Termelési folyamatok automatizálása

Termelési folyamatok automatizálása

Kucsera Péter

[email protected]

1. Generációs folyamatirányító rendszerek

Controller

Process

SensorsActuators

Field

Central Control System

2. Generációs folyamatirányító rendszerek

Controller

Process

SensorsActuators

Field

Central Control System

Standard SignalsAnalog: 0-20mAAnalog: 4-20mAAnalog: 0-10VDigital: 0, 24V

3. Generációs folyamatirányító rendszerek

Process

Central Control System

Field Standard SignalsAnalog: 0-20mAAnalog: 4-20mAAnalog: 0-10VDigital: 0, 24V

SensorsActuators

Process Control Station

A/D D/AOPERATOR

TREND, Logging

4. Generációs folyamatirányító rendszerek

Process Control Station

Standard SignalsAnalog: 0-20mAAnalog: 4-20mAAnalog: 0-10VDigital: 0, 24V

Sensors

Process

A/D

Actuators

OPERATORTREND, Logging

D/A

Actuators

Standard SignalsAnalog: 0-20mAAnalog: 4-20mAAnalog: 0-10VDigital: 0, 24V

Process Control Station

Sensors

Central Control System

Field

A/D D/A

Interface to HigherHierarchy System

5. Generációs folyamatirányító rendszerek

Actuators

Process Control Station

Sensors

OPERATORTREND, Logging

Process

Sensors

Central Control System

Field

Process Control Station

Actuators

Interface to HigherHierarchy System

FIELD BUS

Kábel költség csökkentés

PLC PLC

Process1

Process2

Process1

Process2

BUS HEAD

BUS HEAD

HART

20mA

4mA

t

4mA

20mA

t

Standard 4-20mA analoge signalHART

FSK (Frequence Shift Keying)Analoge + Digital

"0" - 2200Hz

"1" - 1200Hz

Upp=1mA

HART

ISO/OSI modell

Fizikai rétegekStandard RS232 RS423 RS422 RS485

Mode Földelt Földelt Különbségi Különbségi

Maximális kliensszám1 adó

1 vevő1 adó

10 vevő 1 adó

10 vevő32 adó

32 vevő

Max. kábel hossz ~12 m. ~1000 m. ~1000 m. ~1000 m..

Max. adat sebesség 20kb/s 100kb/s 10Mb/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

Feszültségszint Terheletlen +/-25V +/-6V +/-6V +/-6V

Terhelő impedancia (Ohms) 3k to 7k >=450 100 54

Vételi feszültségszint +/-15V +/-12V -10V; +10V -7V ; +12V

Vevő érzékenység +/-3V +/-200mV +/-200mV +/-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 protocolhttp://www.modbus.org/docs/Modbus_over_serial_line_V1_02.pdf

MODBUS communicationhttp://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf

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

MODBUS Transactionhttp://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b.pdf

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

Increased plant availabilityHot swappingIn 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 modulesprevents mistakes when replacing them.

RedundancyTo 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 BUSLike 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 TopologyThe 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

Light Barrier

Emergency Stop

Door Lock

ASI Modules

Profibus DP/PADP- 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

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!

CSMA/CD – Carrier Sense (a vonal foglaltságának ellenőrzés) – Multiple Access (Több klienses azonos jogokkal rendelkező hozzáférés) – Colison Detection (ütközés vizsgálat)

ISO-OSI Modell7. 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

DATA

DATATCP Head

DATAIP Head

DATAType CRCMAC SourceMAC Dest.Preamble

Application Layer

Transport Layer

Data Link Layer

8 byte 6 byte 6 byte 2 byte

48-1500 byte

4 byte

IEEE-802.3 frame

MAC Address

00 A0 45 XX XX XX

Gyártó specifikus cím (3 byte)

Eszköz specifikus egyedi cím (3 byte)

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

0

1 0

1 1 0

Class A

Class B

Class C

Network

Network

Network

Computer

Computer

Computer

IP address: 192.168.0.1 11000000.10101000.0000000.00000001

Subnet Mask: 255.255.255.0 11111111.11111111.11111111.00000000

Default Gateway: 192.168.0.123 A router IP-címe

Hálózati topológia

Csomóponti eszköz

A B C D

Csomóponti eszköz

E F G H

A csillag és a sorban fűzött topológia alkalmazása ajánlott. Speciális esetekben a gyűrű struktúra is kivitelezhető

Csomóponti eszközként használható:

- HUB

- SWITCH

- ROOTER

HUB

Port 1.

Port 2.

Port 3. Port 4.

Port 5.

Port 6.A

B

C D

E

F

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

Port 1.

Port 2.

Port 3. Port 4.

Port 5.

