Sieci przemysłowe w sterowaniu maszyn

Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn

Dr in. Andrzej PiotrowskiInstytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji

POLITECHNIKA CZSTOCHOWSKAWYDZIA INYNIERII MECHANICZNEJ

I INFORMATYKI

REFERENCYJNY MODEL ISO/OSI

Wykad 1

2

Referencyjny model OSI/ISO

3

Na pocztku lat 80-tych XX wieku Midzynarodowa Organizacja Normalizujca (International Organization for Standarization) dostrzega potrzeb stworzenia modelu sieciowego, ujednolicajcego wspprac rnych rozwiza sieciowych. Opracowano specyfikacj Open Systems InterconnectionReference Model, zaadaptowan do polskich norm w 1995 roku.

Model ISO/OSI RM jest traktowany jako model odniesienia (wzorzec) dla wikszoci rodzin protokow komunikacyjnych. Podstawowym zaoeniem modelu jest podzia na 7 warstw (layers) wsppracujcych ze sob w cile okrelony sposb.

Oficjalnie zosta przyjty przez ISO w 1984 roku.

dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008


Warstwa Aplikacji

Warstwa Prezentacji

Warstwa Sesji

Warstwa Transportowa

Warstwa Sieciowa

Warstwa cza Danych

Warstwa Fizyczna

7

6

5

4

3

2

1

Programy uytkowe korzystajce z sieci

Standaryzuje sposb przedstawiania danych aplikacjom

Zarzdza sesjami midzy aplikacjami

Zapewnia wykrywanie i korekcj bdw

Zarzdza poczeniami nawizywanymi poprzez sie

Zapewnia rzeczywiste dostarczanie danych

Definiuje fizyczne waciwoci medium

4dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Zadania warstw

Warstwa fizyczna - odpowiada za transmisje sygnaw w sieci. Realizuje konwersj bitw informacji na sygnay, ktre bd przesyane w kanale z uwzgldnieniem maksymalizacji niezawodnoci przesyu. W warstwie fizycznej okrela si parametry amplitudowe i czasowe przesyanego sygnau, fizyczny ksztat i rozmiar czy, znaczenie ich poszczeglnych zestykw i wartoci napi na nich wystpujcych, sposoby nawizywania poczenia i jego rozczania po zakoczeniu transmisji.

Normy: IEEE 802.x, RS 232C, RS 485, itp.

ZAPAMITA: Sygnay i media transmisyjne 6dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Zadania warstw

Warstwa cza danych - odpowiedzialna jest za odbir i konwersj strumienia bitw pochodzcych z urzdze transmisyjnych w taki

sposb, aby nie zawieray bdw. Warstwa ta postrzega dane jako

grupy bitw zwane ramkami. Warstwa cza danych tworzy i rozpoznaje granice ramki. Ramka tworzona jest przez doczenie do jej

pocztku i koca grupy specjalnych bitw. Kolejnym zadaniem warstwy

jest eliminacja zakce, powstaych w trakcie transmisji informacji po

kanale cznoci. Ponadto zapewnia synchronizacj szybkoci

przesyania danych oraz umoliwia ich przesyanie w obu kierunkach.

ZAPAMITA: Ramki i kontrola dostpu do mediw transmisyjnych7dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Zadania warstw

Warstwa sieciowa - steruje dziaaniem podsieci transportowej. Jej

podstawowe zadania to przesyanie danych pomidzy wzami sieci

wraz z wyznaczaniem trasy przesyu, okrelanie charakterystyk

sprzgu wze-komputer, czenie blokw informacji w ramki na czas

ich przesyania a nastpnie stosowny ich podzia. W najprostszym

przypadku okrelanie drogi transmisji pakietu informacji odbywa si w

oparciu o stae tablice opisane w sieci. Istnieje moliwo

dynamicznego okrelania trasy na bazie biecych obcie linii

cznoci.

ZAPAMITA: wybr cieki, przeczanie i adresowanie8dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Zadania warstw

Warstwa transportowa - podstawow funkcj tej warstwy jest obsuga danych przyjmowanych z warstwy sesji. Obejmuje ona opcjonalne dzielenie danych na mniejsze jednostki, przekazywanie zblokowanych danych warstwie sieciowej, otwieranie poczenia stosownego typu i prdkoci, realizacja przesyania danych, zamykanie poczenia. Ponadto mechanizmy wbudowane w warstw transportow pozwalaj rozdziela logicznie szybkie kanay cznoci pomidzy kilka pocze sieciowych. Celem postawionym przy projektowaniu warstwy transportowej jest zapewnienie penej jej niezalenoci od zmian konstrukcyjnych sprztu.

ZAPAMITA: jako usug i niezawodno9dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Zadania warstw

Warstwa sesji - okrela parametry sprzenia uytkownikw. Po nawizaniu stosownego poczenia warstwa sesji peni szereg funkcji zarzdzajcych (taryfikacj usug). W celu otwarcia poczenia pomidzy komputerami (sesji cznoci) poza podaniem stosownych adresw warstwa sprawdza, czy obie warstwy (nadawcy-odbiorcy) mog otworzy poczenie. Nastpnie obie komunikujce si strony musz wybra opcje obowizujce w czasie trwania sesji - rodzaj poczenia (simpleks, dupleks), reakcji na zerwanie poczenia. Przy projektowaniu warstwy zwraca si uwag na zapewnienie bezpieczestwa przesyanych danych.

ZAPAMITA: dialog i rozmowa


Zadania warstw

Warstwa prezentacji - jej zadaniem jest obsuga formatw danych.

Odpowiada ona wic za kodowanie i dekodowanie zestaww znakw

oraz wybr algorytmw, ktre do tego bd uyte. Przykadow funkcj

realizowan przez warstw jest kompresja przesyanych danych,

pozwalajca na zwikszenie szybkoci transmisji informacji. Ponadto

warstwa udostpnia mechanizmy kodowania danych w celu ich

utajniania oraz konwersj kodw w celu zapewnienia ich mobilnoci.

ZAPAMITA: wsplny format danych


Zadania warstw

Warstwa aplikacji - zapewnia programom uytkowym usugi

komunikacyjne. Okrela ona formaty wymienianych danych i opisuje

reakcje systemu na podstawowe operacje komunikacyjne. Warstwa

stara si stworzy wraenie przezroczystoci sieci. Jest to szczeglnie

wane w przypadku obsugi rozproszonych baz danych, w ktrych

uytkownik nie powinien wiedzie, gdzie zlokalizowane s

wykorzystywane przez niego dane lub gdzie realizowany jest jego

proces obliczeniowy.

ZAPAMITA: przegldarki internetowe12dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Enkapsulacja

13

Jeeli jeden obiekt (host A) chce wysa dane do innego obiektu (host B), dane musz by najpierw spakowane przez proces nazywany obudowaniem (encapsulation).Obudowanie pakuje dane z potrzebnymi informacjami o protokoach przed ich transportem sieciowym. Dlatego, gdy pakiet danych przemieszcza si przez warstwy modelu OSI, otrzymuje nagwki (headers) i ogonki (trailers).


Enkapsulacja

14

Budowa danychGdy uytkownik wysya wiadomo e-mail, jej alfanumeryczne znaki s konwertowane na dane, ktre mog podrowa poprzez sie zewntrzn (internetwork).Pakowanie danych do transportu od koca do kocaDane s pakowane do transportu w sieci zewntrznej. Poprzez uycie segmentw, funkcja transportowa zapewnia, e wiadomoci hostw na obu kocach systemu e-mailowego bd niezawodnie przekazane.Doczanie adresu sieciowego do nagwka (header)Dane s zebrane w pakiety, inaczej datagramy, ktre zawieraj nagwek sieciowy ze rda i logiczny adres miejsca przeznaczenia.


Enkapsulacja

15

Dodanie lokalnego adresu sieciowego do nagwka cza danychRamka umoliwia poczenie z nastpnym bezporednio poczonym urzdzeniem sieciowym w czu. Konwersja na bity do transmisjiRamka musi by skonwertowana do cigu zer i jedynek (bitw) w celu przesania przez medium. Funkcja zegarowa umoliwia urzdzeniom rozpoznawanie tych bitw, gdy podruj one poprzez medium. Medium transmisyjne w faktycznej sieci moe si rni na poszczeglnych odcinkach sieci. Nagwki (headers) i ogonki (trailers) s dodawane gdy dane poruszaj si poprzez warstwy modelu OSI.


Enkapsulacja


DEFINICJA SIECI PRZEMYSOWEJ

Wykad 2 i 3

17

18

Specyfikacja komputerowych sieci - LAN

oparte na modelu LAN (OSI/ISO),

przekazywanie stosunkowo dugich wolumenw danych,

chwilowe natenie przekazu zmienia si w zalenoci od

liczby stacji i rodzaju pracy (transmisji),

wysoka przecitna przepustowo transmisji (do 10 Gb/s),

wystpowanie opnie wynikajcych z kolizji i

chwilowego obcienia sieci (nie maj wpywu na

bezpieczestwo i niezawodno transmisji),

dua odporno na zakcenia oraz atwo lokalizacji

uszkodze.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Sie komputerowa LAN


Specyfikacja sieci przemysowych

przekazuj wartoci pomiarw opisujcych stan instalacji,

przekazuj wartoci parametrw nastawiajcych sterowniki i regulatory,

cz bardzo rnorodne urzdzenia:

komputery,

drukarki,

sterowniki PLC,

czujniki,

manipulatory,

ukady sterowania obrabiarek NC i CNC,

Czsto nazywane s sieciami miejscowymi lub polowymi.20dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008


21

Przykadowa struktura przedsibiorstwa i sieci przemysowej.

Sie przemysowa

Zarzd i biura firmy

Centrala kontrolna



oparte s na modelu LAN (OSI/ISO),

cile ograniczony deterministyczny czas przekazywania

wiadomoci,

cile okrelone natenie przekazu,

wysoka efektywno przenoszenia duej liczby krtkich

wiadomoci,

atwo doczania stosunkowo prostych urzdze,

maa szybko transmisji (od 9,6 Kb/s do 12 Mb/s),

dua odporno na zakcenia przemysowe oraz atwo

lokalizacji uszkodze.



Wikszo sieci przemysowych oparta jest na normach IEC 61158 oraz IEC 61784.

