některý z protokolů obsahuje plnohodnotnou síťovou vrstvu, mohou být naplněny při inicializaci, popř. dynamicky během provozu.

Ing. Otto Havle, CSc., MBA

Obr. 1. Komunikační model ISO/OSI s vyznačením typických propojovacích zařízení

Obr. 2. Konverze průmyslových sběrnic v modelu ISO/OSI

Obr. 3. Provedení konvertoru AnyBus firmy HMS Industrial Communication

Obr. 4. Model ISO/OSI konvertoru Profibus DP/Modbus RTU