ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΠΕΔΙΟΥ

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ ΠΕΔΙΟΥ Πλεονεκτήματα χρήσης των δικτύων πεδίου τοπολογίας διαύλου: Εξασφάλιση αποδοτικής λειτουργίας του συστήματος αυτοματοποίησης της παραγωγικής διαδικασίας Μείωση του κόστους συντήρησης, λόγω της μείωσης των καλωδιώσεων και της ευκολότερης ανίχνευσης και εντόπισης προβλημάτων διασύνδεσης των επί μέρους εργοστασιακών μονάδων Μείωση του κόστους εγκατάστασης λόγω της μείωσης των καλωδιώσεων για τη διασύνδεση των βιομηχανικών συσκευών, σε αντίθεση με τη χρήση ενός ζεύγους καλωδίων για κάθε συσκευή

Δίκτυο Πεδίου Αποτελεί το γενερικό όνομα των συστημάτων που βασίζονται στα πρωτόκολλα του αναδυομένου IEC 1158 προτύπου Ικανοποιούν βασικές απαιτήσεις της βιομηχανίας των συστημάτων ελέγχου π.χ. εξασφάλιση καλωδιακών προτύπων, χαρακτηριστικών ενδογενούς ασφάλειας κτλ.

Διαδεδομένα πρότυπα για τα δίκτυα πεδίου (1) το δίκτυο ‘MAP/MiniMAP’, αναπτύχθηκε από την εταιρεία General Motors. το δίκτυο ‘Foundation Fieldbus’ που αναπτύσσεται από τους οργανισμούς IEC / ISA και Fieldbus Foundation. το δίκτυο ‘PROFIBUS’ που αναπτύχθηκε από γερμανικά πανεπιστήμια σε συνεργασία με βιομηχανίες και αποτελεί γερμανικό πρότυπο και μέρος του Ευρωπαϊκού προτύπου ΕΝ το δίκτυο ‘WorldFIP’ που αναπτύχθηκε από το οργανισμό WorldFIP στην Γαλλία και αποτελεί γαλλικό πρότυπο και μέρος του Ευρωπαϊκού προτύπου ΕΝ50170.

Διαδεδομένα πρότυπα για τα δίκτυα πεδίου (2) το δίκτυο ‘P-NET’ που αναπτύχθηκε από την δανική εταιρεία Process-Data Silkeborg ApS Denmark και τον οργανισμό P- NET και αποτελεί δανικό πρότυπο και μέρος του Ευρωπαϊκού προτύπου ΕΝ το δίκτυο ‘LONWORKS’ που αναπτύχθηκε από την εταιρεία Echelon. το πρωτόκολλο ‘BΙΤBUS’ που αναπτύχθηκε από την εταιρεία Intel και αποτελεί ΙΕΕΕ πρότυπο (ΙΕΕΕ Std 1118). το πρωτόκολλο ‘PROWAY’ που αναπτύχθηκε από τoν οργανισμό IEC. το πρωτόκολλο ‘HART’ που αναπτύχθηκε από την εταιρεία Rosemount.

Διακριτή Διαδικασία Αυτοματοποίησης

Συνεχής Διαδικασία Αυτοματοποίησης

Χρονολογική εξέλιξη προτύπων δικτύων

ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ WorldFIP Παρέχει επικοινωνία ανάμεσα σε απλούς αισθητές / ενεργοποιητές με μονάδες του αμέσως επόμενου εργοστασιακού επιπέδου Μπορεί να χρησιμοποιηθεί με όλους τους τύπους αρχιτεκτονικών: κεντρικοποιημένη, κατανεμημένη, master/slave Ο μηχανισμός της γενικής εκπομπής προς όλους, οποίος αποτελεί βασική αρχή του WorldFIP, εξασφαλίζει την χωρική και χρονική συνέπεια των δεδομένων για όλους τους σταθμούς του δικτύου οι οποίοι καταναλώνουν τα δεδομένα αυτά Ορίζεται σύμφωνα με το μοντέλο των τριών επιπέδων (Φυσικό, Διασύνδεσης Δεδομένων και Εφαρμογής)