IEC 61158: Komunikacja danych cyfrowych w sieciach polowych, pomiarowych i sterujcych do zastosowania w przemysowych systemach sterujcych PN-EN 61158:2008

IEC 61784: Zbir profili dla systemw cigych i dyskretnych bazujcych na sieciach polowych wykorzystywanych w przemysowych systemach sterowania PN-EN 61784:2008



24

Norma IEC 61158 Zawarto Warstwa ISO/OSIIEC 61158 1 Wstp

IEC 61158 2 Warstwa fizyczna specyfikacja i definicja usug 1

IEC 61158 3 Definicja usug Data-Link 2

IEC 61158 4 Specyfikacja protokou wymiany danych 2

IEC 61158 5 Warstwa aplikacji definicja usug 7

IEC 61158 - 6 Warstwa usug specyfikacja protokou 7

Profil Norma IEC 61784Data Link Warstwa fizyczna Zastosowanie

Profil 3/1 Cz IEC 61158;Transmisja asynchronicznaRS485, wiatowd plastikowy, szklany i PCF Profibus

Profil 3/2 Cz IEC 61158;Transmisja synchroniczna MBP Profibus

Profil 3/3 ISO/IEC 8802-3;TCP/UDP/IP/Ethernet ISO/IEC 8802-3 Profibus



25

Cz 1 normy IEC 61158 zawiera oglny wstp, a kolejne czci ukierunkowane s na warstwy w modelu OSI (1, 2 i 7).

Definiuj one liczne usugi sieciowe i protokoy do komunikacji pomidzy stacjami i w caoci uwaane s jako peny zbir, a kolejne czci okrelaj poszczeglne systemy sieciowe.

W normie IEC 61158 zdefiniowano 10 typw protokow sieciowych oznaczonych kolejno jako Typ 1 do Typ 10. PROFIBUS stanowi Typ 3, natomiast PROFInet Typ 10.

Norma IEC 61158 stwierdza, e komunikacja sieciowa (z definicji) moliwa jest tylko pomidzy stacjami posugujcych si tym samym typem protokou.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008


26

Norma IEC 61784 jest poczona z IEC 61158 przez wpis: Ten midzynarodowy standard okrela zbir profili danego protokou komunikacyjnego opartego na bazie normy IEC 61158, do zastosowania przy realizacji urzdzenia do komunikacji w ukadach sterowania i obsugi zakadw.

Norma IEC 61784 okrela, ktre zbiory ze wszystkich dostpnych zestaww usug oraz protokow okrelonych w normie IEC 61158 wykorzystywane s przez dany system sieciowy do komunikacji. Zorientowane sieciowo profile komunikacyjne okrelone w ten sposb zebrano w Grupie Profili Komunikacyjnych.


Parametry i typy sieci przemysowych

27

Interfejs szeregowy Ethernet Stosowane protokoy Standardy (normy)

Modbus-RTU Modbus-TCP TCP/IP IEC 61158 i IEC 61784

Profibus PROFINET IO

Izochroniczny protok czasu rzeczywistego (IRT),

Protok czasu rzeczywistego (RT),

Protok czasu rzeczywistego na bazie UDP (RTU)

IEC 61158 i IEC 61784

DeviceNet (CIP); ControlNet (CIP) Ethernet/IP (CIP) TCP/IP; UDP/IP

IEC 61158 i IEC 61784ODVA EtherNet/IP

standard

Fieldbus H1Foundation FieldbusHigh Speed Ethernet (HSE)

CANopen Ethernet PowerlinkEPSG (Ethernet

PowerlinkStandardization Group)

CANopen EtherCAT EtherCAT, EtherCAT/UDPIEC 61158, IEC/PAS 62407, IEC 61784-3,

ISO 15745-4

SERCOS I / II SERCOS III IEC 61491, merged into IEC 61158


Parametry i typy sieci przemysowych

Sie SzybkoProtok dostpu

do kablaRozmiar

segmentu KabelLiczba stacji

Profibus 1,5 Mbit/s znacznikowy 1200 m skrtka*) 127

Profibus DP 12 Mbit/s znacznikowy 1200 m skrtka*) 126

MAP 10 Mbit/s znacznikowy 10 km koncentryk

MiniMAP 5 Mbit/s znacznikowy 700 m koncentryk

Arcnet 2,5 Mbit/s znacznikowy 700 m koncentryk*) 255

CANBus 1 Mbit/s priorytetowy CSMA 1000 m skrtka 64

LONWorks 1,25Mbit/s CSMA/CD, priorytet 1200 m skrtka*) 32385

Modbus 19,2 Kbit/s gniazda , odpytywanie rne 248 + 1

InterBus S 500 Kbit/s piercie 12,8 km skrtka*) 256

Ethernet 10 Mbit/s CSMA/CD 200 m koncentryk*)

*) istniej wersje wykorzystujce wiatowd o dugoci kilkunastu kilometrw28dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Protok dostpu CSMA/CD

Wielodostp ze ledzeniem czstotliwoci nonej(Carrier Sense Multiple Access / with Collision Detect)

Kiedy urzdzenie lub wze sieci posiada dane, ktre chce przesa -

nasuchuje cza, sprawdzajc czy jakie inne urzdzenie nie przesya

danych w linii transmisyjnej. Dane bd wysane jedynie wtedy, gdy nie zostanie wykryty aden sygna wiadczcy o tym, e jakie urzdzenie w sieci wysya dane. Wze, ktry nie wysya danych, nasuchuje, czy inne urzdzenia wysyaj do niego dane.

Jeeli dwa lub wicej urzdze rozpocznie transmisj danych w tej

samej chwili lub zanim sygna z pierwszego wza dotrze do drugiego

dochodzi do kolizji. W efekcie sygna zostaje zakcony, staje si nieczytelny i transmisja musi zosta powtrzona (Ethernet)


Protok dostpu CSMA/CD

Wykrywanie kolizji

Urzdzenie wysyajc dane, monitoruje swoj wasn transmisj.

Sprawdza warto sygnau w kanale transmisyjnym i porwnuje je z

aktualnie nadawanym przez siebie stanem logicznym. Jeeli wykryo

kolizj, zatrzymuje wysyanie danych i wysya sekwencj informujc

o kolizji (sygna zaguszania, JAM).

Poziom sygnau informujcego o kolizji jest wyszy od normalnie

generowanego przez wze - pewno, e kady wze odbierze

informacj o kolizji. Potem wzy, ktre weszy w kolizj retransmituj

sygna. Robi to sprawdzajc po losowo wybranym czasie zajto kanau i ponownie transmitujc dane, przy czym losowany czas

oczekiwania bdzie wyduany po kilku kolizjach.


Priorytetowy protok dostpu CSMA

Opracowany dla sieci, w ktrych czas trwania pojedynczego bitu danych jest duszy od podwjnego czasu propagacji sygnau przez sie.

Algorytm CSMA: Wszystkie wzy maj przypisane priorytety odwrotnie proporcjonalne

do ich adresw sieciowych, Wze nasuchuje stan w medium transmisyjnym (gdy wolny

rozpoczyna nadawanie), Jeeli w tym samym czasie dwa wzy rozpoczn nadawanie, to ich

adresy nao si na siebie, W razie niezgodnoci nakadajcych si bitw (0 i 1) w sieci ustali si

warto 0, Wze, ktry nada 1 (o wyszym adresie) wykrywa kolizj i przerywa

nadawanie.


Protok odpytywania (polling)

Opracowany dla sieci, w ktrych wyrnia si jeden wze centralny sieci i wiele wzw (terminali) lokalnych.Synonimem jest standard master - slave (pan niewolnik).

Algorytm pollingu: master regularnie wysya do wszystkich wzw

podporzdkowanych komunikaty zawierajce dane lub zapytanie o dane,

slave bezporednio po odebraniu komunikatu wysya odpowied zawierajc dane lub informacj o ich braku.

komunikacja odbywa si tylko midzy wzem centralnym a wzami podporzdkowanymi wedug zasady: pytanie odpowied.



33

Serwer stacja master (nadzorca), Terminale stacje slave.



Zalety: prostota sprzgu sieciowego (RS 232C, RS 485), prostota implementacji programowej, minimalne wymagania sprztowe w przypadku terminali (stacji

slave), cakowity brak kolizji, wykorzystanie bardzo popularnej topologii gwiazdy.

Wady: cakowity rozpad sieci w przypadku awarii wza centralnego, w przypadku komputerw potrzeba stosowania kart wieloportowych

lub multiplekserw.


Piercie znacznikowy (Token ring)

Opracowany dla sieci, w topologii piercienia, w ktrej cay czas

kry umowny znacznik (token - komunikat sterujcy), z posiadaniem

ktrego wie si prawo nadawania.

Algorytm znacznikowy: stacja przygotowuje komunikat i nasuchuje sie,

w momencie pojawienia si wolnego znacznika zatrzymuje go i

rozpoczyna nadawanie,

po zakoczeniu komunikatu nadaje znacznik i przekazuje prawo

do nadawania kolejnym stacjom,

wysany komunikat przechodzi przez wszystkie wzy sieci (cznie

z adresatem) i wraca do nadawcy, ktry go kasuje.


Piercie znacznikowy (Token ring)

36

W standardowej konfiguracji serwer wysya pierwszy znacznik

w przypadku wczenia sieci lub zagubienia znacznika.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Protok znacznikowy (Token Ring)

Zalety: cakowity brak kolizji, moliwo synchronizacji pracy wzw znacznik jest wysyany w cile okrelonych przedziaach czasowych,

dua szybko transmisji: 4, 16 i 100 Mb/s.

Wady: bardzo kopotliwe okablowanie, doczenie kolejnego wza

wymaga rekonfiguracji caej sieci, awaria cza unieruchamia ca sie, dua komplikacja ukadw nadawania i odbierania komunikatw, bardzo zoony algorytm odzyskiwania znacznika i konfiguracji sieci.


Topologie sieci przemysowych - magistrala

38

Wszystkie hosty s podczone bezporednio do wsplnego medium transmisyjnego. Na kocach magistrali znajduj si terminatory (rezystory). Wad jest trudna lokalizacja uszkodze. Awaria jednego urzdzenia unieruchamia sie.

