ZAVOD ZA ELEKTRONIČKE SUSTAVE I OBRADBU INFORMACIJA

SUSTAVI ZA PRAĆENJE I VOĐENJE PROCESA

SEMINARSKI RAD NA TEMU:

INDUSTRIJSKI KOMUNIKACIJSKI PROTOKOLI

SEMINAR IZRADIO: JURE BOTICA

UVOD:

Poznato je da je danas industrijska proizvodnja u ekonomski razvijenim zemljama većim dijelom automatizirana, što je posljedica ogromnog tehnološkog napretka u posljednjim desetljećima na području elektronike i automatike. To je omogućilo da proces proizvodnje u potpunosti preuzme elektronika, a čovijek vrši samo kontrolu dok u nekim slučajevima ni to.
Automatizirana industrij omogućuje bržu(kvantitativniju) i kvalitetniju proizvodnju i smanjuje faktor greške u odnosu na čovijeka.

Zbog same činjenice da se u automatiziranoj proizvodnji koriste kompjuteri, mikrokontroleri, roboti, PLC-ovi, inteligentni senzori i mnogi drugi digitalni uređaji došlo se na ideju(prvotno u autoindustriji, a zatim i drugdje) da bi se cijeli sustav mogao umrežiti i tako imati kontrolu nad cijelim procesom proizvodnje. Dakle, umrežavanje industrijskih pogona poduzaća vrđi se zbog potrbe za:

· praćenjem procesa proizvodnje

· upravljanjem proizvodnjom

· bržom intervencijom

· dostupnosti podacima van proizvodnog pogona

Prema tome, ideja je da se sve razine proizvodnje umreže i spoje na lokalnu mrežu poduzeća, a preko nje i na globalnu mrežu, internet.

Pojavom primjne umrežavanja proizvodnih pogona, počeli su se razvijati razni protokoli komunikacije za sve nivoe mreže odn. proizvodnje kako bi se omogućila nesmetana implementacija na postojeću mrežu, i isto tako omogućila proizvodnja što većrg broja uređaja koji bi se mogli međusobno povezati.

Danas se u svijetu koriste mnogi industrijski komunikacijski protokoli, neki opisuju povezivanje cijelog prizvodnog sustava( radni uređaji, ulazno/izlazne jedinice, kontrolni uređaji), a neki komunikaciju pojedinih nivoa mreže(proizvodnje).

Neki od danas najčešće spominjanih i korištenih industrijskih komunikacijskih protokola su:

· Ethernet TCP/IP

· ProfiBus

· ProfiNET

· Modbus

· DeviceNet...

Treba napomenuti da je umrežavanje industrijskih pogona relativno novo pa i pstojeći komunikacijski protokoli nisu sasvim definirani i standardizirani već se konstantno razvijaju.

Ethernet/IP

Industrijski Ethernet je postao primjer za napredno razmišljanje u industrijskim mrežama 21. stoljeća. Kao što se vidi iz naziva ovaj protokol se bazira na već općepoznatom Ethernet protokolu iz računalnih mreža prenamijenjenom za industrijske pogone.

Ethernet postaje prihvaćen u industrijskoj domeni.Osobna računala, printeri i ostala periferna oprema sa postojećim Ethernet mrežnim uređajima su se preselili u industrijsko područje gdje korišteni sa inteligentnim svičerima i routrima Ethernet postaje sve prihvaćeniji i za to nema nikakvih prepreka.

Inustrijski protokol na aplikacijskom nivou za industrijske automatizacijske aplikacije

Ethernet/IP je industijski, aplikativni protokol, za industrijske automatizacijske aplikacije.

Sagrađen na standardnim TCP/IP protokolima, koristi već dugo primjenjivi Ethernet hardware i software za definiranje aplikacijskog protokola za konfiguraciju, pristup i kontrolu industrijskih automatizacijskih uređaja.Ethernet/IP klasificira Ethernet čvorove kao predefinirane tipove uređaja

sa specifičnim funkcioniranjem. Ethernet/IP aplikacijski protokol je baziran na Control and Information Protokolu(CIP) korištenom u oba, DeviceNet i ControlNet, nivoa. Sagrađen na ovim protokolima Ethernet/IP osigurava integraciju sustava sa «industrijskog poda» na mrežu poduzeća.

