Diploma [Komunikacijske strukture avtomatiziranih ...proizvodno-poslovnih sistemih. Kljub temu da je...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

DIPLOMSKO DELO

Maribor, junij 2008 Gregor DOLINŠEK

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Gregor DOLINŠEK

KOMUNIKACIJSKE STRUKTURE AVTOMATIZIRANIH PROIZVODNIH PROCESOV

Diplomsko delo

Maribor, junij 2008

I

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

2000 Maribor, Smetanova ul. 17

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa


Študent: Gregor DOLINŠEK Študijski program: visokošolski strokovni, Elektrotehnika Smer: Elektronika

Mentor: doc. dr. Mitja SOLAR

Somentor: doc. dr. Bojan JARC

Maribor, junij 2008

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju, profesorju dr. Mitji SOLARJU

za pomoč, vodenje in koristne nasvete pri izdelavi

diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem vsem

sodelavcem iz Priprave Vzdrževanja v Gorenju, za

dobro tehnično in praktično pomoč pri izvedbi diplomske

naloge.

IV


Ključne besede: proizvodni procesi, komunikacijske strukture, industrijska omrežja,

I/O, AS-i, MPI, Profibus, Ethernet

UDK: 004.7:658.562(043.2)

Povzetek

Diplomsko delo opisuje gradnike in osnovne značilnosti najpogosteje uporabljenih

komunikacijskih struktur v avtomatiziranih proizvodnih procesih. V prvem delu so opisane

posamezne vrste mrež s svojimi značilnostmi in gradniki, umestitev posameznih mrež v

hierarhično strukturo ter povezljivosti med nivoji. Izdelani so modeli različnih

komunikacijskih struktur od krmilnega PLC do PC nivoja. V drugem delu naloge sledi

opis primera komunikacijske strukture odvoza gotovih izdelkov iz proizvodnih linij preko

razvrščanja in uskladiščevanja izdelkov v avtomatizirano visoko regalno skladišče Navis -

Gorenje.

V

COMMUNICATION STRUCTURES OF AUTOMATED MANUFACTURING PROCESSES

Keywords: manufacturing processes, communication structures, industrial networks,

I/O, AS-i, MPI, Profibus, Ethernet

UDK: 004.7:658.562(043.2)

Abstract

This thesis presents a description of components and basic characteristics of the most

commonly used communication structures in automated manufacturing processes. The first

part of the thesis describes specific types of networks with their characteristics and

components, integration of individual networks into a hierarchical structure, and

connectivity between levels. Different models of communication structures from a

controlling PLC to PC level are presented. The second part of the thesis presents an

example of a communication structure for the transport of finished products from

production lines, sorting and storing of products, in the automated warehouse with high

storage racks, Navis – Gorenje.

VI

KAZALO

1. UVOD ........................................................................................................................... 1

2. INDUSTRIJSKA OMREŽJA .................................................................................... 2

2.1 NIVOJSKA STRUKTURA OMREŽJA .......................................................... 2

2.2 ISO/OSI REFERENČNI MODEL................................................................... 3

2.3 TCP/IP MODEL ................................................................................................. 5

2.4 OMREŽJA UPORABLJENA V INDUSTRIJI ................................................ 7

3. AS-i.............................................................................................................................. 10

3.1 ARHITEKTURA IN STANDARD IEC .......................................................... 10

3.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE.................................................................. 11

3.3 PRENOSNI MEDIJ IN TEHNIKE PRENOSA ............................................. 12

3.4 OSNOVNI GRADNIKI AS-i OMREŽJA ....................................................... 15

4. PROFIBUS................................................................................................................. 18

4.1 ARHITEKTURA IN VERZIJE PROFIBUS PROTOKOLA....................... 18

4.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE................................................................. 20

4.3 PRENOSNI MEDIJ IN TEHNIKE PRENOSA............................................ 20

4.3.1 PROTOKOL RS-485 (fizična plast) .......................................................... 21

4.3.2 OPTIČNI VODNIKI (fizična plast) ........................................................... 26

4.3.3 STANDARD IEC 1158-2 (fizična plast) .................................................... 27

4.3.4 IR KOMUNIKACIJA (fizična plast).......................................................... 28

4.4 GRADNIKI PROFIBUS OMREŽJA .............................................................. 28

5. INDUSTRIJSKI ETHERNET ................................................................................. 32

5.1 ARHITEKTURA IN STANDARD IEEE 802.3.............................................. 32

5.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE.................................................................. 34

5.3 OMREŽJA IN PRENOSNI MEDIJI............................................................... 35

5.3.1 INDUSTRIJSKI ETHERNET (10 Mb/s) .................................................. 36

5.3.2 HITRI ETHERNET (100 Mb/s) ................................................................ 38

6. REZULTATI.............................................................................................................. 40

VII

6.1 KOMUNIKACIJSKE STRUKTURE LOGISTIČNIH PROCESOV V

SKLADIŠČE NAVIS..................................................................................................... 40

6.2 ODVOZ IN SKLADIŠČENJE GOTOVIH IZDELKOV - HZA .................. 41

6.3 NALAGALNA CONA S TRANSPORTNIM SISTEMOM EVTV – HZA.. 41

6.4 TRANSPORTNI SISTEM EVTV – HZA ....................................................... 49

6.5 RAZLAGALNI SISTEM Z RAZVRŠČANJEM IN

VSKLADIŠČEVANJEM-HZA .................................................................................... 55

7. SKLEP ........................................................................................................................ 64

VIII

KAZALO SLIK Slika 2.1 : Nivojska struktura industrijskih omrežij.....................................................................................2 Slika 2.2 : Povezava komunikacijskih partnerjev po ISO/OSI modelu.......................................................4 Slika 2.3 : Primerjava ISO/OSI in TCP/IP modela.......................................................................................6 Slika 3.1 : Topologija AS-i omrežja [1] ........................................................................................................10 Slika 3.2 : AS-i kabel [11] ..............................................................................................................................12 Slika 3.3 : Gospodar-suženj komunikacija [11]...........................................................................................13 Slika 3.4 : AS-i gospodarji .............................................................................................................................15 Slika 3.5 : AS-i sužnji .....................................................................................................................................16 Slika 3.6 : AS-i napajalnik.............................................................................................................................16 Slika 3.7 : AS-i ponavljalnik..........................................................................................................................17 Slika 4.1 : ISO/OSI Profibus .........................................................................................................................18 Slika 4.2 : Profibus kabel s priključnim konektorjem [5]...........................................................................21 Slika 4.3 : Zgradba standardnega Profibus kabla [5] .................................................................................21 Slika 4.4 : Profibus Sub-D konektorji [5].....................................................................................................22 Slika 4.5 : Opis posameznih pinov Sub-D konektorja [5] ...........................................................................23 Slika 4.6 : Ciklični čas vodila glede na hitrost in glede na število udeležencev [20]...............................23 Slika 4.7 : Struktura RS485..........................................................................................................................24 Slika 4.8 : Primer komunikacijske strukture pri protokolu 485 [5] ........................................................25 Slika 4.9 : Primer Profibus komunikacijske strukture z optičnimi vodniki [5] .....................................26 Slika 4.10 : Primer Profibus-PA komunikacije [5] ....................................................................................27 Slika 4.11 : Primer Profibus komunikacijske strukture z IR-ILM moduli [5].......................................28 Slika 4.12 : Inteligentni moduli gospodar-suženj Profibus DP.................................................................29 Slika 4.13 : Profibus modularni in kompaktni suženj moduli..................................................................29 Slika 4.14 : Ponavljalnik-Profibus DP.........................................................................................................30 Slika 4.15 : Profibus DP-DP povezovalnik..................................................................................................30 Slika 4.16 : Profibus DP-HMI naprave .......................................................................................................31 Slika 4.17 : Različni gradniki Profibus omrežja ........................................................................................31 Slika 5.1 : Primer Industrijskega Etherneta v konceptu SIMATIC NET [4] ...........................................33 Slika 5.2 : Uporaba klasičnega in hitrega Etherneta [12] ...........................................................................35 Slika 5.3 : RJ-45 in SUB-D konektorji [6]....................................................................................................37 Slika 5.4 : Kabel z optičnimi vlakni [6] ........................................................................................................37 Slika 5.5 : Industrijska sukana parica [6] ....................................................................................................39 Slika 6.1 : Logistične poti odvoza gotovih izdelkov iz proizvodnih programov v Gorenju d.d. .............40 Slika 6.2 : Struktura odvoza gotovih izdelkov iz programa HZA..............................................................41 Slika 6.3 : Struktura komunikacijskega omrežja nalagalne cone s transportnim sistemom HZA .........42 Slika 6.4 : Nalagalna cona s transportnim sistemom EVTV - HZA...........................................................43 Slika 6.5 : Izmenjava I/O komunikacijskih signalov med nalagalno cono in proizvodno linijo..............44 Slika 6.6 : Struktura Profibus-DP omrežja nalagalne cone s transportnim sistemom HZA...................45

IX

Slika 6.7 : Konfiguracija S7 komunikacij v programskem orodju Simatic Manager..............................46 Slika 6.8 : Primer nastavitve S7 komunikacije v programskem orodju Simatic Manager......................47 Slika 6.9 : Transportni sistem EVTV-HZA .................................................................................................49 Slika 6.10 : Struktura komunikacijskega omrežja transportnega sistema EVTV-HZA .........................50 Slika 6.11 : Struktura Profibus-DP omrežja transportnega sistema EVTV-HZA ...................................51 Slika 6.12 : Primer komunikacije in ločevanje dveh različnih Profibus-DP omrežij ...............................52 Slika 6.13 : Nastavitve vhodno-izhodnih signalov modula DP-DP COUPLER ........................................52 Slika 6.14 : Programske funkcije in način komunikacije med dvema Profibus-DP omrežjema.............53 Slika 6.15 : Podatkovni blok DB145 – način komunikacije med nalagalno cono in samostojnim

transporterju EVTV-HZA...................................................................................................................54 Slika 6.16 : Sistem razvrščanja in uskladiščevanja izdelkov programa HZA v skladišču NAVIS..........55 Slika 6.17 : Struktura komunikacijskega omrežja sistema za razvrščanje in uskladiščevanje izdelkov

programa HZA .....................................................................................................................................56 Slika 6.18 : Struktura Profibus-DP omrežja sistema za razvrščanje in uskladiščevanje izdelkov

programa HZA .....................................................................................................................................58 Slika 6.19 : Prenos Profibus-DP signala preko drsnih vodov s pomočjo modula Power Rail Booster ...59 Slika 6.20 : Komunikacija gospodar-suženj, roboti KUKA .......................................................................60 Slika 6.21 : Nastavitev Profibus komunikacije na modulu Siemens CP443-5 Basic ................................61 Slika 6.22 : AVISO telegram .........................................................................................................................61 Slika 6.23 : Nadzorna aplikacija Siemens WinCC ......................................................................................62

