Promny prmyslov automatizaceNEXTFrantiek Zezulka, Ondej HynicaUAMT FEKT VUT vBrn,Kolejn 4, 612 00 BrnoE-mail: zezulka@feec.vutbr.cz, xhynci00@stud.feec.vutbr.cz

Motto:Prmyslov komunikan systmy nejsou jen propojovacm kanlem mezi automatizanmi prostedky v dic architektue stroj, vrobnch linek, technologickch, energetickch a dopravnch systm, ale staly se nejen automatizanm prostedkem, ale zrove fenomnem automatickho zen.Jako takov si zaslou systematickou pozornost.

NEXT

Osnova:Pehled automatizanch prostedkPrmyslov komunikan systmy v kontextu automatizanch prostedkSbrnice v DCS, PLC a IPC orientovanch systmechRozdlen prmyslovch komunikanch systm, jejich charakteristiky, parametry a oblasti pouitStrukturalizace prmyslovch sbrnic Standardizan proces, IEC 1158, EN 5O170Pehled prmyslovch komunikanch prostedk

EthernetPrmyslov EthernetNorma IEC 61158

NEXT

Prmyslov komunikan systmy v kontextu automatizanch prostedk

Rozdlen prmyslovch komunikanch systm, jejich charakteristiky, parametry a oblasti pouit

CharakteristikySensor/aktor busCharakteristikaAS-i, Interbus, HART, proprietrn (FlexIO apod.)Device busDeviceNet, Interbus S, CAN a dal proprietrnFieldbusProfibus, WorlFIP, P-Net, ControlNet a dal

Standardizan procesISA SP 50 a IEC SC 65IEC 1158

Evropsk standardizan proces EN 50170ProfibusFIPP-Net

Profibus Pklad prmyslov sbrnice dle doporuen SP 50Polovina 80. letStandardizace jako DIN 19245Standardizace jako EN 50170, dl 2Standardizace v ISO 61158

Profibus StrukturaProfibus FMS (propojen PLC, IPC, OS)Profibus DP (decentralizovan periferie)Profibus PA (technologick procesy)Komunikan modelFyzick vlastnosti, pstupov metoda, topologieParametry (vzdlenost, rychlostSouasnost a budoucnost

Profibus - komunikan model RM ISO OSI a Model Profibus

Profibus - zkladn vlastnosti 1/2Fyzick vrstvaMdium - kroucen stnn dvoulinka (RS 485), svtlovodiPrmyslov proveden konektorDlka segmentu 1 200m bez opakova (repeater), 32 astnk na segment, Max. 128kla rychlost od 9.6 kbit/sec. do 12 Mbit/sec. (DP), 31.25kbit/sec. (PA)Integrovan adie Profibus DP

Profibus - zkladn vlastnosti 2/2Linkov vrstvaVrstva pstupu k penosovmu mdiu, zabezpeen a pstup k 7. aplikan vrstvHybridn pstupov metoda token passing a Master Slave

FIP - EN 50170, dl 3.FIP Evropsk firmy, hlavn FranciePenos na severoamerick kontinent jako WorldFIPRS 485, kroucen dvoulinka,rychlosti 31.25 a 2,5 Mbit/sec., segment pro 32 astnk, max. 256 astnk

FIP - EN 50170, dl 3.Pstupov metoda - zdrojov orientovan pollingCyklicky povuje jednotliv stanice vyslat nebo pijmat dataarbitr vlastn seznam vech sovch promnnch (65 536)Kad promnn m vlastn identifiktorStanice pijmaj zprvy dle identifiktoruNkolik stanic me souasn pijmat vyslan data

FIP - EN 50170, dl 3.FIP rozen ve Francii a na severoamerickm kontinentuSpolu s Profibusem se astnil standardizace v ISP projektuSpolu s Profibusem je inspirac pro Foundation Fieldbus