Wze podrzdny 3Wze podrzdny 1

Wze podrzdny 4

Wze nadrzdny

Wzepodrzdny 2


Topologie sieci przemysowych - piercie

39

Pierwszy host z ostatnim s poczone tworzc piercie. Zalet jest mniejsza liczba przeskokw midzy wzami. Wad trudna rozbudowa sieci.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Topologie sieci przemysowych - gwiazda

40

Wszystkie kable cz si w jednym miejscu urzdzeniu centralnym. Najczciej jest to przecznik. Zalet jest dua niezawodno sieci i atwo lokalizacji uszkodze.

Wze podrzdny 3

Wze podrzdny 1

Wze podrzdny 4

Wze nadrzdny

Wzepodrzdny 2

Przecznik


Topologie sieci przemysowych - drzewo

41

Topologia drzewiasta - rozszerzona gwiazda. W punktach wzowych znajduj si kolejne przeczniki. Zalet jest atwo rozbudowy i lokalizacji uszkodze.

Przecznik

Przecznik

PrzecznikPrzecznik

Wze podrzdny 3

Wze podrzdny 4

Wzepodrzdny 2

Wze nadrzdny

Wze podrzdny 1


Przecznik przemysowy

42

Switch (przecznik) jest urzdzeniem pracujcym typowo w drugiej warstwie modelu OSI/ISO czyli do identyfikacji obiektw przemysowych uywa informacji zawartych w ramkach (adresw MAC) zgodnych z protokoem IEEE 802.3.

Switche zmniejszaj obcienia w sieci, przez jej podzia na mikrosegmenty i przeczanie (komutowanie). Czyli do jednego segmentu mona przydzieli zaledwie jedn stacj robocz, co redukuje rywalizacj o dostp do medium. Obiekt przemysowy otrzymuje wtedy ca szeroko pasma dla siebie. Kady port switcha stanowi wejcie do jednego segmentu sieci.



43

Specyficzne cechy przecznikw przemysowych:budowa moduowa,specjalna, wytrzymaa na warunki atmosferyczne obudowa i konstrukcje zcz,duy zakres temperatur: bardzo czsto od -40C do +70C,zazwyczaj mniejsza ni w przypadku sieci LAN liczba portw,praca w sieciach o deterministycznym czasie transmisji,obecno specjalizowanych portw charakterystycznych dla rnych typw sieci przemysowych (np. RS 485),zabezpieczenia przeciwprzepiciowe i przeciwzwarciowe,moliwo mocowania na szynie DIN, bezporednio na cianie lub innej powierzchni paskiej.


Przecznik przemysowy - przykady



45

Przecznik trasujcy (routing switch) to taki przecznik, ktry potrafi wyznacza pakietom marszrut, czyli operowa nie tylko w drugiej, ale te w trzeciej warstwie modelu OSI.

Urzdzenia takie zachowuj si podobnie jak routery ale do wyznaczania trasy nie uywaj protokow routingu tylko statycznej informacji o domylnej trasie zdefiniowanej przez administratora systemu.

Przeczniki trasujce maj wiksz wydajno ni klasyczne routery oparte na oprogramowaniu. Routery maj za to t przewag, e mona je elastycznie konfigurowa i posuguj si wyspecjalizowanymi protokoami routingu.



46

Wntrze switcha trasujcego HP ProCurve 9300m.


Przecznik przemysowy tryby pracy

47

Fast forward - odebrana ramka jest wysyana natychmiast po otrzymaniu adresu docelowego. Dlatego mog zosta wysane ramki z bdami lub biorce udzia w kolizji.

Store-and-foreward - ramka jest sprawdzana pod ktem sumy kontrolnej. Eliminowane s ramki bdne i biorce udzia w kolizjach. Wad s opnienia w transmisji.

Inteligentne przeczanie - standardowo przecznik pracuje w trybie fast forward, a gdy liczba bdw przekracza kilkanacie na sekund, zaczyna automatycznie stosowa metod store-and-foreward. Gdy liczba bdw spada, przecznik powraca do trybu fast forward.


Przecznik przemysowy - cechy

48

IEEE 802.3x Flow Control umoliwia podczenie serwera lub stacji roboczej bezporednio do switcha z prdkoci dochodzc do 200Mbps w trybie full-duplex oraz z pen obsug bdw transmisji.

Broadcast and Multicast Storm Control kontrola przesyanych pakietw broadcastowych w celu uniknicia zatorw i sztormw broadcastowych.

Sieci wirtualne VLAN - moliwo definiowania logicznych grup obiektw przemysowych, ktre mog komunikowa si ze sob tak, jakby znajdoway si w jednej sieci lokalnej.

Zarzdzalno moliwo konfiguracji, zarzdzania prac i nadzr protokoem SNMP, rmonitorem lub przez stron WWW.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Przecznik przemysowy Moxa EDS-728

49

Moxa EDS-728 zarzdzalny switch przemysowy Gigabit Ethernet:4 porty Gigabit Ethernet i 24 porty Fast Ethernet, Gigabit Moxa Turbo Ring v2 oraz RSTP/STP,moduowa budowa,QoS, IGMP Snooping/GMRP, VLAN, LACP, SNMP 1/2C/V3, RMON IEEE 802.1X, https/SSL,ABC-01 (Automatic Backup Configuration).



50

Charakterystyka podstawowa:moliwo zainstalowania max. 24 portw Fast Ethernet oraz 4 portw Gigabit Ethernet (skrtka lub wiatowd) redundantna technologia Gigabit Ethernet Turbo Ring v2, zapewniajca rekonfiguracj pocze w czasie


51

Charakterystyka przemysowa:Moduowa budowa umoliwia dobr iloci i rodzajw portw w zalenoci od potrzeb. Do wyboru s nastpujce moduy: Dwuportowy modu Gigabit Ethernet ze zczem

10/100/1000BaseT(x)(RJ45) lub 1000BaseSX/LX/ZX (zcze SC) Czteroportowy modu Fast Ethernet z kombinacj zczy

10/100BaseT(x) (RJ45) oraz 100BaseFX(jedno- lub wielomodowe, zcza SC lub ST),

Temperatura pracy: 0 - 60C,Czytnik kart Compact Flash sucych do upgrade'u oprogramowania lub wczytywania i zapisywania konfiguracji,ABC-01 (Automatic Backup Configuration) do tworzenia kopii zapasowej konfiguracji,Zarzdzanie pasmem przesyowym w celu uniknicia toku w sieci.



52

Charakterystyka przemysowa:Filtrowanie ruchu na podstawie adresw fizycznych urzdze,Port mirroring do monitorowania ruchu pochodzcego z danego portu, Automatyczne powiadamianie o zajciu zdarzenia poprzez email, Wejcia cyfrowe do podczenia czujnikw i systemw alarmowych posiadajcych adresy IP, Line Swap Fast Recovery - usprawnia rekonfiguracj switcha po zmianie portw podczenia urzdze, Moliwo zasilania z dwch oddzielnych rde napicia DC,Obudowa o stopniu ochrony IP30,Zasig transmisji max do 40 lub 80 kmF,Moliwo montau na szynie DIN lub na powierzchni paskiej za pomoc uchwytw, Zarzdzanie i konfiguracja (www, telnet/serial lub karta CF).


Sterownik PLC

53

Sterownik swobodnie programowalny (PLC) - jest najpowszechniejszym urzdzeniem stosowanym w automatyce przemysowej i sieciach przemysowych.

Sterownik PLC to pprzewodnikowy system sterowania zapewniajcy moliwo programowania, speniajcy funkcje podobne do przekanikowego ukadu logicznego.

Przekanikowy ukad logiczny by stosowany przy projektowaniu obwodw silnikw elektrycznych i przekanikowych tablic sterowniczych. Jest nazywany drabinkowym, poniewa obraz graficzny programu przypo-mina drabink, w przeciwiestwie do jzyka wysokiego poziomu (C++), gdzie stosuje si znaki literowo - cyfrowe. dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Sterownik PLC

54

Cechy sterownikw PLC:realizacja procesu w czasie rzeczywistym,odczyt oraz zapis wartoci wejciowych/ wyjciowych (I/O) w czasie rzeczywistym,niezawodno dziaania w warunkach pracy cigej,zabezpieczenie kodu sterowania oraz realizacji zada przed wpywami zewntrznymi,izolacj funkcjonaln zapewniajc odpowiedni odpowied na regulacj,niewielkie zapotrzebowanie na energi elektryczn,posiadaj wejcia i wyjcia cyfrowe i analogowe.


Sterownik PLC


Sterownik PLC

56

Nanosterowniki programowalne s to sterowniki zawierajce do 32 wej/wyj o nowoczesnej konstrukcji predestynujce je do pracy w sieci przemysowej.

Mikrosterowniki programowalne, zawieraj do 129 wej/wyj i s bardziej zoone pod wzgldem funkcjonowania i obsugi. Maj powane ograniczenia do pracy w sieci. Takie aspekty powoduj, e zauwaa si tendencj, aby wiksze sterowniki programowalne wymienia na mniejsze sterowniki konfiguracyjne, o co najmniej takich samych lub wikszych moliwociach. W efekcie czenia w sieci otrzymamy sterownik o dowolnej liczbie wej/wyj.


Sterownik PLC

57

Sterownik PLC - koprocesor sieci

Jednostkacentralna Koprocesor sieciowy

Pamiwej wyj

Pamidanych

Pamiparametrw transmisjiEEPROM

Bufor wymiany statusu

Dekoder rozkazw

Procesor lokalny

Pami programu obsugi protokou

EEPROM

Bufory nadawcze Bufory odbiorcze

Bufor transmisji

UARTcze

SIE


Sterownik PLC- Siemens S7-300

58

Sterownik PLC redniej wielkoci Siemens Simatic S7-300 -jeden z najpopularniejszych w Polsce sterownikw

stosowanych w automatyce przemysowej.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008


59

SIMATIC S7-300 to swobodnie programowalny sterownik PLC redniej wielkoci firmy Siemens. Umoliwia budow autonomicznych i opartych o sieci komunikacyjne, rozproszonych ukadw sterowania.Kompletny sterownik S7-300 skada si z moduu zasilacza (24V i prd 2/5/10 A, zasilanie I20/230 V AC) z izolacj galwaniczn, procesora CPU oraz moduw wej/wyj i/lub moduw komunikacyjnych sygnaowych i funkcyjnych (zalenie od penionych funckji). W jednostkach centralnych, ktrych oznaczenia koczy si znakami -2DP znajduje si drugie zcze RS 485, w ktrym zintegrowano funkcje komunikacyjne protokou Profibus DP.