X

KAZALO TABEL Tabela 2.1 : Omrežja v industriji....................................................................................................................7 Tabela 3.1 : Specifikacija AS-i [3].................................................................................................................11 Tabela 3.2 : Osnovne karakteristike AS-i omrežja .....................................................................................12 Tabela 3.3 : Naslovi sužnjev ..........................................................................................................................14 Tabela 4.1 : Lastnosti posameznih Profibus omrežji ..................................................................................19 Tabela 4.2 : Splošne karakteristike Profibus omrežij .................................................................................20 Tabela 4.3 : Karakteristični podatki standardnega Profibus kabla ..........................................................22 Tabela 4.4 : Prenosne hitrosti glede na dolžino omrežnega kabla .............................................................23 Tabela 4.5 : Karakteristike vodnikov z optičnimi vlakni............................................................................26 Tabela 5.1 : Primerjava Industrijskega in Pisarniškega Etherneta...........................................................32 Tabela 5.2 : Razvoj in nadgradnja standarda IEEE 802.3.........................................................................34 Tabela 5.3 : Splošne karakteristike Industrijskega Etherneta...................................................................35 Tabela 5.4 : Fizične lastnosti Etherneta .......................................................................................................36 Tabela 5.5 : Primerjava klasičnega in hitrega Etherneta [6]......................................................................38 Tabela 6.1 : Razporeditev Profibus-DP naslovov nalagalne cone s transportnim sistemom HZA .........46 Tabela 6.2 : Prenos podatkov preko programske funkcije »GET« ...........................................................47 Tabela 6.3 : IP naslovi komunikacijskih partnerjev omrežja Ethernet ....................................................48 Tabela 6.4 : Razporeditev Profibus-DP naslovov transportnega sistema EVTV-HZA ...........................51 Tabela 6.5 : IP naslovi komunikacijskih partnerjev omrežja Ethernet ....................................................54 Tabela 6.6 : Razporeditev Profibus-DP naslovov sistema za razvrščanje in uskladiščevanje izdelkov

programa HZA .....................................................................................................................................59 Tabela 6.7 : IP naslov omrežja Ethernet sistema za razvrščanje in uskladiščevanje-HZA .....................63

XI

UPORABLJENE KRATICE LAN Lokalno računalniško omrežje (Local Area Network)

TCP Protokol za nadzor prenosa (Transmision Control Protocol)

IP Internetni protokol (Internet Protocol)

MAC Krmiljenje dostopa do medija (Media Access Control)

AS-i Aktuatorski senzorski vmesnik (Actuator Sensor Interface)

PLC Programabilna logična enota (Programmable Logic Controller)

ISO Mednarodna organizacija za standardizacijo (International Organization

for Standardization)

OSI Odprt sistem notranjih povezav (Open Systems Interconnection)

FCP Protokol vlakenskega kanala (Fibre Channel Protocol)

UDP Protokol uporabniških podatkov (User Data Protocol)

RPC Klic za oddaljen postopek (Remote Procedure Call)

SMTP Preprosti protokol za prenos pošte (Simple Mail Transfer Protocol)

CAN Kontrolno področno omrežje (Controller Area Network)

TP Zvita parica (Twisted Pair)

UP Neoklopljena parica (Unshielded Pair)

FTP Folijsko zvita parica (Foiled Twisted Pair)

UTP Neoklopljena zvita parica (Unshielded Twisted Pair)

STP Oklopljena Zvita parica (Shielded Twisted Pair)

STO Seriplex tehnologijska organizacija (Seriplex Technology Organization)

DP Decentralizirana periferija (Decentralized Peripherals)

FMS Področna sporočila (Fieldbus Massage Specification)

PA Procesna avtomatizacija (Process Automation)

MT Gospodarjev telegram (Master Telegram)

ST Suženjski telegram (Slave Telegram)

EEPROM Električno izbrisljiv programirljiv bralni pomnilnik (Electrically

Erasable Programmable Read Only Memory)

I/O Vhod / Izhod (Input / Output)

IR Infrardeče (Infrared)

PVC Polivinilklorid (Polyvinyl chloride)

XII

FC Vlakenski kanal (Fibre Channel)

RxD Sprejeti izmenjevalni podatki (Received eXchange Data)

TxD Oddani izmenjevalni podatki (Transmit eXchange Data)

R-C Upornost – Kapacitivnost (Resistor Capacitor)

ILM Infrardeči povezovalni modul (Infrared Link Module)

HMI Vmesnik človek stroj (Human Machine Interface)

CSMA/CD Sodostop z zaznavanjem nosilca in z odkrivanjem trkov (Carrier Sense

Multiple Access With Collision Detection)

IEC Mednarodno elektrotehnična komisija (International Electrotechnical

Commission)

EN Evropski standard (European Standards)

EIA Združenje industrije z elektroniko (Electronic Industries Alliance)

IEEE Inštitut za elektro in elektronski inžiniring (Institute of Electrical and

Electronics Engineers)

CPU Centralno procesna enota (Central Processing Unit)

WMS Skladiščno upravljalni sistem (Warehouse Management System)

WCS Skladiščno kontrolni sistem (Warehouse Control System)

WinCC Kontrolni center (Windows Control Center)

OPC Objektno povezovanje in vstavljanje za kontrolo procesa (OLE for

Process Control)

OLE Objektno povezovanje in vstavljanje (Object Linking and Embedding)

MPI Več točkovni vmesnik (Multi Point Interface)

DB Podatkovni blok (Data Block)

HZA Hladilno Zamrzovalni Aparati

PPA Pralno Pomivalni Aparati

KA Kuhalni Aparati

EVTV Elektropogonski Viseči Transporter Vzdrževanja

Komunikacijske strukture avtomatiziranih proizvodnih procesov 1

1. UVOD Potreba in interes po vse bolj avtomatiziranih proizvodnih procesih je v zadnjih dvajsetih

letih na področje avtomatike prinesla velik razvoj in napredek. Iz enostavnih elektronskih

krmilij, ki so v začetku le zamenjali robustne relejne sisteme, se je razvila nova generacija

sodobnih mikroprocesorskih krmilnih sistemov. Le-ti pa s svojo multiprocesorsko

tehnologijo, decentralizirano in hierarhično organizacijo ter z razvejanimi več nivojskimi

komunikacijskimi strukturami omogočajo vodenje in potek proizvodnje v velikih

proizvodno-poslovnih sistemih. Kljub temu da je zmogljivost krmilnih sistemov narasla,

le-ti zaradi svojega delovnega okolja še vedno ohranjajo bistvene lastnosti kot so:

robustnost, odpornost, povezljivost in vsesplošna obvladljivost. Trend današnjih

proizvajalcev prostoprogramljivih sistemov, je tako vsestranska in enostavna uporaba,

enostavna vgradnja in nadgradnja ter povezljivost sistemov za dosego popolno integriranih

avtomatiziranih procesov.

Cilj proizvajalcev elementov avtomatizacijske tehnike je postala odprta komunikacijska

arhitektura, z željo po osvojitvi čim več s standardom predpisanih komunikacijskih

protokolov in si tako zagotoviti fleksibilnost pri povezljivosti elementov različnih

proizvajalcev v enotno obvladljiv avtomatiziran proces. Komunikacijske strukture s svojo

hierarhično širino ter vsesplošnimi možnostmi povezljivosti mikroprocesorskih krmilnih

sistemov že vodijo v omrežja, kjer se na istih LAN omrežjih srečujejo osebni računalniki,

serverji, informacijski in nadzorni sistemi ter druge naprave TCP/IP protokola.

V diplomskem delu so predstavljena industrijska omrežja, njihove lastnosti, karakteristike

in protokoli za povezljivost v celovit komunikacijski sistem. Po poglavjih so tako opisana

nekatera izmed mnogih omrežij, ki nastopajo v svetu avtomatizacije. Izbira in opis

posameznih mrež pa sovpada s hiearhično opredelitvijo od najnižjega senzorskega nivoja,

preko pasivno in aktivno povezljivih elementov, do najvišjega informacijsko tehnološkega

upravljalnega nivoja. Kot primer uspešno zastavljene in v praksi delujoče komunikacijske

strukture, je v zadnjem poglavju predstavljena komunikacijska struktura odvoza gotovih

izdelkov z razvrščanjem v skladišču Navis v Gorenju.

Gregor Dolinšek, Diplomsko delo 2

2. INDUSTRIJSKA OMREŽJA

Informacijska tehnologija določa v sedanjem času posledično tudi rast tehnologije v avtomatizaciji. Njena rast je povzročila, da sedaj pokriva vsa področja od procesa, nadzora proizvodnje do logistike podjetja. Komunikacije znotraj istih nivojev so postale vse bolj direktne, kar pomeni, da komunikacijska partnerja komunicirata brez posrednikov. Vse bolj direktne pa postajajo tudi komunikacije navzgor po hi erarhični strukturi. Industrijska omrežja v grobem razdelimo v štiri skupine oziroma nivoje, kot je prikazano na sliki 2.1.

Slika 2.1 : Nivojska struktura industrijskih omrežij

2.1 NIVOJSKA STRUKTURA OMREŽJA

Senzorsko/Aktuatorski nivo To je najnižja plast v industrijskih komunikacijah. Na tem nivoju gre za komunikacijo med nadrejenim krmilnim sistemom (gospodar) in senzorji ter aktuatorji, ki so priključeni na podomrežje. Karakteristika omrežja v tem nivoju je hiter odzivni čas in majhno število podatkovnih bitov. V tem nivoju se najpogosteje uporablja AS-interface vodilo. Podatki, ki jih prenašamo na tem nivoju, so kratki, saj gre le za prenos stanja binarnih senzorjev v procesno enoto in povratnih podatkov nazaj na aktuatorje. Fizično gre tu za razmeroma poceni instalacijsko tehniko, pri kateri so v enem kablu združene podatkovne žice in žice za napajanje senzorjev.


Področni nivo Na tem nivoju gre običajno za komunikacijo med porazdeljenimi vhodno/izhodnimi enotami, merilnimi pretvorniki, operacijskimi paneli in regulatorji, ki komunicirajo z avtomatizacijskim sistemom v realnem času. Procesni podatki se prenašajo ciklično od vsake periferne enote v krmilno procesno enoto, medtem ko se alarmi in parametri prenašajo aciklično. Celični nivo Na tem nivoju gre za komunikacijo med krmilniki in industrijskimi računalniki. Od komunikacije na tem nivoju se zahteva prenos velikih podatkovnih paketov in veliko število kompleksnih funkcij. Istočasno pa mora nuditi enostavno integracijo v višje nivoje industrijske avtomatizacije in svetovni splet. Na tem nivoju uporabljamo Ethernet ali Profibus omrežje. Management nivo Na tem nivoju se izvajajo vodstvena opravila, ki vplivajo na celotno strukturo avtomatizacije. To vključuje shranjevanje procesnih podatkov, optimizacijo in procesiranje avtomatskih funkcij, kot izhod pa tudi izdelava poročil.