Povijest

Fizički medij Etherneta, kabeli i konektori koji spajaju PC-e, printere i ostalu perifernu opremu, podržava seriju komunikacijskih protokola kao što su IP(Internet protokol), TCP(Transport Control Protocol) i mnogobrojni ostali mrežni podatkovni protokoli. Ova grupa protokola i konekcije je primjenjiva za uredsku upotrebu. Omogućuje korisnicima da dijele filove, pristupaju printerima, šalju mailove, pretražuju internet i vrše sve ostale komunikacije karakteristične za uredsko okruženje. Potrebe na «industrijskom podu» su mnogo zahtijevnije i treba se poznavati neka specijalna oprema. Na «industrijskom podu», kontrolori moraju imati pristup podacima sa pogonskih sustava, radnih stanica, i ulazno/izlaznih jedinica. U normalnim operacijama, software stavlja korisnika na čekanje dok obavlja posao. Podaci sa «industrijskog poda» su u drugu ruku, vremenski osijetljivi i zahtijevaju komunikaciju u realnom vremenu. Npr. zaustavljanje robotskog zavarivača ili punjenje boca u pravom vremenu zahtijevaju precizno tempiranje i me mogu se uspoređivati sa pristupom fileu na mrežnom disku ili sa otvaranjem internet stranice.

Ethernet/IP je aplikacijski protokol koji je dizajniran ta industrijsko okruženje. Postoje četiri grupe koje su udružile snage bi razvijale i promovirale Ethernet/IP kao javno dostupnu Ethernet aplikacijski nivo za industrijsku automatizaciju: The Open DeviceNet Vendor Association(ODVA), The Industrial Open Ethernet Associatio(IOANA), ControlNet International(CI) i The Industrial Ethernet Association(IEA). Njihov zajednički cilj pokazuje kako Ethernet/IP može osigurati zajednički standard pogodan za široku paletu automatizacijskih uređaja. Ove gruperade na fizičkom sloju konekcijske opreme koja je potrebna u grubomokruženju «industrijskog okruženja».

Ethernet/IP tehnologija

Ethernet/IP koristi sve protokole tradicionalnog Etherneta uključujući TCP, IP te pristup medijima i signalnu tehnologiju koju nalazimo u svim Ethernet mrežnim interface karticama(NICS). Sagrađen na standardnoj Ethernet tehnologiji znači da će Ethernet/IP raditi transparentno sa svim standardnim Ethernet uređajima danas. Što je još važnije, bazirajući Ethernet/IP na standardnoj Ethernet tehnologiji znači da će napretkom Etherneta napredovati i sam Ethernet/IP.

Grupe koje podupiru Ethernet/IP rade zajedno da napišu dosljedan i valjan standard.

Široko prihvaćen protokolarni nivo

Ethernet/IP je konstruiran iz široko implementiranog standarda korištenog u DeviceNet-u i ControlNet-u zvanog Control and Information Protocol(CIP). Ovaj standard organizira mrežne uređaje kao skupove objekata. Definira pristup, funkciju i ekstenzije, što omgućuje da prilično različiti urešaji budu pristupačni koristeći isti protokol. Dakle, Ethernet/IP je baziran na posve razumljivom i primjenjenom standardu.

CIP na Ethernet/IP-u

Prednosti CIP-a na Ethernet/IP-u je golem. Nudeći čvrst pristup uređajima znači da jedan konfiguracijski alat može biti korišten za konfiguraciju CIP uređaja na različitim mrežama sa jedne pristupne točke bez vlasničkog softwarea. Klasifirajući sve uređaje kao objekte smanjuje posao pri uključivanju novih uređaja u mražu.Ethernet/IP smanjuje vramenski odziv i povećava protok podataka u dnosu na DeviceNet i ControlNet. Ethernet/IP vezni uređaji od sabirničkog nivoa, prema kontrolnom nivou i prema nivou poduzeća su vezani čvrstim aplikacijskim sučeljem.

Industrijska konekcija na «tvorničkom podu»

Standardno spajanje uređaja u uredskom okruženju u industriji ne dolazi u obzir zbog ekstremnih uvjeta kao što su prašina, temperatura, vlaga, elektromagnetski utjecaj, vibracije... U krutom okruženju gje je izloženost ovim elementima česta, tipične metode spajanja za Ethernet( konektor RJ-45) mogu korodirati, istrošiti se, začepiti ostacima ili pak prestati s radom. Kao rezultat toga korisnici su suočeni sa visokim troškovima održavanja zbog otkrivanja kvarova i zamjene uređaja. Stoga, konektori u industrijskom okruženju moraju biti čvrsti, robustni i dobro zaštićeni od električkih i magnetskih smetnji.

