Transcript Průmyslový Ethernet
Slide 1
Proměny průmyslové
automatizace
František Zezulka, Ondřej Hynčica
UAMT FEKT VUT v Brně,
Kolejní 4, 612 00 Brno
E-mail: [email protected],
[email protected]
NEXT
Slide 2
Motto:
Průmyslové komunikační systémy nejsou jen
propojovacím kanálem mezi automatizačními prostředky v
řídicí architektuře strojů, výrobních linek,
technologických, energetických a dopravních systémů, ale
staly se nejen automatizačním prostředkem, ale zároveň
fenoménem automatického řízení.
Jako takové si zaslouží systematickou pozornost.
NEXT
Slide 3
Osnova:
Přehled automatizačních prostředků
Průmyslové komunikační systémy v kontextu automatizačních
prostředků
Sběrnice v DCS, PLC a IPC orientovaných systémech
Rozdělení průmyslových komunikačních systémů, jejich
charakteristiky, parametry a oblasti použití
Strukturalizace průmyslových sběrnic
Standardizační proces, IEC 1158, EN 5O170
Přehled průmyslových komunikačních prostředků
Ethernet
Průmyslový Ethernet
Norma IEC 61158
NEXT
Slide 4
Průmyslové komunikační systémy v kontextu
automatizačních prostředků
Slide 5
Rozdělení průmyslových komunikačních
systémů, jejich charakteristiky, parametry a
oblasti použití
Slide 6
Charakteristiky
Sensor/aktor bus
Charakteristika
AS-i,
Interbus, HART, proprietární (FlexIO apod.)
Device bus
DeviceNet,
Interbus S, CAN a další proprietární
Fieldbus
Profibus,
WorlFIP, P-Net, ControlNet a další
Slide 7
Standardizační proces
ISA SP 50 a IEC SC 65
IEC
1158
Evropský standardizační proces EN 50170
Profibus
FIP
P-Net
Slide 8
Profibus
Příklad průmyslové sběrnice dle doporučení SP 50
Polovina 80. let
Standardizace jako DIN 19245
Standardizace jako EN 50170, díl 2
Standardizace v ISO 61158
Slide 9
Profibus
Struktura
Profibus
FMS (propojení PLC, IPC, OS)
Profibus DP (decentralizované periferie)
Profibus PA (technologické procesy)
Komunikační model
Fyzické vlastnosti, přístupová metoda, topologie
Parametry (vzdálenost, rychlost
Současnost a budoucnost
Slide 10
Profibus - komunikační model
RM ISO OSI a Model Profibus
Slide 11
Profibus - základní vlastnosti 1/2
Fyzická vrstva
- kroucená stíněná dvoulinka (RS 485),
světlovodič
Průmyslové provedení konektorů
Délka segmentu 1 200m bez opakovačů (repeater), 32
účastníků na segment, Max. 128
Škála rychlostí od 9.6 kbitů/sec. do 12 Mbitů/sec. (DP),
31.25kbitů/sec. (PA)
Integrované řadiče Profibus DP
Médium
Slide 12
Profibus - základní vlastnosti 2/2
Linková vrstva
Vrstva
přístupu k přenosovému médiu, zabezpečení a
přístup k 7. aplikační vrstvě
Hybridní přístupová metoda token passing a Master –
Slave
Slide 13
FIP - EN 50170, díl 3.
FIP – Evropské firmy, hlavně Francie
Přenos na severoamerický kontinent
jako WorldFIP
RS
485, kroucená dvoulinka,
rychlosti 31.25 až 2,5 Mbitů/sec.,
segment pro 32 účastníků, max. 256 účastníků
Slide 14
FIP - EN 50170, díl 3.
Přístupová metoda - zdrojově orientovaný polling
Cyklicky pověřuje jednotlivé stanice vysílat nebo přijímat
data
arbitr vlastní seznam všech síťových proměnných (65 536)
Každá proměnná má vlastní identifikátor
Stanice přijímají zprávy dle identifikátoru
Několik stanic může současně přijímat vysílaná data
Bus
arbitrator
Adresa
Consumer
Producer
Consumer
Consumer
Producer
Consumer
Bus
arbitrator
Slide 15
FIP - EN 50170, díl 3.
FIP rozšířen ve Francii a na severoamerickém
kontinentu
Spolu s Profibusem se účastnil standardizace v ISP
projektu
Spolu s Profibusem je inspirací pro Foundation
Fieldbus
Slide 16
P-Net – EN 50170, díl 1.
Vyvinut a rozšířen v Dánsku
Vhodný pro propojování rozsáhlých sítí
Speciální přístupová metoda s nízkou přenosovou
rychlostí
Slide 17
Foundation Fieldbus
Inspirován spoluprací PNO (Profibus) a WorldFIP
v ISP projektu
Nejblíže „světovému standardu“ fieldbusu dle ISA
SC 50
Ve variantě H1 implementuje IEC 61158 -2 pro
linkovou vrstvu
Ve variantě H1vhodný pro chemii a výbušnou
zónu ( rychlost 31.25 kbitů/sec.)
