Diploma [Komunikacijske strukture avtomatiziranih ...proizvodno-poslovnih sistemih. Kljub temu da je...
Transcript of Diploma [Komunikacijske strukture avtomatiziranih ...proizvodno-poslovnih sistemih. Kljub temu da je...
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
DIPLOMSKO DELO
Maribor, junij 2008 Gregor DOLINŠEK
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Gregor DOLINŠEK
KOMUNIKACIJSKE STRUKTURE AVTOMATIZIRANIH PROIZVODNIH PROCESOV
Diplomsko delo
Maribor, junij 2008
I
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
2000 Maribor, Smetanova ul. 17
Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa
KOMUNIKACIJSKE STRUKTURE AVTOMATIZIRANIH PROIZVODNIH PROCESOV
Študent: Gregor DOLINŠEK Študijski program: visokošolski strokovni, Elektrotehnika Smer: Elektronika
Mentor: doc. dr. Mitja SOLAR
Somentor: doc. dr. Bojan JARC
Maribor, junij 2008
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, profesorju dr. Mitji SOLARJU
za pomoč, vodenje in koristne nasvete pri izdelavi
diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem vsem
sodelavcem iz Priprave Vzdrževanja v Gorenju, za
dobro tehnično in praktično pomoč pri izvedbi diplomske
naloge.
IV
KOMUNIKACIJSKE STRUKTURE AVTOMATIZIRANIH PROIZVODNIH PROCESOV
Ključne besede: proizvodni procesi, komunikacijske strukture, industrijska omrežja,
I/O, AS-i, MPI, Profibus, Ethernet
UDK: 004.7:658.562(043.2)
Povzetek
Diplomsko delo opisuje gradnike in osnovne značilnosti najpogosteje uporabljenih
komunikacijskih struktur v avtomatiziranih proizvodnih procesih. V prvem delu so opisane
posamezne vrste mrež s svojimi značilnostmi in gradniki, umestitev posameznih mrež v
hierarhično strukturo ter povezljivosti med nivoji. Izdelani so modeli različnih
komunikacijskih struktur od krmilnega PLC do PC nivoja. V drugem delu naloge sledi
opis primera komunikacijske strukture odvoza gotovih izdelkov iz proizvodnih linij preko
razvrščanja in uskladiščevanja izdelkov v avtomatizirano visoko regalno skladišče Navis -
Gorenje.
V
COMMUNICATION STRUCTURES OF AUTOMATED MANUFACTURING PROCESSES
Keywords: manufacturing processes, communication structures, industrial networks,
I/O, AS-i, MPI, Profibus, Ethernet
UDK: 004.7:658.562(043.2)
Abstract
This thesis presents a description of components and basic characteristics of the most
commonly used communication structures in automated manufacturing processes. The first
part of the thesis describes specific types of networks with their characteristics and
components, integration of individual networks into a hierarchical structure, and
connectivity between levels. Different models of communication structures from a
controlling PLC to PC level are presented. The second part of the thesis presents an
example of a communication structure for the transport of finished products from
production lines, sorting and storing of products, in the automated warehouse with high
storage racks, Navis – Gorenje.
VI
KAZALO
1. UVOD ........................................................................................................................... 1
2. INDUSTRIJSKA OMREŽJA .................................................................................... 2
2.1 NIVOJSKA STRUKTURA OMREŽJA .......................................................... 2
2.2 ISO/OSI REFERENČNI MODEL................................................................... 3
2.3 TCP/IP MODEL ................................................................................................. 5
2.4 OMREŽJA UPORABLJENA V INDUSTRIJI ................................................ 7
3. AS-i.............................................................................................................................. 10
3.1 ARHITEKTURA IN STANDARD IEC .......................................................... 10
3.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE.................................................................. 11
3.3 PRENOSNI MEDIJ IN TEHNIKE PRENOSA ............................................. 12
3.4 OSNOVNI GRADNIKI AS-i OMREŽJA ....................................................... 15
4. PROFIBUS................................................................................................................. 18
4.1 ARHITEKTURA IN VERZIJE PROFIBUS PROTOKOLA....................... 18
4.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE................................................................. 20
4.3 PRENOSNI MEDIJ IN TEHNIKE PRENOSA............................................ 20
4.3.1 PROTOKOL RS-485 (fizična plast) .......................................................... 21
4.3.2 OPTIČNI VODNIKI (fizična plast) ........................................................... 26
4.3.3 STANDARD IEC 1158-2 (fizična plast) .................................................... 27
4.3.4 IR KOMUNIKACIJA (fizična plast).......................................................... 28
4.4 GRADNIKI PROFIBUS OMREŽJA .............................................................. 28
5. INDUSTRIJSKI ETHERNET ................................................................................. 32
5.1 ARHITEKTURA IN STANDARD IEEE 802.3.............................................. 32
5.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE.................................................................. 34
5.3 OMREŽJA IN PRENOSNI MEDIJI............................................................... 35
5.3.1 INDUSTRIJSKI ETHERNET (10 Mb/s) .................................................. 36
5.3.2 HITRI ETHERNET (100 Mb/s) ................................................................ 38
6. REZULTATI.............................................................................................................. 40
VII
6.1 KOMUNIKACIJSKE STRUKTURE LOGISTIČNIH PROCESOV V
SKLADIŠČE NAVIS..................................................................................................... 40
6.2 ODVOZ IN SKLADIŠČENJE GOTOVIH IZDELKOV - HZA .................. 41
6.3 NALAGALNA CONA S TRANSPORTNIM SISTEMOM EVTV – HZA.. 41
6.4 TRANSPORTNI SISTEM EVTV – HZA ....................................................... 49
6.5 RAZLAGALNI SISTEM Z RAZVRŠČANJEM IN
VSKLADIŠČEVANJEM-HZA .................................................................................... 55
7. SKLEP ........................................................................................................................ 64
VIII
KAZALO SLIK Slika 2.1 : Nivojska struktura industrijskih omrežij.....................................................................................2 Slika 2.2 : Povezava komunikacijskih partnerjev po ISO/OSI modelu.......................................................4 Slika 2.3 : Primerjava ISO/OSI in TCP/IP modela.......................................................................................6 Slika 3.1 : Topologija AS-i omrežja [1] ........................................................................................................10 Slika 3.2 : AS-i kabel [11] ..............................................................................................................................12 Slika 3.3 : Gospodar-suženj komunikacija [11]...........................................................................................13 Slika 3.4 : AS-i gospodarji .............................................................................................................................15 Slika 3.5 : AS-i sužnji .....................................................................................................................................16 Slika 3.6 : AS-i napajalnik.............................................................................................................................16 Slika 3.7 : AS-i ponavljalnik..........................................................................................................................17 Slika 4.1 : ISO/OSI Profibus .........................................................................................................................18 Slika 4.2 : Profibus kabel s priključnim konektorjem [5]...........................................................................21 Slika 4.3 : Zgradba standardnega Profibus kabla [5] .................................................................................21 Slika 4.4 : Profibus Sub-D konektorji [5].....................................................................................................22 Slika 4.5 : Opis posameznih pinov Sub-D konektorja [5] ...........................................................................23 Slika 4.6 : Ciklični čas vodila glede na hitrost in glede na število udeležencev [20]...............................23 Slika 4.7 : Struktura RS485..........................................................................................................................24 Slika 4.8 : Primer komunikacijske strukture pri protokolu 485 [5] ........................................................25 Slika 4.9 : Primer Profibus komunikacijske strukture z optičnimi vodniki [5] .....................................26 Slika 4.10 : Primer Profibus-PA komunikacije [5] ....................................................................................27 Slika 4.11 : Primer Profibus komunikacijske strukture z IR-ILM moduli [5].......................................28 Slika 4.12 : Inteligentni moduli gospodar-suženj Profibus DP.................................................................29 Slika 4.13 : Profibus modularni in kompaktni suženj moduli..................................................................29 Slika 4.14 : Ponavljalnik-Profibus DP.........................................................................................................30 Slika 4.15 : Profibus DP-DP povezovalnik..................................................................................................30 Slika 4.16 : Profibus DP-HMI naprave .......................................................................................................31 Slika 4.17 : Različni gradniki Profibus omrežja ........................................................................................31 Slika 5.1 : Primer Industrijskega Etherneta v konceptu SIMATIC NET [4] ...........................................33 Slika 5.2 : Uporaba klasičnega in hitrega Etherneta [12] ...........................................................................35 Slika 5.3 : RJ-45 in SUB-D konektorji [6]....................................................................................................37 Slika 5.4 : Kabel z optičnimi vlakni [6] ........................................................................................................37 Slika 5.5 : Industrijska sukana parica [6] ....................................................................................................39 Slika 6.1 : Logistične poti odvoza gotovih izdelkov iz proizvodnih programov v Gorenju d.d. .............40 Slika 6.2 : Struktura odvoza gotovih izdelkov iz programa HZA..............................................................41 Slika 6.3 : Struktura komunikacijskega omrežja nalagalne cone s transportnim sistemom HZA .........42 Slika 6.4 : Nalagalna cona s transportnim sistemom EVTV - HZA...........................................................43 Slika 6.5 : Izmenjava I/O komunikacijskih signalov med nalagalno cono in proizvodno linijo..............44 Slika 6.6 : Struktura Profibus-DP omrežja nalagalne cone s transportnim sistemom HZA...................45
IX
Slika 6.7 : Konfiguracija S7 komunikacij v programskem orodju Simatic Manager..............................46 Slika 6.8 : Primer nastavitve S7 komunikacije v programskem orodju Simatic Manager......................47 Slika 6.9 : Transportni sistem EVTV-HZA .................................................................................................49 Slika 6.10 : Struktura komunikacijskega omrežja transportnega sistema EVTV-HZA .........................50 Slika 6.11 : Struktura Profibus-DP omrežja transportnega sistema EVTV-HZA ...................................51 Slika 6.12 : Primer komunikacije in ločevanje dveh različnih Profibus-DP omrežij ...............................52 Slika 6.13 : Nastavitve vhodno-izhodnih signalov modula DP-DP COUPLER ........................................52 Slika 6.14 : Programske funkcije in način komunikacije med dvema Profibus-DP omrežjema.............53 Slika 6.15 : Podatkovni blok DB145 – način komunikacije med nalagalno cono in samostojnim
transporterju EVTV-HZA...................................................................................................................54 Slika 6.16 : Sistem razvrščanja in uskladiščevanja izdelkov programa HZA v skladišču NAVIS..........55 Slika 6.17 : Struktura komunikacijskega omrežja sistema za razvrščanje in uskladiščevanje izdelkov
programa HZA .....................................................................................................................................56 Slika 6.18 : Struktura Profibus-DP omrežja sistema za razvrščanje in uskladiščevanje izdelkov
programa HZA .....................................................................................................................................58 Slika 6.19 : Prenos Profibus-DP signala preko drsnih vodov s pomočjo modula Power Rail Booster ...59 Slika 6.20 : Komunikacija gospodar-suženj, roboti KUKA .......................................................................60 Slika 6.21 : Nastavitev Profibus komunikacije na modulu Siemens CP443-5 Basic ................................61 Slika 6.22 : AVISO telegram .........................................................................................................................61 Slika 6.23 : Nadzorna aplikacija Siemens WinCC ......................................................................................62
X
KAZALO TABEL Tabela 2.1 : Omrežja v industriji....................................................................................................................7 Tabela 3.1 : Specifikacija AS-i [3].................................................................................................................11 Tabela 3.2 : Osnovne karakteristike AS-i omrežja .....................................................................................12 Tabela 3.3 : Naslovi sužnjev ..........................................................................................................................14 Tabela 4.1 : Lastnosti posameznih Profibus omrežji ..................................................................................19 Tabela 4.2 : Splošne karakteristike Profibus omrežij .................................................................................20 Tabela 4.3 : Karakteristični podatki standardnega Profibus kabla ..........................................................22 Tabela 4.4 : Prenosne hitrosti glede na dolžino omrežnega kabla .............................................................23 Tabela 4.5 : Karakteristike vodnikov z optičnimi vlakni............................................................................26 Tabela 5.1 : Primerjava Industrijskega in Pisarniškega Etherneta...........................................................32 Tabela 5.2 : Razvoj in nadgradnja standarda IEEE 802.3.........................................................................34 Tabela 5.3 : Splošne karakteristike Industrijskega Etherneta...................................................................35 Tabela 5.4 : Fizične lastnosti Etherneta .......................................................................................................36 Tabela 5.5 : Primerjava klasičnega in hitrega Etherneta [6]......................................................................38 Tabela 6.1 : Razporeditev Profibus-DP naslovov nalagalne cone s transportnim sistemom HZA .........46 Tabela 6.2 : Prenos podatkov preko programske funkcije »GET« ...........................................................47 Tabela 6.3 : IP naslovi komunikacijskih partnerjev omrežja Ethernet ....................................................48 Tabela 6.4 : Razporeditev Profibus-DP naslovov transportnega sistema EVTV-HZA ...........................51 Tabela 6.5 : IP naslovi komunikacijskih partnerjev omrežja Ethernet ....................................................54 Tabela 6.6 : Razporeditev Profibus-DP naslovov sistema za razvrščanje in uskladiščevanje izdelkov
programa HZA .....................................................................................................................................59 Tabela 6.7 : IP naslov omrežja Ethernet sistema za razvrščanje in uskladiščevanje-HZA .....................63
XI
UPORABLJENE KRATICE LAN Lokalno računalniško omrežje (Local Area Network)
TCP Protokol za nadzor prenosa (Transmision Control Protocol)
IP Internetni protokol (Internet Protocol)
MAC Krmiljenje dostopa do medija (Media Access Control)
AS-i Aktuatorski senzorski vmesnik (Actuator Sensor Interface)
PLC Programabilna logična enota (Programmable Logic Controller)
ISO Mednarodna organizacija za standardizacijo (International Organization
for Standardization)
OSI Odprt sistem notranjih povezav (Open Systems Interconnection)
FCP Protokol vlakenskega kanala (Fibre Channel Protocol)
UDP Protokol uporabniških podatkov (User Data Protocol)
RPC Klic za oddaljen postopek (Remote Procedure Call)
SMTP Preprosti protokol za prenos pošte (Simple Mail Transfer Protocol)
CAN Kontrolno področno omrežje (Controller Area Network)
TP Zvita parica (Twisted Pair)
UP Neoklopljena parica (Unshielded Pair)
FTP Folijsko zvita parica (Foiled Twisted Pair)
UTP Neoklopljena zvita parica (Unshielded Twisted Pair)
STP Oklopljena Zvita parica (Shielded Twisted Pair)
STO Seriplex tehnologijska organizacija (Seriplex Technology Organization)
DP Decentralizirana periferija (Decentralized Peripherals)
FMS Področna sporočila (Fieldbus Massage Specification)
PA Procesna avtomatizacija (Process Automation)
MT Gospodarjev telegram (Master Telegram)
ST Suženjski telegram (Slave Telegram)
EEPROM Električno izbrisljiv programirljiv bralni pomnilnik (Electrically
Erasable Programmable Read Only Memory)
I/O Vhod / Izhod (Input / Output)
IR Infrardeče (Infrared)
PVC Polivinilklorid (Polyvinyl chloride)
XII
FC Vlakenski kanal (Fibre Channel)
RxD Sprejeti izmenjevalni podatki (Received eXchange Data)
TxD Oddani izmenjevalni podatki (Transmit eXchange Data)
R-C Upornost – Kapacitivnost (Resistor Capacitor)
ILM Infrardeči povezovalni modul (Infrared Link Module)
HMI Vmesnik človek stroj (Human Machine Interface)
CSMA/CD Sodostop z zaznavanjem nosilca in z odkrivanjem trkov (Carrier Sense
Multiple Access With Collision Detection)
IEC Mednarodno elektrotehnična komisija (International Electrotechnical
Commission)
EN Evropski standard (European Standards)
EIA Združenje industrije z elektroniko (Electronic Industries Alliance)
IEEE Inštitut za elektro in elektronski inžiniring (Institute of Electrical and
Electronics Engineers)
CPU Centralno procesna enota (Central Processing Unit)
WMS Skladiščno upravljalni sistem (Warehouse Management System)
WCS Skladiščno kontrolni sistem (Warehouse Control System)
WinCC Kontrolni center (Windows Control Center)
OPC Objektno povezovanje in vstavljanje za kontrolo procesa (OLE for
Process Control)
OLE Objektno povezovanje in vstavljanje (Object Linking and Embedding)
MPI Več točkovni vmesnik (Multi Point Interface)
DB Podatkovni blok (Data Block)
HZA Hladilno Zamrzovalni Aparati
PPA Pralno Pomivalni Aparati
KA Kuhalni Aparati
EVTV Elektropogonski Viseči Transporter Vzdrževanja
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 1
1. UVOD Potreba in interes po vse bolj avtomatiziranih proizvodnih procesih je v zadnjih dvajsetih
letih na področje avtomatike prinesla velik razvoj in napredek. Iz enostavnih elektronskih
krmilij, ki so v začetku le zamenjali robustne relejne sisteme, se je razvila nova generacija
sodobnih mikroprocesorskih krmilnih sistemov. Le-ti pa s svojo multiprocesorsko
tehnologijo, decentralizirano in hierarhično organizacijo ter z razvejanimi več nivojskimi
komunikacijskimi strukturami omogočajo vodenje in potek proizvodnje v velikih
proizvodno-poslovnih sistemih. Kljub temu da je zmogljivost krmilnih sistemov narasla,
le-ti zaradi svojega delovnega okolja še vedno ohranjajo bistvene lastnosti kot so:
robustnost, odpornost, povezljivost in vsesplošna obvladljivost. Trend današnjih
proizvajalcev prostoprogramljivih sistemov, je tako vsestranska in enostavna uporaba,
enostavna vgradnja in nadgradnja ter povezljivost sistemov za dosego popolno integriranih
avtomatiziranih procesov.