2.2 ISO/OSI REFERENČNI MODEL

Namen OSI standardnega modela je zagotoviti osnovo za koordinacijo razvoja standardov namenjenih povezovanju sistemov. OSI okolje obsega omrežno okolje in uporabniško usmerjene protokole ter standarde, ki omogočajo odprto komunikacijo. Zato ISO/OSI referenčni model (slika 2.2) definira sedem-plastno strukturo, ki je razdeljena v dve skupini. Plasti od pet do sedem štejemo med uporabniško orientirane plasti, ki omogočijo uporabniku sprejemljiv dostop do omrežja in njegovo uporabo. Plasti od ena do štiri pa štejemo med omrežno orientirane plasti, ki skrbijo za prenos podatkov iz ene na drugo lokacijo. Komunikacija med partnerjema se vrši tako, da lahko določena plast komunicira le z enako plastjo pri drugem komunikacijskem partnerju. Pri čemer je na nižjih nivojih povezava transparentna. To pomeni, da povezava med nivoji obstaja, kot uporabnik pa je ne opazimo. V višjih plasteh je povezava navidezna. Uporabnik vidi povezavo, ki dejansko ne obstaja.


Aplikacijska plast Aplikacijska plast

Predstavitvena plast Predstavitvena plast

Plast seje

od uporabnika odvisne plasti

virtualna povezava

Plast seje

Transportna plast Transportna plast

Mrežna plast Mrežna plast

Povezovalna plast Povezovalna plast

Fizična plast

od omrežja odvisne plasti

transparenta povezava

Fizična plast

Slika 2.2 : Povezava komunikacijskih partnerjev po ISO/OSI modelu

Fizična plast je aktualni medij, ki prenaša bitni tok in vsebuje določila o lastnostih fizičnih

medijev, mehanskih priključkih, vrsti signalov, hitrosti prenosa in postopku povezave

računalnikov [14]. Povezuje vse komunikacijske naprave in mreže. Prenosni medij je

lahko: optično vlakno, prepletena bakrena parica, koaksialni kabel, zrak, vesolje, zemlja in

tako dalje. Po medijih se običajno prenaša elektro-magnetno ali optično valovanje. K

fizični plasti spadajo tudi oddajnik, sprejemnik, oddajne in sprejemne antene, sateliti,

konektorji in tako dalje.

Povezovalna plast vsebuje funkcije, ki zagotavljajo varno in transparentno povezavo. V

tej plasti se ugotavlja in odpravlja napake pri prenosu, omogoča dostop do prenosnega

medija, opravlja se nadzor nad oddajo in sprejemom podatkov. Plast povezave podatkov

izvaja: kontrolo napak, kontrolo toka podatkov, sinhronizira sprejemnik na prihajajoči bitni

tok ter dekodira bitni tok [14]. Pri povezovalni plasti je pomembno, da je okvir sestavljen iz

primerne kombinacije informacijskih bitov ter bitov kontrole informacije. Glede na protokol

obstaja maksimalna in minimalna velikost okvirja s fiksno ali spremenljivo dolžino okvirja.


Omrežna plast vsebuje funkcije za prenos in usmerjanje sporočil v omrežju, pri več

vozliščih išče najkrajše povezave, preprečuje ozka grla in šteje promet v omrežju. Obstajajo

trije koraki usmerjanja; vzpostavitev zveze, vzdrževanje zveze in prekinitev zveze po

uspešnem prenosu [14].

Transportna plast vsebuje funkcije, ki določajo logično povezavo dveh komunikacijskih

partnerjev, skrbijo za nadzor, izgradnjo in porušitev povezave. Skrbijo tudi, da ne pride do

podvojitve ali izgube informacij med prenosom. V oddajnem vozlišču transportna plast

razdeli podatke v manjše enote oziroma pakete, pri sprejemanju pa le-ta podatke spet združi

v ustrezni originalni vrstni red [14].

Plast seje vsebuje funkcije za določitev načina organizacije in sinhronizacije dialoga,

funkcije za začetek, izvedbo in zaključek komunikacije, določa točke za sinhronizacijo pri

prenosu dolgih sporočil.

Predstavitvena plast določa skupna sintaksna pravila, da ne bi prišlo do napačne

interpretacije podatkov. Vsebuje funkcije za pretvorbo podatkov iz plasti seje v obliko, ki je

razumljiva uporabniku. V tej plasti se vrši šifriranje in dešifriranje oziroma predstavitev

podatkov v primernem podatkovne formatu.

Aplikacijska plast vsebuje funkcije, ki služijo kot vmesnik med lokalnimi računalniškimi

programi in procesi. To so usluge, ki jih komunikacijski sistem nudi uporabniku. Sem

spada dostop do datotek, elektronska pošta, internetne funkcije, prenos podatkovnih

datotek in drugih podatkovnih oblik [14].

2.3 TCP/IP MODEL

TCP/IP je štirinivojski model s protokolom sporazumevanja po internetu. Ime izhaja iz standarda protokola za nadzor prenosa in internetnega sklada protokolov. TCP omogoča zanesljiv, tokovno usmerjen prenos podatkov, IP pa skrbi za ustrezne komunikacijske poti skozi omrežje. Za pravilno in zanesljivo komunikacijo v omrežju skrbijo štiri plasti TCP/IP protokola. Slika 2.3 prikazuje primerjavo TCP/IP in ISO/OSI modela.


ISO/OSI TCP/IP

Aplikacijska plast

Predstavitvena plast Aplikacijska plast (FTP, telnet, SMTP…)

Plast seje

Transportna plast Plast prenosa (TCP, UDP, RPC)

Mrežna plast Internet (IP)

Povezovalna plast Plast omrežnega dostopa

Fizična plast Fizična plast

Slika 2.3 : Primerjava ISO/OSI in TCP/IP modela

Fizična plast in plast omrežnega dostopa sta odgovorni za dostavo podatkov preko

različnih medijev. Protokoli, ki jih uporabljata, so odvisni od posameznega tipa fizičnega

omrežja.

Plast interneta skrbi za dostavo podatkov preko množice različnih fizičnih omrežij, ki jih

povezuje izvorni in ciljni računalnik ali naprava. Uporablja protokole usmerjanja in

standardni IP protokol.

Plast prenosa skrbi za povezave, nadzor toka, ponovno oddajo izgubljenih paketov in

druge splošne naloge za upravljanje s tokom podatkov oziroma paketov. Najpogostejši

protokoli so TCP, UDP in RPC.

Plast aplikacije vsebuje protokole, ki implementirajo splošne uporabniške funkcije, kot so

dostava pošte, prenos datotek, oddaljene prijave in tako dalje.


2.4 OMREŽJA UPORABLJENA V INDUSTRIJI

V svetu avtomatizacije obstaja mnogo mrežnih tehnologij, ki v različnih stopnjah razvoja

in standardizacije, navidezno obsegajo vse nivoje ISO/OSI mrežnega referenčnega modela.

Izbira in vključevanje omrežnih tehnologij v industrijsko okolje sovpada z zahtevami

aplikacije, postrojenja in robustnosti delovnega okolja. Za vsako izbrano omrežje je

potrebno poznati karakteristike, parametre in omejitve kot so dolžina, število postaj ter

maksimalna bitna hitrost (tabela 2.1). Število razpoložljivih mrežnih komponent,

povezovalnih elementov in pretvornikov strmo narašča, kar omogoča izgradnjo velikih,

med seboj povezljivih, mrežnih topologij. Poleg s standardom določenih mrežnih

tehnologij, katerih se poslužujejo vsi vidnejši proizvajalci avtomatizacijske tehnike, le-ti

razvijajo tudi svoje nove omrežne sisteme, katerih namen je pridobiti kvalitetno namensko

komunikacijo med vsemi gradniki omrežja.

Omrežje Dolžina Število postaj Hitrost Število

žic Prenosni medij Topologija

RS-232 30 m 2 115 kb/s 2 TP (Twisted Pair) P-P (Point to Point)

Seriplex 1500 m 256 200 kb/s 4 2-STP (Shielded Twisted Pair)

D-C (Daisy Chain)

AS-i 100 m 32 167 kb/s 2 UP (Unshielded Pair) T-B (Trunkline Branchline)

Interbus-S 25,6 km 64 500 kb/s 6 3-STP (Shielded Twisted Pair) Ring

CAN 450 m 64 1 Mb/s 4 2-STP (Shielded Twisted Pair)

T-B (Trunkline Branchline)

4-20 mA 1000 m 2 - 2 STP (Shielded Twisted Pair) P-P (Point to Point)

Profibus 9600 m 126 12 Mb/s 2 STP (Shielded Twisted Pair) D-C (Daisy Chain)

Tabela 2.1 : Omrežja v industriji

Seriplex

Seriplex je zaščitna znamka Seriplex Technology Organization-STO in je serijski

multipleksirani sistem, ki je bil razvit za delo z velikim številom vhodnih in izhodnih

signalov [7]. Seriplex ima tri komunikacijske žice in lahko deluje v dveh načinih; kot


komunikacija med dvema enakovrednima enotama (peer to peer) ali kot komunikacija med

gospodarjem in sužnjem (master-slave).

AS-i

Aktuatorsko senzorski vmesnik je bil razvit pri konzorciju večinoma evropskih podjetij, ki

so si želela razviti nizko cenovno in fleksibilno metodo povezovanja aktuatorjev in

senzorjev na spodnjem nivoju industrijskih krmilnih sistemov [7]. Sistem je prijavljen in

distribuiran s strani neodvisne organizacije AS-interface. Sistem uporablja dvožični,

neprepleten kabel, iz katerega naprave jemljejo tok iz dveh žic. Podatkovne povezave pa so

modulirane na enosmerni nivo z bitno hitrostjo 167 kHz pod nadzorom gospodarja.

Interbus-S

Interbus-S vodilo je razvilo podjetje Phoenix Contact in sedaj ga nadzira Interbus-S klub

[7]. Topologija omrežja je obročna, kjer mrežni gospodar podatke sekvenčno pomika od

točke do točke v obroču. Vsaka naprava v omrežju tako deluje kot pomični register, ki

simultano sprejema in oddaja podatke s frekvenco 500 kHz. Dejanski prenos podatkov

med postajami ustreza standardu RS-485. Protokol predvideva uporabo alternativnega

fizičnega nivoja z enojno prepleteno parico, ki prenaša podatke in napajanje po istih linijah

ter redukcijo velikosti pomičnega registra v vsaki postaji s 16 na 4 bite.