Standardizace „8. vrstvy“ RM ISO OSI
Slide 18
Foundation Fieldbus – komunikační model
PHY
Slide 19
Foundation Fieldbus – fyzická vrstva
Fyzická vrstva
ISA a IEC 1158-2 do výbušné zóny
Doplňování a odstraňování záhlaví
Proudová smyčka, napájení po sběrnici
Kódování Manchester II
Pevná rychlost 31.25 kbitů/sec.
Dle
Slide 20
Foundation Fieldbus – fyzická vrstva
Slide 21
Další průmyslové komunikační systémy
CAN (mimo ISO RM OSI)
DeviceNet (device bus ODVA/Rockwell)
ControlNet (fieldbus ODVA/Rockwell)
CANopen
Interbus
AS-interface
HART
další
Slide 22
Totálně distribuované řídicí systémy
Automatizace budov
Energetické a další rozlehlé systémy
LONworks, EIB, X10
Žádný arbiter
Žádný řídicí člen
Síťové proměnné (producer /consumer, publisher
/subscriber
Slide 23
LONworks 1/3
protokol musí být implementovaný do velmi
levného čipu,
musí podporovat přenos nejběžnějšími médii od
kroucené dvoulinky, radiového přenosu,
telefonní linky, silových rozvodů,
infračerveného přenosu až po koaxiální kabel a
světlovodič,
musí umožnit připojení až desítek tisíc účastníků
sítě
Slide 24
LONworks 2/3
musí zaručovat velmi bezpečný provoz, neboť
jeho základní poslání je v řízení procesu a ne
pouze v přenosu dat,
doba odezvy musí být nezávislá na rozlehlosti
sítě,
musí umožnit peer-to-peer komunikaci, tj. každý
účastník musí mít možnost bez arbitra
komunikovat s jiným libovolným účastníkem
(což má úzkou souvislost s bezpečným
provozem sítě, která tak není vystavena
zhroucení při zhroucení arbitra),
Slide 25
LONworks 3/3
musí umožnit zabudovat arbitráž jednoho
účastníka nad druhým; řešení musí být
softwarové a zcela nezávislé na výrobci čidel a
akčních členů (musí to být možné provést v
protokolu),
na LonTalk musí být připojitelné výrobky
různých výrobců bez jakýchkoli dohod a
konzultací prostě jen tím, že jsou pomocí čipu
připojitelné do sítě LonWorks,
interface musí být pro komunikující prvek zcela
průhledný.
Slide 26
LonTalk
Příklad sítě LonWorks
Slide 27
LonTalk
Peer–to–peer prediktivní p-naléhající CSMA metoda
RS 485 a další dle média
Kód Manchester II
Bohaté možnosti adresování až 32 tis. node
Možnost implementace všech vrstev RM
Twist, PWL, koaxiál, telefonní linky, bezdrát
Slide 28
AS-interface
Typický sensor/actor bus
Různé topologie
Dvě specifikace na 31 resp. 62 aktivních a/nebo 124 resp.
248 pasivních binární I/O zařízení
Plug and play
5 resp. 10 msec cyklus sítě
Speciální fyzická vrstva s profilovým nestíněným
nekrouceným kabelem
Unikátní APM (alternating puls modulation) zaručující
vysokou robustnost
Především pro přenos binárních signálů
Jen do nevýbušného prostředí
Vyvinuta varianta Safety at Work
Slide 29
AS-interface – příklad toplogie
PLC
PLC
PC
F ield b u s
R S -2 3 2
G atew a y
PLC
A S -I
S ta n d a lo n e
m aste r
A S -I
A S -I
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
Slide 30
Ethernet a průmyslové komunikace 1/2
State of the art v průmyslových sítích
Příliš
mnoho systémů
K jednomu automatizačnímu přístroji několik
komunikačních standardů
Nevýhoda pro výrobce
Nevýhoda pro uživatele
Plně vyhovující stav z hlediska funkčnosti
Safety varianty u nejvýznamnějších fieldbusu
Real-time z principu zaručen u dedikovaných
systémů
Uzavřenost vzhledem k privátním sítím, tudíž není
třeba řešit security
Slide 31
Ethernet a průmyslové komunikace 2/2
Proč tedy Ethernet jako další fieldbus
Jednotná
komunikace ve všech úrovních podnikové
komunikace
Možnost využití IT nákladů na vývoj systémů jen pro
automatizaci
Masové rozšíření Ethernetu a tím nízká cena
komponent
Vysoká a neustále rostoucí rychlost přenosu
Nebo něco více než jen další fieldbus?
Ethernet
prošel vývojem, již není standardem IEEE
802.3
Přirozeně otevřený směrem k Internetu
Slide 32
Ethernet v automatizaci
Jak splňuje podmínky systémů automatického
řízení?
vlastnosti (determinismus, včasnost, současnost)
Safety
Security
Robustnost
V mnoha ohledech nedostatečně.