Cilj proizvajalcev elementov avtomatizacijske tehnike je postala odprta komunikacijska
arhitektura, z željo po osvojitvi čim več s standardom predpisanih komunikacijskih
protokolov in si tako zagotoviti fleksibilnost pri povezljivosti elementov različnih
proizvajalcev v enotno obvladljiv avtomatiziran proces. Komunikacijske strukture s svojo
hierarhično širino ter vsesplošnimi možnostmi povezljivosti mikroprocesorskih krmilnih
sistemov že vodijo v omrežja, kjer se na istih LAN omrežjih srečujejo osebni računalniki,
serverji, informacijski in nadzorni sistemi ter druge naprave TCP/IP protokola.
V diplomskem delu so predstavljena industrijska omrežja, njihove lastnosti, karakteristike
in protokoli za povezljivost v celovit komunikacijski sistem. Po poglavjih so tako opisana
nekatera izmed mnogih omrežij, ki nastopajo v svetu avtomatizacije. Izbira in opis
posameznih mrež pa sovpada s hiearhično opredelitvijo od najnižjega senzorskega nivoja,
preko pasivno in aktivno povezljivih elementov, do najvišjega informacijsko tehnološkega
upravljalnega nivoja. Kot primer uspešno zastavljene in v praksi delujoče komunikacijske
strukture, je v zadnjem poglavju predstavljena komunikacijska struktura odvoza gotovih
izdelkov z razvrščanjem v skladišču Navis v Gorenju.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 2
2. INDUSTRIJSKA OMREŽJA
Informacijska tehnologija določa v sedanjem času posledično tudi rast tehnologije v avtomatizaciji. Njena rast je povzročila, da sedaj pokriva vsa področja od procesa, nadzora proizvodnje do logistike podjetja. Komunikacije znotraj istih nivojev so postale vse bolj direktne, kar pomeni, da komunikacijska partnerja komunicirata brez posrednikov. Vse bolj direktne pa postajajo tudi komunikacije navzgor po hi erarhični strukturi. Industrijska omrežja v grobem razdelimo v štiri skupine oziroma nivoje, kot je prikazano na sliki 2.1.
Slika 2.1 : Nivojska struktura industrijskih omrežij
2.1 NIVOJSKA STRUKTURA OMREŽJA
Senzorsko/Aktuatorski nivo To je najnižja plast v industrijskih komunikacijah. Na tem nivoju gre za komunikacijo med nadrejenim krmilnim sistemom (gospodar) in senzorji ter aktuatorji, ki so priključeni na podomrežje. Karakteristika omrežja v tem nivoju je hiter odzivni čas in majhno število podatkovnih bitov. V tem nivoju se najpogosteje uporablja AS-interface vodilo. Podatki, ki jih prenašamo na tem nivoju, so kratki, saj gre le za prenos stanja binarnih senzorjev v procesno enoto in povratnih podatkov nazaj na aktuatorje. Fizično gre tu za razmeroma poceni instalacijsko tehniko, pri kateri so v enem kablu združene podatkovne žice in žice za napajanje senzorjev.
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 3
Področni nivo Na tem nivoju gre običajno za komunikacijo med porazdeljenimi vhodno/izhodnimi enotami, merilnimi pretvorniki, operacijskimi paneli in regulatorji, ki komunicirajo z avtomatizacijskim sistemom v realnem času. Procesni podatki se prenašajo ciklično od vsake periferne enote v krmilno procesno enoto, medtem ko se alarmi in parametri prenašajo aciklično. Celični nivo Na tem nivoju gre za komunikacijo med krmilniki in industrijskimi računalniki. Od komunikacije na tem nivoju se zahteva prenos velikih podatkovnih paketov in veliko število kompleksnih funkcij. Istočasno pa mora nuditi enostavno integracijo v višje nivoje industrijske avtomatizacije in svetovni splet. Na tem nivoju uporabljamo Ethernet ali Profibus omrežje. Management nivo Na tem nivoju se izvajajo vodstvena opravila, ki vplivajo na celotno strukturo avtomatizacije. To vključuje shranjevanje procesnih podatkov, optimizacijo in procesiranje avtomatskih funkcij, kot izhod pa tudi izdelava poročil.
2.2 ISO/OSI REFERENČNI MODEL
Namen OSI standardnega modela je zagotoviti osnovo za koordinacijo razvoja standardov namenjenih povezovanju sistemov. OSI okolje obsega omrežno okolje in uporabniško usmerjene protokole ter standarde, ki omogočajo odprto komunikacijo. Zato ISO/OSI referenčni model (slika 2.2) definira sedem-plastno strukturo, ki je razdeljena v dve skupini. Plasti od pet do sedem štejemo med uporabniško orientirane plasti, ki omogočijo uporabniku sprejemljiv dostop do omrežja in njegovo uporabo. Plasti od ena do štiri pa štejemo med omrežno orientirane plasti, ki skrbijo za prenos podatkov iz ene na drugo lokacijo. Komunikacija med partnerjema se vrši tako, da lahko določena plast komunicira le z enako plastjo pri drugem komunikacijskem partnerju. Pri čemer je na nižjih nivojih povezava transparentna. To pomeni, da povezava med nivoji obstaja, kot uporabnik pa je ne opazimo. V višjih plasteh je povezava navidezna. Uporabnik vidi povezavo, ki dejansko ne obstaja.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 4
Aplikacijska plast Aplikacijska plast
Predstavitvena plast Predstavitvena plast
Plast seje
od uporabnika odvisne plasti
virtualna povezava
Plast seje
Transportna plast Transportna plast
Mrežna plast Mrežna plast
Povezovalna plast Povezovalna plast
Fizična plast
od omrežja odvisne plasti
transparenta povezava
Fizična plast
Slika 2.2 : Povezava komunikacijskih partnerjev po ISO/OSI modelu
Fizična plast je aktualni medij, ki prenaša bitni tok in vsebuje določila o lastnostih fizičnih
medijev, mehanskih priključkih, vrsti signalov, hitrosti prenosa in postopku povezave
računalnikov [14]. Povezuje vse komunikacijske naprave in mreže. Prenosni medij je
lahko: optično vlakno, prepletena bakrena parica, koaksialni kabel, zrak, vesolje, zemlja in
tako dalje. Po medijih se običajno prenaša elektro-magnetno ali optično valovanje. K
fizični plasti spadajo tudi oddajnik, sprejemnik, oddajne in sprejemne antene, sateliti,
konektorji in tako dalje.
Povezovalna plast vsebuje funkcije, ki zagotavljajo varno in transparentno povezavo. V
tej plasti se ugotavlja in odpravlja napake pri prenosu, omogoča dostop do prenosnega
medija, opravlja se nadzor nad oddajo in sprejemom podatkov. Plast povezave podatkov
izvaja: kontrolo napak, kontrolo toka podatkov, sinhronizira sprejemnik na prihajajoči bitni
tok ter dekodira bitni tok [14]. Pri povezovalni plasti je pomembno, da je okvir sestavljen iz
primerne kombinacije informacijskih bitov ter bitov kontrole informacije. Glede na protokol
obstaja maksimalna in minimalna velikost okvirja s fiksno ali spremenljivo dolžino okvirja.
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 5
Omrežna plast vsebuje funkcije za prenos in usmerjanje sporočil v omrežju, pri več
vozliščih išče najkrajše povezave, preprečuje ozka grla in šteje promet v omrežju. Obstajajo
trije koraki usmerjanja; vzpostavitev zveze, vzdrževanje zveze in prekinitev zveze po
uspešnem prenosu [14].
Transportna plast vsebuje funkcije, ki določajo logično povezavo dveh komunikacijskih
partnerjev, skrbijo za nadzor, izgradnjo in porušitev povezave. Skrbijo tudi, da ne pride do
podvojitve ali izgube informacij med prenosom. V oddajnem vozlišču transportna plast
razdeli podatke v manjše enote oziroma pakete, pri sprejemanju pa le-ta podatke spet združi
v ustrezni originalni vrstni red [14].
Plast seje vsebuje funkcije za določitev načina organizacije in sinhronizacije dialoga,
funkcije za začetek, izvedbo in zaključek komunikacije, določa točke za sinhronizacijo pri
prenosu dolgih sporočil.
Predstavitvena plast določa skupna sintaksna pravila, da ne bi prišlo do napačne
interpretacije podatkov. Vsebuje funkcije za pretvorbo podatkov iz plasti seje v obliko, ki je
razumljiva uporabniku. V tej plasti se vrši šifriranje in dešifriranje oziroma predstavitev
podatkov v primernem podatkovne formatu.
Aplikacijska plast vsebuje funkcije, ki služijo kot vmesnik med lokalnimi računalniškimi
programi in procesi. To so usluge, ki jih komunikacijski sistem nudi uporabniku. Sem
spada dostop do datotek, elektronska pošta, internetne funkcije, prenos podatkovnih
datotek in drugih podatkovnih oblik [14].
2.3 TCP/IP MODEL
TCP/IP je štirinivojski model s protokolom sporazumevanja po internetu. Ime izhaja iz standarda protokola za nadzor prenosa in internetnega sklada protokolov. TCP omogoča zanesljiv, tokovno usmerjen prenos podatkov, IP pa skrbi za ustrezne komunikacijske poti skozi omrežje. Za pravilno in zanesljivo komunikacijo v omrežju skrbijo štiri plasti TCP/IP protokola. Slika 2.3 prikazuje primerjavo TCP/IP in ISO/OSI modela.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 6
ISO/OSI TCP/IP
Aplikacijska plast
Predstavitvena plast Aplikacijska plast (FTP, telnet, SMTP…)
Plast seje
Transportna plast Plast prenosa (TCP, UDP, RPC)
Mrežna plast Internet (IP)
Povezovalna plast Plast omrežnega dostopa
Fizična plast Fizična plast
Slika 2.3 : Primerjava ISO/OSI in TCP/IP modela
Fizična plast in plast omrežnega dostopa sta odgovorni za dostavo podatkov preko
različnih medijev. Protokoli, ki jih uporabljata, so odvisni od posameznega tipa fizičnega
omrežja.
Plast interneta skrbi za dostavo podatkov preko množice različnih fizičnih omrežij, ki jih
povezuje izvorni in ciljni računalnik ali naprava. Uporablja protokole usmerjanja in
standardni IP protokol.
Plast prenosa skrbi za povezave, nadzor toka, ponovno oddajo izgubljenih paketov in
druge splošne naloge za upravljanje s tokom podatkov oziroma paketov. Najpogostejši
protokoli so TCP, UDP in RPC.
Plast aplikacije vsebuje protokole, ki implementirajo splošne uporabniške funkcije, kot so
dostava pošte, prenos datotek, oddaljene prijave in tako dalje.
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 7
2.4 OMREŽJA UPORABLJENA V INDUSTRIJI
V svetu avtomatizacije obstaja mnogo mrežnih tehnologij, ki v različnih stopnjah razvoja
in standardizacije, navidezno obsegajo vse nivoje ISO/OSI mrežnega referenčnega modela.
Izbira in vključevanje omrežnih tehnologij v industrijsko okolje sovpada z zahtevami
aplikacije, postrojenja in robustnosti delovnega okolja. Za vsako izbrano omrežje je
potrebno poznati karakteristike, parametre in omejitve kot so dolžina, število postaj ter
maksimalna bitna hitrost (tabela 2.1). Število razpoložljivih mrežnih komponent,
povezovalnih elementov in pretvornikov strmo narašča, kar omogoča izgradnjo velikih,
med seboj povezljivih, mrežnih topologij. Poleg s standardom določenih mrežnih
tehnologij, katerih se poslužujejo vsi vidnejši proizvajalci avtomatizacijske tehnike, le-ti
razvijajo tudi svoje nove omrežne sisteme, katerih namen je pridobiti kvalitetno namensko
komunikacijo med vsemi gradniki omrežja.