60

Charakterystyka sterownika SIMATIC S7-300:interfejsy komunikacyjne PROFIBUS i Ethernet/PROFINET,maksymalna liczba we/wy cyfr.: 65536,maksymalna liczba we/wy analog.: 4096,moduowa konstrukcja,duy wybr moduw wejcia/wyjcia,moliwo budowy zdecentralizowanych struktur sterowania,brak ruchomych czci mechanicznych (wentylatora),moliwo atwej rozbudowy,dua moc obliczeniowa CPU,wersja Outdoor o rozszerzonym zakresie temperatur do pracy na zewntrz.


MEDIA TRANSMISYJNEW SIECIACH PRZEMYSOWYCH

Wykad 4

61

Media transmisyjne kabel koncentryczny

62

Cienki (10Base-2) Gruby (10Base-5)Impedancja falowa 50 Ohm 50 OhmGrubo 2,5 mm 5 mmMinimalna dugo kabla 0,5 m 0,5 mMaksymalna dugo kabla 185 m (305 m) 500 mSzybko transmisji 10 Mb (100 Mb) 10 Mb (100 Mb)Maksymalna ilo stacji 30 100Ilo segmentw 5 (3 wypenione) 5 (3 wypenione)

Zewntrzna powoka ochronna (izolator)EkranIzolatorRdze

miedziany



63

Kocwka(tuleja, kocwka BNC, rdze) Trjnik

Terminator(rezystor 50 Ohm)

Elementy skadowe cza BNC dla wza i kabla koncentrycznego.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008


64

Zaciskarka kocwki BNC dla cienkiego kabla koncentrycznego.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008


65

Zalety: maa wraliwo na zakcenia zewntrzne i szumy,

obsuguje komunikacj w pasmach o duej szerokoci (modulacja),

niskie koszty.

Wady kabla koncentrycznego: atwo ulega uszkodzeniom,

wraliwa struktura, brak odpornoci na si gniotc,

zastosowanie danego typu kabla ogranicza impedancja falowa,

rne typy kabla koncentrycznego wymagane przez rne sieci,

trudnoci przy lokalizowaniu usterki,

niewygodny sposb instalacji (due cza, terminatory, czki T,

dua grubo i niewielka elastyczno kabla).dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Media transmisyjne skrtka miedziana

66

UTP - nieekranowany dwuparowy kabel skrcany. STP - 4 skrtki w metalowym, plecionym ekranie; FTP izolowany na caej dugoci metalow tam, (62,5 MHz); SFTP - ekranowany metalow tasiemk i plecionk, (100 MHz); S/STP - kada para jest otoczona swoj plecionk i dodatkowo,

cay kabel metalow plecionk, (do 300 MHz); F/STP - kada ze skrtek jest otoczona swoj plecionk i

dodatkowo, cay kabel metalow tasiemk (do 300 MHz). dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008


Wtyk RJ 11telefoniczny szeciokrotny z czterema stykami;

grubo zocenia stykw 6m;

Wtyk RJ 12telefoniczny szeciokrotny z szecioma stykami;

grubo zocenia stykw 6m;

Wtyk RJ 45nieekranowany;

omiokrotny z 8 stykami; grubo zocenia stykw 6m;

przeznaczony do kabla okrgego (linka)



68

Krosowanie przewodw w skrtce:

Kolejno podczenia przewodw skrtki jest opisana normami

EIA/TIA 568A oraz 568B. Dla poczenia komputera z koncentratorem lub przecznikiem

stosuje si tzw. kabel prosty (straight-thru cable), ktry z obu stron podczony jest tak samo wg standardu 568A lub 568B.

Dla poczenia bezporednio dwch komputerw bez

porednictwa huba musimy zamieni pary przewodw, tak aby

sygna nadawany z jednej strony mg by odbierany z drugiej.

Jest to kabel krzyowy (cross-over cable), ktrego jeden koniec podczony jest wg standardu 568A za drugi 568B.



70

Zaciskarka uniwersalna dla kocwek RJ 11, RJ 12 i RJ 45.



71

Zalety: bardzo atwa instalacja, akceptowany przez wiele rodzajw sieci, najszybsze medium oparte na miedzi (do 10 Gb), atwa analiza uszkodze, niskie koszty, dua odporno na zakcenia w przypadku kabli ekranowanych, najpopularniejsze przewodowe medium transmisyjne, moe by stosowana zamiennie dla kabli RS 232C i RS 485.

Wady: ograniczona dugo kabla, wraliwo na zakcenia w przypadku kabla nieekranowanego.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

Media transmisyjne wiatowody

72

Medium transmisyjnym jest czyste szklane wkno kwarcowe wykonane z dwutlenku krzemu SiO2

wiato zamknite jest nieprzezroczystym paszczem otaczajcym rdze (peni rol lustra).

Przy czstotliwociach bliskich podczerwieni wspczynnik odbicia wiata w paszczu jest mniejszy ni w rdzeniu. Zachodzi cakowite wewntrzne odbicie promienia wiata.

Wkno lakierowane (250 m)Paszcz (125 m)

Rdze: 4-11 m jednomodowy, 50 mm dla wielomodowych



73

Kabel wiatowodowy skada si z jednego do kilkudziesiciu wkien wiatowodowych.

Paszcz wykonany jest z materiau o niszym wspczynniku zaamania wiata ni rdze. Rnica ta powoduje, e zachowuje si niczym lustro otaczajce rdze, kierujc promie do wntrza rdzenia, formujc fal optyczn.

Core rdze SiO2 lub plastik,Cladding paszcz,Coating powoka lakierowa materiay termoplastyczne i el,Buffer Jacket paszcz buforowy - akrylon,Strength Member wzmocnienie - kewlar,Outer Jacket paszcz zewntrzny.



74

Mod wiatowodowy pojedynczy rodzaj drga wasnych wiatowodu, speniajcy rwnanie falowe z warunkami brzegowymi zalenymi od wymiarw i konstrukcji wiatowodu.

Liczba modw prowadzonych w wiatowodzie o profilu skokowym zaley od wartoci znormalizowanej czstoci wiatowodu V okrelonej wzorem:

22

21

2 nnaV =

gdzie: a promie rdzenia wiatowodu;n1 i n2 wspczynniki zaamania wiata w paszczu

i rdzeniu.



75

wiatowody wielomodowe przesyaj wiele modw (fal) o rnej dugoci co powoduje rozmycie impulsu wyjciowego i ogranicza

szybko lub odlego transmisji. rednica rdzenia 50 m.

rdem wiata jest dioda LED.

wiatowody jednomodowe s efektywniejsze i pozwalaj transmitowa dane na odlego 100 km bez wzmacniacza.

Prowadz jeden mod. Zastosowano rdze o odpowiednio maym

promieniu (4 m) i odpowiednio may skok wspczynnika zaamania

wiata na granicy rdze-paszcz. Ze wzgldu na wysoki koszt

interfejsw przyczeniowych jest to bardzo drogie rozwizanie.

rdem wiata jest laser.



76

Impuls optycznywejciowy wyjciowyWielomodowy skokowy

Wielomodowy gradientowy

Jednomodowy

Jednomodowy z dodatkowym ekranem



77

wiatowd skokowyPoszczeglne promienie wietlne podaj zygzakami odbijajc

si od granicy rdze-paszcz. Kady mod pada pod innym ktem i

ma wasn drog przejcia odcinka wiatowodu. Najkrtsza droga

wiedzie wzdu osi wkna, a najdusza zygzakiem o

najmniejszym kacie odbicia.

Poniewa prdko rozchodzenia si wiata jest staa w caym

obszarze rdzenia:

1ncv =

gdzie: c prdko wiata w prni, n1 wspczynnik zaamania wiatowodudr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008


78

wiatowd skokowyWraz ze wzrostem dugoci wkna powikszaj si rnice w

czasie dotarcia poszczeglnych modw na koniec

wiatowodu.

Rnica midzy najdusz a najkrtsz drog wynosi:

( )c

nnLt 21 =

gdzie: L dugo wiatowodu, n1 wspczynnik zaamania wiata w rdzeniu, n2 wspczynnik zaamania wiata w paszczu,c prdko wiata.



79

Wspczynnik zaamania rdzenia jest uksztatowany tak, aby rne

mody miay t sam prdko rozprzestrzeniania si wzdu

wiatowodu.

Mody poruszajce si po ukach zewntrznych, czyli o duszej

drodze, ale i przez szko o mniejszym wspczynniku zaamania, maj wiksz prdko od modw propagujcych si wzdu osi. W

rezultacie nie ma rnic prdkoci rnych modw i zwizanego z tym poszerzenia impulsu na kocu wkna.

Podobnie jak w innych rodzajach wiatowodw mog propagowa

si tzw. mody paszczowe (na granicy paszcz-rdze). S one

pobudzane na pocztku wiatowodu przez rdo wiata i silnie

tumione na dugoci kilkudziesiciu metrw.



80

Okna wiatowodowe - niejednorodna tumienno jednostkowa wiatowodu (dB/km) okrelajca wielko strat absorbcyjnych medium transmisyjnego.



81

Generacje mediw wiatowodowych:

Pierwsza generacja (okno 850nm) 1972 (Corning Glass) wkno wielomodowe o tumiennoci okoo 4 dB/km dla fali 850nm,

(transmisja 50Mb/s, skokowe zaamanie wizki wietlnej).

Druga generacja (okno 1300nm) 1987 wiatowd jednomodowy o prawie zerowej dyspersji (dla fali 1300nm) i

zmniejszonym tumieniu jednostkowym (do okoo 0,4 dB/km)

Trzecia generacja (okno 1550nm) najmniejsza tumienno jednostkowa (od 0,16 do 0,2 dB/km), odlego midzy

regeneratorami okoo 200km. Wad jest wysoka dyspersja.



82

Generacje mediw wiatowodowych:

Czwarta generacja okno o tumiennoci 1300 nm i 1500 nm. Wprowadzenie w torach optycznych szerokopasmowych

wzmacniaczy optycznych EDFA, komutacji (Wave Star OLS 80-

krotne zwielokrotnienie DWDM) i zwielokrotnienia falowego WDM.

Przepywno do 400, a nawet 800 GB/s. Stosowane do budowy

podmorskich kabli komunikacyjnych.