R-T
Proto šel vývoj k průmyslovým Ethernetům
Slide 33
Ethernet v průmyslové komunikaci
Ethernet versus fieldbusy a nižší druhy sběrnic
Standard
v kancelářských a informačních sítích
Popularita
Internet
Výkon/cena
Rychlost
Přepínaný
Průmyslový Ethernet versus Ethernet
Real-time
Safety
Security
Robustní
provedení
Automatizační profily
Slide 34
Ethernet pro kanceláře a IT
1/2
Ethernet TCP/IP, IEEE 802.3, WiFi (bezdrátová varianta)
De facto standard od poloviny 80. let pro LAN
Nedeterministický, CSMA/CD
Kancelářské provedení
Dobré EMC vlastnosti
Otevřenost k internetu
Stále vyšší rychlost (10Mbit/s, 100Mbit/s – fast Ethernet, 1Gbit/s,
10Gbit/s)
Vynikající poměr výkon/cena
Strukturovaná kabeláž
Klient/server
Přepínání - zmenšení kolizních domén, cesta k real - time
Slide 35
Ethernet pro kanceláře a IT 2/2
Komunikační model Ethernet TCP/IP s dalšími protokoly
Slide 36
Průmyslový Ethernet - přehled 1/2
Již není standardem IEEE 802.3 – cesta k výkonnému fieldbusu a
něco/hodně navíc:
Kvazideterminismus
Priority v přístupovém MAC mechanismu
UDP místo TCP
Producer – consumer
Publisher - subscriber
Přepínání (switching)/ Bezkolizní domény
Topologie
Směrování/ Segmentování
Plánování komunikace
Vysoká rychlost přenosu
Duplexní provoz
Slide 37
Průmyslový Ethernet 2/2
Determinismus
Synchronizace (PTP protokol dle IEEE 1588)
Robustnost
Fyzická
Elektrické provedení (EMC)
Safety
Firewall, implementace security mechanismů z IT
Jednotná komunikační technologie v celé informační pyramidě
Vysoká ekonomika projektování, uvádění do provozu
Otevřenost k Internetu
Umožňuje využití všech Internetových technologií
Vzdálené monitorování
Standardní (elektricky), levné Ethernetové karty
Slide 38
Ethernet a Real-Time 1/3
Systém reálného času je takový systém, který je schopen
správně reagovat na vstupní události do předem
stanoveného pevného časového okamžiku.
Slide 39
Ethernet a Real-Time 2/3
Dva aspekty funkce RT systému:
včasnost (timeliness) - reakce systému (řídicího,
komunikačního), kdy systém provede požadovanou
operaci do určitého daného času (deadline)
současnost (synchronism) - synchronizace akcí
jednotlivých účastníků s předepsanou přesností daného
časového okamžiku td, v určitém tolerančním časovém
pásmu (jitter)
Slide 40
Ethernet a Real-Time 3/3
Znázornění včasnosti a současnosti systému
Slide 41
Mechanismy pro zajištění RT funkce
průmyslového Ethernetu
1/2
1.
2.
přepínání (přepínaný Ethernet)
– bezkolizní domény, není
sdílené médium, každý účastník
má svůj segment
segmentování (rozdělení LAN
na časově kritické RT segmenty
a časově nekritické) – fyzické
oddělení real-time zpráv od
časově nekritických
Slide 42
Mechanismy pro zajištění RT funkce
průmyslového Ethernetu
1/2
3.
vysoká rychlost přenosu (10Gbitů/s i vyšší) a plný duplex– zkrácení
kolizního časového intervalu zpráv
4.
prioritní sloty ve formátu protokolu Ethernet dle IEEE 802.1p
(pakety označené vyšší prioritou jsou přenášeny před pakety s nižší
prioritou)
5.
použití UDP namísto TCP (nespojovaná služba poskytuje předání
zprávy po předešlé chybě přenosu již při dalším vysílání zprávy)
6.
snížení časového tolerančního pásma (jitter) protokolem PTP
(Precision Time Protocol) dle standardu IEEE 1588 – synchronizace
Slide 43
Synchronizace v průmyslovém Ethernetu 1/2
Ethernet TCP/IP je z principu nedeterministický
Časový rozvrh komunikace a provedení akcí si nejsou jednoznačně
přiřazeny
Synchronizační mechanismy, použité v sítích LAN jako NTP (Network
Time Protocol) a SNTP (Simple Network Time Protocol) neřeší
požadavky průmyslové automatizace
Třeba implementovat do Ethernetu TCP/IP levný synchronizační
prostředek, který příliš nezatíží výkon jednotlivých účastníků sítě.
