Termelési folyamatok automatizálása Kucsera Péter Kucsera.peter@kvk.bmf.hu

1. Generációs folyamatirányító rendszerek

2. Generációs folyamatirányító rendszerek

3. Generációs folyamatirányító rendszerek

4. Generációs folyamatirányító rendszerek

5. Generációs folyamatirányító rendszerek

Kábel költség csökkentés

HART

HART

ISO/OSI modell

Fizikai rétegek Standard RS232 RS423 RS422 RS485 Mode Földelt Különbségi Maximális kliensszám 1 adó 1 vevő 10 vevő 32 adó 32 vevő Max. kábel hossz ~12 m. ~1000 m. ~1000 m.. Max. adat sebesség 20kb/s 100kb/s 10Mb/s-100Kb/s Max. kimeneti feszültség +/-25V +/-6V -0.25V ; +6V -7V ; +12V Feszültségszint Terhelt +/-5V to +/-15V +/-3.6V +/-2.0V +/-1.5V Terheletlen Terhelő impedancia (Ohms) 3k to 7k >=450 100 54 Vételi feszültségszint +/-15V +/-12V -10V; +10V Vevő érzékenység +/-3V +/-200mV

Full Duplex RS-485

Half Duplex RS-485

MODBUS protocol Modbus is a serial communications protocol published by Modicon in 1979 for use with its programmable logic controllers (PLCs). It has become a de facto standard communications protocol in industry, and is now the most commonly available means of connecting industrial electronic devices. The main reasons for the extensive use of Modbus over other communications protocols are: - it is openly published and royalty-free - it can be implemented in days, not months

Example of MODBUS network architecture

Master-Slave protocol http://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf Master-Slave protocol

http://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf MODBUS communication

http://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf

http://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf MODBUS Transaction

http://www.sea.siemens.com/step/downloads.html

Increased plant availability Hot swapping In the event of a fault, electronic modules are easily replaced during operation with the equipment live (hot swapping).The station remains functional, and the plant therefore remains available – there is no need for costly shutting down and starting up of the plant. While the components are being replaced, the wiring remains intact. Coding of the modules prevents mistakes when replacing them. Redundancy To increase plant availability, the system offers a system-wide redundancy concept. ET 200 I/O devices are connected with two interface modules to the two PROFIBUS lines of a high-availability automation system. If the active system fails, the standby system takes over the functions immediately so that standstill can be avoided.

Types of Field Busses Bit Oriented „ASI-BUS” Byte oriented „PROFIBUS, CAN-BUS, MODBUS…” Block oriented or complex Busses „ FOUNDATION FIELDBUS”

Levels of Automation

ASI BUS Like every communication system, ASI can be discussed in terms of the ISO/OSI model

ASI BUS cable The used cable has significant influence on the transmission properties. -mechanically coded flat cable -two wires for data and power -insulation piercing connectors -protection class up to IP67, even after disconnecting -directly connected slaves sensors, actuators valve terminals electrical modules etc.

ASI Network Topology The protocol of the AS-Interface system ensures a simple extendibility. The AS-Interface network can be configured like any conventional electrical installation. Every AS-Interface Slave is freely addressably and can get connected to the bus cable in any arbitrary place. This makes a modular construction possible, and due to the robust operating principle, there are no limits to the structure and any network topology can be used: e.g. bus, star, or tree topologies.

ASI Components

http://www.sea.siemens.com/step/downloads.html

ASI Components Emergency Stop ASI Modules Door Lock Light Barrier

Profibus DP/PA DP- Decentralized Periphery PA- Process Automation One of the most important advantage of using fieldbusses in the automation is reduced installation efforts. E.g., the cost savings estimated in process automation if PROFIBUS is used instead of the conventional 4..20mA technology are sumed up to more than 40%.

Transmission Technologies field devices in hazardous areas

PROFIBUS Topology System configuration and device types DP supports implementation of both mono-master and multi-master systems.

DP- Master Slave

PROFIBUS PA for Process Automation intrinsically safe transmission techniques, field devices are powered over the bus cable, reliable data transmission, and interoperability (standardization of device functions).