Omrežje Dolžina Število postaj Hitrost Število
žic Prenosni medij Topologija
RS-232 30 m 2 115 kb/s 2 TP (Twisted Pair) P-P (Point to Point)
Seriplex 1500 m 256 200 kb/s 4 2-STP (Shielded Twisted Pair)
D-C (Daisy Chain)
AS-i 100 m 32 167 kb/s 2 UP (Unshielded Pair) T-B (Trunkline Branchline)
Interbus-S 25,6 km 64 500 kb/s 6 3-STP (Shielded Twisted Pair) Ring
CAN 450 m 64 1 Mb/s 4 2-STP (Shielded Twisted Pair)
T-B (Trunkline Branchline)
4-20 mA 1000 m 2 - 2 STP (Shielded Twisted Pair) P-P (Point to Point)
Profibus 9600 m 126 12 Mb/s 2 STP (Shielded Twisted Pair) D-C (Daisy Chain)
Tabela 2.1 : Omrežja v industriji
Seriplex
Seriplex je zaščitna znamka Seriplex Technology Organization-STO in je serijski
multipleksirani sistem, ki je bil razvit za delo z velikim številom vhodnih in izhodnih
signalov [7]. Seriplex ima tri komunikacijske žice in lahko deluje v dveh načinih; kot
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 8
komunikacija med dvema enakovrednima enotama (peer to peer) ali kot komunikacija med
gospodarjem in sužnjem (master-slave).
AS-i
Aktuatorsko senzorski vmesnik je bil razvit pri konzorciju večinoma evropskih podjetij, ki
so si želela razviti nizko cenovno in fleksibilno metodo povezovanja aktuatorjev in
senzorjev na spodnjem nivoju industrijskih krmilnih sistemov [7]. Sistem je prijavljen in
distribuiran s strani neodvisne organizacije AS-interface. Sistem uporablja dvožični,
neprepleten kabel, iz katerega naprave jemljejo tok iz dveh žic. Podatkovne povezave pa so
modulirane na enosmerni nivo z bitno hitrostjo 167 kHz pod nadzorom gospodarja.
Interbus-S
Interbus-S vodilo je razvilo podjetje Phoenix Contact in sedaj ga nadzira Interbus-S klub
[7]. Topologija omrežja je obročna, kjer mrežni gospodar podatke sekvenčno pomika od
točke do točke v obroču. Vsaka naprava v omrežju tako deluje kot pomični register, ki
simultano sprejema in oddaja podatke s frekvenco 500 kHz. Dejanski prenos podatkov
med postajami ustreza standardu RS-485. Protokol predvideva uporabo alternativnega
fizičnega nivoja z enojno prepleteno parico, ki prenaša podatke in napajanje po istih linijah
ter redukcijo velikosti pomičnega registra v vsaki postaji s 16 na 4 bite.
CAN
Omrežje CAN (Control Area Network) je omrežna tehnologija podatkovno povezovalne
plasti, ki jo je razvila korporacija Robert Bosh za uporabo v komunikacijskih aplikacijah
cestnih prevoznih sredstev [7]. CAN je standardiziran z ISO 11898 z licencami pri skoraj
vseh proizvajalcih integriranih vezij. Vezja so lahko dostopna kot ločeni CAN krmilniki ali
kot CAN krmilniki, integrirani v mikroprocesorjih. Kot tehnologija podatkovno-
povezovalne plasti nima definiranih vseh plasti oziroma kompletnih komunikacij.
Tokovna zanka 4-20 mA
Tokovna zanka je široko uporabljena metoda za prenos informacij od ene do druge postaje
[7]. Zanka je narejena le med sprejemnikom in oddajnikom in lahko deluje v enosmernem
ali pa pol-dvosmernem načinu. Oddajnik vsili določen tok v zanko, sprejemnik pa meri
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 9
padec napetosti na uporu v zanki. Ker takšna metoda uporablja tokovno signaliziranje
namesto napetostnega, je zato relativno neobčutljiva na potencialne razlike med
oddajnikom in sprejemnikom. Komunikacija poteka po dveh žicah in se v večjem delu
uporablja v različnih avtomatiziranih procesih kot je na primer povezava senzorjev z
nadzornimi računalniki. Tipičen sistem uporabe tokovne zanke je pretvorba tokovnega
območja 4-20 mA v območje merjenja temperature od 0 do 100°C.
Profibus
Profibus je procesno področno vodilo in je eno izmed treh, ki jih standardizira evropski
standard EN 50 170-Vol.2 [7]. Nadzira ga globalna organizacija Profibus Trade
Organization. V okviru mrežnega standarda družina Profibus vsebuje tri podmreže
Profibus-DP, Profibus-FMS in Profibus-PA.
Profibus-DP (Distributed Periphery) je različica, ki je namenjena in narejena posebej za
področne naprave, ki delujejo na vhodno-izhodnem mrežnem nivoju.
Profibus-FMS (Fieldbus Messaging Specification) predstavlja najvišji nivo
implementacije, ki se uporablja za povezovanje krmilnikov.
Profibus-PA (Process Automation) je različica, ki ima večino zmogljivosti namenjene za
nivo povezovanja naprav v procesnih industrijah, kot je na primer rafinerija. Ena od
sposobnosti Profibus-PA sistema je zelo varna instalacija, kar zagotavlja visoko raven
varnosti prav v okoljih, ki so eksplozijsko nevarna in tvegana.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 10
3. AS-i AS-interface je odprt standard IEC 62062-2 oziroma EN 50295, ki je primeren za
izgradnjo manjših komunikacijskih struktur in komunikacije na najnižjem nivoju
hierarhične strukture v avtomatizaciji. Uporablja se predvsem za priklop binarnih
senzorjev (induktivna stikala, optična stikala, tipkala, mikrostikala) in aktuatorjev
(kontaktorji, magnetni ventili, signalne svetilke). Osnovne specifikacije mehanskih in
električnih lastnosti je v začetku postavilo 11 priznanih proizvajalcev, ki so ustanovili
združenje AS-i, ki ima poleg informiranja in tehnične podpore, nalogo specificiranja,
standardiziranja in certificiranja.
3.1 ARHITEKTURA IN STANDARD IEC
Glede na nizko hierarhično opredelitev na nivoju komunikacij v avtomatizaciji je AS-i
omrežje predvsem optimizirano in specializirano na priključitev binarnih in analognih
senzorjev in aktuatorjev, kjer poteka komunikacija izključno po principu gospodar-suženj
povezave. Obseg funkcionalnosti omrežja temelji predvsem na enostavni montaži, ciklični
obdelavi vhodov in izhodov z različno mrežno topologijo (slika 3.1) in z ukazi za
diagnostiko ter parametriranje AS-i modulov. Enostavna zgradba, poleg enostavne
montaže, omogoča obratovanje in prenos podatkov in energije po enem kablu. Vse to nam
zniža stroške montaže in priključevanja. S standardom določenimi zaščitami vse do IP67
ali več, lahko AS-i omrežje nastopi v različnih industrijskih aplikacijah v robustnem,
umazanem ali čistem okolju. V AS-i omrežje lahko priključimo 31 ali 31 A/B komponent
sužnja z maksimalno 4 binarnimi elementi. AS-i omrežje sestavljajo, poleg AS-i gospodar
enote in AS-i napajalnika, še specialni uporabniški moduli (sužnji), ki izvajajo neposredno
komunikacijo s sistemom gospodarja.
Slika 3.1 : Topologija AS-i omrežja [1]
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 11
V svetovnem merilu je AS-i predstavljen s standardom IEC 62026-2, ki s svojimi normami
opisuje popolno in enostavno povezavo vseh AS-i komponent s pridobljenim certifikatom.
Certifikat tako zagotavlja najvišjo stopnjo varnosti in kompatibilnosti elementov
vključenih v AS-i strukturo. Razvoj s certifikatom in verzijami predpisanih komponent
omrežja AS-i je podan v tabeli 3.1.
Verzija V2.0 V2.11 V3.0
Leto 1994 1998 2004
Gospodar M0, M1, M2 M3 M4
Suženj S-X.A, S-7.3, S-7.4
S-7.5.5, S-7.A.5, S-B.A.5, S-7.A.7, S-7.A.A, S-7.A.8, S-7.A.9, S-6.0
Novosti 62 sužnjev, razširjena ID coda, I/O napake
sinhronizacija, nov način komunik.
Standard EN 50295 : 1998 IEC 62026-2 : 2000 IEC 62026-2 : 200X
Tabela 3.1 : Specifikacija AS-i [3]
3.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE
Tehnične lastnosti AS-i omrežja (tabela 3.2), poleg fizičnih omejitev kot je dolžina
omrežja, število elementov ter število vhodov in izhodov, določujejo še druge lastnosti, ki
so prilagojene glede na strukturo omrežja. Glede na verzijo AS-i omrežja ter izbiro števila
modulov sužnjev (31 ali 31 A/B), se določi čas cikla. Pri omrežju z 31 sužnji je
maksimalni čas cikla 5 ms, pri razširjenem omrežju z 62 oziroma 31A/B sužnji pa 10 ms.
Za izgradnjo omrežja se uporablja standardni rumeno-črni AS-i kabel, na katerega lahko v
osnovni različici priključimo do 124 aktuatorjev in senzorjev. V razširjeni obliki, z
uporabo specialnih modulov z 8 vhodi in izhodi, lahko omrežje razširimo na 496
priključnih enot. Omrežje lahko ima različno strukturo, in sicer v obliki zvezde, linije,
obroča ali drevesa ter se brez uporabe ojačevalnih enot lahko razprostira na dolžini 100 m.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 12
Tehnične karakteristike AS-i omrežja
Standard: EN 50295, IEC 62026-2, AS-i IEC TG 178 Dostop do prenosnega sredstva: gospodar-suženj Hitrost prenosa: 5 ms (31 sužnjev), 10 ms (31A/B sužnjev) Povezovalni medij: neoklopljen dvožilni kabel Število povezovalnih enot: 31, 31A/B Širina omrežja: 100 m (z ojačevalno enoto do 300 m) Topologija: linija, obroč, zvezda, drevo Nivo: senzorski-aktuatorski nivo
Tabela 3.2 : Osnovne karakteristike AS-i omrežja
3.3 PRENOSNI MEDIJ IN TEHNIKE PRENOSA
Gospodar komunicira s sužnji preko AS-i dvožičnega, iz profilirane gume izoliranega
gibljivega bakrenega vodnika, preseka 2 x 1,5 mm2 (slika 3.2). Oklapljanje, prepletanje ali
uporaba zaključnega upora ni potrebna. Kabel nudi zaščito IP67 in je nesimetrično
profiliran vodnik, ki onemogoča zamenjavo polaritete, hkrati pa ni potrebno rezanje,
snemanje izolacije ter vijačenje, saj kontaktni noži priključnih sponk prebodejo gumijast
plašč in kontaktirajo obe bakreni žici. Kabel ima obliko ploščatega, visoko fleksibilnega
vodnika in se v rumeni barvi uporablja kot vod za izmenjavo podatkov, v črni barvi pa kot
napajalni vodnik. Za napajanje se koristi poseben AS-i napajalnik z enosmerno napajalno
napetostjo 30 V. Poleg osnovnega AS-i napajanja obstajajo tudi aktuatorji, ki jih je
potrebno napajati ločeno, z napetostjo 24 VDC ali celo 240 VAC. Polaganje AS-i vodnika
je podobno polaganju ostale elektroinstalcije z možnostjo tvorjenja različnih mrežnih
struktur (linija, zvezda, drevo).
Slika 3.2 : AS-i kabel [11]
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 13
Komunikacija gospodar-suženj
Gospodar-suženj AS-i komunikacija (slika 3.3) poteka po principu cikličnega klicanja
posameznega sužnja. V enem ciklu bodo klicani vsi poznani uporabniški naslovi v mreži.
Pri tem bo gospodar posameznemu uporabniku poslal izhodne informacije (MT- Master
telegram) in od njega takoj zahteval odgovor. Uporabnik, glede na klic, gospodarju
posreduje odgovor v obliki vhodne informacije (ST-Slave telegram). Kadar bi odgovor
uporabnika izpadel, gospodar reagira s ponovnim klicem. V primeru, da se uporabnik ne
odzove po dveh zaporednih klicih, gospodar prepozna uporabnika kot nedosegljivega in
signalizira sistemsko napako. Gospodar za tem nadaljuje s klicanjem naslednjih
uporabnikov. Po zaključku vsakega cikla gospodar pošlje še dva klica, in sicer parametrski
in diagnostični klic. S parametrskim klicem se v vsakem ciklu enemu uporabniku pošljejo
parametrski podatki, z diagnostičnim klicem pa gospodar preverja priključitev morebitnih
novih uporabnikov. Na tak način lahko gospodar ugotovi izpad že znanega uporabnika
oziroma priključitev novega uporabnika.
Slika 3.3 : Gospodar-suženj komunikacija [11]
Komunikacija krmilnik-gospodar
Poleg gospodar-suženj komunikacije je pri AS-i komunikaciji potrebno omeniti še
komunikacijo med gospodarjem in krmilno enoto. AS-i gospodar tekoče kliče vse
uporabnike na AS-i mreži. Pri tem jim posreduje izhodne informacije, ki jih predhodno
prejme od krmilnega procesorja ali obratno; krmilni enoti posreduje vhodne podatke, ki jih
prejme od posameznih uporabnikov. Komunikacija poteka znotraj omenjenega AS-i cikla
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 14
5 ms ali 10 ms. Posredovani podatki so v ustreznem bitnem formatu v obliki 14-bitne
besede pri klicu gospodarja, ter v obliki 7 bitne vhodne informacije v obliki odgovora.
Naslavljanje AS-i uporabnikov
Da lahko gospodar v omrežju prepozna posamezne uporabnike oziroma sužnje je le-te
potrebno predhodno nasloviti na ustrezne naslove. Naslovno področje se giblje od 1-31 ali
1-31/AB naslovnih mest. Za naslavljanje klasičnih AS-i modulov, se uporablja posebna
naslovna naprava, ki posamezen naslov modula vpiše v EEPROM uporabnika. Temu sledi
tudi možnost prenaslavljanja ali celo uporaba opcije avtomatskega dodeljevanja naslova.
Dosegljivi naslovi v krmilni enoti tako tvorijo tabelo AS-i naprav glede na zaporedno
številko uporabnika oziroma mesto vgradnje. Primer naslavljanja AS-i naprav je prikazan v
tabeli 3.3.