Pita generacja - najnowsze osignicia w zakresie transmisji solitonowej cakowicie przezroczyste systemy wiatowodowe

(teoretycznie nieograniczony wzrost pojemnoci transmisyjnej BL).

Transmisja o szybkoci 10Gb/s na odlego 36000 km.


PROTOKOY ETHERNET I TCP/IP

Wykad 5

83

84

Protok Ethernet

Ethernet to technologia, w ktrej zawarte s standardy wykorzystywane w budowie sieci komputerowych i przemysowych. Obejmuje ona specyfikacj kabli, kocwek (wtykw i gniazd), napi, prdw oraz przesyanych nimi sygnaw. Ethernet opisuje rwnie format ramek i protokoy z dwch najniszych warstw modelu OSI/ISO. Jego specyfikacja zostaa podana w standardzie 802.3 IEEE.

Zosta opracowany przez Roberta Metcalfa w Xerox PARC i opublikowany w roku 1976. Ethernet bazuje na idei wzw podczonych do wsplnego medium i wysyajcych i odbierajcych za jego pomoc specjalne komunikaty (ramki).


85

Protok Ethernet

Norma IEEE 802.3, definiuje ramk danych oraz sposb dostpu do nonika.Adres sprztowy MAC (Media Access Control) skada sie z 48 bitw. 24 bity s przypisane producentowi sprztu, a pozostae numeruj kolejne karty. Np. Sun Microsystems: 08:00:20:xx:xx:xx.2Dostp do nonika: wielodostp z wykrywaniem fali nonej i wykrywaniem kolizji, CSMA/CD,Materialnymi nonikami transmisji s media transmisyjne. Ich fizyczne wasnoci okrelaj szeroko dostpnego pasma transmisyjnego, czstotliwoci sygnaw i efektywn prdko przesyania danych.


86

Protok Ethernet - ramka

preambua skada si z naprzemiennych jedynek i zer, co w zapisie szesnastkowym daje: AAAAAAAAAAAAAA i pozwala na szybk synchronizacj odbiornikw.SFD - (start frame delimiter), znacznik pocztkowy ramki w postaci sekwencji 8 bitw (1 bajt): 10101011 w zapisie szesnastkowym ABadres MAC odbiorcy,adres MAC nadawcy,typ - jeeli warto mniejsza ni 1500, to oznacza dugo ramki, jeeli wiksza to typ pakietu,dane - jeeli dane mniejsze ni 46 bajtw, to uzupeniane s zerami,FCS - suma kontrolna (4 bajty) CRC.


87

Protok Ethernet ramka ProfiNET

Pola preambua, SFD, adres docelowy i rdowy, typ ramki i FCS maj swoje natywne znaczenie charakterystyczne dla 802.3,priorytet pole zgodne z norm 802.1Q okrelajce priorytet (3 bity), protok uywany do enkapsulacji danych (1 bit) oraz identyfikator sieci (12 bitw), co pozwala na przesyanie danych pochodzcych z rnych typw sieci przemysowych,w polu dane enkapsulowane s pola charakterystyczne dla protokou ProfiNET identyfikator ramki, dane procesowe dla sterowania obiektami przemysowymi oraz informacje statutowe.


88

Transmisja w warstwie cza danychDLC: ------ DLC Header -----DLC:DLC: Frame 1 arrived at 06:44:17.7919;

frame size is 92(005C hex) bytesDLC: Destination = Station 0008C7564D45DLC: Source = Station Prteon8432BEDLC: Ethertype = 0800 (IP)

000000 08 C7 56 4D 45 00 00 93 84 32 BE 08 00 45 00001000 4E BC D1 00 00 80 11 8E 21 CC 4E 2B DC CC 4E00202B 33 00 89 00 89 00 3A AD 96 00 C2 01 00 00 01003000 00 00 00 00 00 50 45 45 46 43 45 42 45 48 45004050 45 4F 43 41 43 41 43 41 43 41 43 41 43 41 43005041 43 41 43 41 43 41 00 00 20 00 01

000000 ...VME....2...E.001000 .N.......!.N+..N00202B +3.....:........003000 .......EEFCEBEHE004050 PE0CACACACACACAC005041 ACACACA.. ..


89

Protok TCP/IP

Protok TCP/IP zosta stworzony przez DARPA (Agencj Zaawansowanych Projektw Badawczych Obrony Departamentu Obrony Stanw Zjednoczonych) we wczesnych latach 70. Dziki temu powsta projekt ARPANET (pierwsza na wiecie rozlega sie internetowa). W 1975 roku przeprowadzono test komunikacyjny dwch sieci TCP/IP (uniwersytet Stanford i College London). W listopadzie 1977 roku dokonano trjstronnego poczenia na bazie protokow TCP/IP pomidzy USA, Wielk Brytani i Norwegi. W latach 1978 - 1983 zostao opracowanych kilka prototypw TCP/IP w innych centrach naukowych. 1 stycznia 1983 roku ARPANET w caoci przeczya si na TCP/IP.


90

Protok TCP/IP

Protok TCP/IP w wersji 4 jest najpopularniejszym protokoem sieciowym na wiecie i jest wykorzystywany w sieci Internet.

Praktycznie wszystkie nowoczesne systemy operacyjne maj wbudowan obsug stosu protokow TCP/IP. Ze wzgldu na ogromn niezawodno transmisji zosta zaimplementowany do wykorzystania w sieciach przemysowych.

W najnowszych sterownikach Siemens Sinumeric znajduje si jdro systemu Linux oraz stos protokow TCP/IP do poczenia z przemysowym standardem Industrial Ethernet.

Ze wzgldu na zbyt ma liczb adresw wersja 4 jest powoli zastpowana przez wersj 6.


91

TCP/IP a model ISO/OSI


92


Warstwa programw uytkowych - na najwyszym poziomie uytkownicy wywouj programy uytkowe, ktre maj dostp do usug TCP/IP. Programy uytkowe wsppracuj z jednym z protokow na poziomie warstwy transportowej i wysyaj lub odbieraj dane w postaci pojedynczych komunikatw lub strumienia bajtw.

Warstwa transportowa - jej zadaniem jest zapewnienie komunikacji midzy jednym programem uytkownika a drugim. Warstwa ta reguluje przepyw informacji i zapewnia pewno przesyania. W tym celu organizuje wysyanie przez odbiorc potwierdzenia otrzymania oraz ponowne wysyanie utraconych pakietw przez nadawc.


93


Warstwa intersieci - odpowiada za obsug komunikacji midzy maszynami. Przyjmuje pakiety z warstwy transportowej (identyfikacja odbiorcy), kapsukuje pakiet w datagramie IP, wypenia jego nagwek, sprawdza czy wysa datagram wprost do odbiorcy czy te do routera i przekazuje datagram do interfejsu sieciowego. Warstwa ta zajmuje si take datagramami przychodzcymi, sprawdzajc ich poprawno i stwierdzajc czy naley je przesa dalej czy te przetwarza na miejscu.

Warstwa interfejsu sieciowego - odbiera datagramy IP i przesya je przez sie.

Warstwa sprztu fizyczne przesyanie bitw przez sie.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

94


Interfejs sprztowy

ICMPProtok

midzysieciowychkomunikatwsterujcych

IPProtok

midzysieciowy

ARPProtok

odwzorowania adresw

RARPOdwrotny protok

odwzorowania adresw

TCPProtok sterowania

transmisj

UDPProtok datagramw

uytkownika

Proces uytkownika

Proces uytkownika

Warstwa fizyczna

Warstwa cza danych

Warstwa sieciowa

Warstwa sesji

Warstwa prezentacji

Warstwa aplikacji

Warstwa transportowa


95

TCP/IP adresacja IP wersja 4

32-bitowa liczba cakowita zawierajca informacje o tym do jakiej sieci wczony jest dany komputer, oraz jednoznaczny adres w tej sieci.Adresy specjalne:

0.0.0.0 domylna trasa127.0.0.1 ptla zwrotna10.0.0.0 10.255.255.255 klasa A172.16.0.0 172.31.255.255 klasa B192.168.0.0 192.168.255.255 klasa C

Zapis w postaci czterech liczb dziesitnych oddzielonych kropkami np.:10000000 00001010 00000010 00011110 = 128.10.2.30


96


Klasa A: 27 = 128 sieci, 224 maszyn,Klasa B: 214 sieci, 216 maszyn,Klasa C: 221 sieci, 28 = 256 maszyn


97


Podstawow jednostk przesyania danych w sieciach opartych na protokole IP jest datagram.

Datagram podzielony jest na nagwek i dane.Nagwek datagramu zawiera adres nadawcy i odbiorcy oraz pole typu, identyfikujce zawarto datagramu.Datagram budow przypomina ramk sieci fizycznej. Zamiast adresw fizycznych nagwek zawiera adresy IP.Przetwarzaniem datagramw zajmuj si programy!Zawarto i format datagramw nie jest uwarunkowana sprztowo.


98


Transportowane dane (TCP, UDP, )

Opcje Uzupenienie dowielokrotnoci liczby 32

Adres odbiorcy - 32 bity

Adres nadawcy - 32 bity

Czas ycia Protok z ktregopochodzi datagaramSuma kontrolna wykorzystywana przez

wzy na trasie pakietu do kontroli bdw

Identyfikator umoliwiajcy scalenie pakietupoddanego fragmentacji

Wersja Dugonagwka Typ usugi

3 flagi 1b Umiejscowienie fragmentuwzgldem pocztku pakietu

Cakowia dugo pakietu podawanaw bajtach (576-65 535 bajtw)

4 bity 4 bity 4 bity 4 bity 4 bity 4 bity 4 bity 4 bity

Budowa nagwka datagramu w wersji 4.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

99


Pole WERSJA (4 bity) - zawiera informacj o wersji protokou IP, ktra bya uywana przy tworzeniu datagramu(IP v.4). Pole DUGO NAGWKA (4 bity) - zawiera informacj o dugoci nagwka w 32 bitowych sowach. Pole TYP OBSUGI (8 bitw) sposb obsugi datagramu(pierwszestwo) O, S, P. Pole IDENTYFIKACJA (16 bitw) identyfikacja fragmentu.Pole ZNACZNIK (3 bity) kontrola fragmentacji np. zakaz, koniec fragmentacji. Pole PRZESUNICIE FRAGMENTU (13 bitw) w ktrym miejscu datagramu umieszczone s dane w tym kawaku.