PROFIBUS PA Physical Layer In compliance with IEC 61158-2 which was specified especially for explosion-hazardous areas and power supply over the bus. There are four IEC 61158-2 variants, but only PROFIBUS-PA utilizes the 31.25 kbit/s voltage mode.

Limited Power In Hazardous Areas

Manchester Coding with +-9 mA

Ethernet alapok CSMA/CD – Carrier Sense (a vonal foglaltságának ellenőrzés) – Multiple Access (Több klienses azonos jogokkal rendelkező hozzáférés) – Colison Detection (ütközés vizsgálat) A kliensek ugyan azon fizikai rétegen osztoznak, azonos jogokkal. Kommunikáció kezdeményezése esetén minden kliens képes észlelni a vonal foglaltságát. Foglaltság esetén véletlen szerű idő várakozás után az adás kezdeményezés ismétlődik. Az ütközés detektálás utáni véletlen várakozás eleve kizárja a valós idejű kommunikáció (REAL TIME) lehetőségét!

ISO-OSI Modell 7. Alkalmazás függő keret létrehozása. (e-mail, telnet,…) 6. Adatcsomagok kódolása, dekódolása titkosítás. 5. Csomagok kiválasztása, kezelése, elvetése 4. Az adatátviteli útvonal kijelölése. A teljes adatmennyiség továbbításának irányítása, ellenőrzése. (ACK) 3. A feladó és a címzett megjelölése. 2. Az adatok keretbe rendezése, hibajavító kóddal történő kiegészítés . 1. Elektromos impulzusok küldése és fogadása egy adott adatátviteli közeg segítségével

ISO-OSI <> TCP/IP

MAC Address Minden Ethernet-re kapcsolódó eszköz egyedi MAC - címmel rendelkezik. 6 byte (48 bit) 281474976710656 db különböző eszköz definiálható Ha a MAC-cím FFFFFF – Broadcast üzenet. A hálózatra kapcsolt összes kliens veszi az üzenetet.

IP cím

Hálózati topológia A csillag és a sorban fűzött topológia alkalmazása ajánlott. Speciális esetekben a gyűrű struktúra is kivitelezhető Csomóponti eszközként használható: - HUB - SWITCH - ROOTER

HUB A HUB a továbbítandó csomagot az összes kimenetén kiküldi. A kliensek ily módon minden csomagot kénytelenek fogadni, így a hálózat terheltsége nő. Egyszerre csak egy irányban folyik kommunikáció (HALF-DUPLEX) és csak egy állomás kezdeményezhet adást egy időben. (Layer 1 device CSMA/CD!!!)

SWITCH A Switch amennyiben egy kliens adást kezdeményez, egy táblázatban rögzíti az adott klienshez tartozó MAC címet és a port számát, így egy idő után a táblázat tartalmazza az összes kapcsolódó eszköz adatait. Adás esetén a Switch a MAC cím alapján beazonosítja azt, hogy mely portra kell a csomagot továbbítani, így a többi port között újabb kommunikáció épülhet ki. A rendszer két irányú (FULL-DUPLEX Layer2.) A forgalom irányítását a switch végzi, így megfelelő switch használata esetén nincs szükség ütközés vizsgálatra, a rendszer valós idejűvé tehető!!!!

Swich-ek összekapcsolása

Hogyan lesz az IP-ből MAC ARP- Address Resolution Protocol Broadcast – Kinek ez az IP címe? Válasz az adott IP.-vel rendelkező klienstől, a MAC address megadásával ARP tábla kitöltése, az adott MAC és IP összepárosítása.

ROUTER ARP Broadcast B állomásról (kék hálózat). A Rooter veszi a csomagot és detektálja, hogy az elérni kíván kliens a másik alhálozatban van ARP üzenet kiadása a (piros) 2. porton G állomás válaszol az APR lekérdezésre ROUTING TABLE kitöltése, az útvonal létrejött!