Δομή Επιπέδων στο WorldFip

Μηχανισμός Προσπέλασης του Καναλιού WorldFIP Ενα δίκτυο WorldFIP συνίσταται από σταθμούς που συντελούν δύο τύπων διαδικασίες: - διαχείρισης του bus: διαχείριση της προσπέλασης στο μέσο μετάδοσης - συναρτήσεις παραγωγής / κατανάλωσης μεταβλητών Κάθε WorldFIP σταθμός μπορεί ταυτόχρονα να εκτελεί αυτές τις διαδικασίες, αλλά σε κάθε δεδομένη στιγμή μόνο ένας σταθμός μπορεί να εκτελεί τις διαδικασίες διαχείρισης του bus (BA)

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ WorldFIP BA+S SSSS IDLE A ID_DAT_A CCP RP_DAT_A

Οι Πίνακες Διαχείρισης του Διαύλου Η εξέταση των μεταβλητών είναι ντετερμινιστική Το παράδειγμα που φαίνεται στον παρακάνω πίνακα δείχνει πως διαμορφώνεται ο ΒΑ για να εγγυηθεί την ντετερμινιστική εξέταση των μεταβλητών.

Πιθανή κατανομή των ταυτοτήτων Α…F time ABCDEFABCDEF AAABAB ACAC ABDEABDE AABCFABCF AABDEABDE ACAC ABAB AABCDEFABCDEF

Υπολογισμός Φορτίου Δικτύου

Στοιχειώδης κύκλος ΒΑ (μακρόκυκλος) ABCDEFABCDEF A ABAB ACAC ABDEABDE A ABCFABCF A ABDEABDE ACAC ABAB A ABCDEFABCDEF A Elementary cycle macrocycle

Αιτήσεις για Απεριοδικές Μεταφορές Φάση 1η:Ο ΒΑ μεταδίδει προς το δίκτυο ένα πλαίσιο φώτισης αναφορικά με μια μεταβλητή Α σε ένα παράθυρο που έχει τεθεί για απεριοδική κίνηση, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Ο παραγωγός της μεταβλητής Α αποκρίνεται με την τιμή της μεταβλητής αυτής και θέτει ένα bit απεριοδικής αίτησης στο πεδίο ελέγχου αυτού του πλαισίου απόκρισης (RQ). O BA σημειώνει τη μεταβλητή Α στην ουρά των αιτήσεων για μεταφορές μεταβλητών.

ΦΑΣΗ 1 η

Αιτήσεις για Απεριοδικές Μεταφορές Φάση 2η: Ο ΒΑ μέσα στο παράθυρο το αντίστοιχο για την διακίνηση απεριοδικών μεταβλητών, χρησιμοποιεί ένα πλαίσιο αίτησης ταυτότητας (ID_RQ) για να ζητήσει από τον παραγωγό της μεταβλητής Α να μεταδώσει την αίτησή του. Ο παραγωγός της Α αποκρίνεται με ένα πλαίσιο τύπου RP_RQ (λίστα ταυτοτήτων). Αυτή η λίστα ταυτοτήτων λαμβάνεται υπ’ όψιν από την ΒΑ, ο οποίος την αποθηκεύει σε μία διαφορετική ουρά.