I/O BYTE Bit 7-4 Bit 3-0
n+0 REZERVIRANO SUŽENJ 1 n+1 SUŽENJ 2 SUŽENJ 3 n+2 SUŽENJ 4 SUŽENJ 5 n+3 SUŽENJ 6 SUŽENJ 7 n+4 SUŽENJ 8 SUŽENJ 9 n+5 SUŽENJ 10 SUŽENJ 11 n+6 SUŽENJ 12 SUŽENJ 13 n+7 SUŽENJ 14 SUŽENJ 15 n+8 SUŽENJ 16 SUŽENJ 17 n+9 SUŽENJ 18 SUŽENJ 19
n+10 SUŽENJ 20 SUŽENJ 21 n+11 SUŽENJ 22 SUŽENJ 23 n+12 SUŽENJ 24 SUŽENJ 25 n+13 SUŽENJ 26 SUŽENJ 27 n+14 SUŽENJ 28 SUŽENJ 29 n+15 SUŽENJ 30 SUŽENJ 31
n=začetni naslov BIT 3 / BIT 2 / BIT 1 / BIT 0 BIT 3 / BIT 2 / BIT 1 / BIT 0
Tabela 3.3 : Naslovi sužnjev
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 15
3.4 OSNOVNI GRADNIKI AS-i OMREŽJA
Vsako AS-i omrežje sestavljata dva ključna gradnika gospodar in suženj. Poleg velikega
nabora gospodar-suženj komponent, v omrežju AS-i uporabljamo tudi komponente za
pravilno topološko razmejitev omrežja kot sta ponavljalnik in razširjevalnik. Ključni člen
vsakega AS-i omrežja predstavlja tudi AS-i napajalnik, ki je s svojo napajalno napetostjo
30 V priključen direktno na podatkovni vod.
Gospodar
AS-i gospodar (slika 3.4) omogoča priključitev in komunikacijo vseh sužnjev v omrežju.
Deluje kot povezovalno-komunikacijski člen med aktuatorji in senzorji ter krmilno
procesno enoto. Enote gospodarja omogočajo priključitev in naslavljanje v področju 1-31
ali 1-31/AB.
Slika 3.4 : AS-i gospodarji
Suženj
Takoimenovani suženj moduli (slika 3.5) s fizičnega stališča predstavljajo I/O enote
krmilno procesorskega sistema. AS-i suženj tako predstavlja izvrševalno-tipalni člen, ki s
sprejemanjem in pošiljanjem komunikacijskih bitov gospodarju, omogoča krmilno
procesorski enoti nadzor nad posameznimi vhodi in izhodi. Sužnji obstajajo v različnih
oblikah; od analognih, digitalnih, pnevmatskih, univerzalnih do inteligentnih modulov.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 16
Slika 3.5 : AS-i sužnji
Napajalnik
AS-i napajalnik (slika 3.6) je priključen direktno na podatkovni vod in je potreben na vsaki
veji, ki je ločena z ponavljalnikom [11]. Napetost napajalnika je 30 V, na napajalno
napetost je superponiran podatkovni signal.
Slika 3.6 : AS-i napajalnik
Razširjevalnik
Z razširjevalnikom podaljšamo dolžino AS-i omrežja do maksimalno 300 m [11].
Ekstender se uporablja v primeru, ko je gospodar oddaljen od mesta senzorjev. To pomeni,
da v prvem segmentu takoj za modulom gospodarja ni napajalnika in sužnjev.
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 17
Ponavljalnik
Z ponavljalnikom (slika 3.7) podaljšamo dolžino AS-i omrežja do maksimalno 300 m [11].
V vsaki tako podaljšani veji je nujna uporaba napajalnika.
Slika 3.7 : AS-i ponavljalnik
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 18
4. PROFIBUS Zgodovina omrežja Profibus sega v leta med 1987 do 1990, ko je nemško ministrstvo za
raziskave in tehnologije izvedlo skupni projekt med visokošolskimi inštituti in podjetji, ki
se ukvarjajo z avtomatizacijsko tehniko. Cilj projekta je bila specifikacija in izvedba
odprtega in vsestransko uporabnega komunikacijskega sistema. Rezultati projekta so bili
pravila in norme zapisane v dokumentu »Profibus standards DIN E 19 245«. Omenjeni
nacionalni standard so leta 1996 prevzeli kot mednarodni standard EN 50170.
Profibus je od proizvajalca neodvisno procesno področno vodilo. Koncept vodila je v
skladu s ISO/OSI referenčnim modelom, od katerega so uporabljene največ tri plasti.
Vsestransko odprtost mu zagotavljajo mednarodno priznani standardi EIA RS485,
EN50170 in EN 50254.
4.1 ARHITEKTURA IN VERZIJE PROFIBUS PROTOKOLA
Protokol Profibus iz ISO/OSI referenčnega modela (slika 4.1) uporablja plasti ena, dve in
če je potrebno še plast sedem. Poleg omenjenih plasti pa je definiran še uporabniški
vmesnik, ki poskrbi za povezavo s povezovalno plastjo. Pri Profibusu ločimo tri različne
verzije komunikacijskega protokola, ki so označene s končnicami DP, FMS in PA.
Profibus podpira tri načine prenosa podatkov v fizični plasti. Pri DP in FMS verziji se
uporablja povezava v skladu s protokolom RS485 in optična povezava, pri PA verziji pa
povezava v skladu s protokolom IEC1158- 2.
Slika 4.1 : ISO/OSI Profibus
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 19
PROFIBUS-DP uporablja plasti ena, dva in uporabniški vmesnik. Narejen je posebej za
komunikacije med avtomatizacijskimi sistemi in perifernimi enotami. Nudi ugodno
razmerje med hitrostjo, uporabnostjo in nizkimi stroški izvedbe omrežja. Njegova uporaba
je primerna na področnem nivoju.
PROFIBUS-FMS uporablja plasti ena, dva in sedem. FMS je univerzalni komunikacijski
protokol za bolj zahtevne komunikacije v višjih plasteh. Nudi mnogo več zahtevnih
funkcij za komunikacijo med inteligentnimi napravami v celičnem nivoju. Tu gre
predvsem za komunikacijo med industrijskimi računalniki in krmilniki. FMS in DP
uporabljata enako tehnologijo prenosa in dostopa do prenosnega medija, zato lahko
delujeta na istem omrežju. Zaradi vse pogostejše uporabe TCP/IP protokola v višjih
plasteh, se uporaba Profibus- FMS zmanjšuje.
PROFIBUS-PA uporablja razširjeni DP protokol za prenos podatkov. Narejen je posebej
za zanesljiv in hiter prenos podatkov v procesni avtomatizaciji. S Profibus-PA lahko
povežemo senzorje in aktuatorje na skupno omrežno vodilo tudi v eksplozijsko nevarnih
območjih. Profibus-PA omrežje pa lahko enostavno integriramo v Profibus-DP omrežje s
posebnimi segmentnimi spojniki.
V primerjalni tabeli 4.1 so prikazane lastnosti posameznih Profibus omrežji.
PROFIBUS-DP PROFIBUS-FMS PROFIBUS-PA
Vrsta aplikacij Področni nivo Celični nivo Področni nivo
Standard EN 50 170 EN 50 170 IEC 1158-2
Povezovalni elementi CPU, PC/PC, OP, A/D PLC, PG/PC CPU, PC/PC, OP, A/D
Reakcijski čas 1 – 5 ms < 60 ms < 60 ms
Razširitev > 100 km > 100 km MAX. 1.9 km
Hitrost prenosa 9,6 kbps – 12 Mbps 9,6 kbps – 12 Mbps 31,25 kbps
Tabela 4.1 : Lastnosti posameznih Profibus omrežji
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 20
4.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE
Glede na uporabo in prilagajanje Profibus omrežja določenim industrijskim zahtevam, le-
tega označujejo določene lastnosti, omejitve, način komunikacije in vrsta protokola. Vse to
je zapisano v obliki tehničnih karakteristik (tabela 4.2), s katerimi sta določeni fizična in
povezovalna plast ISO/OSI referenčnega modela Profibus omrežja.
Tehnične karakteristike Profibus omrežja
Standard: PROFIBUS EN50 170 / IEC 1158-2 Dostop do prenosnega sredstva: gospodar-suženj, gospodar-gospodar Hitrost prenosa: 9,6 kbit/s – 12 Mbit/s Povezovalni medij: prepletena parica, optična vlakna, IR Število povezovalnih enot: 32 / 127 Širina omrežja: do 1500 m Topologija: linija, zvezda, drevo Nivo: celični / področni
Tabela 4.2 : Splošne karakteristike Profibus omrežij
4.3 PRENOSNI MEDIJ IN TEHNIKE PRENOSA
Prenosni medij oziroma fizična plast komunikacijskega sistema je najbolj odvisna od
izbire možne tehnologije prenosa. Podlaga za osnovno izvedbo fizičnega sloja je
standard RS-485. Poleg splošnih zahtev kot so zanesljivost, večje razdalje, visoke
prenosne hitrosti in prilagajanje določenemu industrijskem okolju mora komunikacijski
sistem zagotoviti še druge zahteve. Ker vsem zahtevam ni možno zadostiti z eno metodo,
so trenutno na voljo štiri različne tehnike prenosa:
• Protokol RS- 485 (DP/FMS);
• Optični vodniki (DP/FMS);
• Standard IEC1158- 2 (PA);
• IR komunikacija.
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 21
4.3.1 PROTOKOL RS-485 (fizična plast)
Kabel in konektorji
V osnovni verziji se za prenos podatkov uporablja prepletena parica, ki je nameščena od
modula do modula in je na obeh koncih po potrebi zaključena z uporom. Za priklop se
uporabljajo namenski 9 polni Sub-D konektorji (slika 4.2) ali sponke v napravi.
Konektor, kot tudi naprave z vgrajenimi sponkami imajo vgrajen zaključni upor, ki ga
lahko s stikalom vključimo oziroma izključimo.
Slika 4.2 : Profibus kabel s priključnim konektorjem [5]
Kabel
Profibus kabel (slika 4.3) mora zaradi zagotavljanja zanesljive komunikacije zadovoljiti
določene karakteristične lastnosti (tabela 4.3) kot so: valovna upornost, kapacitivnost,
zančna upornost, dušenje, oklop in tako dalje. Glede na mehanične in električne lastnosti,
v svetu obstaja precej različic Profibus kablov, ki so prilagojeni in namenjeni različnim
delovnim pogojim v različnih industrijskih okoljih.
Slika 4.3 : Zgradba standardnega Profibus kabla [5]
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 22
Karakteristični podatki kabla RS-485
Valovna upornost: 135 Ω – 165 Ω v frekvenčnem območju 3 – 20 MHz Kapacitivnost: < 30 pF/m Zančna upornost: < 110 Ω/km
Oklop: bakrena pletenica in zaščitna folija Premer žic v kablu: > 0,34 mm2 Dušenje: 9 dB po celotni dolžini kabla
Tabela 4.3 : Karakteristični podatki standardnega Profibus kabla
Standardni dvožični FC Profibus kabel je sestavljen iz zunanjega zaščitnega PVC plašča,
bakrenega opleta, večplastne zaščitne Alu folije, plastične folije ter polnila. Bakreni žici sta
nameščeni v izolacijskem plašču v dveh barvah; zeleni z oznako A in rdečo z oznako B.
Konektor Sub-D
Za ustrezen priklop Profibus kablov obstaja mnogo različnih Sub-D konektorjev (slika 4.4),
ki so prav tako kot kabli, izdelani v različni variantah in se s svojimi lastnostmi prilagajajo
industrijskemu okolju. Poleg razlikovanja v oblikah in načinu priklopa se konektorji
razlikujejo tudi po trdnostni ohišja, saj so le ti izdelani iz različnih materialov.
Slika 4.4 : Profibus Sub-D konektorji [5]
Zaradi vse večjega števila proizvajalcev krmilne tehnike in pogosti uporabe Profibus
komunikacije, na trgu že obstajajo tako imenovani inteligentni konektorji, ki vsebujejo
elemente za prikazovanje statusa komunikacijske mreže, merjenje upornosti in drugih
lastnosti v posamezni mreži.
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 23
Pogled »Sub-D« PIN Naziv Opis 1 Oklop Oklop - ozemljitev 2 M24 Potencial 0 V pomožnega napajanja 24 VDC 3 RxD/TxD - P Oddaja / Sprejem podatkov + (linija B) 4 CNTR - P Signal za kontrolo smeri P 5 DGND Referenčni potencial za podatke 6 VP Napajalna napetost + 7 P24 Potencial + pomožnega napajanja 24 VDC 8 RxD / TxD - N Oddaja / Sprejem podatkov + (linija B)
9 CNTR-N Signal za kontrolo smeri N
Slika 4.5 : Opis posameznih pinov Sub-D konektorja [5]
Prenosna hitrost in dolžina omrežja
Prenosno hitrost nastavimo pri konfiguraciji omrežja v lastnostih krmilnika in je odvisna od
celotne dolžine prenosnega kabla (tabela 4.4). Standardna hitrost prenosa pri Profibus
omrežju je 1500 kbit/s. Pri spreminjanju te vrednosti moramo predhodno preveriti, če vsi
moduli na vodilu podpirajo nastavljeno hitrost.
Tabela 4.4 : Prenosne hitrosti glede na dolžino omrežnega kabla
Iz grafa lahko predvidimo ciklični čas vodila v odvisnosti od prenosne hitrosti in glede na število udeležencev (slika 4.6). Med posameznimi dolgimi odseki mreže se lahko vgradijo tako imenovani ojačevalni elementi, ki skrbijo za ustrezno ojačenje komunikacijskega signala. Isti ojačevalni elementi se lahko uporabijo tudi kot razdelilni elementi za razvod Profibus mreže na posamezne podomrežne segmente.
Slika 4.6 : Ciklični čas vodila glede na hitrost in glede na število udeležencev [20]
Prenosna hitrost [kbit/s] 9,6 19,2 93,75 187,5 500 1500 12000 Celotna dolžina omrežja [m] 1200 1200 1200 1000 400 200 100
čas cikla
[ms]
št. sužnjev
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 24
Postopek prenosa podatkov
RS485 prenos podatkov za Profibus temelji na dvosmerni, asinhronski sinhronizaciji brez
vrzeli. Podatki se prenašajo v 11-bitnih znakovnih okvirjih v NZR (Non Return To Zero)
kodu. Med prenosom logične »1« je na liniji RxD/TxD - P visok nivo na liniji RxD/TxD -
N pa diferenčni signal. Pri prehodu signala v logično »0« se nivoja na obeh linijah obrneta.
Mrtvi čas med posameznimi telegrami sovpada z logično »1« na vodilu. V večini
literature, in na konektorjih, so podatkovne linije Profibus-a označene z A in B. S črko A
je označena linija RxD/TxD - N s črko B pa linija RxD/TxD - P.
Slika 4.7 : Struktura RS485
RS485 segment (slika 4.7) je lahko sestavljen iz do 32 aktivnih postaj. Segment mora
biti na obeh straneh zaključen z upori. Upor, ki je priključen med podatkovne linije, ima
upornost 220 Ω. Upora proti pozitivnemu in proti negativnemu polu napajanja imata
upornost 390 Ω. Njihova naloga je, da skrbijo za definiran potencial na podatkovnih linijah
takrat, ko je omrežje nedejavno; to je v mirovnem stanju med dvema telegramoma.