Řešením je způsob synchronizace PTP (Precision Time Protocol) dle
standardu IEEE 1588
Slide 44
Synchronizace v průmyslovém Ethernetu 2/2
Synchronizace distribuovanými hodinami reálného času
Umožňuje Ethernetu TCP/IP dosáhnout lepší synchronizace než jaké
dosahují současné fieldbusy
Používá se již v současných variantách průmyslového Ethernetu, v
časově kritických aplikací jako jsou pohony, systémy distribuce
energie, systémy back-up pro další informační kanály apod.
Používají ho např. EtherCAT, Ethernet IP(CIPsync), Ethernet
Powerlink, Profinet V3
Slide 45
Standardizace průmyslových komunikačních sítí
Fieldbus – průmyslový komunikační systém pro komunikaci v úrovni
bezprostředního řízení (PLC a 1. úroveň řízení v architektuře DCS)
IEC (International Electrotechnical Commision) – normotvorná
organizace
Standard Committees, Working groups
SC65C připravovala 15 let Fieldbus (celosvětový standard
průmyslového komunikačního prostředku)
Výsledkem je “The international fieldbus“ (z konce 1999) definovaný
standardy:
– IEC 61784-1 (Digital communication in Industrial Control systems)
– IEC 61158 ( Fieldbus for Industrial Control systems)
Slide 46
Standardy průmyslových sítí
IEC 61158, IEC 61784-1
Tyto standardy nahrazují původní standardy (CENELEC)
EN 50170 (General purposes fied communication systems)
EN 50254 (High efficiency communication subsystems for small data
packages)
Výsledkem práce SC65C není (z mnoha důvodů) jednotný celosvětový
standard, ale standardizace 7 stávajících fieldbusů: Foundation
Fieldbus, ControlNet, Profibus, P-Net, SwiftNet, WorlFIP, Interbus-S
Slide 47
Standardy průmyslových sítí
IEC 61158, IEC 61784-1
Vztah mezi standardy Fieldbusu
Slide 48
Standard IEC 61784-1
Standard IEC 61784-1 definuje profily komunikujících zařízení:
CPF1 (FOUNDATION® Fieldbus)
CPF2 (ControlNet™)
CPF3 (PROFIBUS)
CPF4 (P-NET®)
CPF5 (WorldFIP®)
CPF6 (INTERBUS®)
CPF7 (SwiftNet)
CP 1/1 H1
CP 1/2 HSE
CP 1/3 H2
CP 2/1 ControlNet
CP 2/2 EtherNet/IP
CP 3/1 PROFIBUS DP
CP 3/2 PROFIBUS PA
CP 3/3 PROFInet
CP 4/1 P-NET RS-485
CP 4/2 P-NET RS-232
CP 5/1 WorldFIP
CP 5/2 WorldFIP with subMMS
CP 5/3 WorldFIP minimal for TCP/IP
CP 6/1 INTERBUS
CP 6/2 INTERBUS TCP/IP
CP 6/3 INTERBUS minimal subset of CP
CP 7/1 SwiftNet Transport
CP 7/2 SwiftNet Full stack
Slide 49
Aktuální struktura a aktivity SC65C
Struktura SC65C
Slide 50
Další aktivity SC65C
Standardizace průmyslového Ethernetu
Implementace
stávajících průmyslových Ethernetů do
IEC 61158
(HSE, Ethernet/IP, PROFInet, PowerLink, EtherCAT a
dalších)
Stanovení
pravidel pro RTE ve standardu IEC 61784-2
včetně specifikace ukazatelů vlastností RTE
Slide 51
Jak dál ve standardizaci průmyslové
komunikace?
1/2
Slide 52
Komunikační modely průmyslových Ethernetů
Slide 53
Jak dál ve standardizaci průmyslové
komunikace?
2/2
CPF2 (ControlNet™)
CPF3 (PROFIBUS)
CPF4 (P-NET®)
CPF6 (INTERBUS®)
CPF10 (VNET/IP)
CPF11 (TCnet)
CPF12 (EtherCAT)
CPF13 (EPL)
CPF14 (EPA)
CPF15 (Modbus-RTPS)
CPF16 (SERCOS)
CP 2/2 EtherNet/IP
CP 2/3 EtherNet/IP RTE
CP 3/3 PROFINET CBA
CP 3/4 PROFINET I/O
CP 3/5 PROFINET IRT
CP 4/3 P-NET RTE
CP 6/2 INTERBUS TCP/IP
CP 6/4 INTERBUS RTE
CP 10/4 VNET/IP
CP 11/4 TCnet
CP 12/4 EtherCAT
CP 13/4 Ethernet Powerlink
CP 14/4 EPA
CP 15/4 Modbus-RTPS
CP 16/4 SERCOS III
Takže výsledkem bude 11 standardů RTE uvnitř ICE 61784-2, z nichž
každý bude mít několik komunikačních profilů.
