Aktuální vydání

celé číslo

10

2019

Automatizace v chemii a petrochemii

Hladinoměry

celé číslo

Průmyslové sítě pro všechny sféry automatizace

Automa 11/2001

Petr Mikšovský, ControlTech, s. r. o.

Průmyslové sítě pro všechny sféry automatizace

Úvod
Průmyslové sítě současnosti od Rockwell Automation – to je především DeviceNet, ControlNet a EtherNet/IP. Každá z těchto sítí má oblast svého určení a Rockwell Automation díky nim přináší kompletní a ucelené řešení do výrobních závodů, podniků, provozů a technologií.

Obr. 1.

Rockwell Automation dělí oblast aplikací sítí na tři vrstvy (sféry), a to na vrstvu informační, řídicí a technologickou1). Informační vrstva je určena pro tok dat z databázových serverů a naopak a pro napojení řídicích systémů do podnikové informační sítě pro potřeby managementu podniku apod. Řídicí vrstva slouží k propojení řídicích systémů nebo vzdálených modulů (van, rámů) mezi sebou a k přenosu dat do operátorských panelů a osobních počítačů s vizualizačním softwarem. Technologická vrstva je určena pro připojení řídicích systémů řady MicroLogix, distribuovaných vstupů a výstupů, snímačů, měničů frekvence, stykačů, ochran motorů, softstartérů, čteček čárových kódů apod. Pro informační vrstvu je určen EtherNet/IP, pro řídicí vrstvu ControlNet a pro technologickou vrstvu DeviceNet. Jestliže to však situace vyžaduje, je možné připojit např. vzdálené modulární vstupy a výstupy nejen do sítě DeviceNet, ale i do sítě ControlNet a Ethernet/IP. Díky tomu je možné přenášet data z velkých databázových serverů SQL až třeba do měniče frekvence a naopak hodnoty i z posledního snímače je možné ukládat do velkých databázových serverů. Cílem je mít potřebné informace ve správný čas na správném místě. Zobrazení jednotlivých vrstev je na obr. 1.

DeviceNet
DeviceNet je standardní otevřená síť, která umožňuje přenášet data na nejnižší úrovni řízení – tedy na úrovni snímačů a akčních členů. Otevřenost v tomto případě znamená, že všichni výrobci automatizační techniky mohou svá zařízení připojit k této sběrnici, aniž by kupovali drahý hardware nebo software nebo licenční práva na napojení do řídicího systému. DeviceNet je založena na komunikačním protokolu CAN (Controller Area Network), který byl původně vyvinut pro evropský automobilový průmysl. Síť CAN vyniká vysokou odolností proti rušení; integrované obvody jsou dostupné u mnoha světových výrobců (Philips, Motorola, Intel, NEC, Siemens atd.). DeviceNet navrhla firma Allen-Bradley a v současné době ji používá téměř stovka výrobců snímačů a akčních členů.

Přednosti
Zmiňme se nyní stručně o přednostech sběrnice DeviceNet:

  • Zařízení od různých výrobců, která jsou kompatibilní s DeviceNet (tlačítka, startéry, motory, fotobuňky, koncové spínače), lze bez problémů vzájemně kombinovat.
  • Se standardní otevřenou sítí je možné rychleji najít společné řešení pro koncového uživatele. DeviceNet je založena a vyzkoušena na známé technologii CAN, která garantuje velkou spolehlivost sítě.
  • Snadná diagnostika a možnost vyměnit vadné zařízení za provozu zkracují výpadky řízené technologie. Nahrazení klasické montáže provozních přístrojů propojením do sítě ušetří náklady na montáž.
  • Připojení jednotlivých zařízení k síti je cenově příznivé.
  • K dispozici je množství zařízení od mnoha dodavatelů.
  • Zařízení mohou komunikovat v režimu master-slave a peer-to-peer.

Technická realizace
Síť DeviceNet je navržena tak, aby měla dvě základní funkce, potřebné pro jednoduchá provozní zařízení:

  • přenos dat v reálném čase, orientace na řízení použitím I/O zpráv,
  • přenos informací nižší priority, např. parametrů konfigurace zařízení a dat pro odladění, použitím explicitních zpráv.