Zaključne upore vključimo s stikalom na zgornjem delu konektorja. V položaju ON so
zaključni upori vključeni, kar pomeni, da je udeleženec v omrežju postavljen kot končni
člen omrežja. V položaju OFF so zaključni upori izklopljeni, kar pomeni, da na ta
konektor priključeni udeleženec ni zadnji na vodilu in kabel potuje do naslednjega
udeleženca.
Podatkovne linije na konektorju priključimo tako, da na sponke A1 in B1 priključimo
kabel iz predhodne postaje. Kabel, ki gre naprej, pa na sponke A2 in B2. Na končnih
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 25
konektorjih priključimo kabel na sponke A1 in B1, ker je le na teh sponkah možno
vključiti končne upore. Postaje na RS485 lahko vključujemo in izključujemo med
delovanjem omrežja in jih lahko povezujemo v omrežja kot je prikazano na sliki 4.8.
Slika 4.8 : Primer komunikacijske strukture pri protokolu 485 [5]
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 26
4.3.2 OPTIČNI VODNIKI (fizična plast)
Druga verzija prve plasti Profibus omrežja temelji na svetlobnem prenosu podatkov [5].
Optični vodniki dovoljujejo razdaljo tudi do 15 km med posameznimi postajami. Največja
dolžina omrežja je odvisna od izbire tipa svetlobnega vodnika (tabela 4.5).
Tip svetlovodnika: Dolžina omrežja Mnogorodovni svetlovodnik: 2-3 km Enorodni svetlovodnik: > 15 km Sintetični svetlovodnik: > 80 km PCS/HCS svetlovodnik: > 500 m
Tabela 4.5 : Karakteristike vodnikov z optičnimi vlakni
Optični vodniki niso občutljivi na elektromagnetna sevanja in omogočajo galvansko
ločitev med postajami. Z leti razvoja se je tehnologija prenosa s svetlobnimi vlakni zelo
poenostavila in postala zelo popularna pri komunikacijah z napravami področnega nivoja
(slika 4.9). Znani sta dve tehnologiji izvedbe omrežja. Zvezdna povezava je namenjena
nekoliko kompleksnejši izvedbi omrežja. Povezava v obroč pa je namenjena povezavi
enostavnih pasivnih postaj na omrežja.
Slika 4.9 : Primer Profibus komunikacijske strukture z optičnimi vodniki [5]
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 27
4.3.3 STANDARD IEC 1158-2 (fizična plast)
Profibus-PA (slika 4.10) uporablja tehnologijo prenosa v skladu s standardom IEC1158-2
[5]. Ta tehnologija zagotavlja napajanje omrežja direktno po podatkovnih linijah. Podatki
se prenašajo z modulacijo toka +/- 9 mA v osnovni tok. Hitrost prenosa podatkov je 31,25
kbit/sec. Kot prenosni medij se uporablja sukana parica z opletom ali brez. Na en segment
lahko priključimo do 32 aktivnih postaj. Na obeh koncih segmenta je potrebno priključiti
pasivni RC člen. Priključimo ga med podatkovne linije, vrednosti pa so R=100 Ω in R=1
µF. Maksimalna dolžina omrežja je odvisna od napajalnega modula, karakteristike kabla in
tokovne porabe priključenih postaj. Omenjena tehnologija se uporablja redko. Posebej pa
je uporabna v eksplozijskih conah, če je dopolnjena s FISCO tehnologijo (Fieldbus
Intrinsicially Safe Concept).
Slika 4.10 : Primer Profibus-PA komunikacije [5]
Pravila za IEC1158-2 FISCO povezave:
• Vsaka naprava ima samo en izvor napajanja.
• Energija se ne dovaja na vodilo kadar postaja oddaja.
• Vsaka postaja ima konstanten napajalni tok.
• Vsaka veja je zaključena s pasivnim terminatorjem na obeh koncih.
• Izvede se lahko zvezdna povezava, vodilo ali obroč.
• V mirovanju vsaka naprava troši najmanj 10 mA toka.
• Komunikacijski signal je generiran s tokom +/- 9 mA.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 28
4.3.4 IR KOMUNIKACIJA (fizična plast)
Brezžična tehnologija prenosa omrežja Profibus je izvedena s pomočjo infra rdeče svetlobe
[5]. Pri takšni metodi komunikacije je prenosni medij ustrezni prostor v vidnem polju med
obema postajama. Maksimalna razdalja za uspešen prenos je približno 15 m. Ob uporabi
IR komunikacije in takoimenovanih infra rdečih povezovalnih modulov ILM (slika 4.11),
lahko na en segment omrežja priklopimo do 127 aktivnih postaj. Uporaba IR tehnike
prenosa se uporablja predvsem na področju mobilnih in prenosnih naprav.
Slika 4.11 : Primer Profibus komunikacijske strukture z IR-ILM moduli [5]
4.4 GRADNIKI PROFIBUS OMREŽJA
Velik nabor Profibus komponent omogoča izgradnjo kvalitetnega omrežja v področju
celičnega in področnega nivoja. Nabor Profibus komponent je razdeljen na aktivne in
pasivne elemente, katerih lastnosti so prilagojene funkciji in uporabnosti posameznega
elementa. Zaradi dobrih lastnosti Profibus omrežja in odprtih standardov v svetu obstaja
veliko različnih proizvajalcev Profibus komponent.
Inteligentni moduli gospodar-suženj
V skupino inteligentnih gospodar-suženj sistemov (slika 4.12) spadajo praktično vse
krmilno procesne enote. Krmilni procesorji so prilagojeni tako, da s pomočjo nastavitev
izberemo način delovanja in vrsto komunikacije med posameznimi moduli. V praksi se
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 29
krmilno procesne enote višjega zmogljivostnega razreda ponavadi konfigurirajo kot
gospodar, naprave nižjega zmogljivostnega razreda pa kot inteligentni suženj.
Slika 4.12 : Inteligentni moduli gospodar-suženj Profibus DP
Modularni in kompaktni suženj moduli na področju razdelitve periferije I/O
Ključni člen področnega in celičnega nivoja je distribucija periferije I/O na področju
avtomatiziranih sistemov. Velik nabor modularnih suženj modulov (slika 4.13) nam
omogoča kvalitetno izgradnjo in nadgradnjo Profibus omrežja, tako velikih kot majhnih
razsežnosti.
Slika 4.13 : Profibus modularni in kompaktni suženj moduli
Povezovanje omrežja - ponavljalnik
Ponavljalnik (slika 4.14) je nepogrešljiva komponenta vsakega omrežja. Tudi v omrežju
Profibus skrbi za razdelitev in ojačanje posameznih Profibus omrežnih vej. Uporaba
ponavljalnika je torej neizbežna pri izgradnji dolgih in razvejanih omrežij in pri omrežjih,
pri katerih uporabljamo veliko število posameznih komponent.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 30
Slika 4.14 : Ponavljalnik-Profibus DP
Ločevanje omrežja - povezovalnik
Kadar želimo ločiti ali povezati dve povsem fizično ločeni Profibus DP omrežji,
uporabimo povezovalnik (slika 4.15). Komponenta deluje kot povezovalno-ločilni element
z ločenim Profibus naslovom za vsako omrežje posebej. Potrebno je konfiguriranje in
nastavitev komunikacijskih signalov v obeh fizično ločenih omrežjih,.
Slika 4.15 : Profibus DP-DP povezovalnik
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 31
HMI naprave
Kot nepogrešljivi člen avtomatizacijske opreme so HMI naprave (slika 4.16) v večji meri
opremljene in pripravljene za komunikacijo preko Profibus ali Ethernet omrežja.
Slika 4.16 : Profibus DP-HMI naprave
Drugi gradniki omrežja Profibus
Nabor drugih gradnikov omrežja Profibus predstavlja nabor po funkciji različnih
komponent, kot so: laserski merilniki, merilniki pretoka, laserski čitalci črtne kode,
svetlobne zavese, varovalne naprave, frekvenčni regulatorji, pnevmatski otoki, enkoderji,
motorji in tako dalje (slika 4.17).
Slika 4.17 : Različni gradniki Profibus omrežja
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 32
5. INDUSTRIJSKI ETHERNET V devetdesetih letih 20. stoletja je Ethernet začel svoj pohod v pisarne, kjer je korenito
spremenil način dela. Danes svoj prodor nadaljuje v industrijska okolja, kjer z novimi
možnostmi in prednostmi vpliva na produktivnost in hitrost dela v proizvodnji. Prednosti
uporabe industrijskega Etherneta so podobne prednostim Etherneta v poslovnem okolju.
To pa ne velja za zahteve, ki jih narekujejo naprave v različnih industrijskih okoljih. V
industrijskih okoljih količina in kompleksnost podatkov, ki se prenašajo v
komunikacijskem sistemu, zahtevata determinizem in veliko hitrost komunikacije,
stabilnost, varnost ter odpornost sistema na mehanske, toplotne, elektromagnetne in druge
vplive.
5.1 ARHITEKTURA IN STANDARD IEEE 802.3
Na nivojski industrijski strukturi je Ethernet dolgo časa zasedal vrh hi erarhične strukture
(slika 5.1). S svojimi prednostmi in lastnostmi se z visokega management nivoja vse bolj
seli na nižji celični in področni nivo. V proizvodnem okolju tako že obstaja veliko
različnih naprav z možnostjo povezljivosti na industrijski Ethernet, od klasičnih PC-jev,
HMI naprav, logičnih krmilnikov, CNC naprav, vse do senzorjev in pretvornikov.
Industrijski Ethernet Pisarniški Ethernet Velika zanesljivost zaradi redundantnih naprav Majhna zanesljivost zaradi enojnih povezav Inštalacija v industrijskih halah ali na prostem IP67 Inštalacija samo v zaprtih prostorih Možnost vezav v vse vrste topologij Večinoma samo zvezdne topologije Prenaša se veliko manj paketov, delo v realnem času Prenosi velikih paketov, ni potrebe po realnem času Razširjeno temperaturno območje Običajno temperaturno območje Industrijsko napajanje 24 VDC Standardno mrežno napajanje 230 VAC Montaža na DIN letev Prostostoječi
Tabela 5.1 : Primerjava Industrijskega in Pisarniškega Etherneta
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 33
Slika 5.1 : Primer Industrijskega Etherneta v konceptu SIMATIC NET [4]
Standard IEEE 802.3
Leta 1978 je Mednarodna organizacija za standardizacijo objavila skupino standardov za
povezovanje različnih naprav na osnovi referenčnega modela OSI. V osemdesetih letih je
Inštitut za elektrotehniko in elektro inženiring IEEE tako objavil projekt 802, ki določa
standarde za projektiranje in združljivost strojnih komponent, ki delujejo na fizičnem in
povezovalnem nivoju OSI modela. Rezultat projekta IEEE 802 je bila specifikacija
standarda IEEE 802.3, ki je, s svojo pristopno metodo CSMA/CD in hitrostjo 10 Mbps,
postal osnova današnjega Industrijskega Etherneta. Standard IEEE vsebuje dodatna pravila
na fizični nivoju, obstaja pa tudi majhna razlika glede oblike okvirja. V podskupine
standarda IEEE 802 spadajo Hitri Ethernet 100 Base-T (IEEE 802.3u), Gigabit Ethernet
1000 Base-T (IEEE 802.3ab), Token Ring (IEEE 802.5), 100VG-AnyLan (IEEE 802.12),
ATM 1000Mbit/s, Fibre Channel in mnoge druge različice industrijskega etherneta (tabela
5.2). Na trgu je danes že veliko proizvajalcev, ki so za potrebe industrijskih komunikacij
razvile svoje ethernet protokole, ki so namenjeni za prenos podatkov v realnem času z
velikimi hitrostmi bodisi po žičnem ali brezžičnem prenosnem mediju.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 34
Dodatek k standardu IEEE 802.3 Opis
802.3a (1985) 10BASE2 »thin Ethernet« 802.3c (1985) 10Mbps repeater, člen 9 802.3d (1987) FOIRL fiber link 802.3i (1990) 10BASE-T twisted-pair 802.3j (1993) 10BASE-F fiber optic 802.3u (1995) 100BASE-T Fast Ethernet 802.3x (1997) Full-Duplex 802.3z (1998) 1000BASE-X Gigabit Ethernet 802.3ab (1999) 1000BASE-X Gigabit Ethernet – twisted pair 802.3ac (1999) Frame size – 1522 byte for VLAN tag 802.3ad (2000) Link aggregation to parallel links
Tabela 5.2 : Razvoj in nadgradnja standarda IEEE 802.3
TCP/IP protokol
TCP/IP je štirinivojski model, ki je dobil ime po standardih, ki jih uporablja. TCP
(Transmission Control Protocol) ustreza OSI-jevemu nivoju prenosa in omogoča
zanesljiv, tokovno usmerjen, prenos podatkov preko omrežja. TCP protokol najprej
razdeli originalno sporočilo na pakete, ki lahko potujejo po omrežju po različnih
poteh.
IP (Internet Protocol) ustreza OSI-jevem nivoju omrežja in skrbi za iskanje poti skozi
omrežje. IP protokol dopolnjuje TCP izdelane pakete podatkov z naslavljanjem.
5.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE
Industrijski Ethernet s svojimi lastnostmi in karakteristikami (tabela 5.3) že močno prodira
v industrijsko okolje bodisi v področja proizvodnje, logistike ali popolne avtomatizacije
strojev. Glede na različno obliko in robustnost industrijskega okolja pa le-to narekujejo
zahteve po veliki zanesljivosti delovanja v okolju visokoenergetskih naprav, visokih
temperatur, mehanskih tresljajev in možnosti instalacije komunikacijskih struktur v
umazanem in robustnem okolju. Zaradi vseh teh specifičnih lastnosti, ki nastajajo v
industrijskih in procesnih okoljih, mora biti industrijska komunikacija sposobna kljubovati
številnim, njej škodljivim in kvarnim dejavnikom in delovati po principu komunikacije v
realnem času. Od industrijske komunikacije se tako zahteva brezkompromisna
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 35
zanesljivost, hitrost, velika pretočnost, prijaznost do uporabnikov in standardizacija. Za
doseganje ustrezne komunikacije se tako uporabljajo koaksialni, neoklopljeni in oklopljeni
kabli s paricami, kabli iz optičnih vlaken in brezžična komunikacija, ki s svojimi
lastnostmi narekujejo ustrezno povezovalno topologijo.