Slide 54
Závěr
Průmyslové komunikační systémy – fenomén automatizace
Průmyslové sběrnice
Evropské průmyslové sběrnice
IEC 61158 a IEC 61784
Průmyslový Ethernet
Výhled
Slide 55
Děkuji za pozornost
Proměny průmyslové
automatizace
František Zezulka, Ondřej Hynčica
UAMT FEKT VUT v Brně,
Kolejní 4, 612 00 Brno
E-mail: [email protected],
[email protected]
NEXT
Slide 2
Motto:
Průmyslové komunikační systémy nejsou jen
propojovacím kanálem mezi automatizačními prostředky v
řídicí architektuře strojů, výrobních linek,
technologických, energetických a dopravních systémů, ale
staly se nejen automatizačním prostředkem, ale zároveň
fenoménem automatického řízení.
Jako takové si zaslouží systematickou pozornost.
NEXT
Slide 3
Osnova:
Přehled automatizačních prostředků
Průmyslové komunikační systémy v kontextu automatizačních
prostředků
Sběrnice v DCS, PLC a IPC orientovaných systémech
Rozdělení průmyslových komunikačních systémů, jejich
charakteristiky, parametry a oblasti použití
Strukturalizace průmyslových sběrnic
Standardizační proces, IEC 1158, EN 5O170
Přehled průmyslových komunikačních prostředků
Ethernet
Průmyslový Ethernet
Norma IEC 61158
NEXT
Slide 4
Průmyslové komunikační systémy v kontextu
automatizačních prostředků
Slide 5
Rozdělení průmyslových komunikačních
systémů, jejich charakteristiky, parametry a
oblasti použití
Slide 6
Charakteristiky
Sensor/aktor bus
Charakteristika
AS-i,
Interbus, HART, proprietární (FlexIO apod.)
Device bus
DeviceNet,
Interbus S, CAN a další proprietární
Fieldbus
Profibus,
WorlFIP, P-Net, ControlNet a další
Slide 7
Standardizační proces
ISA SP 50 a IEC SC 65
IEC
1158
Evropský standardizační proces EN 50170
Profibus
FIP
P-Net
Slide 8
Profibus
Příklad průmyslové sběrnice dle doporučení SP 50
Polovina 80. let
Standardizace jako DIN 19245
Standardizace jako EN 50170, díl 2
Standardizace v ISO 61158
Slide 9
Profibus
Struktura
Profibus
FMS (propojení PLC, IPC, OS)
Profibus DP (decentralizované periferie)
Profibus PA (technologické procesy)
Komunikační model
Fyzické vlastnosti, přístupová metoda, topologie
Parametry (vzdálenost, rychlost
Současnost a budoucnost
Slide 10
Profibus - komunikační model
RM ISO OSI a Model Profibus
Slide 11
Profibus - základní vlastnosti 1/2
Fyzická vrstva
- kroucená stíněná dvoulinka (RS 485),
světlovodič
Průmyslové provedení konektorů
Délka segmentu 1 200m bez opakovačů (repeater), 32
účastníků na segment, Max. 128
Škála rychlostí od 9.6 kbitů/sec. do 12 Mbitů/sec. (DP),
31.25kbitů/sec. (PA)
Integrované řadiče Profibus DP
Médium
Slide 12
Profibus - základní vlastnosti 2/2
Linková vrstva
Vrstva
přístupu k přenosovému médiu, zabezpečení a
přístup k 7. aplikační vrstvě
Hybridní přístupová metoda token passing a Master –
Slave
Slide 13
FIP - EN 50170, díl 3.
FIP – Evropské firmy, hlavně Francie
Přenos na severoamerický kontinent
jako WorldFIP
RS
485, kroucená dvoulinka,
rychlosti 31.25 až 2,5 Mbitů/sec.,
segment pro 32 účastníků, max. 256 účastníků
Slide 14
FIP - EN 50170, díl 3.
Přístupová metoda - zdrojově orientovaný polling
Cyklicky pověřuje jednotlivé stanice vysílat nebo přijímat
data
arbitr vlastní seznam všech síťových proměnných (65 536)
Každá proměnná má vlastní identifikátor
Stanice přijímají zprávy dle identifikátoru
Několik stanic může současně přijímat vysílaná data
Bus
arbitrator
Adresa
Consumer
Producer
Consumer
Consumer
Producer
Consumer
Bus
arbitrator
Slide 15
FIP - EN 50170, díl 3.
FIP rozšířen ve Francii a na severoamerickém
kontinentu
Spolu s Profibusem se účastnil standardizace v ISP
projektu
Spolu s Profibusem je inspirací pro Foundation
Fieldbus
Slide 16
P-Net – EN 50170, díl 1.
Vyvinut a rozšířen v Dánsku
Vhodný pro propojování rozsáhlých sítí
Speciální přístupová metoda s nízkou přenosovou
rychlostí
Slide 17
Foundation Fieldbus
Inspirován spoluprací PNO (Profibus) a WorldFIP
v ISP projektu
Nejblíže „světovému standardu“ fieldbusu dle ISA
SC 50
Ve variantě H1 implementuje IEC 61158 -2 pro
linkovou vrstvu
Ve variantě H1vhodný pro chemii a výbušnou
zónu ( rychlost 31.25 kbitů/sec.)