ΦΑΣΗ 2 η

Αιτήσεις για Απεριοδικές Μεταφορές Φάση 3η:Αυτή η τρίτη και τελευταία φάση λαμβάνει χώρα σε ένα περιοδικό και συνίσταται από το “γέμισμα” των αιτήσεων για απεριοδικές μεταφορές που είναι αποθηκευμένες στην ουρά του ΒΑ. Ο ΒΑ “γεμίζει” μία ή περισσότερες αιτήσεις αναλόγως του χρόνου που υπολείπεται στον στοιχειώδη κύκλο γι’ αυτόν τον τύπο κίνησης. Για να γίνει αυτό, ο ΒΑ χρησιμοποιεί τον ίδιο μηχανισμό που αναφέρθηκε προηγουμένως, δηλαδή μεταδίδει μία ταυτότητα μεταβλητής, η οποία είτε παράγεται από τον μοναδικό παραγωγό της και καταναλώνεται από όλους τους σταθμούς που είναι “συνδρομητές” αυτής της μεταβλητής.

ΦΑΣΗ 3 η

Αίτηση Μετάδοσης Μηνυμάτων Χωρίς Επιβεβαίωση Φάση 1η: O ΒΑ καλεί για την ταυτότητα (μηνύματος / μεταβλητής) Α. Ο παραγωγός της Α αποκρίνεται με την τιμή της και δηλώνει στο bit ελέγχου του πεδίου (MSG bit) ότι έχει μία αίτηση για μετάδοση μηνύματος, όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα.

ΦΑΣΗ 1 η

Αίτηση Μετάδοσης Μηνυμάτων Χωρίς Επιβεβαίωση Φάση 2η: Σε ένα παράθυρο εξυπηρέτησης απεριοδικής κίνησης, ο ΒΑ δίνει στον παραγωγό του Α το δικαίωμα να ‘μιλήσει’, οπότε αυτός μεταδίδει το μήνυμα του που περιλαμβάνει την διεύθυνση του και την (τις) διευθύνση(εις) του(ων) σταθμού(ών) σε ένα μήνυμα τύπου RP_MSG_NOACK, όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα.

ΦΑΣΗ 2 η

Αίτηση Μετάδοσης Μηνυμάτων Χωρίς Επιβεβαίωση Φάση 3η: Η φάση αυτή επιστρέφει τον έλεγχο στον ΒΑ.

Αιτήσεις Μεταφοράς Μηνυμάτων με Επιβεβαίωση Ο πομπός του μηνύματος αποκρίνεται με ένα πλαίσιο τύπου RP_MSG_ACK, αντί με ένα RP_MSG_NOACK. Αυτή η μεταφορά είναι από- σημείο-σε-σημείο

Αιτήσεις Μεταφοράς Μηνυμάτων με Επιβεβαίωση (2) Ο σταθμός προορισμού αποκρίνεται με ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης και τότε ο πομπός σηματοδοτεί το τέλος της διακίνησης του τέλους της μετάδοσης του στον ΒΑ (RP_FIN)

ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ PROFIBUS

PROFIBUS - Γενικά γερμανικό πρότυπο δικτύων πεδίου (DIN ,2) και έχει υιοθετηθεί ως μέρος του αντίστοιχου Ευρωπαϊκού προτύπου (ΕΝ50170) περιγράφονται τα τεχνικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά ενός σειριακού δικτύου διασυνδέει κατανεμημένους σταθμούς στο χαμηλότερο επίπεδο περιέχει τόσο κύριους ή κεντρικούς (master) όσο και εξαρτημένους σταθμούς (slaves).

Το δίκτυο PROFIBUS στο εργοστασιακό περιβάλλον

Δομή – Λειτουργία Ένας κεντρικός σταθμός είναι ικανός να ελέγχει το κανάλι μετάδοσης, π.χ. να μεταδίδει μηνύματα χωρίς αίτηση, όταν έχει το δικαίωμα (token). Οι κύριοι ονομάζονται και ενεργοί σταθμοί και μπορεί να είναι PLC’s, CNC’s και ελεγκτές - κυττάρου. Ένας εξαρτημένος (ή δευτερεύων) σταθμός είναι συνήθως μια απλή συσκευή, π.χ. αισθητές, ενεργοποιητές, και δεν έχει δικαίωμα χρήσης του καναλιού παρά μόνο όταν απαντά ή επιβεβαιώνει μηνύματα που προέρχονται από κάποιον κύριο σταθμό. Ονομάζονται, επίσης, και παθητικοί σταθμοί και υλοποιούν ένα μέρος μόνο του πρωτοκόλλου.