Tehnične karakteristike Industrijskega Ethernet omrežja
Standard: Ethernet IEEE 802.3 Dostop do prenosnega sredstva: CSMA/CD Hitrost prenosa: 10 Mbit/sec, 100 Mbit/sec, 1000 Mb/sec, 10 Gb/sec Povezovalni medij: koaksialni, 2 ali 4 prepleteni parici, UTP, optična vlakna Število povezovalnih enot: 1024 Širina omrežja: 4,3 km Topologija: linijska, drevesna, zvezda, obroč, redundantni obroč Nivo: celotni
Tabela 5.3 : Splošne karakteristike Industrijskega Etherneta
5.3 OMREŽJA IN PRENOSNI MEDIJI
Standardi fizičnega sloja Ethernet standarda opisujejo tipe kablov (tabela 5.4), iz katerih se
lahko zgradi omrežje, določajo mrežno topologijo, največjo dolžino kabelskega segmenta
in število uporabnikov, ki se jih lahko uporabi. Za povezovanje elementov v Ethernet
omrežju, se uporablja različne vrste kablov; od koaksialnih, paric, UTP, do kablov iz
optičnih vlaken. V današnjem Ethernetu se najpogosteje uporablja oklopljena ali
neoklopljena parica oziroma tako imenovani UTP kabel.
Slika 5.2 : Uporaba klasičnega in hitrega Etherneta [12]
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 36
OZNAKA KABEL TOPOLOGIJA HITROST SEGMENT 10Base5 RG8 koaksialni Vodilo 10 Mb/s 500 m 10Base2 RG58 koaksialni Vodilo 10 Mb/s 185 m 10BaseT Kategorija 3 UTP Zvezda 10 Mb/s 100 m FOIRL 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 10 Mb/s 1000 m 10BaseFL 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 10 Mb/s 2000 m 10Base FB 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 10 Mb/s 2000 m 10Base FP 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 10 Mb/s 500 m 100BaseTX Kategorija 5 UTP Zvezda 100 Mb/s 100 m 100BaseT4 Kategorija 3 UTP Zvezda 100 Mb/s 100 m 100BaseFX 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 100 Mb/s 412 m 1000BaseLX 9/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 5000 m
1000BaseLX 50 ali 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 550m
1000BaseSX 50/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 500 m 1000BaseSX 50/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 550 m 1000BaseSX 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 220 m 1000BaseSX 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 275 m 1000BaseLH 9/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 10 km 1000BaseZX 9/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 100 km 1000BaseCX 150 Ohm oklopljeni bakreni kabel Zvezda 1000 Mb/s 25 m 1000BaseT Kategorija 5 UTP Zvezda 1000 Mb/s 100 m 10GBaseLR Enorodovno optično vlakno Zvezda 10 Gb/s 10 km
10GBaseSR 50 ali 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 10 Gb/s 26-300 m
10GBaseER Enorodovno optično vlakno Zvezda 10 Gb/s 40 km 10GBaseCX4 Koaksialna parica Zvezda 10 Gb/s 20 m 10GBaseT Kategorija 5 UTP Zvezda 10 Gb/s 20 m 10GBaseT Kategorija 6 UTP Zvezda 10 Gb/s 50 m 10GBaseT Kategorija 7 STP Zvezda 10 Gb/s 100 m
Tabela 5.4 : Fizične lastnosti Etherneta
5.3.1 INDUSTRIJSKI ETHERNET (10 Mb/s)
Temelj industrijskega Etherneta so v začetku predstavljali prenosni mediji, kot so
koaksialni kabel, neoklopljena parica in optična vlakna. Začetni industrijski standardi so
tako podpirali in delovali s prenosno hitrostjo 10 Mb/s in uporabljali fizično topologijo
vodila ali zvezde. V začetku se je industrijski Ethernet uporabljal kot povezovalni člen
med redkimi aktivnimi elementi, v današnjem času pa je uporaba in praktičnost Ethernet
omrežja narasla do te mere, da je Ethernet postal bistveni komunikacijski člen tako v
poslovnem, kot tudi industrijskem okolju.
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 37
Industrijska sukana parica (10BASE-T)
Industrijska sukana parica je izdelana na podlagi standarda IEEE 802.3i (10BASE-T) in
dovoljuje prenose podatkov s prenosno hitrostjo 10 Mb/s [6]. Prenosni medij je zaščitni
kabel z dvema sukanima paricama s karakteristično impedanco 100 Ω. Na podlagi
standarda 10BASE-T se uporablja RJ-45 tip konektorja, a se je za potrebe različnih
Ethernet elementov kot alternativa začel uporabljati tudi SUB-D konektor (slika 5.3).
Slika 5.3 : RJ-45 in SUB-D konektorji [6]
Optična vlakna (10BASE-FL)
Prenos podatkov s pomočjo optičnih vlaken z nizko hitrostjo prenosa 10 Mb/s, temelji na
standardu IEEE 802.3i [6]. Kot prenosni medij se uporabljajo mnogorodovni optični kabli
(slika 5.4), z vlakni tipa 62.5/125 μm ali 50/125 μm. Povezava med dvema aktivnima
elementoma ima obliko zaključene vezave po modelu »end-to-end«. To pomeni, da vedno
obstaja direktna povezava med omrežno komponento na enem omrežju in priključkom
omrežne komponente drugega omrežja.
Slika 5.4 : Kabel z optičnimi vlakni [6]
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 38
5.3.2 HITRI ETHERNET (100 Mb/s)
Hitri Ethernet odlikujejo lastnosti in standardi klasičnega Etherneta (tabela 5.5) s prenosno
hitrostjo 100 Mb/s [6]. V hitrem Ethernetu se poleg optičnih kablov uporabljajo še kabli
kategorije 5, v nadgradnji tudi kabli kategorije 3, ki za komunikacijo uporabljajo par
sukanih paric. Vse druge lastnosti, kot je podatkovni format, CSMA/CD protokol, dolžina
paketa in topologija, ostajajo iste tako za klasični Ethernet s hitrostjo 10 Mb/s kot tudi za
hitri Ethernet s hitrostjo 100 Mb/s.
Ethernet Hitri Ehernet IEEE standard 802.3 802.3u Prenosna hitrost 10 Mb/s 100 Mb/s Dolžina bita 100 ns 10 ns Tehnika dostopa CSMA / CD Najdaljši paket 1518 byte Najkrajši paket 64 byte Polje naslavljanja 48 bit Topologija zvezda, drevo, vodilo
Tabela 5.5 : Primerjava klasičnega in hitrega Etherneta [6]
Industrijska sukana parica (100BASE-TX)
Na področju hitrega Etherneta je najbolj pogosta uporaba sukane parice (slika 5.5), ki
temelji na standardu IEEE 802.3u s prenosno hitrostjo 100 Mb/s [6]. En izmed prenosnih
medijev hitrega Etherneta je zaščitni kabel s štirimi sukanimi paricami s karakteristično
impedanco 100 Ω. Lastnosti kabla morajo odgovarjati zahtevam kategorije 5. Povezava
med dvema aktivnima elementoma deluje vedno po principu »end-to-end«, pri tem dolžina
kabla ne sme presegati dolžine 100 m. Na podlagi standarda 100BASE-TX se tudi tu
uporablja RJ-45 tip konektorja, kot alternativa pa tudi SUB-D konektor.
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 39
Slika 5.5 : Industrijska sukana parica [6]
Optična vlakna (100BASE-FX)
Poleg uporabe sukane parice se pri hitrem Ethernetu zelo pogosto uporabljajo kabli z
optičnimi vlakni, izdelani po standardu IEEE802.3u, z nazivno hitrostjo prenosa 100 Mb/s
[6]. Kot prenosni medij se uporabljajo mnogorodovni optični kabli z vlakni tipa 62.5/125
μm ali 50/125 μm ter enojni optični kabli z vlakni tipa 10/125 μm. Povezava med dvema
aktivnima elementoma ima obliko zaključene vezave po modelu »end-to-end«. To pomeni,
da vedno obstaja direktna povezava med omrežno komponento na enem omrežju in
priključkom omrežne komponente drugega omrežja.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 40
6. REZULTATI V poglavju so opisane in podane komunikacijske strukture, naslovne sheme in seznami
uporabljene krmilne opreme avtomatiziranih logističnih procesov odvoza gotovih izdelkov
v visoko regalno skladišče NAVIS Gorenje d.d. V nalogi je kot primer opisana
avtomatizacija in komunikacijski tok logistične poti izdelkov proizvodnega programa
hladilno zamrzovalnih aparatov.
6.1 KOMUNIKACIJSKE STRUKTURE LOGISTIČNIH PROCESOV V
SKLADIŠČE NAVIS
Komunikacijske strukture logističnih procesov odvoza gotovih izdelkov predstavljajo vez
med proizvodnjo in skladiščenjem izdelkov v visoko regalnem skladišču NAVIS. Bistvo
posameznih krmilnih sistemov in komunikacij je pridobivanje in posredovanje ustreznih
podatkov o izdelku, signalizacija, primopredaje na posameznih segmentih logističnih poti
in nadzor logističnega procesa. Posamezni krmilni sistemi so razdeljeni na segment
nalagalne cone, transportnega sistema, sistema za razvrščanje in skladiščenje. Logistične
poti so razdeljene na dovoz gotovih izdelkov iz proizvodnih programov (slika 6.1):
• HZA (Hladilno Zamrzovalni Aparati),
• PPA (Pralno Pomivalni Aparati),
• KA (Kuhalni aparati).
Slika 6.1 : Logistične poti odvoza gotovih izdelkov iz proizvodnih programov v Gorenju d.d.
Program KA Program PPA Program HZA
SKLADIŠČE
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 41
6.2 ODVOZ IN SKLADIŠČENJE GOTOVIH IZDELKOV - HZA
Krmilni sistemi odvoza in skladiščenja gotovih izdelkov so razdeljeni na posamezne
samostojne krmilno avtomatizirane procese oziroma segmente. Glede na krmilni sistem s
pripadajočo periferijo se segmenti logistične poti iz programa HZA delijo na (slika 6.2):
• nalagalno cono s transportnim sistemom EVTV,
• transportni sistem EVTV,
• razlagalni sistem z razvrščanjem in uskladiščevanjem.
Slika 6.2 : Struktura odvoza gotovih izdelkov iz programa HZA
6.3 NALAGALNA CONA S TRANSPORTNIM SISTEMOM EVTV – HZA
Avtomatiziran sistem nalagalne cone s transportnim sistemom EVTV-HZA je sestavljen iz
petih nalagalnih mest (slika 6.4), enega razlagalnega mesta in transportnega sistema
EVTV. Jedro krmilnega sistema sestavlja krmilno procesna enota proizvajalca Siemens
družine SIMATIC S7-300 s pripadajočo periferijo in komunikacijskimi moduli.
Komunikacije najnižjega nivoja so izvedene s pomočjo I/O komunikacije na nivoju
povezave komunikacijskih signalov proizvodnih linij ter nalagalnih mest. Na segmentu
področnega nivoja oziroma razporeditve I/O periferije je komunikacija izvedena s pomočjo
omrežja Profibus-DP s hitrostjo 1,5 Mbps. Poleg krmilno procesne enote ter pripadajočih
povezovalnih modulov Siemens ET200L, del Profibus-DP omrežja predstavljajo tudi
operacijski paneli Siemens OP7 ter komunikacijske enote indifikacijskega sistem Siemens
MOBY-E. Struktura komunikacijskega omrežja nalagalne cone s transportnim sistemom
HZA je prikazana na sliki 6.3.
Nalagalna cona
EVTV
Transportni sistem
EVTV
Razlagalni sistem z
razvrščanjem
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 42
Slika 6.3 : Struktura komunikacijskega omrežja nalagalne cone s transportnim sistemom HZA
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 43
Najvišji nivo komunikacijske strukture segmenta nalagalne cone s transportnim sistemom
EVTV predstavljajo takoimenovane S7 komunikacijske strukture izvedene preko omrežja
Ethernet. Komunikacije s S7 funkcijami so izvedene med posameznimi krmilno
procesorskimi enotami laserskih čitalnih mest za branje bar kode izdelka ter samostojnim
transportnim sistemom EVTV.
Slika 6.4 : Nalagalna cona s transportnim sistemom EVTV - HZA
Krmilno procesna oprema
Samostojni krmilni sistem nalagalne cone s transportnim sistemom EVTV sestavljajo:
• Siemens CPU S7-300 / 318-2DP [6ES7 318-2AJ00-0AB0],
• Siemens CP 343-1 [6GK7 343-1EX11-0XE0],
• Siemens SM321 [6ES7 321-1BL00-0AA0],
• Siemens SM322 [6ES7 322-1BL00-0AA0],
• Siemens ET200L [6ES7 131-1BL0*-0XB0],
• Siemens ASM452 [6GT2002-0EB20],
• Siemens DP-DP COUPLER [6ES7 158-0AD00-0XA0],
• @C100-PB.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 44
I85.2
I85.2
I85.2
I85.2
I/O komunikacija
I/O komunikacija je izvedena po principu fizičnega ožičenja posameznih vhodno-izhodnih
modulov (slika 6.5). Pri tej povezavi gre za izmenjavo signalov med posameznimi krmilno
razvodnimi enotami nalagalnih mest ET200L in AS-i moduli proizvodne linije 2, 3, 4 in 5.
Povezava je zaradi potrebne izenačitve potencialov izvedena preko relejev. To pomeni, da
je vsak izhodni signal vezan neposredno na rele enega sistema, povezan direktno na
vhodne sponke drugega sistema.
Slika 6.5 : Izmenjava I/O komunikacijskih signalov med nalagalno cono in proizvodno linijo
ZAHTEVA ZA VSTOP V DVIGALO
IZDELEK PRISPEL V DVIGALO
ZAHTEVA ZA PRENOS ČRTNE KODE
I104.0
Q96.1
Q96.2
Q96.3
Q85.0
I85.1
I85.0
DOVOLJENJE ZA TRANSPORT IZ MT2 V DVIGALO
MONTAŽNA LINIJA 2 NALAGALNO MESTO 2
ZAHTEVA ZA VSTOP V DVIGALO
IZDELEK PRISPEL V DVIGALO
ZAHTEVA ZA PRENOS ČRTNE KODE
I136.0
Q120.1
Q120.2
Q120.3
DOVOLJENJE ZA TRANSPORT IZ MT2 V DVIGALO
MONTAŽNA LINIJA 3 NALAGALNO MESTO 3
ZAHTEVA ZA VSTOP V DVIGALO
IZDELEK PRISPEL V DVIGALO
ZAHTEVA ZA PRENOS ČRTNE KODE
I152.0
Q132.1
Q132.2
Q132.3
DOVOLJENJE ZA TRANSPORT IZ MT2 V DVIGALO
MONTAŽNA LINIJA 4 NALAGALNO MESTO 4
ZAHTEVA ZA VSTOP V DVIGALO
IZDELEK PRISPEL V DVIGALO
ZAHTEVA ZA PRENOS ČRTNE KODE
I168.0
Q144.1
Q144.2
Q144.3
DOVOLJENJE ZA TRANSPORT IZ MT2 V DVIGALO
MONTAŽNA LINIJA 5 NALAGALNO MESTO 5
Q108.1 ZAHTEVA ZA RAZLAGANJE
I14.4
Q85.0
I85.1
I85.0
Q85.0
I85.1
I85.0
Q85.0
I85.1
I85.0
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 45
Profibus-DP
Uporabljeno je omrežje Profibus z načinom Profibus-DP komunikacije zaradi enostavne
področne razporeditve posameznih vhodno-izhodnih mest, povezljivosti HMI naprav in
modulov indifikacijskega sistema MOBY-E. Dolžina omrežja se razprostira na razdalji
približno 300 m. V omrežju Profibus-DP s hitrostjo 1,5 Mbps je vključenih 44 gradnikov,
vključno s krmilno procesno enoto Simatic CPU 318-2DP z vgrajenim komunikacijskim
vmesnikom Profibus-DP. Poleg krmilno procesne enote so v omrežje vezani naslednji
moduli, prikazani tudi na sliki 6.6:
• Siemens ET200L [6ES7 131-1BL0*-0XB0],
• Siemens ASM452 [6GT2002-0EB20],
• Siemens DP-DP COUPLER [6ES7 158-0AD00-0XA0],
• Siemens OP7 [6AV7 607-1JC20-0XA1],
• @C100-PB.