Port 6.A

B

C D

E

FRXTX

RXTX

RXTX

RXTX

RXTX

RXTX

MAC Port No.

A BCDEF

23456

MAC Address Table

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

Port 1.

Port 2.

Port 3. Port 4.

Port 5.

Port 6.A

B

C

E

FRXTX

RXTX

RXTX

RXTX

RXTX

RXTX

MAC Port No.

A BCDEF

1 23456

MAC Address Table 1.

Port 1.

Port 2.

Port 3. Port 4.

Port 5.

Port 6.J

I

H D

G

RXTX

RXTX

RXTX

RXTX

RXTX

RXTX

GHIJ

4444

Switch 1.

Switch 2.

MAC Port No.

A BCDEF

6 66466

MAC Address Table 2.

GHIJ

5321

Hogyan lesz az IP-ből MAC

Port 1.

Port 2.

Port 3. Port 4.

Port 5.

Port 6.A

B

C D

E

F

1., "A" kérdezi, kinek az IP címe :XX.XX.XX.XX

Port 1.

Port 2.

Port 3. Port 4.

Port 5.

Port 6.A

B

C D

E

F

2., "D" válaszol, az Ő IP címe :XX.XX.XX.XX, MAC addresse: yy.yy.yy.yy.yy.yy

3., ARP tábla kitöltése: IP címe :XX.XX.XX.XX, MAC addresse: yy.yy.yy.yy.yy.yy

ARP- Address Resolution Protocol

1. Broadcast – Kinek ez az IP címe?

2. Válasz az adott IP.-vel rendelkező klienstől, a MAC address megadásával

3. ARP tábla kitöltése, az adott MAC és IP összepárosítása.

ROUTER

Csomóponti eszköz

A B C D

Csomóponti eszköz

E F G H

Port 1. Port 2.

IP:141.1.0.22Mac:08.00.00.00.00.02

IP:192.168.0.22Mac:08.00.00.00.00.00.01

ROOTER

IP:141.1.0.xxDefault Gateway:141.1.0.22

IP:192.168.0.xxDefault Gateway:192.168.0.22

1. ARP Broadcast B állomásról (kék hálózat).

2. A Rooter veszi a csomagot és detektálja, hogy az elérni kíván kliens a másik alhálozatban van

3. ARP üzenet kiadása a (piros) 2. porton

4. G állomás válaszol az APR lekérdezésre

5. 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

Csomóponti eszköz

A B C D

Csomóponti eszköz

E F G H

Csomóponti eszköz

I J K

Csomóponti eszköz

L M N

BROADCAST

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 működése1. 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

PN csatorna Nyílt csatorna PN csatorna Nyílt csatorna

VLAN – ProfiNet switch képes érzékelni a VLAN tag érkezését, így a ProfiNet csomagok magasabb prioritással kerülnek továbbításra!

Ethernet Frame: 64 - 1518 byte

DATAType CRCMAC SourceMAC Dest.Preamble

8 byte 6 byte 6 byte 2 byte 4 byte

Profinet RT Fames

VLAN

2 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 databits per symbol

1472 bytetransfer duration

(µs)

6 BPSK 1/2 24 2012

9 BPSK 3/4 36 1344

12 QPSK 1/2 48 1008

18 QPSK 3/4 72 672

24 16-QAM 1/2 96 504

36 16-QAM 3/4 144 336

48 64-QAM 2/3 192 252

54 64-QAM 3/4 216 224

Szórt spektrumú frekvenciaugratásos kommunikáció (FHSS – Frequency Hopping

Spread Spectrum )

f1

f2

f3

f4

A

B

C

D

Frequency

Time

A B C D

A küldeni kívánt információ sorosan, a frekvencia csatornák között ugrálva szeletekre bontva kerül továbbításra.

Bluetooth

DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum

f1

f2

f3

f4

0

0

0

Frequency

Time

0111 1000 0000

1

1

1 0

0

1

0

0

0

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.

WLAN Szabványok

Protocol

Release

Date

Op. Frequency

Throughp

ut (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 1999

2.4 GHz

4.3 Mbit/s

11 Mbit/s DSSS ~38 Meters ~140 Meters

802.11g 2003

2.4 GHz

19 Mbit/s

54 Mbit/s OFDM ~38 Meters ~140 Meters

Adatátviteli sebességek 802.11a/h

data rate [Mbit/sec] sensitivity [dBm] modulation b/symbol

6 -82 BPSK 1

9 -81 BPSK 1

12 -79 QPSK 2

18 -77 QPSK 2

24 -74 16-QAM 4

36 -70 16-QAM 4

48 -66 64-QAM 6

54 -65 64-QAM 6

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,

AntennákOmni-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°