100


Pole CZAS YCIA TTL jak dugo datagram ma przebywa w sieci (od 15 do 30 s). Pole PROTOK zawiera numer identyfikacyjny protokou transportowego np.: 1- ICMP, 6 - TCP. Pole SUMA KONTROLNA NAGWKA suy do sprawdzania sensownoci nagwka. Pola ADRES IP NADAWCY i ODBIORCY 32-bitowe adresy pierwotnego nadawcy i odbiorcy.Pola OPCJE IP i UZUPENIENIE najczciej puste dugo 5 sw 32 bitowych. Pole UZUPENIENIE najczciej zerowe bity w celu uzupenienia do wielokrotnoci 32 bitw.


101


Priorytet datagramu najniszy 0 oznacza zwyky stopie wanoci, najwyszy 7 to datagram sterujcy sieci.O proba o krtkie czasy oczekiwania,S proba o przesyanie szybkimi czami,P proba o du pewno transmisji,M proba o krtk tras.Np.: FTP 1000 (O=1, S=0, P=0, M=0) - RFC 1340 i RFC 1349


102

Transmisja w warstwie sieciowej (IP)

IP: Version = 4, header lenght = 20 bytesIP: Type of service = 00IP: 000. .... = routineIP: ...0 .... = normal delayIP: .... 0... = normal throughputIP: .... .0.. = normal relaibilityIP: Total lenght = 78 bytesIP: Identification = 48337IP: Flags = 0XIP: .0.. .... = may fragmentIP: ..0. .... = last fragmentIP: Fragment offset = 0 bytesIP: Time to live = 128 seconds/hopsIP: Protocol = 17 (UDP)IP: Header checksum = 8e21 (correct)IP: Source address = [204.78.43.220], TARZANIP: Destination address = [204.78.43.51], JANEIP: No options


103

Transmisja w warstwie sieciowej (IP)

Zapis szesnastkowy:000000 08 C7 56 4D 45 00 00 93 84 32 BE 08 00 45 00001000 4E BC D1 00 00 80 11 8E 21 CC 4E 2B DC CC 4E00202B 33 00 89 00 89 00 3A AD 96 00 C2 01 00 00 01003000 00 00 00 00 00 50 45 45 46 43 45 42 45 48 45004050 45 4F 43 41 43 41 43 41 43 41 43 41 43 41 43005041 43 41 43 41 43 41 00 00 20 00 01

Zapis w standardzie ASCII:000000 ...VME....2...E.001000 .N.......!.N+..N00202B +3.....:........003000 .......EEFCEBEHE004050 PE0CACACACACACAC005041 ACACACA.. ..


104

TCP/IP protok UDP

UDP (User Datagram Protocol) RFC 768 protok typu bezpoczeniowego, wykorzystujcy do transportu protok IP.Cay ciar sprawdzania poprawnoci transmisji spoczywa na aplikacji (protok zawodny).

Zastosowanie:szybko", protok czasu rzeczywistego (np. daytime, DNS); bardzo prosty protok warstwy zastosowa: jedno pytanie, jedna odpowied - wtedy odpowied jest jednoczenie potwierdzeniem dostarczenia pytania;utrata jednego lub kilku datagramw nie jest rzecz "tragiczn" (np. w protokoach transmisji gosu bd krtkie przerwy w transmisji).


105

TCP/IP protok TCP

TCP (Transmission Control Protocol) RFC 793 protok typu poczeniowego (transmisja strumieniowa) warstwy transportowej OSI. Jego zadaniem jest zapewnienie niezawodnoci i poprawnoci transmisji.

Przed rozpoczciem transmisji danych nadawca i odbiorca musz ustanowi ciek pomidzy sob (sesj). Po jej utworzeniu jeden z nich staje si serwerem, a drugi klientem.Komunikacja jest indywidualna (brak informacji rozgoszeniowej - broadcastu).

TCP zajmuje si dzieleniem danych na porcje, sprawdzaniem sum kontrolnych, obsug potwierdze odbioru, przywracaniem waciwej kolejnoci nadchodzcym danym, odrzucaniem danych zduplikowanych. dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

SYSTEMY STEROWANIA

Wykad 6

106

107

Systemy sterowania - definicje

Obiekt przemysowy s to urzdzenia automatyki programowalnej, najczciej mikroprocesorowe obsugujce proces przemysowy.

Proces przemysowy - s to wszelakie dziaania realizowane przez ukad techniczny zakadu. Jego model jest tworzony przy wykorzystaniu grupy modeli charakteryzujcych technologi danej produkcji, zachowania si maszyn, programw pracy zespow maszyn. Przy wykorzystaniu modeli maszyn oraz technologii produkcji tworzone s ukady automatyki. Kierowanie dziaaniem procesu przemysowego dokonywane jest przy pomocy programw pracy maszyn.


108

Systemy sterowania - definicje

Do sterowania procesami przemysowymi stosowane jest sprzenie zwrotne. Sterowanie ze sprzeniem zwrotnym wykorzystywane jest we wszystkich gaziach gospodarki. Polega ono na wstecznym oddziaywaniu wielkoci sterowanej na wielko sterujc, np.: jeli pewien ukad ma doprowadza ciecz chodzc o zadanym skadzie, to taki ukad ma regulo-wa dopyw skadnikw cieczy tak, aby jej skad by stay.


109

Systemy sterowania

W dzisiejszych ukadach sterowania wykorzystuje si kompu-tery i mikrokomputery wykonujce dziaania wice si z wykonywaniem zada w gwarantowanym i nieprzekraczalnym przedziale czasu.Ukady sterownia mona podzieli na cztery poziomy:

poziom nadrzdnego sterowania systemem i monitorowania stanu realizowanego procesu wytwarzania,poziom bezporedniego nadzorowania pracy obrabiarek i innych urzdze sterowanych numerycznie,poziom sterowania obrabiarek i innych urzdze sterowanych numerycznie,poziom czujnikw i elementw wykonawczych urzdze.


110

Systemy sterowania

Na poziomie elementw wykonawczych maszyn i urzdze wyrniamy:

nadrzdne systemy sterowania komputerowego,sterowanie numeryczne (NC, CNC i DNC), urzdze wytwrczych, robotw itp.dyskretne i analogowe czujniki i elementy wykonawcze, sterowniki napdw, panele operatorskie, regulatory, liczniki,system komunikacyjny.

Rol nadrzdnych systemw sterowania jest wykonywanie funkcji zwizanych z operacyjnym planowaniem i kierowaniem procesu przemysowego.


111

Systemy sterowania

Dodatkowo nadrzdne systemy sterowania umoliwiaj uruchamianie w trakcie funkcjonowania bezobsugowego systemu alternatywnych strategii postpowania, jeli nastpi awaria jednej z obrabiarek wchodzcych w skad systemu.

Zawarte w nadrzdnych systemach sterowania procedury i programy umoliwiaj reakcj na zaistnia awari, w taki sposb aby system mg nadal sprawnie dziaa. Najczciej s to zastpcze programy obrbki dla innych dziaajcych obrabiarek (zastpujce uszkodzone) lub te automatyczne przestawienie si na obrbk innych produktw lub zakoczenie dziaanie systemu z sygnalizacj bdu.


112

Systemy sterowania

DNC (bezporednie sterowanie numeryczne) umoliwia sterowanie grup urzdze. Pocztkowo sterowanie DNC peni t rol dla wszystkich zaczonych do niego urzdze. Pojawienie si nowoczesnych mikroprocesorowych ukadw CNC posiadajcych pojemne pamici i rozbudowane procedury programowania i zarzdzania zmienio rol komputera DNC. Aktualnie podstawowym zadaniem systemu DNC jest zarzdzanie programami obrbki przedmiotw oraz przesyanie aplikacji, danych narzdziowych i polece obsugi do pozostaych urzdze sterowanych numerycznie.


113

Scentralizowany system sterowania

Opieraj si na poczeniach bezporednich, rwnolegych przy wykorzystaniu okablowania typu punkt - punkt, jednostek nadzorujcych ze sterownikami poszczeglnych urzdze, sterownikami PLC i CNC, ukadami pomiarowymi i czujnikami.

Komputer centralny wykonuje gwne funkcje nadzorujce i sterujce a take funkcje powizane z wymian danych z otoczeniem, gwnie z nadrzdnym systemem. System operacyjny umoliwia prac wieloprogramow i wielodostpn. Struktura jest zazwyczaj jednopoziomowa. Jednostka nadzorujca realizuje obliczenia, przetwarza informacje oraz wsppracuje przez bezporednie poczenie z obiektami przemysowymi. dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

114


Jednopoziomowy scentralizowany ukad sterowania.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

115


Scentralizowany dwupoziomowy system sterowaniaWyrniamy w nim komputer nadrzdny oraz wiele komputerw podrzdnych.

Komputer nadrzdny odpowiada za zoone funkcje planowania operatywnego, czenia si z pozostaymi systemami przedsibiorstwa, kierowanie grupami danych oraz transmituje aplikacje oraz dane potrzebne do pracy komputerw lokalnych (podrzdnych).

Komputer podrzdny kieruje prac poszczeglnych stanowisk lub urzdze. Najczciej s to specjalizowane mikrokomputery wbudowane w obiekty przemysowe.


116


Scentralizowane systemy sterowania maj szereg wad: Bardzo kosztowna instalacja systemu z powodu skomplikowanego i drogiego okablowania rwnolegego,dua wraliwo na uszkodzenia oraz zakcenia,ograniczone moliwoci zdalnego nadzorowania z powodu braku pewnej cznoci sieciowejkopotliwa i droga modyfikacja lub rozbudowa systemu.

Z tych powodw w obecnych czasach korzystniej jest stosowa systemy zdecentralizowane nazywane rwnie systemami drugiej generacji. Systemy scentralizowane nazywane s systemami pierwszej generacji.


117

Zdecentralizowany system sterowania

W jego skad wchodzi wiele komputerw oraz urzdze terminalowych, ktre peni jednoczenie rne przypisane im zadania. Posiadaj moliwo bezporedniej komunikacji pomidzy wszystkimi komputerami w systemie, jednak czsto jednemu z nich peni funkcj procesora komunikacyjnego.