Prozvođači danas nude razne vrste konektora ovisno o okruženju u kojem se koriste. Tipčni izgled konektora za industrijsko okruženje prikazuje slika dolje.

ProfiBus

Profibus je internacionalni fieldbus standard, određen europskim stansardom 50-170. U proizvodnji, industrijskim procesima, rastućim automatskim aplikacijama serijski fieldbus može djelovati kao komunikacijski sistem razmjenjujući informacije između automatiziranih sustava i uređaja raspoređenih u mreži.

Pregled tehnologije

Komunikacija u automatici sve više postaje direktna, horizontalna kroz razine polja i vertikalna po hijerajhijskim nivoima.Ovisno o aplikaciji i cijeni, gradirani, komplementarni industrijski komunikacijski sustavi kao što su Ethernet/IP, Profibus i ostali sustavi kao senzorsko- upravljačke sabirnice AS-interface nude idealne preduvjete za transparentno umrežavanje u svim područjima i razinama automatizacijskih procesa.

Na senzorskom nivou signali binarnih senzora i aktuatora prenose se preko senzor/aktuator sabirnice. Jednostavnost, mala cijena, prijenos podataka i napajanje uređaja preko zajedničkog medija su bitan zahtjev za ovaj nivo mreže.

Podaci se prenose isključivo kružno(sjetiti se Token-Bus-a). AS-interface je pgodna sabirnica za ovo polje aplikacija.

Na nivou polja(radni uređaji, ulazno/izlazne jedinice, mjerni sustavi, pogonski uređaji i nadzorni terminali), komuniciraju sa automatskim sustavom preko efikasnnog komunikacijskog sustava u realnom vremenu. prijenos procesnih podataka obavlja se kružno dok se alarmni, paremetarski i dijagnostički podaci mogu također prenositi kružno ako je potrebno. Profibus zadovoljava ovim zahtjevima i nudi transparentno rješenje za proizvodnju i procesnu automatizaaciju.

Na razini ćelija, programabilni kontrolori kao što su PLC-ovi i IPC-ovi komuniciraju jedni s drugima. Tijek informacija zahtijeva velike pakete podataka i velik broj moćnih komunikacijskih funkcija. Bitni zahtijev je laka integracija u komunikacijski sustav poduzeća, kao što je Intranet, Internet preko Ethernet TCP/IP-a.

Osnovne funkcije

Središnji kontrolor(master) čita ulazne podatke sa slavesa i kružno ispisuje izlazne informacije na slavese. Sabirnički cycle time mora biti kraći nego programski cycle time centralnog automatizacijskog sustava koja je za mnoge aplikacije otprilike 10ms. Podatkovna komunikacija prati se preko nadzornih funkcija sa strane mastera i sa strane slavea.

Pristup sabirnici:

· predavanje tokena između mastera posebno i mastera i slavesa

· mogući jednostrani i višestrani master sustavi

· max. 126 master islave uređaja na sabirnici

Komunikacija:

· multicast(kontrolne komande), peer-to-peer(korisnička komunikacija)

· kružna master-slave korisnička komunikacija

Operacijska stanja:

· Operacija:kružni prijenos ulaznih i izlaznih podataka

· Clear:ulazni su pročitani, a izlazni ostaju sačuvani

· Stop:dijagnostika i parametrizacija,nema prijenosa korisničkih podataka

Sinhronizacija:

· kontrolne komande omogućuju sinhronizaciju ulaza i izlaza

· sync. mode: izlazi su sinhronizirani

· freeze mode: ulazi su sinhronizirani

Funkcije:

· kružni prijenos korisničkih pdataka između mastera i slavea

· dinamička aktivacija ili deaktivacija pojedinih slavesa

· provjera konfiguracije slavesa

· moćne dijagnostičke funkcije, tri hijerarhijske razine dijagnostičkih poruka

· sinhronizacija ulaznih i/ili izlaznih podataka

· adresiranje slavesa opcionalno moguće preko sabirnice

· max. 256 bytova ulaznih i izlaznih podataka za svaki slave

Zaštitne funkcije:

· sve poruke se prenose u istom razmaku, HD=4(hamming distance)

· Watchdog slavea otkriva pogreške na svom masteru

· zaštita pristupa ulazima i izlazina slavea

· praćenje korisničkih komunikacijskih podataka preko prilagodljivog nadzornog timera u masteru

Tipovi uređaja:

· DP master class 2(DPM2): inženjerski ili dijagnostički alat

· DP master class 1(DPM1): središnji programibilni kontrolori(PLC,PC...)