CAN

Omrežje CAN (Control Area Network) je omrežna tehnologija podatkovno povezovalne

plasti, ki jo je razvila korporacija Robert Bosh za uporabo v komunikacijskih aplikacijah

cestnih prevoznih sredstev [7]. CAN je standardiziran z ISO 11898 z licencami pri skoraj

vseh proizvajalcih integriranih vezij. Vezja so lahko dostopna kot ločeni CAN krmilniki ali

kot CAN krmilniki, integrirani v mikroprocesorjih. Kot tehnologija podatkovno-

povezovalne plasti nima definiranih vseh plasti oziroma kompletnih komunikacij.

Tokovna zanka 4-20 mA

Tokovna zanka je široko uporabljena metoda za prenos informacij od ene do druge postaje

[7]. Zanka je narejena le med sprejemnikom in oddajnikom in lahko deluje v enosmernem

ali pa pol-dvosmernem načinu. Oddajnik vsili določen tok v zanko, sprejemnik pa meri


padec napetosti na uporu v zanki. Ker takšna metoda uporablja tokovno signaliziranje

namesto napetostnega, je zato relativno neobčutljiva na potencialne razlike med

oddajnikom in sprejemnikom. Komunikacija poteka po dveh žicah in se v večjem delu

uporablja v različnih avtomatiziranih procesih kot je na primer povezava senzorjev z

nadzornimi računalniki. Tipičen sistem uporabe tokovne zanke je pretvorba tokovnega

območja 4-20 mA v območje merjenja temperature od 0 do 100°C.

Profibus

Profibus je procesno področno vodilo in je eno izmed treh, ki jih standardizira evropski

standard EN 50 170-Vol.2 [7]. Nadzira ga globalna organizacija Profibus Trade

Organization. V okviru mrežnega standarda družina Profibus vsebuje tri podmreže

Profibus-DP, Profibus-FMS in Profibus-PA.

Profibus-DP (Distributed Periphery) je različica, ki je namenjena in narejena posebej za

področne naprave, ki delujejo na vhodno-izhodnem mrežnem nivoju.

Profibus-FMS (Fieldbus Messaging Specification) predstavlja najvišji nivo

implementacije, ki se uporablja za povezovanje krmilnikov.

Profibus-PA (Process Automation) je različica, ki ima večino zmogljivosti namenjene za

nivo povezovanja naprav v procesnih industrijah, kot je na primer rafinerija. Ena od

sposobnosti Profibus-PA sistema je zelo varna instalacija, kar zagotavlja visoko raven

varnosti prav v okoljih, ki so eksplozijsko nevarna in tvegana.


3. AS-i AS-interface je odprt standard IEC 62062-2 oziroma EN 50295, ki je primeren za

izgradnjo manjših komunikacijskih struktur in komunikacije na najnižjem nivoju

hierarhične strukture v avtomatizaciji. Uporablja se predvsem za priklop binarnih

senzorjev (induktivna stikala, optična stikala, tipkala, mikrostikala) in aktuatorjev

(kontaktorji, magnetni ventili, signalne svetilke). Osnovne specifikacije mehanskih in

električnih lastnosti je v začetku postavilo 11 priznanih proizvajalcev, ki so ustanovili

združenje AS-i, ki ima poleg informiranja in tehnične podpore, nalogo specificiranja,

standardiziranja in certificiranja.

3.1 ARHITEKTURA IN STANDARD IEC

Glede na nizko hierarhično opredelitev na nivoju komunikacij v avtomatizaciji je AS-i

omrežje predvsem optimizirano in specializirano na priključitev binarnih in analognih

senzorjev in aktuatorjev, kjer poteka komunikacija izključno po principu gospodar-suženj

povezave. Obseg funkcionalnosti omrežja temelji predvsem na enostavni montaži, ciklični

obdelavi vhodov in izhodov z različno mrežno topologijo (slika 3.1) in z ukazi za

diagnostiko ter parametriranje AS-i modulov. Enostavna zgradba, poleg enostavne

montaže, omogoča obratovanje in prenos podatkov in energije po enem kablu. Vse to nam

zniža stroške montaže in priključevanja. S standardom določenimi zaščitami vse do IP67

ali več, lahko AS-i omrežje nastopi v različnih industrijskih aplikacijah v robustnem,

umazanem ali čistem okolju. V AS-i omrežje lahko priključimo 31 ali 31 A/B komponent

sužnja z maksimalno 4 binarnimi elementi. AS-i omrežje sestavljajo, poleg AS-i gospodar

enote in AS-i napajalnika, še specialni uporabniški moduli (sužnji), ki izvajajo neposredno

komunikacijo s sistemom gospodarja.

Slika 3.1 : Topologija AS-i omrežja [1]


V svetovnem merilu je AS-i predstavljen s standardom IEC 62026-2, ki s svojimi normami

opisuje popolno in enostavno povezavo vseh AS-i komponent s pridobljenim certifikatom.

Certifikat tako zagotavlja najvišjo stopnjo varnosti in kompatibilnosti elementov

vključenih v AS-i strukturo. Razvoj s certifikatom in verzijami predpisanih komponent

omrežja AS-i je podan v tabeli 3.1.

Verzija V2.0 V2.11 V3.0

Leto 1994 1998 2004

Gospodar M0, M1, M2 M3 M4

Suženj S-X.A, S-7.3, S-7.4

S-7.5.5, S-7.A.5, S-B.A.5, S-7.A.7, S-7.A.A, S-7.A.8, S-7.A.9, S-6.0

Novosti 62 sužnjev, razširjena ID coda, I/O napake

sinhronizacija, nov način komunik.

Standard EN 50295 : 1998 IEC 62026-2 : 2000 IEC 62026-2 : 200X

Tabela 3.1 : Specifikacija AS-i [3]

3.2 TEHNIČNE KARAKTERISTIKE

Tehnične lastnosti AS-i omrežja (tabela 3.2), poleg fizičnih omejitev kot je dolžina

omrežja, število elementov ter število vhodov in izhodov, določujejo še druge lastnosti, ki

so prilagojene glede na strukturo omrežja. Glede na verzijo AS-i omrežja ter izbiro števila

modulov sužnjev (31 ali 31 A/B), se določi čas cikla. Pri omrežju z 31 sužnji je

maksimalni čas cikla 5 ms, pri razširjenem omrežju z 62 oziroma 31A/B sužnji pa 10 ms.

Za izgradnjo omrežja se uporablja standardni rumeno-črni AS-i kabel, na katerega lahko v

osnovni različici priključimo do 124 aktuatorjev in senzorjev. V razširjeni obliki, z

uporabo specialnih modulov z 8 vhodi in izhodi, lahko omrežje razširimo na 496

priključnih enot. Omrežje lahko ima različno strukturo, in sicer v obliki zvezde, linije,

obroča ali drevesa ter se brez uporabe ojačevalnih enot lahko razprostira na dolžini 100 m.


Tehnične karakteristike AS-i omrežja

Standard: EN 50295, IEC 62026-2, AS-i IEC TG 178 Dostop do prenosnega sredstva: gospodar-suženj Hitrost prenosa: 5 ms (31 sužnjev), 10 ms (31A/B sužnjev) Povezovalni medij: neoklopljen dvožilni kabel Število povezovalnih enot: 31, 31A/B Širina omrežja: 100 m (z ojačevalno enoto do 300 m) Topologija: linija, obroč, zvezda, drevo Nivo: senzorski-aktuatorski nivo

Tabela 3.2 : Osnovne karakteristike AS-i omrežja

3.3 PRENOSNI MEDIJ IN TEHNIKE PRENOSA

Gospodar komunicira s sužnji preko AS-i dvožičnega, iz profilirane gume izoliranega

gibljivega bakrenega vodnika, preseka 2 x 1,5 mm2 (slika 3.2). Oklapljanje, prepletanje ali

uporaba zaključnega upora ni potrebna. Kabel nudi zaščito IP67 in je nesimetrično

profiliran vodnik, ki onemogoča zamenjavo polaritete, hkrati pa ni potrebno rezanje,

snemanje izolacije ter vijačenje, saj kontaktni noži priključnih sponk prebodejo gumijast

plašč in kontaktirajo obe bakreni žici. Kabel ima obliko ploščatega, visoko fleksibilnega

vodnika in se v rumeni barvi uporablja kot vod za izmenjavo podatkov, v črni barvi pa kot

napajalni vodnik. Za napajanje se koristi poseben AS-i napajalnik z enosmerno napajalno

napetostjo 30 V. Poleg osnovnega AS-i napajanja obstajajo tudi aktuatorji, ki jih je

potrebno napajati ločeno, z napetostjo 24 VDC ali celo 240 VAC. Polaganje AS-i vodnika

je podobno polaganju ostale elektroinstalcije z možnostjo tvorjenja različnih mrežnih

struktur (linija, zvezda, drevo).

Slika 3.2 : AS-i kabel [11]


Komunikacija gospodar-suženj

Gospodar-suženj AS-i komunikacija (slika 3.3) poteka po principu cikličnega klicanja

posameznega sužnja. V enem ciklu bodo klicani vsi poznani uporabniški naslovi v mreži.

Pri tem bo gospodar posameznemu uporabniku poslal izhodne informacije (MT- Master

telegram) in od njega takoj zahteval odgovor. Uporabnik, glede na klic, gospodarju

posreduje odgovor v obliki vhodne informacije (ST-Slave telegram). Kadar bi odgovor

uporabnika izpadel, gospodar reagira s ponovnim klicem. V primeru, da se uporabnik ne

odzove po dveh zaporednih klicih, gospodar prepozna uporabnika kot nedosegljivega in

signalizira sistemsko napako. Gospodar za tem nadaljuje s klicanjem naslednjih

uporabnikov. Po zaključku vsakega cikla gospodar pošlje še dva klica, in sicer parametrski

in diagnostični klic. S parametrskim klicem se v vsakem ciklu enemu uporabniku pošljejo

parametrski podatki, z diagnostičnim klicem pa gospodar preverja priključitev morebitnih

novih uporabnikov. Na tak način lahko gospodar ugotovi izpad že znanega uporabnika

oziroma priključitev novega uporabnika.

Slika 3.3 : Gospodar-suženj komunikacija [11]

Komunikacija krmilnik-gospodar

Poleg gospodar-suženj komunikacije je pri AS-i komunikaciji potrebno omeniti še

komunikacijo med gospodarjem in krmilno enoto. AS-i gospodar tekoče kliče vse

uporabnike na AS-i mreži. Pri tem jim posreduje izhodne informacije, ki jih predhodno

prejme od krmilnega procesorja ali obratno; krmilni enoti posreduje vhodne podatke, ki jih

prejme od posameznih uporabnikov. Komunikacija poteka znotraj omenjenega AS-i cikla


5 ms ali 10 ms. Posredovani podatki so v ustreznem bitnem formatu v obliki 14-bitne

besede pri klicu gospodarja, ter v obliki 7 bitne vhodne informacije v obliki odgovora.