Spanning Tree Protocol A (STP) Spanning Tree Protocol az ISO/OSI modell 2. szintjén található és célja a zárt hurokmentes (loop-free) kommunikáció megvalósítása redundáns hurokkal rendelkező Ethernet hálózatokban. A STP használatával létrehozhatók automatikus útvonal-kapcsolású redundáns hálózatokat, melyek operátori beavatkozás nélkül képesek a sérült utak kiiktatására és új utak keresésére. Működése a IEEE Standard 802.1D – szabványban rödzített.

Miért szükséges az STP A BRADCAST üzenetet a csomóponti eszközök minden kliens felé továbbítják. Mivel a hálózatban hurok van, az ‘A’-ból továbbított üzenet a hurkon keresztül visszaérkezik az ‘A’-hoz kapcsolódó csomóponti eszközhöz, azonban egy másik porton, így az eszköz ezt az üzenetet ismét kénytelen továbbítani. Az ilyen üzenetek túlterhelik a hálózatot és a kommunikáció leáll.

Miért szükséges az STP Nem célszerű a hálózati hurok hardware szintű megszüntetése, mivel így egy redundancia lehetőségétől esünk el. Az STP protokoll tehát abban segít, hogy a hurkolt hálózatokban ne jöhessenek létre nem kívánt zárt kommunikációs körök, azonban, ha a hálózat megsérül lehetőség legyen automatikus hálózat újra konfigurálásra és új út keresésére.

STP működése 1. Mivel a hálózati csomóponti eszközök rendelkeznek egy egyedi azonosítóval, az STP kijelöli a legkisebb azonosítóval rendelkezőt (ROOT) és továbbiakban innen vizsgálja a hálózatot. 2. Megvizsgálja, hogy a ROOT-tól mely hálózati komponens milyen sebességgel érhető el. (tekintsük az ábrán látható összes összeköttetést ‘a,b,c,e,f’ egységnyinek) 3. Amennyiben egy csomóponti eszköz több porton keresztül is elérhető, vizsgálja, melyik a leggyorsabb út, és a másikat kikapcsolja

Hálózati csomópontok szolgáltatásai Sebesség kiválasztás 10/100/1000 Kábel kiválasztás (Auto Crossing) Full / Half duplex mode. Port tükrözés (Port Mirroring)

Ipari Ethernet Megoldások ProfiNet (Phoenix Contact, Siemens) EtherNet IP (Rockwell Automation) Ethernet Powerlink (B&R) ModBus/TCP (Schneider Automation Inc.) EtherCat (BeckHoff)

ProfiNet Szabványos ipari Ethernet hálózat (IEC 61158/61784) A komponensek robosztusabb kivitelezésűek Valós idejű (Real Time) kommunikáció lehetséges Vállalatirányítási rendszerbe integrálhatóság

ProfiNet alkalmazási területe

ProfiNet alkalmazási területe

Profiet kommunikáció típusai Non Real Time (NRT) – Rendszerinicializálás, nem időkritikus adatcsere, általános eszközparaméterek továbbítása Real Time Communication (RT) – Felhasználói adatforgalom, Kommunikáció diagnosztika (Monitoring), Riasztások (Alarms), Cím és adat hozzárendelés Isochronous Real Time (IRT) – Szinkron adatátvitel, Hajtás szabályozás, pozicionálás, Nagy pontosságú ciklikus adatátvitel

Profinet RT csomag VLAN – ProfiNet switch képes érzékelni a VLAN tag érkezését, így a ProfiNet csomagok magasabb prioritással kerülnek továbbításra! Ethernet Frame: 64 - 1518 byte

Vezeték nélküli adatátvitel alapjai

ISM (industrial, scientific and medical) frekvenciák 6.765–6.795 MHz(centre frequency 6.780 MHz) 13.553–13.567 MHz (centre frequency 13.560 MHz) 26.957–27.283 MHz (centre frequency 27.120 MHz) 40.66–40.70 MHz (centre frequency 40.68 MHz) 433.05–434.79 MHz (centre frequency 433.92 MHz) 902–928 MHz (centre frequency 915 MHz) 2.400–2.500 GHz(centre frequency 2.450 GHz) 5.725–5.875 GHz (centre frequency 5.800 GHz) 24–24.25 GHz (centre frequency 24.125 GHz) 61–61.5 GHz (centre frequency 61.25 GHz) 122–123 GHz (centre frequency 122.5 GHz) 244–246 GHz (centre frequency 245 GHz)