Η αρχιτεκτονική του πρωτοκόλλου PROFIBUS

PROFIBUS-DP χρησιμοποιεί τα επίπεδα 1 και 2 και την διεπαφή χρήστη (user interface). Τα επίπεδα 3 έως 7 δεν καθορίζονται. Το Direct Data Link Mapper (DDLM) παρέχει στη διεπαφή χρήστη εύκολη πρόσβαση στο επίπεδο 2. Οι συναρτήσεις εφαρμογής που είναι διαθέσιμες στον χρήστη, όπως επίσης η συμπεριφορά του συστήματος και των διαφόρων τύπων συσκευών του PROFIBUS-DP προδιαγράφονται στη διεπαφή χρήστη. Η μετάδοση μπορεί να γίνει με την τεχνολογία RS-485 ή με οπτικές ίνες.

PROFIBUS-FMS καθορίζονται τα επίπεδα 1, 2 και 7. Το επίπεδο εφαρμογής αποτελείται από το FMS και το LLI Το FMS περιλαμβάνει το πρωτόκολλο της εφαρμογής και παρέχει στον χρήστη ένα ευρύ πεδίο δυναμικών υπηρεσιών επικοινωνίας. Το LLI εφαρμόζει τις ποικίλες επικοινωνιακές σχέσεις και παρέχει στο FMS πρόσβαση στο επίπεδο 2, η οποία είναι ανεξάρτητη της συσκευής πεδίου. Το επίπεδο 2 (FDL, Διασύνδεση Δεδομένων Δικτύου Πεδίου) πραγματοποιεί τον έλεγχο πρόσβασης στο επικοινωνιακό μέσο και εξασφαλίζει την προστασία των δεδομένων. Για την μετάδοση είναι διαθέσιμες οι τεχνολογίες μετάδοσης RS-485 και οπτικών ινών.

PROFIBUS-PA χρησιμοποιεί το επεκταμένο PROFIBUS-DP πρωτόκολλο για μετάδοση δεδομένων. Επιπρόσθετα χρησιμοποιείται το PA profile, το οποίο καθορίζει την συμπεριφορά των συσκευών πεδίου. Η τεχνολογία της μετάδοσης είναι σύμφωνη με το πρότυπο IEC και επιτρέπει ενδογενή ασφάλεια (intrinsic safety) και επίσης δίνει την δυνατότητα τροφοδοσίας των συσκευών πεδίου από το επικοινωνιακό μέσο. Οι συσκευές για PROFIBUS-PA μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα σε δίκτυα PROFIBUS-DP με την χρήση συζευκτών ή διασυνδετών τμημάτων δικτύου.

Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων του PROFIBUS Το PROFIBUS πρωτόκολλο έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να καλύπτει δύο βασικές απαιτήσεις για τον MAC: Κατά την διάρκεια της επικοινωνίας πολύπλοκων σταθμών αυτοματισμού (κύριοι σταθμοί), πρέπει να εξασφαλιστεί ότι κάθε ένας από αυτούς έχει στην διάθεση του αρκετό χρόνο για να εκτελέσει τα επικοινωνιακά του έργα μέσα σε έναν ακριβώς καθορισμένο χρονικό περιθώριο. Η κυκλική μετάδοση πραγματικού χρόνου πρέπει να υλοποιηθεί όσο πιο γρήγορα και απλά γίνεται κατά την επικοινωνία μεταξύ ενός πολύπλοκου προγραμματιζόμενου ελεγκτή και τις απλές συσκευές εισόδου, εξόδου (εξαρτημένοι σταθμοί) που του έχουν ανατεθεί.