Naslavljanje AS-i uporabnikov

Da lahko gospodar v omrežju prepozna posamezne uporabnike oziroma sužnje je le-te

potrebno predhodno nasloviti na ustrezne naslove. Naslovno področje se giblje od 1-31 ali

1-31/AB naslovnih mest. Za naslavljanje klasičnih AS-i modulov, se uporablja posebna

naslovna naprava, ki posamezen naslov modula vpiše v EEPROM uporabnika. Temu sledi

tudi možnost prenaslavljanja ali celo uporaba opcije avtomatskega dodeljevanja naslova.

Dosegljivi naslovi v krmilni enoti tako tvorijo tabelo AS-i naprav glede na zaporedno

številko uporabnika oziroma mesto vgradnje. Primer naslavljanja AS-i naprav je prikazan v

tabeli 3.3.

I/O BYTE Bit 7-4 Bit 3-0

n+0 REZERVIRANO SUŽENJ 1 n+1 SUŽENJ 2 SUŽENJ 3 n+2 SUŽENJ 4 SUŽENJ 5 n+3 SUŽENJ 6 SUŽENJ 7 n+4 SUŽENJ 8 SUŽENJ 9 n+5 SUŽENJ 10 SUŽENJ 11 n+6 SUŽENJ 12 SUŽENJ 13 n+7 SUŽENJ 14 SUŽENJ 15 n+8 SUŽENJ 16 SUŽENJ 17 n+9 SUŽENJ 18 SUŽENJ 19

n+10 SUŽENJ 20 SUŽENJ 21 n+11 SUŽENJ 22 SUŽENJ 23 n+12 SUŽENJ 24 SUŽENJ 25 n+13 SUŽENJ 26 SUŽENJ 27 n+14 SUŽENJ 28 SUŽENJ 29 n+15 SUŽENJ 30 SUŽENJ 31

n=začetni naslov BIT 3 / BIT 2 / BIT 1 / BIT 0 BIT 3 / BIT 2 / BIT 1 / BIT 0

Tabela 3.3 : Naslovi sužnjev


3.4 OSNOVNI GRADNIKI AS-i OMREŽJA

Vsako AS-i omrežje sestavljata dva ključna gradnika gospodar in suženj. Poleg velikega

nabora gospodar-suženj komponent, v omrežju AS-i uporabljamo tudi komponente za

pravilno topološko razmejitev omrežja kot sta ponavljalnik in razširjevalnik. Ključni člen

vsakega AS-i omrežja predstavlja tudi AS-i napajalnik, ki je s svojo napajalno napetostjo

30 V priključen direktno na podatkovni vod.

Gospodar

AS-i gospodar (slika 3.4) omogoča priključitev in komunikacijo vseh sužnjev v omrežju.

Deluje kot povezovalno-komunikacijski člen med aktuatorji in senzorji ter krmilno

procesno enoto. Enote gospodarja omogočajo priključitev in naslavljanje v področju 1-31

ali 1-31/AB.

Slika 3.4 : AS-i gospodarji

Suženj

Takoimenovani suženj moduli (slika 3.5) s fizičnega stališča predstavljajo I/O enote

krmilno procesorskega sistema. AS-i suženj tako predstavlja izvrševalno-tipalni člen, ki s

sprejemanjem in pošiljanjem komunikacijskih bitov gospodarju, omogoča krmilno

procesorski enoti nadzor nad posameznimi vhodi in izhodi. Sužnji obstajajo v različnih

oblikah; od analognih, digitalnih, pnevmatskih, univerzalnih do inteligentnih modulov.


Slika 3.5 : AS-i sužnji

Napajalnik

AS-i napajalnik (slika 3.6) je priključen direktno na podatkovni vod in je potreben na vsaki

veji, ki je ločena z ponavljalnikom [11]. Napetost napajalnika je 30 V, na napajalno

napetost je superponiran podatkovni signal.

Slika 3.6 : AS-i napajalnik

Razširjevalnik

Z razširjevalnikom podaljšamo dolžino AS-i omrežja do maksimalno 300 m [11].

Ekstender se uporablja v primeru, ko je gospodar oddaljen od mesta senzorjev. To pomeni,

da v prvem segmentu takoj za modulom gospodarja ni napajalnika in sužnjev.


Ponavljalnik

Z ponavljalnikom (slika 3.7) podaljšamo dolžino AS-i omrežja do maksimalno 300 m [11].

V vsaki tako podaljšani veji je nujna uporaba napajalnika.

Slika 3.7 : AS-i ponavljalnik


4. PROFIBUS Zgodovina omrežja Profibus sega v leta med 1987 do 1990, ko je nemško ministrstvo za

raziskave in tehnologije izvedlo skupni projekt med visokošolskimi inštituti in podjetji, ki

se ukvarjajo z avtomatizacijsko tehniko. Cilj projekta je bila specifikacija in izvedba

odprtega in vsestransko uporabnega komunikacijskega sistema. Rezultati projekta so bili

pravila in norme zapisane v dokumentu »Profibus standards DIN E 19 245«. Omenjeni

nacionalni standard so leta 1996 prevzeli kot mednarodni standard EN 50170.

Profibus je od proizvajalca neodvisno procesno področno vodilo. Koncept vodila je v

skladu s ISO/OSI referenčnim modelom, od katerega so uporabljene največ tri plasti.

Vsestransko odprtost mu zagotavljajo mednarodno priznani standardi EIA RS485,

EN50170 in EN 50254.

4.1 ARHITEKTURA IN VERZIJE PROFIBUS PROTOKOLA

Protokol Profibus iz ISO/OSI referenčnega modela (slika 4.1) uporablja plasti ena, dve in

če je potrebno še plast sedem. Poleg omenjenih plasti pa je definiran še uporabniški

vmesnik, ki poskrbi za povezavo s povezovalno plastjo. Pri Profibusu ločimo tri različne

verzije komunikacijskega protokola, ki so označene s končnicami DP, FMS in PA.

Profibus podpira tri načine prenosa podatkov v fizični plasti. Pri DP in FMS verziji se

uporablja povezava v skladu s protokolom RS485 in optična povezava, pri PA verziji pa

povezava v skladu s protokolom IEC1158- 2.

Slika 4.1 : ISO/OSI Profibus


PROFIBUS-DP uporablja plasti ena, dva in uporabniški vmesnik. Narejen je posebej za

komunikacije med avtomatizacijskimi sistemi in perifernimi enotami. Nudi ugodno

razmerje med hitrostjo, uporabnostjo in nizkimi stroški izvedbe omrežja. Njegova uporaba

je primerna na področnem nivoju.

PROFIBUS-FMS uporablja plasti ena, dva in sedem. FMS je univerzalni komunikacijski

protokol za bolj zahtevne komunikacije v višjih plasteh. Nudi mnogo več zahtevnih

funkcij za komunikacijo med inteligentnimi napravami v celičnem nivoju. Tu gre

predvsem za komunikacijo med industrijskimi računalniki in krmilniki. FMS in DP

uporabljata enako tehnologijo prenosa in dostopa do prenosnega medija, zato lahko

delujeta na istem omrežju. Zaradi vse pogostejše uporabe TCP/IP protokola v višjih

plasteh, se uporaba Profibus- FMS zmanjšuje.

PROFIBUS-PA uporablja razširjeni DP protokol za prenos podatkov. Narejen je posebej

za zanesljiv in hiter prenos podatkov v procesni avtomatizaciji. S Profibus-PA lahko

povežemo senzorje in aktuatorje na skupno omrežno vodilo tudi v eksplozijsko nevarnih

območjih. Profibus-PA omrežje pa lahko enostavno integriramo v Profibus-DP omrežje s

posebnimi segmentnimi spojniki.

V primerjalni tabeli 4.1 so prikazane lastnosti posameznih Profibus omrežji.

PROFIBUS-DP PROFIBUS-FMS PROFIBUS-PA

Vrsta aplikacij Področni nivo Celični nivo Področni nivo

Standard EN 50 170 EN 50 170 IEC 1158-2

Povezovalni elementi CPU, PC/PC, OP, A/D PLC, PG/PC CPU, PC/PC, OP, A/D

Reakcijski čas 1 – 5 ms < 60 ms < 60 ms

Razširitev > 100 km > 100 km MAX. 1.9 km

Hitrost prenosa 9,6 kbps – 12 Mbps 9,6 kbps – 12 Mbps 31,25 kbps

Tabela 4.1 : Lastnosti posameznih Profibus omrežji



Glede na uporabo in prilagajanje Profibus omrežja določenim industrijskim zahtevam, le-

tega označujejo določene lastnosti, omejitve, način komunikacije in vrsta protokola. Vse to

je zapisano v obliki tehničnih karakteristik (tabela 4.2), s katerimi sta določeni fizična in

povezovalna plast ISO/OSI referenčnega modela Profibus omrežja.

Tehnične karakteristike Profibus omrežja

Standard: PROFIBUS EN50 170 / IEC 1158-2 Dostop do prenosnega sredstva: gospodar-suženj, gospodar-gospodar Hitrost prenosa: 9,6 kbit/s – 12 Mbit/s Povezovalni medij: prepletena parica, optična vlakna, IR Število povezovalnih enot: 32 / 127 Širina omrežja: do 1500 m Topologija: linija, zvezda, drevo Nivo: celični / področni

Tabela 4.2 : Splošne karakteristike Profibus omrežij

4.3 PRENOSNI MEDIJ IN TEHNIKE PRENOSA

Prenosni medij oziroma fizična plast komunikacijskega sistema je najbolj odvisna od

izbire možne tehnologije prenosa. Podlaga za osnovno izvedbo fizičnega sloja je

standard RS-485. Poleg splošnih zahtev kot so zanesljivost, večje razdalje, visoke

prenosne hitrosti in prilagajanje določenemu industrijskem okolju mora komunikacijski

sistem zagotoviti še druge zahteve. Ker vsem zahtevam ni možno zadostiti z eno metodo,

so trenutno na voljo štiri različne tehnike prenosa:

• Protokol RS- 485 (DP/FMS);

• Optični vodniki (DP/FMS);

• Standard IEC1158- 2 (PA);

• IR komunikacija.