Standardizace „8. vrstvy“ RM ISO OSI
Slide 18
Foundation Fieldbus – komunikační model
PHY
Slide 19
Foundation Fieldbus – fyzická vrstva
Fyzická vrstva
ISA a IEC 1158-2 do výbušné zóny
Doplňování a odstraňování záhlaví
Proudová smyčka, napájení po sběrnici
Kódování Manchester II
Pevná rychlost 31.25 kbitů/sec.
Dle
Slide 20
Foundation Fieldbus – fyzická vrstva
Slide 21
Další průmyslové komunikační systémy
CAN (mimo ISO RM OSI)
DeviceNet (device bus ODVA/Rockwell)
ControlNet (fieldbus ODVA/Rockwell)
CANopen
Interbus
AS-interface
HART
další
Slide 22
Totálně distribuované řídicí systémy
Automatizace budov
Energetické a další rozlehlé systémy
LONworks, EIB, X10
Žádný arbiter
Žádný řídicí člen
Síťové proměnné (producer /consumer, publisher
/subscriber
Slide 23
LONworks 1/3
protokol musí být implementovaný do velmi
levného čipu,
musí podporovat přenos nejběžnějšími médii od
kroucené dvoulinky, radiového přenosu,
telefonní linky, silových rozvodů,
infračerveného přenosu až po koaxiální kabel a
světlovodič,
musí umožnit připojení až desítek tisíc účastníků
sítě
Slide 24
LONworks 2/3
musí zaručovat velmi bezpečný provoz, neboť
jeho základní poslání je v řízení procesu a ne
pouze v přenosu dat,
doba odezvy musí být nezávislá na rozlehlosti
sítě,
musí umožnit peer-to-peer komunikaci, tj. každý
účastník musí mít možnost bez arbitra
komunikovat s jiným libovolným účastníkem
(což má úzkou souvislost s bezpečným
provozem sítě, která tak není vystavena
zhroucení při zhroucení arbitra),
Slide 25
LONworks 3/3
musí umožnit zabudovat arbitráž jednoho
účastníka nad druhým; řešení musí být
softwarové a zcela nezávislé na výrobci čidel a
akčních členů (musí to být možné provést v
protokolu),
na LonTalk musí být připojitelné výrobky
různých výrobců bez jakýchkoli dohod a
konzultací prostě jen tím, že jsou pomocí čipu
připojitelné do sítě LonWorks,
interface musí být pro komunikující prvek zcela
průhledný.
Slide 26
LonTalk
Příklad sítě LonWorks
Slide 27
LonTalk
Peer–to–peer prediktivní p-naléhající CSMA metoda
RS 485 a další dle média
Kód Manchester II
Bohaté možnosti adresování až 32 tis. node
Možnost implementace všech vrstev RM
Twist, PWL, koaxiál, telefonní linky, bezdrát
Slide 28
AS-interface
Typický sensor/actor bus
Různé topologie
Dvě specifikace na 31 resp. 62 aktivních a/nebo 124 resp.
248 pasivních binární I/O zařízení
Plug and play
5 resp. 10 msec cyklus sítě
Speciální fyzická vrstva s profilovým nestíněným
nekrouceným kabelem
Unikátní APM (alternating puls modulation) zaručující
vysokou robustnost
Především pro přenos binárních signálů
Jen do nevýbušného prostředí
Vyvinuta varianta Safety at Work
Slide 29
AS-interface – příklad toplogie
PLC
PLC
PC
F ield b u s
R S -2 3 2
G atew a y
PLC
A S -I
S ta n d a lo n e
m aste r
A S -I
A S -I
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
Slide 30
Ethernet a průmyslové komunikace 1/2
State of the art v průmyslových sítích
Příliš
mnoho systémů
K jednomu automatizačnímu přístroji několik
komunikačních standardů
Nevýhoda pro výrobce
Nevýhoda pro uživatele
Plně vyhovující stav z hlediska funkčnosti
Safety varianty u nejvýznamnějších fieldbusu
Real-time z principu zaručen u dedikovaných
systémů
Uzavřenost vzhledem k privátním sítím, tudíž není
třeba řešit security
Slide 31
Ethernet a průmyslové komunikace 2/2
Proč tedy Ethernet jako další fieldbus
Jednotná
komunikace ve všech úrovních podnikové
komunikace
Možnost využití IT nákladů na vývoj systémů jen pro
automatizaci
Masové rozšíření Ethernetu a tím nízká cena
komponent
Vysoká a neustále rostoucí rychlost přenosu
Nebo něco více než jen další fieldbus?
Ethernet
prošel vývojem, již není standardem IEEE
802.3
Přirozeně otevřený směrem k Internetu
Slide 32
Ethernet v automatizaci
Jak splňuje podmínky systémů automatického
řízení?
vlastnosti (determinismus, včasnost, současnost)
Safety
Security
Robustnost
V mnoha ohledech nedostatečně.