Rychlost přenosu je125 kb/s pro síť v rozsahu do 500 m, 250 kb/s pro síť v rozsahu do 200 m a 500 kb/s pro síť v rozsahu do 100 m. Maximální počet stanic na síti je 64.

Obr. 2.

Síť DeviceNet a všechna ostatní zařízení na této síti se konfigurují pomocí softwaru RSNetworx for DeviceNet (obr. 2). Do sítě se lze připojit přes modul 1770-KFD, který je vybaven sériovou komunikaci RS-232, nebo pomocí karty PCMCIA 1784-PCD, popř. karty PCI 1784-PCIDS, a také přes procesor sběrnice a skener.

ControlNet
ControlNet firmy Rockwell Automation (Allen-Bradley) je nová generace datové sítě pro automatizaci a řízení. Je to výkonná síť s přenosovou rychlostí 5 Mb/s, umožňující zasílat časově kritická data determinovaně a opakovatelně. Na chod sítě nemá vliv změna počtu připojených zařízení. ControlNet dovoluje určit čas odeslání dat (determinismus). Tento čas se nemění, jsou--li zařízení připojována k síti nebo od ní odpojována. ControlNet má patentovanou metodu řízení sběrnice, která podporuje deterministický přenos časově kritických vstupně-výstupních dat. Ostatní data, např. programovací příkazy, jsou však rovněž podporována, ale je jim přidělena nižší priorita. Nemohou proto narušit přenos časově kritických dat. Navíc ControlNet umožňuje uživateli individuálně nastavit četnost přenosu dat jednotlivých uzlů nebo vstupně-výstupních modulů.

Technologie producent-spotřebitel
ControlNet používá síťový model zvaný producent-spotřebitel. V tomto modelu každý uzel může být odesílatel (producent), příjemce (spotřebitel) nebo obojí. Časově kritická data jsou deterministicky přenášena vysokorychlostním spojením, zatímco ostatní data jsou přenášena přes spojení typu klient--server. Silnou stránkou této sítě je možnost realizovat více přístupů v jeden okamžik. Například je možné, aby více uzlů přijímalo současně data vysílaná jedním uzlem. Tato metoda je mnohem efektivnější než starší metody řízení sítě, jako např. token-pass nebo master-slave.

Přednosti
Výčtem jsou uvedeny některé přednosti sítě ControlNet:

  • flexibilita instalace,
  • možnost zálohování,
  • rovnocenný přístup k síti z každého uzlu,
  • jediné propojení pro přenos vstupně-výstupních dat i programování,
  • zlepšená komunikace peer-to-peer,
  • uživatelsky volitelná četnost přenosu vstupů a výstupů,
  • determinismus a opakovatelnost,
  • zjednodušený přístup k analogovým hodnotám,
  • vysoká obnovovací rychlost,
  • zlepšená diagnostika systému.

Technické parametry
Přenosová rychlost je 5 Mb/s. Maximální počet stanic na síti je 99. Připojení lze realizovat pomocí rozbočovačů Allen-Bradley, které mohou být umístěny na libovolném místě segmentu sítě. Délka segmentu závisí na počtu připojených uzlů a segmenty mohou být spojovány pomocí opakovačů do rozsáhlejších sítí. Jako přenosové médium se používá koaxiální kabel RG6 (cenově výhodný, dostupný, odolný vůči rušení, s vhodnou šířkou přenášeného pásma) a konektory BNC nebo optický kabel s opakovači. Délka segmentu při použití optického vlákna může být až 10 km. Topologie sítě může být liniová, stromová nebo hvězdicová.

Síť ControlNet a všechna ostatní zařízení na této síti se konfigurují pomocí softwaru RSNetworx for ControlNet. Do sítě se lze připojit přes modul 1770-KFC, který je vybaven sériovou komunikací RS-232, nebo pomocí karty PCMCIA 1784-PCC, popř. karty PCI 1784-PCIC.

Příklady aplikací
ControlNet je vhodný především pro aplikace vyžadující nepřetržitou kontrolu a řízení, stejně jako aplikace používající velké množství vzdálených vstupů a výstupů, jako jsou vysokorychlostní dopravníky, vysokorychlostní montážní linky, plnírny, balírny a aplikace vyžadující velký objem přenášených analogových dat – čističky a úpravny vod, potravinářský a farmaceutický průmysl, chemický průmysl aj.