4.3.1 PROTOKOL RS-485 (fizična plast)

Kabel in konektorji

V osnovni verziji se za prenos podatkov uporablja prepletena parica, ki je nameščena od

modula do modula in je na obeh koncih po potrebi zaključena z uporom. Za priklop se

uporabljajo namenski 9 polni Sub-D konektorji (slika 4.2) ali sponke v napravi.

Konektor, kot tudi naprave z vgrajenimi sponkami imajo vgrajen zaključni upor, ki ga

lahko s stikalom vključimo oziroma izključimo.

Slika 4.2 : Profibus kabel s priključnim konektorjem [5]

Kabel

Profibus kabel (slika 4.3) mora zaradi zagotavljanja zanesljive komunikacije zadovoljiti

določene karakteristične lastnosti (tabela 4.3) kot so: valovna upornost, kapacitivnost,

zančna upornost, dušenje, oklop in tako dalje. Glede na mehanične in električne lastnosti,

v svetu obstaja precej različic Profibus kablov, ki so prilagojeni in namenjeni različnim

delovnim pogojim v različnih industrijskih okoljih.

Slika 4.3 : Zgradba standardnega Profibus kabla [5]


Karakteristični podatki kabla RS-485

Valovna upornost: 135 Ω – 165 Ω v frekvenčnem območju 3 – 20 MHz Kapacitivnost: < 30 pF/m Zančna upornost: < 110 Ω/km

Oklop: bakrena pletenica in zaščitna folija Premer žic v kablu: > 0,34 mm2 Dušenje: 9 dB po celotni dolžini kabla

Tabela 4.3 : Karakteristični podatki standardnega Profibus kabla

Standardni dvožični FC Profibus kabel je sestavljen iz zunanjega zaščitnega PVC plašča,

bakrenega opleta, večplastne zaščitne Alu folije, plastične folije ter polnila. Bakreni žici sta

nameščeni v izolacijskem plašču v dveh barvah; zeleni z oznako A in rdečo z oznako B.

Konektor Sub-D

Za ustrezen priklop Profibus kablov obstaja mnogo različnih Sub-D konektorjev (slika 4.4),

ki so prav tako kot kabli, izdelani v različni variantah in se s svojimi lastnostmi prilagajajo

industrijskemu okolju. Poleg razlikovanja v oblikah in načinu priklopa se konektorji

razlikujejo tudi po trdnostni ohišja, saj so le ti izdelani iz različnih materialov.

Slika 4.4 : Profibus Sub-D konektorji [5]

Zaradi vse večjega števila proizvajalcev krmilne tehnike in pogosti uporabe Profibus

komunikacije, na trgu že obstajajo tako imenovani inteligentni konektorji, ki vsebujejo

elemente za prikazovanje statusa komunikacijske mreže, merjenje upornosti in drugih

lastnosti v posamezni mreži.


Pogled »Sub-D« PIN Naziv Opis 1 Oklop Oklop - ozemljitev 2 M24 Potencial 0 V pomožnega napajanja 24 VDC 3 RxD/TxD - P Oddaja / Sprejem podatkov + (linija B) 4 CNTR - P Signal za kontrolo smeri P 5 DGND Referenčni potencial za podatke 6 VP Napajalna napetost + 7 P24 Potencial + pomožnega napajanja 24 VDC 8 RxD / TxD - N Oddaja / Sprejem podatkov + (linija B)

9 CNTR-N Signal za kontrolo smeri N

Slika 4.5 : Opis posameznih pinov Sub-D konektorja [5]

Prenosna hitrost in dolžina omrežja

Prenosno hitrost nastavimo pri konfiguraciji omrežja v lastnostih krmilnika in je odvisna od

celotne dolžine prenosnega kabla (tabela 4.4). Standardna hitrost prenosa pri Profibus

omrežju je 1500 kbit/s. Pri spreminjanju te vrednosti moramo predhodno preveriti, če vsi

moduli na vodilu podpirajo nastavljeno hitrost.

Tabela 4.4 : Prenosne hitrosti glede na dolžino omrežnega kabla

Iz grafa lahko predvidimo ciklični čas vodila v odvisnosti od prenosne hitrosti in glede na število udeležencev (slika 4.6). Med posameznimi dolgimi odseki mreže se lahko vgradijo tako imenovani ojačevalni elementi, ki skrbijo za ustrezno ojačenje komunikacijskega signala. Isti ojačevalni elementi se lahko uporabijo tudi kot razdelilni elementi za razvod Profibus mreže na posamezne podomrežne segmente.

Slika 4.6 : Ciklični čas vodila glede na hitrost in glede na število udeležencev [20]

Prenosna hitrost [kbit/s] 9,6 19,2 93,75 187,5 500 1500 12000 Celotna dolžina omrežja [m] 1200 1200 1200 1000 400 200 100

čas cikla

[ms]

št. sužnjev


Postopek prenosa podatkov

RS485 prenos podatkov za Profibus temelji na dvosmerni, asinhronski sinhronizaciji brez

vrzeli. Podatki se prenašajo v 11-bitnih znakovnih okvirjih v NZR (Non Return To Zero)

kodu. Med prenosom logične »1« je na liniji RxD/TxD - P visok nivo na liniji RxD/TxD -

N pa diferenčni signal. Pri prehodu signala v logično »0« se nivoja na obeh linijah obrneta.

Mrtvi čas med posameznimi telegrami sovpada z logično »1« na vodilu. V večini

literature, in na konektorjih, so podatkovne linije Profibus-a označene z A in B. S črko A

je označena linija RxD/TxD - N s črko B pa linija RxD/TxD - P.

Slika 4.7 : Struktura RS485

RS485 segment (slika 4.7) je lahko sestavljen iz do 32 aktivnih postaj. Segment mora

biti na obeh straneh zaključen z upori. Upor, ki je priključen med podatkovne linije, ima

upornost 220 Ω. Upora proti pozitivnemu in proti negativnemu polu napajanja imata

upornost 390 Ω. Njihova naloga je, da skrbijo za definiran potencial na podatkovnih linijah

takrat, ko je omrežje nedejavno; to je v mirovnem stanju med dvema telegramoma.

Zaključne upore vključimo s stikalom na zgornjem delu konektorja. V položaju ON so

zaključni upori vključeni, kar pomeni, da je udeleženec v omrežju postavljen kot končni

člen omrežja. V položaju OFF so zaključni upori izklopljeni, kar pomeni, da na ta

konektor priključeni udeleženec ni zadnji na vodilu in kabel potuje do naslednjega

udeleženca.

Podatkovne linije na konektorju priključimo tako, da na sponke A1 in B1 priključimo

kabel iz predhodne postaje. Kabel, ki gre naprej, pa na sponke A2 in B2. Na končnih


konektorjih priključimo kabel na sponke A1 in B1, ker je le na teh sponkah možno

vključiti končne upore. Postaje na RS485 lahko vključujemo in izključujemo med

delovanjem omrežja in jih lahko povezujemo v omrežja kot je prikazano na sliki 4.8.

Slika 4.8 : Primer komunikacijske strukture pri protokolu 485 [5]


4.3.2 OPTIČNI VODNIKI (fizična plast)

Druga verzija prve plasti Profibus omrežja temelji na svetlobnem prenosu podatkov [5].

Optični vodniki dovoljujejo razdaljo tudi do 15 km med posameznimi postajami. Največja

dolžina omrežja je odvisna od izbire tipa svetlobnega vodnika (tabela 4.5).

Tip svetlovodnika: Dolžina omrežja Mnogorodovni svetlovodnik: 2-3 km Enorodni svetlovodnik: > 15 km Sintetični svetlovodnik: > 80 km PCS/HCS svetlovodnik: > 500 m

Tabela 4.5 : Karakteristike vodnikov z optičnimi vlakni

Optični vodniki niso občutljivi na elektromagnetna sevanja in omogočajo galvansko

ločitev med postajami. Z leti razvoja se je tehnologija prenosa s svetlobnimi vlakni zelo

poenostavila in postala zelo popularna pri komunikacijah z napravami področnega nivoja

(slika 4.9). Znani sta dve tehnologiji izvedbe omrežja. Zvezdna povezava je namenjena

nekoliko kompleksnejši izvedbi omrežja. Povezava v obroč pa je namenjena povezavi

enostavnih pasivnih postaj na omrežja.

Slika 4.9 : Primer Profibus komunikacijske strukture z optičnimi vodniki [5]


4.3.3 STANDARD IEC 1158-2 (fizična plast)

Profibus-PA (slika 4.10) uporablja tehnologijo prenosa v skladu s standardom IEC1158-2

[5]. Ta tehnologija zagotavlja napajanje omrežja direktno po podatkovnih linijah. Podatki

se prenašajo z modulacijo toka +/- 9 mA v osnovni tok. Hitrost prenosa podatkov je 31,25

kbit/sec. Kot prenosni medij se uporablja sukana parica z opletom ali brez. Na en segment

lahko priključimo do 32 aktivnih postaj. Na obeh koncih segmenta je potrebno priključiti

pasivni RC člen. Priključimo ga med podatkovne linije, vrednosti pa so R=100 Ω in R=1

µF. Maksimalna dolžina omrežja je odvisna od napajalnega modula, karakteristike kabla in

tokovne porabe priključenih postaj. Omenjena tehnologija se uporablja redko. Posebej pa

je uporabna v eksplozijskih conah, če je dopolnjena s FISCO tehnologijo (Fieldbus

Intrinsicially Safe Concept).

Slika 4.10 : Primer Profibus-PA komunikacije [5]

Pravila za IEC1158-2 FISCO povezave:

• Vsaka naprava ima samo en izvor napajanja.

• Energija se ne dovaja na vodilo kadar postaja oddaja.

• Vsaka postaja ima konstanten napajalni tok.

• Vsaka veja je zaključena s pasivnim terminatorjem na obeh koncih.

• Izvede se lahko zvezdna povezava, vodilo ali obroč.

• V mirovanju vsaka naprava troši najmanj 10 mA toka.

• Komunikacijski signal je generiran s tokom +/- 9 mA.


4.3.4 IR KOMUNIKACIJA (fizična plast)

Brezžična tehnologija prenosa omrežja Profibus je izvedena s pomočjo infra rdeče svetlobe

[5]. Pri takšni metodi komunikacije je prenosni medij ustrezni prostor v vidnem polju med

obema postajama. Maksimalna razdalja za uspešen prenos je približno 15 m. Ob uporabi

IR komunikacije in takoimenovanih infra rdečih povezovalnih modulov ILM (slika 4.11),

lahko na en segment omrežja priklopimo do 127 aktivnih postaj. Uporaba IR tehnike

prenosa se uporablja predvsem na področju mobilnih in prenosnih naprav.