Slika 6.6 : Struktura Profibus-DP omrežja nalagalne cone s transportnim sistemom HZA
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 46
Vsakemu modulu je dodeljen Profibus-DP naslov, ki se fizično nastavi preko DIP stikal na
modulu (tabela 6.1).
MODUL NASLOV MODUL NASLOV CPU318 2 ET200L 72 ET200L 11 ET200L 73 ET200L 12 ET200L 74 ET200L 13 ET200L 75 ET200L 14 ET200L 76 ET200L 21 ET200L 77 ET200L 22 ET200L 78 ET200L 23 ET200L 79 ET200L 24 ASM452 90 ET200L 31 ASM452 91 ET200L 32 ASM452 92 ET200L 33 ASM452 93 ET200L 34 ASM452 94 ET200L 41 ASM452 95 ET200L 42 ASM452 96 ET200L 43 OP7 10 ET200L 44 OP7 20 ET200L 51 OP7 30 ET200L 52 OP7 40 ET200L 53 OP7 50 ET200L 54 OP7 60 ET200L 61 OP7 80 ET200L 62 DP-DP COUPLER 110 ET200L 63 @C100-PB 99 ET200L 64 ET200L 70 ET200L 71
Tabela 6.1 : Razporeditev Profibus-DP naslovov nalagalne cone s transportnim sistemom HZA
Ethernet
Povezljivost krmilno procesne enote na omrežje Ethernet je izvedena s pomočjo
komunikacijskega modula Siemens CP343-1, ki ima dodeljen IP in MAC naslov lokalnega
Ethernet omrežja. Povezava z ostalimi krmilno procesnimi enotami, kot so sistemi za
čitanje bar kode na posamezni proizvodnji liniji in samostojnim transportnim EVTV, je
izvedena preko neposredne povezave S7 komunikacije (slika 6.7), ki jo omogoča
komunikacijski modul Siemens CP343-1.
Slika 6.7 : Konfiguracija S7 komunikacij v programskem orodju Simatic Manager
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 47
Vzpostavitev S7 komunikacije se izvede preko programskega orodja Simatic Manager pri
konfiguraciji Ethernet omrežja. Pri konfiguraciji takšnega načina komunikacije se vpišejo
IP naslovi komunikacijskih partnerjev in ID posamezne komunikacije. Primer nastavitve
S7 komunikacije med dvema partnerjema prikazuje slika 6.8.
Slika 6.8 : Primer nastavitve S7 komunikacije v programskem orodju Simatic Manager
Komunikacija na programskem nivoju poteka preko »GET« funkcij, katerih podatkovno
strukturo določi uporabnik sam (tabela 6.2).
NALAG. CONA – LINIJA 2 GET DB2.DBX0.0 BYTE 16 ↔ BAR KODA – LINIJA 2 DB9.DBX0.0 BYTE 16
NALAG. CONA – LINIJA 3 GET DB3.DBX0.0 BYTE 16 ↔ BAR KODA – LINIJA 3 DB9.DBX0.0 BYTE 16
NALAG. CONA – LINIJA 4 GET DB4.DBX0.0 BYTE 16 ↔ BAR KODA – LINIJA 4 DB9.DBX0.0 BYTE 16
NALAG. CONA – LINIJA 5 GET DB5.DBX0.0 BYTE 16 ↔ BAR KODA – LINIJA 5 DB9.DBX0.0 BYTE 16
NALAGALNA CONA - EVTV GET DB145.DBX0.0 BYTE 22 ↔ TRANSPORTNI SISTEM
EVTV DB145.DBX0.0 BYTE 22
Tabela 6.2 : Prenos podatkov preko programske funkcije »GET«
Poleg S7 komunikacije se Ethernet omrežje uporablja za povezljivost sistema s centralnim
SCADA sistemom WinCC. Preko izdelane nadzorne server aplikacije WinCC je mogoče
spremljati logistične poti posameznega izdelka, od nalaganja do skladiščenja izdelka v
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 48
visoko regalno skladišče, kjer funkcijo sledenja zamenja tako imenovani nadzorno-
kontrolni sistem WMS in WCS. V tabeli 6.3 so prikazani udeleženci Ethernet omrežja z
uporabo S7 komunikacij.
NAZIV KRMILNEGA SISTEMA VRSTA KOMUNIKACIJE IP NASLOV
NALAGALNA CONA S TRANS. SISTEMOM EVTV GOSPODAR 10.64.61.22 ČITANJE BAR KODE – LINIJA 2 PARTNER 10.64.61.83 ČITANJE BAR KODE – LINIJA 3 PARTNER 10.64.61.84 ČITANJE BAR KODE – LINIJA 4 PARTNER 10.64.61.85 ČITANJE BAR KODE – LINIJA 5 PARTNER 10.64.61.86 TRANSPORTNI SISTEM EVTV PARTNER 10.64.61.21
Tabela 6.3 : IP naslovi komunikacijskih partnerjev omrežja Ethernet
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 49
6.4 TRANSPORTNI SISTEM EVTV – HZA
Samostojni elektro pogonski viseči transportni sistem EVTV (slika 6.9) predstavlja vezni
člen med nalagalno cono v proizvodni hali in sistemom razvrščanja v skladišču Navis.
Transportni sistem EVTV je sestavljen iz Al proge z energetskimi drsečimi vodi in
samostojnimi vozički z elektropogonsko krmilno enoto.
Slika 6.9 : Transportni sistem EVTV-HZA
Sistem transporta in razvrščanja vozičkov je izveden preko krmilnega sistema Siemens
SIMATIC s krmilno enoto Siemens CPU318. Poleg krmilno procesne enote je krmilje
sestavljeno še s komunikacijskih modulov za omrežja Profibus in Ethernet. Komunikacijo
na področju I/O periferije in izmenjavo signalov s krmilnim sistemom razvrščanja
predstavlja omrežje Profibus-DP s hitrostjo prenosa 1,5 Mbs. V omrežju Profibus-DP so
tako poleg povezovalnih modulov Siemens ET200M in komunikacijskega modula Siemens
DP-DP COUPLER, še moduli za povezavo z indifikacijskem sistemom Siemens MOBY-E
in operacijski paneli Siemens OP7. Prav tako kot pri krmilnem sistemu nalagalne cone, je
tudi tu uporabljen komunikacijski procesor Siemens CP343-1, ki omogoča povezavo na
najvišji komunikacijski nivo omrežja Ethernet. Tudi tu so uporabljene tako imenovane S7
komunikacije, ki s svojimi programskimi bloki predstavljajo komunikacijo med nalagalno
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 50
cono in samostojnim transportnim sistemom EVTV. Struktura komunikacijskega omrežja
transportnega sistema EVTV-HZA je prikazana na sliki 6.10.
Slika 6.10 : Struktura komunikacijskega omrežja transportnega sistema EVTV-HZA
Krmilno procesna oprema
Samostojni krmilni sistem transportnega sistema EVTV sestavljajo:
• Siemens CPU S7-300 / 318-2DP [6ES7 318-2AJ00-0AB0],
• Siemens CP 343-1 [6GK7 343-1EX11-0XE0],
• Siemens SM321 [6ES7 321-1BL00-0AA0],
• Siemens SM322 [6ES7 322-1BL00-0AA0],
• Siemens ET200M [6ES7 153-1AA03-0XB0],
• Siemens ASM452 [6GT2002-0EB20],
• Siemens DP-DP COUPLER [6ES7 158-0AD00-0XA0],
• @C100-PB.
Profibus-DP
Omrežje Profibus s načinom Profibus-DP komunikacije je tudi tu uporabljeno izključno
zaradi enostavne področne razporeditve posameznih vhodno-izhodnih mest, povezljivosti
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 51
HMI naprav in modulov indifikacijskega sistema MOBY-E. Dolžina omrežja se razprostira
na razdalji približno 500 m, s hitrostjo 1,5 Mbps. Zaradi velike razdalje se na določenih
odsekih uporablja ojačevalna enota Siemens RS-485 REPEATER, ki poleg ojačenja
signala služi kot razdelilni člen Profibus-DP omrežja na posamezne manjše segmente. V
omrežje je vključenih 10 aktivnih elementov, vključno z krmilno procesno enoto Simatic
CPU 318-2DP z vgrajenim komunikacijskih vmesnikom Profibus-DP ter 2 pasivna
ojačevalna elementa, ki nista del programske in naslovne sheme omrežja.
Omrežni krmilni sistem sestavljajo naslednji moduli, prikazani na sliki 6.11:
• Siemens ET200M [6ES7 153-1AA03-0XB0],
• Siemens ASM452 [6GT2002-0EB20],
• Siemens DP-DP COUPLER [6ES7 158-0AD00-0XA0],
• Siemens RS-485 REPEATER [6ES7 972-0AA01-0XA0],
• Siemens OP7 [6AV7 607-1JC20-0XA1],
• @C100-PB.
Slika 6.11 : Struktura Profibus-DP omrežja transportnega sistema EVTV-HZA
MODUL NASLOV MODUL NASLOV CPU318 2 DP-DP COUPLER 20 ET200M 5 @C100-PB 8 ET200M 6 OP7 10 ET200M 7 OP7 11 ASM452 16 OP7 12 ASM452 17 ASM452 18
Tabela 6.4 : Razporeditev Profibus-DP naslovov transportnega sistema EVTV-HZA
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 52
Vsakemu modulu Profibus-DP omrežja se dodeli ustrezen naslov, ki se na vseh aktivnih
elementih nastavi preko DIP stikal (tabela 6.4). Izjema je tako imenovani modul Siemens
DP-DP COUPLER (slika 6.12), ki predstavlja vezni člen med dvema ločeno zgrajenima
Profibus-DP omrežjema.
Slika 6.12 : Primer komunikacije in ločevanje dveh različnih Profibus-DP omrežij
Povezovalniku je, poleg dveh fizičnih naslov, ki se nastavijo za vsako omrežje posebej,
potrebno prirediti še tako imenovano zrcalno procesno sliko izmenjave podatkov. To
pomeni, da je potrebno modulu pri nastavitvah v strojni shemi in pri izdelavi programa
programskega paketa Simatic Maneger ustrezno nastaviti način komunikacije, dolžino
podatkovnega paketa ter preslikavo vhodno-izhodnih signalov (slika 6.13).
Slika 6.13 : Nastavitve vhodno-izhodnih signalov modula DP-DP COUPLER
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 53
Nastavitev za isti modul Siemens DP-DP COUPLER mora biti v obeh omrežjih Profibus-
DP enaka. Modul DP-DP COUPLER je v sistemu uporabljen kot povezovalnik in
predstavlja vezni člen med omrežjem transportnega sistema EVTV in sistemom
razvrščanja izdelkov iz programa HZA. Poleg strojnih nastavitev povezovalnika je
potrebna tudi ustrezna uporaba pripravljenih programskih funkcij, kot jih prikazuje slika
6.14.
Slika 6.14 : Programske funkcije in način komunikacije med dvema Profibus-DP omrežjema
Ethernet
Povezljivost krmilno procesne enote na omrežje Ethernet je izvedena s pomočjo
komunikacijskega modula Siemens CP343-1, ki ima dodeljen IP in MAC naslov omrežja
lokalnega Ethernet omrežja. Povezava z nalagalno cono je določena v konfiguraciji S7
komunikacij v krmilnem sistemu nalagalne cone omrežja Ethernet. Za programski nivo
komunikacije se uporablja podatkovni blok DB145 (slika 6.15), katere vsebina je preko
funkcije GET na voljo krmilnemu sistemu nalagalne cone.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 54
Slika 6.15 : Podatkovni blok DB145 – način komunikacije med nalagalno cono in samostojnim
transporterju EVTV-HZA
Poleg povezave z nalagalno cono, se omrežje Ethernet tudi tu uporablja za povezljivost
sistema s centralnim SCADA sistemom WinCC, ki uporablja isto server aplikacijo,
komunikacijski vmesnik in grafično strukturo kot sistem vizualizacije nalagalne cone.
Tabela 6.5 prikazuje naslovno shemo Ethernet S7 komunikacije med gospodarjem in
partnerjem.
NAZIV KRMILNEGA SISTEMA VRSTA KOMUNIKACIJE IP NASLOV
NALAGALNA CONA S TRANS. SISTEMOM EVTV-HZA GOSPODAR 10.64.61.21 TRANSPORTNI SISTEM EVTV-HZA PARTNER 10.64.61.22
Tabela 6.5 : IP naslovi komunikacijskih partnerjev omrežja Ethernet
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 55
6.5 RAZLAGALNI SISTEM Z RAZVRŠČANJEM IN VSKLADIŠČEVANJEM-
HZA
Razlagalni sistem z razvrščanjem in uskladiščevanjem izdelkov (slika 6.16) je sestavljen iz
treh razlagalnih mest z dvigali, treh sortirnih vozičkov, 28 zalogovnikov, dveh robotov
KUKA in dveh vozičkov z odlagalnimi mesti za uskladiščevanje izdelkov v skladišče.