Ethernet Industrial Protocol
Ethernet Industrial Protocol (EtherNet/IP) je otevřený síťový standard, který podporuje implicitní (skryté) zprávy (real-time I/O zprávy), explicitní (otevřené) zprávy nebo obojí a současně používá komerční komunikační čipy a fyzická média. Ethernet je využíván od poloviny sedmdesátých let a je široce akceptován v celém světě. Produkty pro Ethernet dodává velké množství výrobců a jsou snadno dostupné.

Využití Ethernetu v průmyslu však není jen slepé sledování moderních technologických trendů, ale dává uživateli možnost získávat potřebná data prostřednictvím internetu. EtherNet/IP byl vyvinut z důvodu rostoucích požadavků na užívání ethernetových sítí v řídicích aplikacích.

EtherNet/IP je otevřená síť využívající fyzický i datový standard IEEE 802.3, protokol Ethernet TCP/IP, řídicí a informační protokol (CIP) a protokol, který zabezpečuje real-time I/O komunikaci a informační komunikaci peer-to-peer (ControlNet a DeviceNet sítě také užívají CIP).

Typy přenosu v sítích EtherNet/IP
Řídicí vrstva CIP se využívá pro posílání I/O zpráv v reálném čase nebo pro implicitní komunikaci. Informační vrstva CIP se používá pro výměnu datových zpráv nebo explicitní komunikaci.

Informační vrstva je určena k přenosu časově nekritických dat. Typické jsou velké pakety. Informační datové výměny jsou krátce trvající explicitní spojení mezi jedním tvůrcem, který vysílá data, a jedním cílovým zařízením. Informační datové pakety využívají protokol TCP/IP s výhodnými datovými vlastnostmi TCP.

Přenos I/O dat je časově kritický. Typické jsou malé pakety. I/O datové výměny jsou dlouhotrvající implicitní spojení mezi jedním zdrojem a více cílovými zařízeními. I/O datové pakety využívají protokol UDP/IP, především pro jeho výkon a rychlost protokolu UDP.

V rámci sítě EtherNet/IP je také nutné zabezpečit cyklickou datovou synchronizaci mezi jedním procesorem-producentem a více procesory-konzumenty. Data přenášená v reálném čase využívají také protokol UDP/IP.

Obr. 3.

Aplikace se sítí DeviceNet
O tom, jak je síť DeviceNet výkonná, může čtenáře přesvědčit obr. 3., kde je část blokového schématu skutečné aplikace, kterou realizovala firma Spel Kolín před několika lety. Po síti DeviceNet jsou nejen předávány povely ke spouštění pohonu a regulaci frekvence, ale je monitorován i proud měničem, výstupní frekvence z měniče, stavová slova, teplota měniče, chybové kódy atd. Díky softwaru RS Networx je možné konfigurovat celou síť, ale i všechny parametry jednotlivých měničů. Kompletní nastavení sítě, včetně nastavení měničů, je možné archivovat pro případnou úpravu, rozšíření nebo servisní zásah. Uvážíme-li, že v měniči je okolo jednoho sta parametrů, realizace klasickým způsobem pomocí analogových výstupních kart a binárními signály je takřka nemožná.

Komunikace s jinými průmyslovými sítěmi
Kromě již zmiňovaných a preferovaných průmyslových sítí podporuje Rockwell Automation i nadále svoje průmyslové sítě DH485, DH+, Remote I/O a DF1. Je-li to nutné, je možné komunikovat i po sítích Modbus RTU, Modbus Plus, Profibus DP, Landis & Gyr – slave, Johnson Controls Metasys – slave, Teledyne CA – slave, Emerson FX Drive – master atd. Z to vyplývá, že komunikační schopnosti produktů Rockwell Automation jsou jedny z nejkomplexnějších na trhu.

ControlTech s. r. o.
Havlíčkova 822
280 00 Kolín
tel.: 0321/74 20 11
fax: 0321/74 20 22
e-mail: info@controltech.cz
www.controltech.cz


1) Pozn. redakce: Názvosloví je v tomto oboru značně neustálené. Lze se setkat i s termínem podniková vrstva místo informační nebo provozní vrstva místo technologická. V některých typech výrob bývá řídicí vrstva označována jako procesní.