P-Net EN 50170, dl 1.Vyvinut a rozen v DnskuVhodn pro propojovn rozshlch stSpeciln pstupov metoda s nzkou penosovou rychlost

Foundation FieldbusInspirovn spoluprac PNO (Profibus) a WorldFIP v ISP projektuNejble svtovmu standardu fieldbusu dle ISA SC 50Ve variant H1 implementuje IEC 61158 -2 pro linkovou vrstvuVe variant H1vhodn pro chemii a vbunou znu ( rychlost 31.25 kbit/sec.)Standardizace 8. vrstvy RM ISO OSI

Foundation Fieldbus komunikan modelPHY

Foundation Fieldbus fyzick vrstvaFyzick vrstvaDle ISA a IEC 1158-2 do vbun znyDoplovn a odstraovn zhlavProudov smyka, napjen po sbrniciKdovn Manchester IIPevn rychlost 31.25 kbit/sec.

Foundation Fieldbus fyzick vrstva

Dal prmyslov komunikan systmyCAN (mimo ISO RM OSI)DeviceNet (device bus ODVA/Rockwell)ControlNet (fieldbus ODVA/Rockwell)CANopenInterbusAS-interfaceHARTdal

Totln distribuovan dic systmy Automatizace budovEnergetick a dal rozlehl systmyLONworks, EIB, X10dn arbiter dn dic lenSov promnn (producer /consumer, publisher /subscriber

LONworks 1/3protokol mus bt implementovan do velmi levnho ipu,mus podporovat penos nejbnjmi mdii od kroucen dvoulinky, radiovho penosu, telefonn linky, silovch rozvod, infraervenho penosu a po koaxiln kabel a svtlovodi,mus umonit pipojen a destek tisc astnk st

LONworks 2/3mus zaruovat velmi bezpen provoz, nebo jeho zkladn posln je v zen procesu a ne pouze v penosu dat,doba odezvy mus bt nezvisl na rozlehlosti st,mus umonit peer-to-peer komunikaci, tj. kad astnk mus mt monost bez arbitra komunikovat s jinm libovolnm astnkem (co m zkou souvislost s bezpenm provozem st, kter tak nen vystavena zhroucen pi zhroucen arbitra),

LONworks 3/3mus umonit zabudovat arbitr jednoho astnka nad druhm; een mus bt softwarov a zcela nezvisl na vrobci idel a aknch len (mus to bt mon provst v protokolu),na LonTalk mus bt pipojiteln vrobky rznch vrobc bez jakchkoli dohod a konzultac prost jen tm, e jsou pomoc ipu pipojiteln do st LonWorks,interface mus bt pro komunikujc prvek zcela prhledn.

LonTalkPklad st LonWorks

LonTalk

Peertopeer prediktivn p-nalhajc CSMA metodaRS 485 a dal dle mdiaKd Manchester IIBohat monosti adresovn a 32 tis. nodeMonost implementace vech vrstev RMTwist, PWL, koaxil, telefonn linky, bezdrt

AS-interface

Typick sensor/actor busRzn topologieDv specifikace na 31 resp. 62 aktivnch a/nebo 124 resp. 248 pasivnch binrn I/O zazenPlug and play5 resp. 10 msec cyklus stSpeciln fyzick vrstva s profilovm nestnnm nekroucenm kabelemUniktn APM (alternating puls modulation) zaruujc vysokou robustnostPedevm pro penos binrnch signlJen do nevbunho prostedVyvinuta varianta Safety at Work

AS-interface pklad toplogie

Ethernet a prmyslov komunikace 1/2

State of the art v prmyslovch stchPli mnoho systm K jednomu automatizanmu pstroji nkolik komunikanch standardNevhoda pro vrobceNevhoda pro uivatelePln vyhovujc stav z hlediska funknostiSafety varianty u nejvznamnjch fieldbusuReal-time z principu zaruen u dedikovanch systmUzavenost vzhledem k privtnm stm, tud nen teba eit security