Slika 4.11 : Primer Profibus komunikacijske strukture z IR-ILM moduli [5]

4.4 GRADNIKI PROFIBUS OMREŽJA

Velik nabor Profibus komponent omogoča izgradnjo kvalitetnega omrežja v področju

celičnega in področnega nivoja. Nabor Profibus komponent je razdeljen na aktivne in

pasivne elemente, katerih lastnosti so prilagojene funkciji in uporabnosti posameznega

elementa. Zaradi dobrih lastnosti Profibus omrežja in odprtih standardov v svetu obstaja

veliko različnih proizvajalcev Profibus komponent.

Inteligentni moduli gospodar-suženj

V skupino inteligentnih gospodar-suženj sistemov (slika 4.12) spadajo praktično vse

krmilno procesne enote. Krmilni procesorji so prilagojeni tako, da s pomočjo nastavitev

izberemo način delovanja in vrsto komunikacije med posameznimi moduli. V praksi se


krmilno procesne enote višjega zmogljivostnega razreda ponavadi konfigurirajo kot

gospodar, naprave nižjega zmogljivostnega razreda pa kot inteligentni suženj.

Slika 4.12 : Inteligentni moduli gospodar-suženj Profibus DP

Modularni in kompaktni suženj moduli na področju razdelitve periferije I/O

Ključni člen področnega in celičnega nivoja je distribucija periferije I/O na področju

avtomatiziranih sistemov. Velik nabor modularnih suženj modulov (slika 4.13) nam

omogoča kvalitetno izgradnjo in nadgradnjo Profibus omrežja, tako velikih kot majhnih

razsežnosti.

Slika 4.13 : Profibus modularni in kompaktni suženj moduli

Povezovanje omrežja - ponavljalnik

Ponavljalnik (slika 4.14) je nepogrešljiva komponenta vsakega omrežja. Tudi v omrežju

Profibus skrbi za razdelitev in ojačanje posameznih Profibus omrežnih vej. Uporaba

ponavljalnika je torej neizbežna pri izgradnji dolgih in razvejanih omrežij in pri omrežjih,

pri katerih uporabljamo veliko število posameznih komponent.


Slika 4.14 : Ponavljalnik-Profibus DP

Ločevanje omrežja - povezovalnik

Kadar želimo ločiti ali povezati dve povsem fizično ločeni Profibus DP omrežji,

uporabimo povezovalnik (slika 4.15). Komponenta deluje kot povezovalno-ločilni element

z ločenim Profibus naslovom za vsako omrežje posebej. Potrebno je konfiguriranje in

nastavitev komunikacijskih signalov v obeh fizično ločenih omrežjih,.

Slika 4.15 : Profibus DP-DP povezovalnik


HMI naprave

Kot nepogrešljivi člen avtomatizacijske opreme so HMI naprave (slika 4.16) v večji meri

opremljene in pripravljene za komunikacijo preko Profibus ali Ethernet omrežja.

Slika 4.16 : Profibus DP-HMI naprave

Drugi gradniki omrežja Profibus

Nabor drugih gradnikov omrežja Profibus predstavlja nabor po funkciji različnih

komponent, kot so: laserski merilniki, merilniki pretoka, laserski čitalci črtne kode,

svetlobne zavese, varovalne naprave, frekvenčni regulatorji, pnevmatski otoki, enkoderji,

motorji in tako dalje (slika 4.17).

Slika 4.17 : Različni gradniki Profibus omrežja


5. INDUSTRIJSKI ETHERNET V devetdesetih letih 20. stoletja je Ethernet začel svoj pohod v pisarne, kjer je korenito

spremenil način dela. Danes svoj prodor nadaljuje v industrijska okolja, kjer z novimi

možnostmi in prednostmi vpliva na produktivnost in hitrost dela v proizvodnji. Prednosti

uporabe industrijskega Etherneta so podobne prednostim Etherneta v poslovnem okolju.

To pa ne velja za zahteve, ki jih narekujejo naprave v različnih industrijskih okoljih. V

industrijskih okoljih količina in kompleksnost podatkov, ki se prenašajo v

komunikacijskem sistemu, zahtevata determinizem in veliko hitrost komunikacije,

stabilnost, varnost ter odpornost sistema na mehanske, toplotne, elektromagnetne in druge

vplive.

5.1 ARHITEKTURA IN STANDARD IEEE 802.3

Na nivojski industrijski strukturi je Ethernet dolgo časa zasedal vrh hi erarhične strukture

(slika 5.1). S svojimi prednostmi in lastnostmi se z visokega management nivoja vse bolj

seli na nižji celični in področni nivo. V proizvodnem okolju tako že obstaja veliko

različnih naprav z možnostjo povezljivosti na industrijski Ethernet, od klasičnih PC-jev,

HMI naprav, logičnih krmilnikov, CNC naprav, vse do senzorjev in pretvornikov.

Industrijski Ethernet Pisarniški Ethernet Velika zanesljivost zaradi redundantnih naprav Majhna zanesljivost zaradi enojnih povezav Inštalacija v industrijskih halah ali na prostem IP67 Inštalacija samo v zaprtih prostorih Možnost vezav v vse vrste topologij Večinoma samo zvezdne topologije Prenaša se veliko manj paketov, delo v realnem času Prenosi velikih paketov, ni potrebe po realnem času Razširjeno temperaturno območje Običajno temperaturno območje Industrijsko napajanje 24 VDC Standardno mrežno napajanje 230 VAC Montaža na DIN letev Prostostoječi

Tabela 5.1 : Primerjava Industrijskega in Pisarniškega Etherneta


Slika 5.1 : Primer Industrijskega Etherneta v konceptu SIMATIC NET [4]

Standard IEEE 802.3

Leta 1978 je Mednarodna organizacija za standardizacijo objavila skupino standardov za

povezovanje različnih naprav na osnovi referenčnega modela OSI. V osemdesetih letih je

Inštitut za elektrotehniko in elektro inženiring IEEE tako objavil projekt 802, ki določa

standarde za projektiranje in združljivost strojnih komponent, ki delujejo na fizičnem in

povezovalnem nivoju OSI modela. Rezultat projekta IEEE 802 je bila specifikacija

standarda IEEE 802.3, ki je, s svojo pristopno metodo CSMA/CD in hitrostjo 10 Mbps,

postal osnova današnjega Industrijskega Etherneta. Standard IEEE vsebuje dodatna pravila

na fizični nivoju, obstaja pa tudi majhna razlika glede oblike okvirja. V podskupine

standarda IEEE 802 spadajo Hitri Ethernet 100 Base-T (IEEE 802.3u), Gigabit Ethernet

1000 Base-T (IEEE 802.3ab), Token Ring (IEEE 802.5), 100VG-AnyLan (IEEE 802.12),

ATM 1000Mbit/s, Fibre Channel in mnoge druge različice industrijskega etherneta (tabela

5.2). Na trgu je danes že veliko proizvajalcev, ki so za potrebe industrijskih komunikacij

razvile svoje ethernet protokole, ki so namenjeni za prenos podatkov v realnem času z

velikimi hitrostmi bodisi po žičnem ali brezžičnem prenosnem mediju.


Dodatek k standardu IEEE 802.3 Opis

802.3a (1985) 10BASE2 »thin Ethernet« 802.3c (1985) 10Mbps repeater, člen 9 802.3d (1987) FOIRL fiber link 802.3i (1990) 10BASE-T twisted-pair 802.3j (1993) 10BASE-F fiber optic 802.3u (1995) 100BASE-T Fast Ethernet 802.3x (1997) Full-Duplex 802.3z (1998) 1000BASE-X Gigabit Ethernet 802.3ab (1999) 1000BASE-X Gigabit Ethernet – twisted pair 802.3ac (1999) Frame size – 1522 byte for VLAN tag 802.3ad (2000) Link aggregation to parallel links

Tabela 5.2 : Razvoj in nadgradnja standarda IEEE 802.3

TCP/IP protokol

TCP/IP je štirinivojski model, ki je dobil ime po standardih, ki jih uporablja. TCP

(Transmission Control Protocol) ustreza OSI-jevemu nivoju prenosa in omogoča

zanesljiv, tokovno usmerjen, prenos podatkov preko omrežja. TCP protokol najprej

razdeli originalno sporočilo na pakete, ki lahko potujejo po omrežju po različnih

poteh.

IP (Internet Protocol) ustreza OSI-jevem nivoju omrežja in skrbi za iskanje poti skozi

omrežje. IP protokol dopolnjuje TCP izdelane pakete podatkov z naslavljanjem.


Industrijski Ethernet s svojimi lastnostmi in karakteristikami (tabela 5.3) že močno prodira

v industrijsko okolje bodisi v področja proizvodnje, logistike ali popolne avtomatizacije

strojev. Glede na različno obliko in robustnost industrijskega okolja pa le-to narekujejo

zahteve po veliki zanesljivosti delovanja v okolju visokoenergetskih naprav, visokih

temperatur, mehanskih tresljajev in možnosti instalacije komunikacijskih struktur v

umazanem in robustnem okolju. Zaradi vseh teh specifičnih lastnosti, ki nastajajo v

industrijskih in procesnih okoljih, mora biti industrijska komunikacija sposobna kljubovati

številnim, njej škodljivim in kvarnim dejavnikom in delovati po principu komunikacije v

realnem času. Od industrijske komunikacije se tako zahteva brezkompromisna


zanesljivost, hitrost, velika pretočnost, prijaznost do uporabnikov in standardizacija. Za

doseganje ustrezne komunikacije se tako uporabljajo koaksialni, neoklopljeni in oklopljeni

kabli s paricami, kabli iz optičnih vlaken in brezžična komunikacija, ki s svojimi

lastnostmi narekujejo ustrezno povezovalno topologijo.

Tehnične karakteristike Industrijskega Ethernet omrežja

Standard: Ethernet IEEE 802.3 Dostop do prenosnega sredstva: CSMA/CD Hitrost prenosa: 10 Mbit/sec, 100 Mbit/sec, 1000 Mb/sec, 10 Gb/sec Povezovalni medij: koaksialni, 2 ali 4 prepleteni parici, UTP, optična vlakna Število povezovalnih enot: 1024 Širina omrežja: 4,3 km Topologija: linijska, drevesna, zvezda, obroč, redundantni obroč Nivo: celotni

Tabela 5.3 : Splošne karakteristike Industrijskega Etherneta

5.3 OMREŽJA IN PRENOSNI MEDIJI

Standardi fizičnega sloja Ethernet standarda opisujejo tipe kablov (tabela 5.4), iz katerih se

lahko zgradi omrežje, določajo mrežno topologijo, največjo dolžino kabelskega segmenta

in število uporabnikov, ki se jih lahko uporabi. Za povezovanje elementov v Ethernet

omrežju, se uporablja različne vrste kablov; od koaksialnih, paric, UTP, do kablov iz

optičnih vlaken. V današnjem Ethernetu se najpogosteje uporablja oklopljena ali

neoklopljena parica oziroma tako imenovani UTP kabel.