· DP slave: uređaji sa binarnim ili analognim ulazima/izlazima, driverima, osiguračima

PROFISafe profile, failsafe devices can communicate via PROFIBUS

Modbus

Modbus je aplikacijski nivo podatkovnog protokola, smješten na razini 7 OSI-ja. Omogućava Klijent-server komunikaciju između uređaja spojenih na različite vrste sabirnica ili mreža. Modbus je potvrđen servisni protokol i nudi mnoge usluge određene funkcijskim kodom. Modbus funkcijski kodovi su elementi Zahtjev-Odgovor PDUS-a.

 NIVO  PROTOCOL
 ------------ ------------------
 Application  MODBUS
 Transport  TCP
  Network IP
 Link  Ethernet II & IEEE 802.3
 Physical  10BaseT & 100BaseT
 

Modbus/TCP PDU struktura

Modbus protokol definira jednostavan protokol data unit(PDU) neovisan o nižim aplikacijskim nivoima. Korištenje Modbus protokola na određenim sabirnicama I mrežama može dovesti do nekih dodatnih okvirnih polja.

ADU(Aplication Dana Unit) za Modbus definiran je kao Modbus PDU plus bilo koje od okvirnih polja.
|----------------------- ADU ----------------------------|
 
 |  Header | Function Code | Data | Error Check |
 
 |----------- PDU ---------------|
 

 
MODBUS/TCP ADU je definiran kao :
 
 |------------------ ADU ------------------------|
 
 | MBAP Header | Function Code |  Data |
 
 |----------- PDU ------------|
 
 
Modbus/TCP
 
0 1 2 3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 | Inv_id | Proto_id |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
 | length |Unit Identifer | MODBUS PDU |
 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 

 
 
MBAP zaglavlje je dugo 7 bytova i uključuje sljedeća polja :
 
inv_id[2B]- pozivna identifikacija koja se koristi za prjenosno povezivanje
proto_id[2B]-je uvijek nula za Modbus usluge, ostale vrijednosti su rezervirane za daljnja proširenja.
length[2B]-suma bytova ostalih polja i uključuje dst_id i podatke
unit_id[1B]-služi za identifikaciju ptremještenih servera na non TCP/IP mreži.
 
Svi Modbus/TCP ADU šalju se registarsko sistemskog porta 502.
 
Servisni udio Modbus aplikacijskog protokola je Modbus/PDU koji sadrži dva polja:
 
func_code[1B]
dana[ n byts]-ovisno o funkcijskom kodu obično sadržava informacije kao što su informacije o: promijenjivim podacima, promijenjivim proračunima,podfunkcionalnim kodovima…
 
Veličina Modbus/ADU ograničena je nasljeđem od prve Modbus implementacije na serijskim mrežama. npr: max. Modbus/RS485 ADU je 256 bytova.
 
Modbus definira tri PDU-a:
 
· Modbus Zahtijev PDU-mb_req_pdu
· Modbus Odgovor PDU-mb_rsp_pdu
· M prihvaćanje odgovora PDU-mb_excep_rsp-pdu
 
Svaki dio ima funkcijski kod(1 byte) i pdatkovni dio(n bytes) osim mb_excep-rsp-pdu kojem podatkovni dio čini 1 byte.
Komunikacija se odvija otprilike ovako: 
 
 
 Client  Server
  -------- ---------
 mb_req_pdu ----->
 <----- mb_rsp_pdu
 
 or
 
 mb_req_pdu ----->
 <----- mb_excep_rsp_pdu
 

 
 
 
Osim gore opisanih protokola u industriji se koriste još mnogi drugi ovisno o nivou mreže. Na donjoj slici može se vidjeti gdje se pojedini protokoli koriste i koji su komplementarni.
 

 
 
 

Ethernet Protocol	Complementary device netowrks
EtherNet/IP	DeviceNet, ControlNet
Foundation Fieldbus HSE	Foundation Fieldbus H1
IDA	IDA, Modbus TCP/IP
PROFInet	Profibus DP, Profibus PA, AS-i

 
 
 
KONIEC