PROFIBUS MAC ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Το προηγούμενο σχήμα δείχνει ένα δίκτυο PROFIBUS με τρεις ενεργούς σταθμούς (κύριους) και επτά παθητικούς σταθμούς (εξαρτημένους). Οι τρεις κύριοι σταθμοί σχηματίζουν ένα λογικό δακτύλιο κουπονιού. Οταν ένας ενεργητικός σταθμός λάβει το πακέτο του κουπονιού, μπορεί να εκπληρώσει το έργο του ως κύριος για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Κατά την διάρκεια αυτού του χρόνου μπορεί να επικοινωνεί με όλους τους παθητικούς σταθμούς που του έχουν ανατεθεί μέσω της διαδικασίας polling και με όλους τους ενεργητικούς κύριους σταθμούς με την διαδικασία κουπονιού

To ΔΙΚΤΥΟ P-NET

P-NET - Γενικά Aποτελεί μέρος του ευρωπαϊκού προτύπου ΕΝ50170, έχει σημαντικές ομοιότητες με το δίκτυο PROFIBUS, όπως πχ. το υβριδικό πρωτόκολλοMAC. Η βασική διαφορά μεταξύ των δύο συστημάτων είναι ο μηχανισμός του νοητού ‘κουπονιού’ για το MAC Σχεδιάσθηκε για την διασύνδεση μονάδων κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου διαδικασιών, όπως υπολογιστές ελέγχου, έξυπνοι αισθητές και ενεργοποιητές, συσκευές E/E, κεντρικοί ελεγκτές και ελεγκτές πεδίου, PLCs κλπ. Δισύρματο κανάλι επικοινωνίας όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Χαμηλό κόστος του κόμβου του δικτύου P-NET,

Η δομή του δικτύου πεδίου P-NET

Η Επικοινωνιακή Αρχιτεκτονική του P-NET Το δίκτυο P-NET προδιαγράφεται και υλοποιείται σύμφωνα με το OSI-RM ορίζοντας τα επίπεδα 1, 2, 3, 4 και 7

Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων P-NET Το επίπεδο αυτό διαχειρίζεται το νοητό ‘κουπόνι’ μεταξύ των πολλαπλών κύριων σταθμών, το P-NET μπορεί να δεχθεί έως 32 κύριους κόμβους ανά τμήμα δικτύου. Οι επικοινωνίες βασίζονται στην αρχή όπου ένας κύριος σταθμός στέλνει μία αίτηση προς ένα εξαρτημένο σταθμό, ο οποίος στη συνέχεια επιστρέφει μία άμεση απάντηση, όπως προβλέπεται από το πρωτόκολλο polling Το δικαίωμα χρήσης του διαύλου μεταφέρεται από ένα κύριο σταθμό στον επόμενο με την διαδικασία του πρωτοκόλλου του νοητού ‘κουπονιού’ Αύξηση του υπολογιστικού χρόνου του κύριου σταθμού, η μείωση της χωρητικότητας του διαύλου και η μείωση της αξιοπιστίας του συστήματος σε περιπτώσεις που συμβαίνει λάθος στην μετάδοση του ‘κουπονιού’ (χάσιμο ‘κουπονιού, πολλαπλά ‘κουπόνια’)

Το Επίπεδο Δικτύου P-NET Λαμβάνει και μεταδίδει τα πλαίσια στη διεύθυνση προορισμού. Ένα μήνυμα μπορεί να απαιτείται να μεταδοθεί σε μία άλλη P-NET θύρα (δίκτυο) ή μέσα σε μία P- NET υπηρεσία ή πίσω στην αιτούσα εφαρμογή ή να επιστρέψει ένα μήνυμα ενδεικτικό μιας άγνωστης διεύθυνσης. Εκτελεί την μετατροπή διεύθυνσης που είναι απαραίτητη για να οδηγηθεί σωστά το μήνυμα απόκρισης