R-T
Proto šel vývoj k průmyslovým Ethernetům
Slide 33
Ethernet v průmyslové komunikaci
Ethernet versus fieldbusy a nižší druhy sběrnic
Standard
v kancelářských a informačních sítích
Popularita
Internet
Výkon/cena
Rychlost
Přepínaný
Průmyslový Ethernet versus Ethernet
Real-time
Safety
Security
Robustní
provedení
Automatizační profily
Slide 34
Ethernet pro kanceláře a IT
1/2
Ethernet TCP/IP, IEEE 802.3, WiFi (bezdrátová varianta)
De facto standard od poloviny 80. let pro LAN
Nedeterministický, CSMA/CD
Kancelářské provedení
Dobré EMC vlastnosti
Otevřenost k internetu
Stále vyšší rychlost (10Mbit/s, 100Mbit/s – fast Ethernet, 1Gbit/s,
10Gbit/s)
Vynikající poměr výkon/cena
Strukturovaná kabeláž
Klient/server
Přepínání - zmenšení kolizních domén, cesta k real - time
Slide 35
Ethernet pro kanceláře a IT 2/2
Komunikační model Ethernet TCP/IP s dalšími protokoly
Slide 36
Průmyslový Ethernet - přehled 1/2
Již není standardem IEEE 802.3 – cesta k výkonnému fieldbusu a
něco/hodně navíc:
Kvazideterminismus
Priority v přístupovém MAC mechanismu
UDP místo TCP
Producer – consumer
Publisher - subscriber
Přepínání (switching)/ Bezkolizní domény
Topologie
Směrování/ Segmentování
Plánování komunikace
Vysoká rychlost přenosu
Duplexní provoz
Slide 37
Průmyslový Ethernet 2/2
Determinismus
Synchronizace (PTP protokol dle IEEE 1588)
Robustnost
Fyzická
Elektrické provedení (EMC)
Safety
Firewall, implementace security mechanismů z IT
Jednotná komunikační technologie v celé informační pyramidě
Vysoká ekonomika projektování, uvádění do provozu
Otevřenost k Internetu
Umožňuje využití všech Internetových technologií
Vzdálené monitorování
Standardní (elektricky), levné Ethernetové karty
Slide 38
Ethernet a Real-Time 1/3
Systém reálného času je takový systém, který je schopen
správně reagovat na vstupní události do předem
stanoveného pevného časového okamžiku.
Slide 39
Ethernet a Real-Time 2/3
Dva aspekty funkce RT systému:
včasnost (timeliness) - reakce systému (řídicího,
komunikačního), kdy systém provede požadovanou
operaci do určitého daného času (deadline)
současnost (synchronism) - synchronizace akcí
jednotlivých účastníků s předepsanou přesností daného
časového okamžiku td, v určitém tolerančním časovém
pásmu (jitter)
Slide 40
Ethernet a Real-Time 3/3
Znázornění včasnosti a současnosti systému
Slide 41
Mechanismy pro zajištění RT funkce
průmyslového Ethernetu
1/2
1.
2.
přepínání (přepínaný Ethernet)
– bezkolizní domény, není
sdílené médium, každý účastník
má svůj segment
segmentování (rozdělení LAN
na časově kritické RT segmenty
a časově nekritické) – fyzické
oddělení real-time zpráv od
časově nekritických
Slide 42
Mechanismy pro zajištění RT funkce
průmyslového Ethernetu
1/2
3.
vysoká rychlost přenosu (10Gbitů/s i vyšší) a plný duplex– zkrácení
kolizního časového intervalu zpráv
4.
prioritní sloty ve formátu protokolu Ethernet dle IEEE 802.1p
(pakety označené vyšší prioritou jsou přenášeny před pakety s nižší
prioritou)
5.
použití UDP namísto TCP (nespojovaná služba poskytuje předání
zprávy po předešlé chybě přenosu již při dalším vysílání zprávy)
6.
snížení časového tolerančního pásma (jitter) protokolem PTP
(Precision Time Protocol) dle standardu IEEE 1588 – synchronizace
Slide 43
Synchronizace v průmyslovém Ethernetu 1/2
Ethernet TCP/IP je z principu nedeterministický
Časový rozvrh komunikace a provedení akcí si nejsou jednoznačně
přiřazeny
Synchronizační mechanismy, použité v sítích LAN jako NTP (Network
Time Protocol) a SNTP (Simple Network Time Protocol) neřeší
požadavky průmyslové automatizace
Třeba implementovat do Ethernetu TCP/IP levný synchronizační
prostředek, který příliš nezatíží výkon jednotlivých účastníků sítě.