Slika 6.16 : Sistem razvrščanja in uskladiščevanja izdelkov programa HZA v skladišču NAVIS
Krmilni sistem je sestavljen na osnovi krmilno procesne enote Siemens SIMATIC S7-400
in pripadajočo periferijo družine Siemens SIMATIC S7-300. Poleg krmilnega procesorja s
periferijo, sistem sestavljajo še komunikacijski moduli za povezavo na omrežje Ethernet in
Profibus-FMS. Kot osnovni mrežni sistem za razdelitev vhodno-izhodnih enot in drugih
krmilnih elementov, je uporabljeno omrežje Profibus-DP s hitrostjo 1,5 Mbps. V omrežje
Profibus-DP so tako vključeni frekvenčni regulatorji, čitalci črtne kode, komunikacijski
vmesnik za robote KUKA in operacijski paneli MP370. Komunikacija med transportnim
sistemom EVTV in sistemom razvrščanja poteka preko modula Siemens DP-DP
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 56
COUPLER. Izmenjava podatkovnih telegramov med sistemom razvrščanja in skladiščem
BT-A poteka preko omrežja Profibus-FMS. Vse druge podatkovne komunikacije potekajo
po omrežju Ethernet, ki je vezni člen med tako imenovanim MES sistemom. MES skrbi za
posredovanje vseh potrebnih podatkov o izdelkih, ki se uporabljajo za manipulacijo
izdelkov različnih dimenzij z roboti KUKA. V omrežjeEthernet je vključen tudi WinCC
server sistem za vizualizacijo. Struktura komunikacijskega omrežja sistema za razvrščanje
in uskladiščevanje izdelkov programa HZA je prikazana na sliki 6.17.
Slika 6.17 : Struktura komunikacijskega omrežja sistema za razvrščanje in uskladiščevanje
izdelkov programa HZA
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 57
Krmilno procesna oprema
Samostojni krmilni sistem razvrščanja in uskladiščevanja izdelkov HZA sestavljajo:
• Siemens CPU S7-400 / 416-2DP [6ES7 416-2XK02-0AB0],
• Siemens CP 443-5 Basic [6GK7 443-5FX01-0XE0],
• Siemens CP 443-1 [6GK7 443-1EX11-0XE0],
• Siemens SM421 [6ES7 421-1BL00-0AA0],
• Siemens SM422 [6ES7 422-1BL00-0AA0],
• Siemens SM321 [6ES7 321-1BL00-0AA0],
• Siemens SM322 [6ES7 322-1BL00-0AA0],
• Siemens ET200M [6ES7 153-1AA03-0XB0],
• Siemens MM440 [6SE640X-1PB00-0AA0],
• Siemens DP-DP COUPLER [6ES7 158-0AD00-0XA0],
• Lenze DRIVES,
• Sick BMW,
• Kuka CP5614 Slave [6GK1 561-4AA00].
Profibus-DP
Komunikacijska struktura Profibus-DP je namenjena razporeditvi vhodno-izhodnih
modulov, komunikaciji s frekvenčnimi regulatorji dvigal in vozičkov, komunikaciji z
laserskimi čitalci črtne kode, komunikaciji z robotoma KUKA in operacijskimi paneli
MP370. Omrežje se razprostira na območju približno 1000 m2 z dolžino kabla 200 m. V
omrežju, s hitrostjo 187,5 Kbps je skupaj z krmilno-procesno enoto Siemens CPU 416-
2DP vključenih 27 gradnikov, kot je prikazano na sliki 6.18.
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 58
Slika 6.18 : Struktura Profibus-DP omrežja sistema za razvrščanje in uskladiščevanje izdelkov
programa HZA
Poleg ožičenja s FC Profibus kablom je v omrežje vključen tako imenovani Siemens
POWER RAIL BOOSTER (slika 6.19), ki deluje kot povezovalni člen med klasičnim
ožičenjem in prenosom Profibus-DP signala preko drsne proge z ustreznimi drsnimi
krtačkami. Takšen način komunikacije poteka na vseh vozičkih, kjer je gibanje le-teh
omogočeno s pomočjo krmilnega drsnega voda Profibus-DP in energetskega drsnega voda.
V sistem omrežja Profibus-DP so vezani naslednji moduli:
• Siemens ET200M [6ES7 153-1AA03-0XB0],
• Siemens MM440 [6SE640X-1PB00-0AA0],
• Siemens DP-DP COUPLER [6ES7 158-0AD00-0XA0],
• Lenze DRIVES,
• Sick BMW,
• Kuka CP5614 Slave [6GK1 561-4AA00],
• Siemens MP370 [6AV6-545-0DA10-0AX0].
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 59
Vsakemu gradniku Profibus-DP omrežja se dodeli omrežni naslov, ki se fizično nastavi na
vsakem modulu posebej (tabela 6.6).
MODUL NASLOV MODUL NASLOV CPU416-2DP 2 Lenze DRIVE 24 ET200M 3 Kuka CP5614 Slave 18 ET200M 4 Kuka CP5614 Slave 19 ET200M 5 Sick BMW 40 ET200M 9 Sick BMW 41 ET200M 10 Sick BMW 42 ET200M 11 DP-DP COUPLER 25 ET200M 12 TP270 30 ET200M 13 TP270 31 ET200M 14 TP270 32 ET200M 15 TP270 35 ET200M 16 TP270 38 ET200M 17 Micromaster MM440 6 Micromaster MM440 7 Micromaster MM440 8 Lenze DRIVE 20 Lenze DRIVE 21 Lenze DRIVE 22 Lenze DRIVE 23
Tabela 6.6 : Razporeditev Profibus-DP naslovov sistema za razvrščanje in uskladiščevanje izdelkov
programa HZA
Slika 6.19 : Prenos Profibus-DP signala preko drsnih vodov s pomočjo modula Power Rail Booster
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 60
Interne komunikacije Profibus-DP omrežja potekajo s fizično nastavljeno vhodno-izhodno
procesno sliko (slika 6.20), katere I/O področje se nastavi za vsak element posebej.
Povsem identičen način komunikacije tako poteka pri povezovanju in izmenjavi kontrolnih
in statusnih signalov s frekvenčnimi regulatorji, roboti KUKA in čitalci črtne kode, ki
poleg statusnih signalov vrnejo tudi podatke o prebrani črtni kode izdelka.
Slika 6.20 : Komunikacija gospodar-suženj, roboti KUKA
Poleg internih komunikacij med posameznimi gradniki Profibus-DP omrežja je na nivoju
DP protokola izvedena komunikacija s pomočjo modula DP-DP COUPLER, ki tudi tu
deluje kot povezovalni element med dvema različnima Profibus-DP omrežjema in skrbi za
komunikacijo pri razlaganju izdelkov iz košar transportnega sistema EVTV na razlagalna
dvigala sistema za razvrščanje. Pri izmenjavi podatkov, ki se definirajo s pomočjo strojne
konfiguracije in programskih funkcij v programskem okolju Simatic Manager, se definira
zrcalna podatkovna shema, ki je zapisana v podatkovnem bloku DB16 in DB41 v obeh
krmilnih sistemih.
Profibus-FMS
Profibus-FMS povezava se uporablja za komunikacijo med dvema različnima sistemoma,
saj gre tu za povezavo med krmilno procesno enoto sistema za razvrščanje in kmilno
procesno enoto skladišča BT-A. Uporaba Profibus-FMS protokola se je v komunikacijsko
strukturo vključila zaradi zanesljivosti in kontrole pri prenosu podatkovnih telegramov. Za
ločevanje Profibus omrežij in ločene povezave za prenos podatkovnih telegramov se
uporablja komunikacijski vmesnik Siemens CP 443-5 Basic, ki omogoča in podpira
Universal (DP/FMS) protokol z nastavljeno hitrostjo prenosa 1,5 Mbps, kot je prikazano na
sliki 6.21.
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 61
Slika 6.21 : Nastavitev Profibus komunikacije na modulu Siemens CP443-5 Basic
Za komunikacijo na posameznih segmentih se uporabljajo programske funkcije
SEND_AG in RECEIVE_AG, ki sovpadajo s strukturo podatkovnih blokov DB500,
DB501, DB526, DB527, DB528 in DB529. Podatkovni bloki, poleg krmilnih signalov pri
manipulaciji izdelkov, vsebujejo tako imenovan AVISO telegram (slika 6.22), ki prenaša
podatke o izdelkih, število izdelkov in druge, za skladišče uporabne podatke.
Slika 6.22 : AVISO telegram
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 62
Ethernet
Povezava z omrežjem Ethernet je izvedena s pomočjo komunikacijskega modula Siemens
CP 443-1, ki mu je po protokolu TCP/IP, dodeljen IP in MAC naslov (tabela 6.7). S
pomočjo Ethernet povezave, sistem razvrščanja po predhodno prebrani črtni kodi izdelka
pridobiva dodatne podatke o izdelkih kot so dimenzijske vrednosti in status izdelka. Za
posredovanje vseh teh podatkov skrbi tako imenovani MES sistem, ki predstavlja vezni
člen med poslovnim programskih paketom SAP in krmilnimi sistemi razvrščanja.
Komunikacija z MES sistemom je izvedena preko OPC Server sistema, ki ima direktni
pregled vseh signalov in podatkov v krmilnem sistemu. Na podlagi signalnih zahtev po
dopolnitvi podatkov na nivoju krmilno procesorskega sistema, nam MES sistem poskrbi za
pravilen vnos zahtevanih podatkov v točno določene podatkovne strukture.
Slika 6.23 : Nadzorna aplikacija Siemens WinCC
Poleg Ethernet komunikacije z MES sistemom je v omrežje povezan tudi sistem
vizualizacije, ki deluje po principu nadzorne aplikacije WinCC server. WinCC s svojo
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 63
direktno povezavo s krmilnikom vrši pregled nad točno definiranimi signali in podatki, ki
so s pomočjo grafičnega vmesnika v obliki vizualizacije prikazani uporabniku (slika 6.23).
NAZIV KRMILNEGA SISTEMA VRSTA KOMUNIKACIJE IP NASLOV
SISTEM RAZVRŠČANJA IN VSKLADIŠČEVANJA - HZA GOSPODAR 10.64.61.24
Tabela 6.7 : IP naslov omrežja Ethernet sistema za razvrščanje in uskladiščevanje-HZA
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 64
7. SKLEP Cilj naloge je bil predstaviti in hkrati izdelati popoln vzorec komunikacijskih struktur in
omrežij uporabljenih v avtomatiziranih proizvodnih procesih. Izdelane komunikacijske
sheme, opisi in seznami uporabljene krmilne opreme, pravilna izbira omrežja in naslovna
shema mrežnih komponent nam predstavljajo komunikacijski načrt izbranega primera
odvoza in skladiščenja gotovih izdelkov iz proizvodnega programa hladilno zamrzovalnih
aparatov v Gorenju d.d.
Zaradi na novo zgrajenega visoko regalnega skladišča NAVIS in novo postavljenih
logističnih poti, je bila izvedba posameznih krmilnih sistemov in komunikacijskih struktur
dokaj lahka in tudi uspešna, po zadanem komunikacijskem vzorcu, izdelana naloga.
Izdelava celotne komunikacijske sheme se je sicer gradila postopoma, saj se je sprva
izpostavil komunikacijski tok za transport izdelka s podatki o izdelku, v nadgradnji so se
izdelali še sistemi za semaforizacijo in nadzor procesov. Glede na velikost območja se je v
vseh posameznih krmilnih sistemih za decentralizacijo izbralo omrežje Profibus-DP, ki se
je glede na veliko število gradnikov izkazalo za uspešno, saj vse povezave in komunikacije
delujejo brezhibno z dobro diagnostiko v primeru okvare. Na višjem nivoju povezovanja se
je uporabilo obstoječe omrežje Gorenje Ethernet, preko katerega teče komunikacija tako
med posameznimi krmilnimi sistemi kot tudi komunikacija s serverji za nadzor procesa,
semaforizacijo in vmesniki za poslovno informacijski sistem SAP.
Ozko grlo pretoka podatkov po komunikacijski shemi se je pokazalo predvsem v uporabi
skupne Ethernet mreže za potrebe poslovno uporabniške informatike kot tudi informatike
na nivoju krmilnih sistemov. Glede na analizo prometa in zasedenosti omrežja, se je že
izdelal koncept ločitve omrežja na povsem fizično ločen industrijski Ethernet in poslovno
uporabniški Intranet. Glede na trende krmilno komunikacijske tehnike, je že smotrno
načrtovati uporabo najnovejših vmesnikov, ki so namenjeni prav združevanju industrijskih
in poslovno uporabniških omrežij.
Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 65
Viri [1] All about AS-Interface, Siemens Automation & Drives Group (A&D), Nemčija,
2002, http://www.automation.siemens.com/
[2] Introduction to Profibus on Industrial PC; kat. št.: C79000-G8976-C068, Siemens
AG, Nemčija, 1996, http://www.automation.siemens.com/
[3] AS-Interface – Introduction and Basic; kat. št.: C79000-G8976-C089-04, Siemens
AG, Nemčija, 2006, http://www.automation.siemens.com/
[4] NCM for Industrial Ethernet - Manual; kat. št.: G79000–G8976–C129-04, Siemens
AG, Nemčija, 1999/2000, http://www.automation.siemens.com/
[5] Profibus Networks; kat. št.: 6GK 1970–5AC20–0AA1, Siemens AG, Nemčija,
1999, http://www.automation.siemens.com/
[6] Twisted-Pair and Fiber-Optic Networks; kat. št.: G79000-G8976-C125-02, Siemens
AG, Nemčija, 2001, http://www.automation.siemens.com/
[7] Industrijska Senzorska Omrežja - interni zapis, Gorenje Vzdrževanje, Velenje, 2005
[8] Profibus - interni zapis, Gorenje Vzdrževanje, Velenje, 2002
[9] Profibus - interno šolanje, Velenje, Gorenje Vzdrževanje, 1999
[10] AS-i - interno šolanje 1, Gorenje Vzdrževanje, Velenje, 2000
[11] AS-i - interno šolanje 2, Gorenje Vzdrževanje, Velenje, 2002
[12] Ethernet - interno šolanje 2, Gorenje Vzdrževanje, Velenje 2002
[13] doc.dr. Peter Planinšič, Fizična plast in prenosni medij - zapiski predavanj
Komunikacije v avtomatiki, 2005/2006, http://www.sparc.uni-mb.si/
[14] doc.dr. Peter Planinšič, OSI referenčni model - zapiski predavanj Komunikacije v
avtomatiki, 2005/2006, http://www.sparc.uni-mb.si/
[15] doc.dr. Peter Planinšič, Podatkovno povezovalna plast DLL - zapiski predavanj
Komunikacije v avtomatiki, 2005/2006, http://www.sparc.uni-mb.si/
[16] doc.dr. Peter Planinšič, Zgradba komunikacijskega sistema - zapiski predavanj
Komunikacije v avtomatiki, 2005/2006, http://www.sparc.uni-mb.si/
[17] doc.dr. Peter Planinšič, Lokalne mreže - zapiski predavanj Komunikacije v
avtomatiki, 2005/2006, http://www.sparc.uni-mb.si/
[18] doc.dr. Peter Planinšič, Seminarske naloge - Komunikacije v avtomatiki,
2006/2007, http://vision.fe.uni-lj.si/classes/KA-2006/
[19] Mag. Janez Žmuc, Ethernet v sistemih avtomatizacije, AIG, Maribor, 2003
Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 66
[20] Profibus Technology and application, Profibus Trade Organization PTO, Nemčija,
2002, http://www.profibus.com/