Ethernet a prmyslov komunikace 2/2

Pro tedy Ethernet jako dal fieldbusJednotn komunikace ve vech rovnch podnikov komunikaceMonost vyuit IT nklad na vvoj systm jen pro automatizaciMasov rozen Ethernetu a tm nzk cena komponentVysok a neustle rostouc rychlost penosu

Nebo nco vce ne jen dal fieldbus?Ethernet proel vvojem, ji nen standardem IEEE 802.3Pirozen oteven smrem k Internetu

Ethernet v automatizaciJak spluje podmnky systm automatickho zen?R-T vlastnosti (determinismus, vasnost, souasnost)SafetySecurityRobustnostV mnoha ohledech nedostaten.Proto el vvoj k prmyslovm Ethernetm

Ethernet v prmyslov komunikaciEthernet versus fieldbusy a ni druhy sbrnicStandard v kancelskch a informanch stchPopularitaInternetVkon/cenaRychlostPepnan

Prmyslov Ethernet versus EthernetReal-timeSafetySecurityRobustn provedenAutomatizan profily

Ethernet pro kancele a IT 1/2Ethernet TCP/IP, IEEE 802.3, WiFi (bezdrtov varianta)De facto standard od poloviny 80. let pro LANNedeterministick, CSMA/CDKancelsk provedenDobr EMC vlastnostiOtevenost k internetuStle vy rychlost (10Mbit/s, 100Mbit/s fast Ethernet, 1Gbit/s, 10Gbit/s)Vynikajc pomr vkon/cenaStrukturovan kabelKlient/serverPepnn - zmenen koliznch domn, cesta k real - time

Ethernet pro kancele a IT 2/2

Komunikan model Ethernet TCP/IP s dalmi protokoly

Prmyslov Ethernet - pehled 1/2Ji nen standardem IEEE 802.3 cesta k vkonnmu fieldbusu a nco/hodn navc:

KvazideterminismusPriority v pstupovm MAC mechanismuUDP msto TCPProducer consumerPublisher - subscriberPepnn (switching)/ Bezkolizn domny Topologie Smrovn/ SegmentovnPlnovn komunikaceVysok rychlost penosuDuplexn provoz

Prmyslov Ethernet 2/2DeterminismusSynchronizace (PTP protokol dle IEEE 1588)RobustnostFyzickElektrick proveden (EMC)SafetyFirewall, implementace security mechanism z ITJednotn komunikan technologie v cel informan pyramidVysok ekonomika projektovn, uvdn do provozuOtevenost k InternetuUmouje vyuit vech Internetovch technologiVzdlen monitorovnStandardn (elektricky), levn Ethernetov karty

Ethernet a Real-Time 1/3Systm relnho asu je takov systm, kter je schopen sprvn reagovat na vstupn udlosti do pedem stanovenho pevnho asovho okamiku.

Kategorie RT systm

Ethernet a Real-Time 2/3Dva aspekty funkce RT systmu: vasnost (timeliness) - reakce systmu (dicho, komunikanho), kdy systm provede poadovanou operaci do uritho danho asu (deadline)souasnost (synchronism) - synchronizace akc jednotlivch astnk spedepsanou pesnost danho asovho okamiku td, vuritm tolerannm asovm psmu (jitter)

Ethernet a Real-Time 3/3

Znzornn vasnosti a souasnosti systmu

Mechanismy pro zajitn RT funkce prmyslovho Ethernetu 1/2pepnn (pepnan Ethernet) bezkolizn domny, nen sdlen mdium, kad astnk m svj segment

segmentovn (rozdlen LAN na asov kritick RT segmenty a asov nekritick) fyzick oddlen real-time zprv od asov nekritickch