Řešením je způsob synchronizace PTP (Precision Time Protocol) dle
standardu IEEE 1588
Slide 44
Synchronizace v průmyslovém Ethernetu 2/2
Synchronizace distribuovanými hodinami reálného času
Umožňuje Ethernetu TCP/IP dosáhnout lepší synchronizace než jaké
dosahují současné fieldbusy
Používá se již v současných variantách průmyslového Ethernetu, v
časově kritických aplikací jako jsou pohony, systémy distribuce
energie, systémy back-up pro další informační kanály apod.
Používají ho např. EtherCAT, Ethernet IP(CIPsync), Ethernet
Powerlink, Profinet V3
Slide 45
Standardizace průmyslových komunikačních sítí
Fieldbus – průmyslový komunikační systém pro komunikaci v úrovni
bezprostředního řízení (PLC a 1. úroveň řízení v architektuře DCS)
IEC (International Electrotechnical Commision) – normotvorná
organizace
Standard Committees, Working groups
SC65C připravovala 15 let Fieldbus (celosvětový standard
průmyslového komunikačního prostředku)
Výsledkem je “The international fieldbus“ (z konce 1999) definovaný
standardy:
– IEC 61784-1 (Digital communication in Industrial Control systems)
– IEC 61158 ( Fieldbus for Industrial Control systems)
Slide 46
Standardy průmyslových sítí
IEC 61158, IEC 61784-1
Tyto standardy nahrazují původní standardy (CENELEC)
EN 50170 (General purposes fied communication systems)
EN 50254 (High efficiency communication subsystems for small data
packages)
Výsledkem práce SC65C není (z mnoha důvodů) jednotný celosvětový
standard, ale standardizace 7 stávajících fieldbusů: Foundation
Fieldbus, ControlNet, Profibus, P-Net, SwiftNet, WorlFIP, Interbus-S
Slide 47
Standardy průmyslových sítí
IEC 61158, IEC 61784-1
Vztah mezi standardy Fieldbusu
Slide 48
Standard IEC 61784-1
Standard IEC 61784-1 definuje profily komunikujících zařízení:
CPF1 (FOUNDATION® Fieldbus)
CPF2 (ControlNet™)
CPF3 (PROFIBUS)
CPF4 (P-NET®)
CPF5 (WorldFIP®)
CPF6 (INTERBUS®)
CPF7 (SwiftNet)
CP 1/1 H1
CP 1/2 HSE
CP 1/3 H2
CP 2/1 ControlNet
CP 2/2 EtherNet/IP
CP 3/1 PROFIBUS DP
CP 3/2 PROFIBUS PA
CP 3/3 PROFInet
CP 4/1 P-NET RS-485
CP 4/2 P-NET RS-232
CP 5/1 WorldFIP
CP 5/2 WorldFIP with subMMS
CP 5/3 WorldFIP minimal for TCP/IP
CP 6/1 INTERBUS
CP 6/2 INTERBUS TCP/IP
CP 6/3 INTERBUS minimal subset of CP
CP 7/1 SwiftNet Transport
CP 7/2 SwiftNet Full stack
Slide 49
Aktuální struktura a aktivity SC65C
Struktura SC65C
Slide 50
Další aktivity SC65C
Standardizace průmyslového Ethernetu
Implementace
stávajících průmyslových Ethernetů do
IEC 61158
(HSE, Ethernet/IP, PROFInet, PowerLink, EtherCAT a
dalších)
Stanovení
pravidel pro RTE ve standardu IEC 61784-2
včetně specifikace ukazatelů vlastností RTE
Slide 51
Jak dál ve standardizaci průmyslové
komunikace?
1/2
Slide 52
Komunikační modely průmyslových Ethernetů
Slide 53
Jak dál ve standardizaci průmyslové
komunikace?
2/2
CPF2 (ControlNet™)
CPF3 (PROFIBUS)
CPF4 (P-NET®)
CPF6 (INTERBUS®)
CPF10 (VNET/IP)
CPF11 (TCnet)
CPF12 (EtherCAT)
CPF13 (EPL)
CPF14 (EPA)
CPF15 (Modbus-RTPS)
CPF16 (SERCOS)
CP 2/2 EtherNet/IP
CP 2/3 EtherNet/IP RTE
CP 3/3 PROFINET CBA
CP 3/4 PROFINET I/O
CP 3/5 PROFINET IRT
CP 4/3 P-NET RTE
CP 6/2 INTERBUS TCP/IP
CP 6/4 INTERBUS RTE
CP 10/4 VNET/IP
CP 11/4 TCnet
CP 12/4 EtherCAT
CP 13/4 Ethernet Powerlink
CP 14/4 EPA
CP 15/4 Modbus-RTPS
CP 16/4 SERCOS III
Takže výsledkem bude 11 standardů RTE uvnitř ICE 61784-2, z nichž
každý bude mít několik komunikačních profilů.
Slide 54
Závěr
Průmyslové komunikační systémy – fenomén automatizace
Průmyslové sběrnice
Evropské průmyslové sběrnice
IEC 61158 a IEC 61784
Průmyslový Ethernet
Výhled
Slide 55
Děkuji za pozornost