Procesor komunikacyjny odci pozostae stacje od zada zwizanych z wymian i dystrybucj informacji. W efekcie stacje zdalne wyposaone s w jednostki czce, ktrych zadaniem jest analiza komunikatw, przesegregowanie ich treci z punktu widzenia potrzeb odbiorcw a take stopnia pilnoci oraz formatowania komunikatw (priorytety).


118


Obiekt przemysowy Obiekt przemysowy Obiekt przemysowy Obiekt przemysowy

Sterownik PLC 1 Sterownik PLC 2 Sterownik PLC 3 Sterownik PLC 4

Zdecentralizowany ukad sterowania.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

119


Zalety zdecentralizowanego systemu sterowania:zwikszona elastyczno z powodu uproszczenia procedur zwizanych z budow systemu,atwo i niskie koszty rozbudowy systemu o kolejne wzy lub obiekty przemysowe,atwa regulacja sprztu oraz oprogramowania do konkretnych potrzeb uytkownika,moliwo prostej zmiany struktury produkcyjnej systemu oraz zakresu zada realizowanych przez dane moduy programowe, zmian formatw danych, komunikatw itd.,moliwo bezporedniej komunikacji z kadym obiektem.


120


Ukady scentralizowane dwupoziomowe i zdecentralizowane mona zaliczy do systemw wykonujcych rozproszone przetwarzanie danych (rozproszone bazy danych).

Komputery lokalne maj dostp do danych lokalnych, co powoduje zmniejszenie zasigu przesyanych informacji i skraca czas dostpu do danych potrzebnych do wykonania funkcji lokalnych.

Taki system umoliwia wiksz swobod wyboru czasu do przesyania informacji. Wikszo z nich nie musi by realizowana od razu, lecz moe by wykonana w czasie, gdy komputer nie jest zajty zadaniami krytycznymi czasowo.


121

Hierarchiczny system sterowania

Wykonywany w tym systemie proces przemysowy zoony zostaje rozdzielony na bardziej prostsze procesy, ktre cz okrelone relacje podlegoci. Zalety architektury:

atwo jej zrozumienia ze wzgldu na zastosowanie klasycznego wielopoziomowego podejcia do rozwizywania zoonych problemw, moliwo stopniowego wdraania, atwiejsze opracowanie oprogramowania dziki zastosowaniu modularnoci, moliwo uycia sprztu komputerowego od rnych dostawcw oraz wykorzystanie nadmiarowoci w celu zwikszenia niezawodnoci systemu.


122


Sterownik PLC Sterownik PLC Sterownik PLC Sterownik PLC

Obiekt przemysowy Obiekt przemysowy Obiekt przemysowy Obiekt przemysowy

Hierarchiczny ukad sterowania.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

123


Do wad hierarchicznego systemu sterowania zaliczamy:

ograniczon elastyczno, ktra komplikuje wprowadzanie nieprzewidzianych wczeniej zmian,

ma odporno na zaistniae awarie, co w sytuacji przerwania kanau poczeniowego dla poszczeglnych warstw moe to by przyczyn straty danych, ale rwnie moe spowodowa zaprzestanie dziaania urzdze pooonych w hierarchii poniej miejsca wystpienia awarii,

ograniczon moliwo dostpu do szczegowych informacji na wyszych poziomach w systemie.


124

Hybrydowy system sterowania

Ograniczenia, jakie wprowadzay systemy scentralizowane i hierarchiczne byy inspiracj powstania systemu hybrydowego.

Struktura hybrydowego systemu sterowania skada si z samodzielnych obiektw, ktre potrafi samodzielnie podejmowa decyzje oraz potrafi wspdziaa z innymi obiektami.

W takim systemie wprowadza si oprcz tego, tzw. decydentw systemowych. Zakres moliwoci decydentw systemowych jest jednak stosunkowo ograniczony w porwnaniu do centralnego decydenta, ktry jest stosowany w architekturze scentralizowanej.


125


Decydenci systemowi maj za zadanie optymalizacj decyzji z punktu widzenia gwnych zada systemowych. S to z reguy takie zagadnienia, jak:

planowanie, harmonogramowanie, przeciwdziaanie blokadom.

Zastosowanie decydentw systemowych a take nadanie im okrelonych uprawnie ogranicza samodzielno decyzyjn innych wzw, ktre wchodz w skad systemu. Oznacza to, e w systemie ukazuj si lokalne zalenoci o charakterze hierarchicznym.


126


Hybrydowy ukad sterowania.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

127


Wan cech tej architektury jest brak szczegowego ustalenia zakresu samodzielnoci obiektw, oraz zakresu uprawnie decydentw systemowych. Z tego wynika, e w zalenoci od przyjtego podziau rozpitoci decyzyjnej systemu midzy obiekty a decydentw systemowych mona utworzy nie tylko architektur scentralizowan, ale take rozproszon oraz wszystkie architektury poredniczce miedzy nimi. W wyniku odpowiedniego poczenia architektur hierarchicznej i rozproszonej system hybrydowy ma wikszo posiadanych przez nich cech pozytywnych.


ROZPROSZONE SYSTEMY STEROWANIA

Wykad 7

128

129

Rozproszone systemy sterowania

Jedn z gwnych cech obecnego rodowiska wytwarzania jest jego rozproszenie. Wystpuje ono zarwno w skali makro jak i mikro, w ktrej klasyczne systemy suce do kierowania zautomatyzowan produkcj zastpowane s przez zdecentralizowane, wykonane z samodzielnych moduw wykazujcych si zdolnoci do wspdziaania a take moliwoci indywidualnego podejmowania decyzji.

Rozproszone systemy sterowania umoliwiaj zarzdzanie procesem technologicznym w duym wspczesnym systemie informatycznym.


130


Poziom zarzdzaniaPROFInet

Poziom sterowaniaPROFIbus

Poziom czujnikwAS Interface

Zarzdzanie

Produkcja

Automatyka

Kom

unik

acja

dan

ych

Kom

unik

acja

pol

owa

Komunikacja w automatyce i sterowaniu.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

131


Rozproszony system sterowania dzielimy na kilka warstw:warstwa automatyzacji procesu,warstwa sieci komunikacyjnej,warstwa interfejsu uytkownika,warstwa zarzdzania produkcj.

Zadaniem warstwy automatyzacji procesu jest gromadzenie informacji o procesie i sterowanie nim z wykorzystaniem:

mikrokomputerw,sterownikw swobodnie programowalnych,urzdze zdalnej transmisji,wielofunkcyjnych kontrolerw i lokalnych stacji roboczych.


132


Rozproszony system sterowania (DCS) zosta wprowadzony w roku 1975 przez amerykask firm Honeywell pod nazw TDC 2000 i sta si faktycznym standardem w przemyle rafineryjnym i chemicznym.

Funkcje DCS:automatyczny dobr nastaw regulatorw,optymalizacja procesw technologicznych, oparta na sterowaniu zaawansowanym,integracja z sieci informatyczn zakadu, pozwalajca na generowanie raportw produkcyjnych, czy uzalenienie produkcji od stanw magazynowych itp.


133


Inne funkcje DCS: elementy sterowania zaawansowanego jako proste bloki

programowe, np.: regulatory rozmyte (fuzzy logic) regulacja predykcyjne (model predictive control, MPC) regulatory adaptacyjne

diagnostyka aparatury kontrolno-pomiarowej na bazie protokow HART i Foundation Fieldbus,

sieci neuronowe, pena integracja z systemem blokadowym, zastosowanie protokow cyfrowych (Profibus, Modbus), generowanie raportw bezporednio do aplikacji biurowych.


134


Przykad rozproszonego systemu sterowania.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

135


Aparatura obiektowa, okablowanie, czujniki, urzdzenia wykonawcze (zawory, falowniki) podczone s w ramach rnych obiektw do stacji procesowych.

Stacje procesowe wyposaone w specjalizowane kontrolery oraz karty wej/wyj wsppracuj z magistral systemow, ktr przesyaj informacj do stacji operatorskich za porednictwem serwera.

Funkcj serwera jest zarwno przekazywanie danych jak i ich archiwizacja w postaci plikw historycznych. W celu podwyszenia bezpieczestwa procesu serwer powinien by redundantny (najczciej dwa serwery).


136


Za konfiguracj systemu i nadzr oprogramowania wewntrz kontrolerw odpowiada stacja inynierska przechowujca aktualn dokumentacj, umoliwiajca take inne funkcje np. strojenie regulatorw.

Jeli stacje obiektowe wyposaone s w karty cyfrowe odczytujce informacje diagnostyczne (HART, Fieldbus) diagnostyka aparatury obiektowej moe by prowadzona przez stacj diagnostyczn, np. diagnostyka zaworw.

System komunikuje si ze wiatem zewntrznym przy pomocy kolejnego serwera. Zarwno magistrala procesowa, jak i magistrala systemowa s redundantne.


137


W najnowszych rozwizaniach systemw sterowania (DeltaV, Metso DNA) producenci rezygnuj z serwerw i konfiguruj systemy tak, aby wszystkie stacje byy rwnorzdne, a postj serwera nie wpywa na prowadzenie procesu. W takich rozwizaniach za archiwizacj danych i komunikacj ze wiatem zewntrznym odpowiadaj specjalne komputery zwane stacjami aplikacyjnymi.

Niegdy systemy DCS bazoway na Uniksie (Foxboro) lub wasnych systemach operacyjnych, obecnie standardem oprogramowania systemowego jest Microsoft Windows, jednak trwaj prace badawcze nad systemem Linux.


138


Przykad realizacji rozproszonego systemu sterowania:

Ukad znajduje si w elektrowni Trebowice w Czechach i suy do uzdatniania wody do celw produkcyjnych.W skad tego rozproszonego systemu sterowania wchodzi: 5 stacji obiektowych (7 sterownikw PLC) oraz 2 stacje wizualizacyjne (stacja inynierska i stacja operatorska z systemami wizualizacyjnymi P1200). Do poczenia stacji abonenckich uyto sieci N10 o dugoci 1.200 m. Poszczeglne procesy posiadaj swoje systemy sterowania, wykonane przy pomocy swobodnie programowalnych sterownikw, ktre s take abonentami sieci komputerowej.


139


Algorytm sterowania wykonywany jest w zakresie podsystemu. Taki podsystem jest do samodzielny, gdy chodzi o informacje potrzebne do wykonania algorytmu, natomiast potrzebuje niektrych informacji, ktre generuj si poza podsystemem.