Modulációs módok AM (amplitud modulation) FM (Frequency modulation) ASK ( Amplitud shift keying) FSK (Frequency shift keying) PSK (Phase shift keying) QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ( http://en.wikipedia.org/wiki/BPSK )

Modulációs módok összehasonlítása Data rate (Mbit/s) Modulation Coding rate Number of data bits per symbol 1472 byte transfer duration (µs) 6 BPSK 1/2 24 2012 9 3/4 36 1344 12 QPSK 48 1008 18 72 672 16-QAM 96 504 144 336 64-QAM 2/3 192 252 54 216 224

Szórt spektrumú frekvenciaugratásos kommunikáció (FHSS – Frequency Hopping Spread Spectrum ) A küldeni kívánt információ sorosan, a frekvencia csatornák között ugrálva szeletekre bontva kerül továbbításra. Bluetooth

DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum A küldeni kívánt információ hibajavító kóddal történő kiegészítése után párhuzamosan kerül továbbításra WLAN

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Digitális, több vivőfrekvenciát alkalmazó frekvencia modulációs séma, mely nagy számú egymáshoz közeli ortogonális segéd-vivőhullámot alkalmaz az adatok továbbítására. Ezek a segéd vivők rendszerint frekvencia átfedésben vannak egymással, de úgy lettek kialakítva hogy ne zavarják egymást.

Range (Radius Outdoor) Depends, # and type of walls WLAN Szabványok Protocol Release Date Op. Frequency Throughput (Typ) Data Rate (Max) Modulation Technique Range (Radius Indoor) Range (Radius Outdoor)   Depends, # and type of walls Loss includes one wall 802.11a 1999 5 GHz 23 Mbit/s 54 Mbit/s OFDM ~35 Meters ~120 Meters 802.11b 2.4 GHz 4.3 Mbit/s 11 Mbit/s DSSS ~38 Meters ~140 Meters 802.11g 2003 19 Mbit/s

Adatátviteli sebességek 802.11a/h data rate [Mbit/sec] sensitivity [dBm] modulation b/symbol 6 -82 BPSK 1 9 -81 12 -79 QPSK 2 18 -77 24 -74 16-QAM 4 36 -70 48 -66 64-QAM 54 -65

Csatorna kiosztás A csatornák egyedileg állíthatók. Ha több AP (Access Point ) működik ugyan azon a csatornán, lecsökken az adatátviteli sebesség

Access Point Factory Line Wireless WLAN access point, 24 V DC; PoE; IEEE 802.11 a/b/g; 2.4 GHz; 5 GHz, client adapter; antenna diversity; web-based management

Multi AP Factory Line Wireless WLAN multi access point, 24 V DC; PoE; IEEE 802.11 a/b/g; 2.4 GHz; 5 GHz, client adapter; antenna diversity; web-based management

Bluetooth AP Factory Line Wireless Bluetooth access point, 24 V DC; IEEE 802.11 a/b/g; 2.4 GHz; 5 GHz,

Antennák Omni-directional antenna, degree of protection IP55, 5 dBi gain, linear vertical, SMA (male), impedance 50 ohms, apex angle h/v 360°/45° Panel antenna, degree of protection IP55, 8 dBi gain, linear vertical, SMA (male), impedance 50 ohms, apex angle h/v 70°/65° Omni-directional antenna with vandalism protection, gain 3 dBi, degree of protection IP55, cable length 1.5 m, MCX connection (male), apex angle h/v 360°/85°, corresponding material available for panel mounting.

Antennák Omni-directional antenna, degree of protection IP55, 6 dBi gain, linear vertical, N (female), impedance 50 ohms, apex angle h/v 360°/30°