Mechanismy pro zajitn RT funkce prmyslovho Ethernetu 1/2vysok rychlost penosu (10Gbit/s i vy) a pln duplex zkrcen koliznho asovho intervalu zprvprioritn sloty ve formtu protokolu Ethernet dle IEEE 802.1p (pakety oznaen vy prioritou jsou peneny ped pakety sni prioritou) pouit UDP namsto TCP (nespojovan sluba poskytuje pedn zprvy po pedel chyb penosu ji pidalm vysln zprvy) snen asovho tolerannho psma (jitter) protokolem PTP (Precision Time Protocol) dle standardu IEEE 1588 synchronizace

Synchronizace vprmyslovm Ethernetu 1/2Ethernet TCP/IP je zprincipu nedeterministickasov rozvrh komunikace a proveden akc si nejsou jednoznan piazenySynchronizan mechanismy, pouit vstch LAN jako NTP (Network Time Protocol) a SNTP (Simple Network Time Protocol) nee poadavky prmyslov automatizaceTeba implementovat do Ethernetu TCP/IP levn synchronizan prostedek, kter pli nezat vkon jednotlivch astnk st.eenm je zpsob synchronizace PTP (Precision Time Protocol) dle standardu IEEE 1588

Synchronizace vprmyslovm Ethernetu 2/2Synchronizace distribuovanmi hodinami relnho asuUmouje Ethernetu TCP/IP doshnout lep synchronizace ne jak dosahuj souasn fieldbusyPouv se ji vsouasnch variantch prmyslovho Ethernetu, v asov kritickch aplikac jako jsou pohony, systmy distribuce energie, systmy back-up pro dal informan kanly apod.Pouvaj ho nap. EtherCAT, Ethernet IP(CIPsync), Ethernet Powerlink, Profinet V3

Standardizace prmyslovch komunikanch stFieldbus prmyslov komunikan systm pro komunikaci v rovni bezprostednho zen (PLC a 1. rove zen v architektue DCS)IEC (International Electrotechnical Commision) normotvorn organizace Standard Committees, Working groupsSC65C pipravovala 15 let Fieldbus (celosvtov standard prmyslovho komunikanho prostedku)Vsledkem je The international fieldbus (z konce 1999) definovan standardy: IEC 61784-1 (Digital communication in Industrial Control systems) IEC 61158 ( Fieldbus for Industrial Control systems)

Standardy prmyslovch st IEC 61158, IEC 61784-1 Tyto standardy nahrazuj pvodn standardy (CENELEC)EN 50170 (General purposes fied communication systems)EN 50254 (High efficiency communication subsystems for small data packages)Vsledkem prce SC65C nen (z mnoha dvod) jednotn celosvtov standard, ale standardizace 7 stvajcch fieldbus: Foundation Fieldbus, ControlNet, Profibus, P-Net, SwiftNet, WorlFIP, Interbus-S

Standardy prmyslovch st IEC 61158, IEC 61784-1

Vztah mezi standardy Fieldbusu

Standard IEC 61784-1Standard IEC 61784-1 definuje profily komunikujcch zazen:

List1

CPF1 (FOUNDATION Fieldbus)CP 1/1 H1

CP 1/2 HSE

CP 1/3 H2

CPF2 (ControlNet)CP 2/1 ControlNet

CP 2/2 EtherNet/IP

CPF3 (PROFIBUS)CP 3/1 PROFIBUS DP

CP 3/2 PROFIBUS PA

CP 3/3 PROFInet

CPF4 (P-NET)CP 4/1 P-NET RS-485

CP 4/2 P-NET RS-232

CPF5 (WorldFIP)CP 5/1 WorldFIP

CP 5/2 WorldFIP with subMMS

CP 5/3 WorldFIP minimal for TCP/IP

CPF6 (INTERBUS)CP 6/1 INTERBUS

CP 6/2 INTERBUS TCP/IP

CP 6/3 INTERBUS minimal subset of CP

CPF7 (SwiftNet)CP 7/1 SwiftNet Transport

CP 7/2 SwiftNet Full stack

CPF2 (ControlNet)CP 2/2 EtherNet/IP

CP 2/3 EtherNet/IP RTE

CPF3 (PROFIBUS)CP 3/3 PROFINET CBA

CP 3/4 PROFINET I/O

CP 3/5 PROFINET IRT

CPF4 (P-NET)CP 4/3 P-NET RTE

CPF6 (INTERBUS)CP 6/2 INTERBUS TCP/IP

CP 6/4 INTERBUS RTE

CPF10 (VNET/IP)CP 10/4 VNET/IP

CPF11 (TCnet)CP 11/4 TCnet

CPF12 (EtherCAT)CP 12/4 EtherCAT

CPF13 (EPL)CP 13/4 Ethernet Powerlink

CPF14 (EPA)CP 14/4 EPA

CPF15 (Modbus-RTPS)CP 15/4 Modbus-RTPS

CPF16 (SERCOS)CP 16/4 SERCOS III

List2

List3

Aktuln struktura a aktivity SC65CStruktura SC65C

Dal aktivity SC65CStandardizace prmyslovho EthernetuImplementace stvajcch prmyslovch Ethernet do IEC 61158(HSE, Ethernet/IP, PROFInet, PowerLink, EtherCAT a dalch)Stanoven pravidel pro RTE ve standardu IEC 61784-2 vetn specifikace ukazatel vlastnost RTE

Jak dl ve standardizaci prmyslov komunikace? 1/2

Komunikan modely prmyslovch Ethernet

Jak dl ve standardizaci prmyslov komunikace? 2/2

Take vsledkem bude 11 standard RTE uvnit ICE 61784-2, z nich kad bude mt nkolik komunikanch profil.

List1

CPF1 (FOUNDATION Fieldbus)CP 1/1 H1

CP 1/2 HSE

CP 1/3 H2

CPF2 (ControlNet)CP 2/1 ControlNet

CP 2/2 EtherNet/IP

CPF3 (PROFIBUS)CP 3/1 PROFIBUS DP

CP 3/2 PROFIBUS PA

CP 3/3 PROFInet

CPF4 (P-NET)CP 4/1 P-NET RS-485

CP 4/2 P-NET RS-232

CPF5 (WorldFIP)CP 5/1 WorldFIP

CP 5/2 WorldFIP with subMMS

CP 5/3 WorldFIP minimal for TCP/IP

CPF6 (INTERBUS)CP 6/1 INTERBUS

CP 6/2 INTERBUS TCP/IP

CP 6/3 INTERBUS minimal subset of CP

CPF7 (SwiftNet)CP 7/1 SwiftNet Transport

CP 7/2 SwiftNet Full stack

CPF2 (ControlNet)CP 2/2 EtherNet/IP

CP 2/3 EtherNet/IP RTE

CPF3 (PROFIBUS)CP 3/3 PROFINET CBA

CP 3/4 PROFINET I/O

CP 3/5 PROFINET IRT

CPF4 (P-NET)CP 4/3 P-NET RTE

CPF6 (INTERBUS)CP 6/2 INTERBUS TCP/IP

CP 6/4 INTERBUS RTE

CPF10 (VNET/IP)CP 10/4 VNET/IP

CPF11 (TCnet)CP 11/4 TCnet

CPF12 (EtherCAT)CP 12/4 EtherCAT

CPF13 (EPL)CP 13/4 Ethernet Powerlink

CPF14 (EPA)CP 14/4 EPA

CPF15 (Modbus-RTPS)CP 15/4 Modbus-RTPS

CPF16 (SERCOS)CP 16/4 SERCOS III

List2

List3

ZvrPrmyslov komunikan systmy fenomn automatizacePrmyslov sbrniceEvropsk prmyslov sbrniceIEC 61158 a IEC 61784Prmyslov EthernetVhled

Dkuji za pozornost