140


Odmiennym utrudnieniem w tym przypadku jest rozpoczcie procesw sterowania lub podprogramw sterowania sekwencyjnego a take zjawisk majcych miejsce w obiekcie. Udao si wykona te funkcje przy wykorzystaniu stacji operatorskich i inynierskich (komputery klasy PC), od ktrych s transmitowane polecenia sterownia (rozkazy) do wszystkich podobiektw.

Zatem pomimo wysokiej niezalenoci podsystemw, ukazuje si potrzeba poczenia ich przy wykorzystaniu systemu komunikacyjnego odpowiedniej sieci przemysowej. W tym przypadku do realizacji zadania wybrano sieci Token BUS.


141


Wykonuje si to z reguy poprzez zaopatrzenie sterownika obiektowego w samodzielny koprocesor komunikacyjny, ktrego zadaniem jest wykonywanie da transmisji, ktre brane s z macierzystej jednostki centralnej, a take wykonywanie da komunikacji zdalnej, pochodzcych z innych stacji obiektowych zaangaowanych w wymian danych. System obsuguje ponad 4 000 wej/wyj binarnych (suma portw we wszystkich sterownikach PLC) oraz kilkaset pomiarw analogowych (wej/wyj analogowych) wraz z programowymi regulatorami PID.


142


Elementem charakterystycznym rozproszonych ukadw sterowania s wzy systemowe, ktrych rol peni pojedynczy sterownik lub te grupa sterownikw.Zadaniem wza systemowego (sterownika) jest wykonywanie programu rezydujcego przy pomocy pamici operacyjnej. Aplikacja posiada zakodowany numeryczny algorytm sterowania. Sterownik swoimi funkcjami upodabnia si do maego systemu operacyjnego czasu rzeczywistego. Dlatego, gdy tworzy si oprogramowanie do sterownikw naley kierowa si takimi samymi przesankami jak przy projektowaniu duych systemw operacyjnych czasu rzeczywistego.


143


Naley zauway, e czas potrzebny do wykonania podstawowej ptli programu to okres, jaki upywa od momentu pobrania wektora stanu obiektu do momentu wystawienia jego nowej wartoci na wyjciu wza.

Okres wykonywania ptli uzaleniony jest wprost proporcjonalnie od czasu wykonania programu. Z kolei okres wykonywania ptli jest uzaleniony od zoonoci algorytmw i od napisanego programu przez programist.

Aby napisa zoptymalizowany program naley dokadnie zna parametry i moliwoci sterownika oraz jego architektur.


144


Przykady rnych elementw skadowych

wzw systemowych (sterownikw).


145


Optymalne oprogramowanie minimalizuje czas wykonywania programu oraz zmniejsza zajto pamici. Znaczcy wpyw na poprawn komunikacj ma czas cyklu realizacji aplikacji.Do komunikowania si danego wza sieci z innym wzem suy koprocesor sieci. Ma on dostp do zasobw macierzystej jednostki centralnej tylko raz na jeden cykl wykonania ptli aplikacji. Dlatego dugo cyklu pojedynczego wykonania aplikacji systemowej ma wpyw na czstotliwo kontaktowania si koprocesora z zasobami. Im rzadziej koprocesor moe si kontaktowa z zasobami tym pniej jest w stanie wyemitowa niezbdne dane.


146

Systemy czasu rzeczywistego

Czas rzeczywisty, determinuje operacje przetwarzania informacji w systemach przemysowych.

Czas rzeczywisty ustala:dugo trwania cyklu wykonywania aplikacji jednostek przetwarzajcych, sposoby i moliwoci odpowiedzi systemu na zachodzce zjawiska, rozdzielczo rejestracji danych, sposoby wizualizacji informacji,dostp do informacji procesowych.


147


W sieciach przemysowych parametr czasu rzeczywistego definiuje przydatno poszczeglnego rozwizania pod ktem potrzeb procesu i uytkownika.

Nie ma idealnych systemw czasu rzeczywistego czyli takich, w ktrych brak zwoki midzy akcj a odpowiedzi.

Prawa natury zawsze powoduj opnienia midzy pojawie-niem si zjawiska a jego obsug, czyli odpowiedzi systemu na nie. Dlatego czas w formie parametru uczestniczcy w wymianie informacji w systemach przemysowych nigdy nie bdzie zerowy.


148


Jeli okrelony system ma funkcjonowa w formie systemu czasu rzeczywistego, to wedug norm IEEE, trzeba ustali, na jakie opnienia czasowe mona dla danych zbiorw zmiennych dopuci i jakie sposoby odpowiedzi w asynchronicznych wydarzeniach ustali, w przypadkach, gdy system nie moe dotrzyma ustalonych warunkw.

Naley stosowa przedziay optymistyczne i pesymistyczne na wykonanie przepywu typu akcja - reakcja.

W skad systemu czasu rzeczywistego zaliczamy obiekty realizujce obsug zdarzenia w cile zdeterminowanym czasie oraz zdeterminowane granicznie


149


Systemy czasu rzeczywistego mog mie zdeterminowan czasowo obsug czci zdarze tzw. zdarze krytycznych.

Cechy systemw czasu rzeczywistego:priorytetowe przeczanie zada z wywaszczaniem,moliwo bezporedniego sterowania przeczaniem zada przez uytkownika,synchronizacja procesw w czasie rzeczywistym zapewniajc wspuytkowanie zasobw systemu,obsuga odmierzania czasu rzeczywistego,obsuga przerwa sprztowych zapewniajc wymagany czas reakcji.


150


System czasu rzeczywistego normalny i przeciony.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

151


Obiektu, przedstawiony na poprzednim slajdzie, przetwarza strumie danych wejciowych w czasie rzeczywistym. Obiekt (przypadek A) wykonuje cykliczne przesyanie zmiennych z okrelonym okresem. Cykl A obsuguje zmienne krytyczne (oznaczone kolorem czerwonym), natomiast cykle B i C inne zmienne (niekrytyczne). Jeli zdarzy si sytuacja, e obiekt nie moe dotrzyma warunkw czasowych na wyjciu (przypadek A), dochodzi do priorytetyzacji danych i zmiany czasw generowania danych niekrytycznych B i C. Cykl A jako priorytetowy przesyany jest bez zmiany czasu generacji (pierwszestwo).


152


Ze wzgldu na punktualno (przestrzeganie cile okrelonych limitw czasowych) oraz niezawodno, systemy czasu rzeczywistego zazwyczaj stosuje si do kontrolowania tych zada gdzie istotna jest wysoka precyzja:

sterowanie rnorodnymi liniami produkcyjnymi, obrabiarkami, robotami i ukadami napdowymi. obsuga zada krytycznych, od ktrych zaley ycie osb -kontrola reaktora jdrowego lub systemy kontroli lotw,nowoczesne urzdzenia AGD, samochody, itp., gdzie po zebraniu informacji z licznych czujnikw podejmowana jest decyzja o dalszym przebiegu programu sterujcego.


153


Jednym z najbardziej popularnych systemw operacyjnych czasu rzeczywistego jest RT-Linux.RT-Linux jest systemem hybrydowym. Skada si z maego jdra czasu rzeczywistego, odpowiadajcego za obsug zada czasu rzeczywistego, i umiejscowionego nad nim jdra systemu Linux. Jdro czasu rzeczywistego jest stosunkowo proste i nie zawiera sterownikw urzdze oraz skomplikowanych mechanizmw systemowych. Realizuje rodowisko dla wykonania zada czasu rzeczywistego oraz spenia funkcje warstwy poredniczcej w obsudze przerwa.


154


Jdro Linux suy do uruchamiania bardziej zoonych aplikacji, odpowiadajcych gwnie za interakcj z uytkownikiem i analiz danych, ktre nie wymagaj determinizmu czasowego. Zadania czasu rzeczywistego komunikuj si z procesami systemu Linux poprzez kolejki FIFO. Obsuga tych kolejek zostaa zawarta w jdrze czasu rzeczywistego. System RTLinux jest wieloplatformowy. Jest dostpny dla procesorw IA32, MIPS, PowerPC i ARM. Jdro czasu rzeczywistego cechuje si du wydajnoci i pozwala na uruchamianie zada o wysokich wymaganiach czasowych.


155


Budowa systemu czasu rzeczywistego RT-Linux.dr in. Andrzej Piotrowski: "Sieci przemysowe w sterowaniu maszyn", Politechnika Czstochowska 2008

TRANSMISJA SZEREGOWAI RWNOLEGA

Wykad 8 i 9

156

Transmisja szeregowa

Polega na tym, e bity danych s transmitowane sekwencyjnie w pojedynczym kanale.

Dane niekoniecznie s przechowywane w tej samej kolejnoci w

jakiej s przesyane. Jeli w przechowywanych danych bity MSB

wystpuj jako pierwsze, system nosi nazw big endian. Jeli pierwsze s bity LSB, system okrelany jest little endian.


Izochroniczna transmisja szeregowa

158

Zapewnia sta szybko przekazu danych niezalenie od wielkoci ruchu generowanego w otaczajcym rodowisku.

Polega na przydzieleniu do kanau i egzekwowaniu staego pasma przenoszenia.

Kana izochroniczny jest realizowany przez czasowe multipleksowanie pasma i przydzielenie do kanau okrelonych odcinkw czasu.

Stosowana do przekazw multimedialnych - wymagany stay ruch ramek, przybywajcych w rwnomiernych odstpach i tej samej kolejnoci w jakiej zostay wysane.

Przykad implementacji: USB i Fire Wire.


Synchroniczna transmisja szeregowa

Do regulacji przepywu danych miedzy urzdzeniami

kocowymi stosuje si sygna zegarowy.

Bity i znaki danych przesyane s w blokach z ustalon

szybkoci midzy nadajnikiem i odbiornikiem

zsynchronizowanym na pocztku i kocu bloku.

Brak jest bitw startu i stopu.

W celu synchronizacji zegarw, na pocztku bloku przesyany

jest cig synchronizacyjny (okresowo powtarzany midzy

blokami) bd impulsy taktujce kanaem specjalnym.

Blok danych moe przyjmowa rn dugo, a ilo

informacji w kolejnych blokach moe ulega zmianie.


160

Synchroniczna transmisja szeregowa

NA

DA

WA

NIE

OD

BI

R

Sieci przemysłowe w sterowaniu maszyn

Documents

Transcript of Sieci przemysłowe w sterowaniu maszyn