Slika 5.2 : Uporaba klasičnega in hitrega Etherneta [12]


OZNAKA KABEL TOPOLOGIJA HITROST SEGMENT 10Base5 RG8 koaksialni Vodilo 10 Mb/s 500 m 10Base2 RG58 koaksialni Vodilo 10 Mb/s 185 m 10BaseT Kategorija 3 UTP Zvezda 10 Mb/s 100 m FOIRL 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 10 Mb/s 1000 m 10BaseFL 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 10 Mb/s 2000 m 10Base FB 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 10 Mb/s 2000 m 10Base FP 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 10 Mb/s 500 m 100BaseTX Kategorija 5 UTP Zvezda 100 Mb/s 100 m 100BaseT4 Kategorija 3 UTP Zvezda 100 Mb/s 100 m 100BaseFX 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 100 Mb/s 412 m 1000BaseLX 9/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 5000 m

1000BaseLX 50 ali 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 550m

1000BaseSX 50/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 500 m 1000BaseSX 50/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 550 m 1000BaseSX 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 220 m 1000BaseSX 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 275 m 1000BaseLH 9/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 10 km 1000BaseZX 9/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 1000 Mb/s 100 km 1000BaseCX 150 Ohm oklopljeni bakreni kabel Zvezda 1000 Mb/s 25 m 1000BaseT Kategorija 5 UTP Zvezda 1000 Mb/s 100 m 10GBaseLR Enorodovno optično vlakno Zvezda 10 Gb/s 10 km

10GBaseSR 50 ali 62,5/125 mnogorodno optično vlakno Zvezda 10 Gb/s 26-300 m

10GBaseER Enorodovno optično vlakno Zvezda 10 Gb/s 40 km 10GBaseCX4 Koaksialna parica Zvezda 10 Gb/s 20 m 10GBaseT Kategorija 5 UTP Zvezda 10 Gb/s 20 m 10GBaseT Kategorija 6 UTP Zvezda 10 Gb/s 50 m 10GBaseT Kategorija 7 STP Zvezda 10 Gb/s 100 m

Tabela 5.4 : Fizične lastnosti Etherneta

5.3.1 INDUSTRIJSKI ETHERNET (10 Mb/s)

Temelj industrijskega Etherneta so v začetku predstavljali prenosni mediji, kot so

koaksialni kabel, neoklopljena parica in optična vlakna. Začetni industrijski standardi so

tako podpirali in delovali s prenosno hitrostjo 10 Mb/s in uporabljali fizično topologijo

vodila ali zvezde. V začetku se je industrijski Ethernet uporabljal kot povezovalni člen

med redkimi aktivnimi elementi, v današnjem času pa je uporaba in praktičnost Ethernet

omrežja narasla do te mere, da je Ethernet postal bistveni komunikacijski člen tako v

poslovnem, kot tudi industrijskem okolju.


Industrijska sukana parica (10BASE-T)

Industrijska sukana parica je izdelana na podlagi standarda IEEE 802.3i (10BASE-T) in

dovoljuje prenose podatkov s prenosno hitrostjo 10 Mb/s [6]. Prenosni medij je zaščitni

kabel z dvema sukanima paricama s karakteristično impedanco 100 Ω. Na podlagi

standarda 10BASE-T se uporablja RJ-45 tip konektorja, a se je za potrebe različnih

Ethernet elementov kot alternativa začel uporabljati tudi SUB-D konektor (slika 5.3).

Slika 5.3 : RJ-45 in SUB-D konektorji [6]

Optična vlakna (10BASE-FL)

Prenos podatkov s pomočjo optičnih vlaken z nizko hitrostjo prenosa 10 Mb/s, temelji na

standardu IEEE 802.3i [6]. Kot prenosni medij se uporabljajo mnogorodovni optični kabli

(slika 5.4), z vlakni tipa 62.5/125 μm ali 50/125 μm. Povezava med dvema aktivnima

elementoma ima obliko zaključene vezave po modelu »end-to-end«. To pomeni, da vedno

obstaja direktna povezava med omrežno komponento na enem omrežju in priključkom

omrežne komponente drugega omrežja.

Slika 5.4 : Kabel z optičnimi vlakni [6]


5.3.2 HITRI ETHERNET (100 Mb/s)

Hitri Ethernet odlikujejo lastnosti in standardi klasičnega Etherneta (tabela 5.5) s prenosno

hitrostjo 100 Mb/s [6]. V hitrem Ethernetu se poleg optičnih kablov uporabljajo še kabli

kategorije 5, v nadgradnji tudi kabli kategorije 3, ki za komunikacijo uporabljajo par

sukanih paric. Vse druge lastnosti, kot je podatkovni format, CSMA/CD protokol, dolžina

paketa in topologija, ostajajo iste tako za klasični Ethernet s hitrostjo 10 Mb/s kot tudi za

hitri Ethernet s hitrostjo 100 Mb/s.

Ethernet Hitri Ehernet IEEE standard 802.3 802.3u Prenosna hitrost 10 Mb/s 100 Mb/s Dolžina bita 100 ns 10 ns Tehnika dostopa CSMA / CD Najdaljši paket 1518 byte Najkrajši paket 64 byte Polje naslavljanja 48 bit Topologija zvezda, drevo, vodilo

Tabela 5.5 : Primerjava klasičnega in hitrega Etherneta [6]

Industrijska sukana parica (100BASE-TX)

Na področju hitrega Etherneta je najbolj pogosta uporaba sukane parice (slika 5.5), ki

temelji na standardu IEEE 802.3u s prenosno hitrostjo 100 Mb/s [6]. En izmed prenosnih

medijev hitrega Etherneta je zaščitni kabel s štirimi sukanimi paricami s karakteristično

impedanco 100 Ω. Lastnosti kabla morajo odgovarjati zahtevam kategorije 5. Povezava

med dvema aktivnima elementoma deluje vedno po principu »end-to-end«, pri tem dolžina

kabla ne sme presegati dolžine 100 m. Na podlagi standarda 100BASE-TX se tudi tu

uporablja RJ-45 tip konektorja, kot alternativa pa tudi SUB-D konektor.


Slika 5.5 : Industrijska sukana parica [6]

Optična vlakna (100BASE-FX)

Poleg uporabe sukane parice se pri hitrem Ethernetu zelo pogosto uporabljajo kabli z

optičnimi vlakni, izdelani po standardu IEEE802.3u, z nazivno hitrostjo prenosa 100 Mb/s

[6]. Kot prenosni medij se uporabljajo mnogorodovni optični kabli z vlakni tipa 62.5/125

μm ali 50/125 μm ter enojni optični kabli z vlakni tipa 10/125 μm. Povezava med dvema

aktivnima elementoma ima obliko zaključene vezave po modelu »end-to-end«. To pomeni,

da vedno obstaja direktna povezava med omrežno komponento na enem omrežju in

priključkom omrežne komponente drugega omrežja.


6. REZULTATI V poglavju so opisane in podane komunikacijske strukture, naslovne sheme in seznami

uporabljene krmilne opreme avtomatiziranih logističnih procesov odvoza gotovih izdelkov

v visoko regalno skladišče NAVIS Gorenje d.d. V nalogi je kot primer opisana

avtomatizacija in komunikacijski tok logistične poti izdelkov proizvodnega programa

hladilno zamrzovalnih aparatov.

6.1 KOMUNIKACIJSKE STRUKTURE LOGISTIČNIH PROCESOV V

SKLADIŠČE NAVIS

Komunikacijske strukture logističnih procesov odvoza gotovih izdelkov predstavljajo vez

med proizvodnjo in skladiščenjem izdelkov v visoko regalnem skladišču NAVIS. Bistvo

posameznih krmilnih sistemov in komunikacij je pridobivanje in posredovanje ustreznih

podatkov o izdelku, signalizacija, primopredaje na posameznih segmentih logističnih poti

in nadzor logističnega procesa. Posamezni krmilni sistemi so razdeljeni na segment

nalagalne cone, transportnega sistema, sistema za razvrščanje in skladiščenje. Logistične

poti so razdeljene na dovoz gotovih izdelkov iz proizvodnih programov (slika 6.1):

• HZA (Hladilno Zamrzovalni Aparati),

• PPA (Pralno Pomivalni Aparati),

• KA (Kuhalni aparati).

Slika 6.1 : Logistične poti odvoza gotovih izdelkov iz proizvodnih programov v Gorenju d.d.

Program KA Program PPA Program HZA

SKLADIŠČE


6.2 ODVOZ IN SKLADIŠČENJE GOTOVIH IZDELKOV - HZA

Krmilni sistemi odvoza in skladiščenja gotovih izdelkov so razdeljeni na posamezne

samostojne krmilno avtomatizirane procese oziroma segmente. Glede na krmilni sistem s

pripadajočo periferijo se segmenti logistične poti iz programa HZA delijo na (slika 6.2):

• nalagalno cono s transportnim sistemom EVTV,

• transportni sistem EVTV,

• razlagalni sistem z razvrščanjem in uskladiščevanjem.

Slika 6.2 : Struktura odvoza gotovih izdelkov iz programa HZA

6.3 NALAGALNA CONA S TRANSPORTNIM SISTEMOM EVTV – HZA

Avtomatiziran sistem nalagalne cone s transportnim sistemom EVTV-HZA je sestavljen iz

petih nalagalnih mest (slika 6.4), enega razlagalnega mesta in transportnega sistema

EVTV. Jedro krmilnega sistema sestavlja krmilno procesna enota proizvajalca Siemens

družine SIMATIC S7-300 s pripadajočo periferijo in komunikacijskimi moduli.

Komunikacije najnižjega nivoja so izvedene s pomočjo I/O komunikacije na nivoju

povezave komunikacijskih signalov proizvodnih linij ter nalagalnih mest. Na segmentu

področnega nivoja oziroma razporeditve I/O periferije je komunikacija izvedena s pomočjo

omrežja Profibus-DP s hitrostjo 1,5 Mbps. Poleg krmilno procesne enote ter pripadajočih

povezovalnih modulov Siemens ET200L, del Profibus-DP omrežja predstavljajo tudi

operacijski paneli Siemens OP7 ter komunikacijske enote indifikacijskega sistem Siemens

MOBY-E. Struktura komunikacijskega omrežja nalagalne cone s transportnim sistemom

HZA je prikazana na sliki 6.3.

Nalagalna cona

EVTV

Transportni sistem

EVTV

Razlagalni sistem z

razvrščanjem


Slika 6.3 : Struktura komunikacijskega omrežja nalagalne cone s transportnim sistemom HZA


Najvišji nivo komunikacijske strukture segmenta nalagalne cone s transportnim sistemom

EVTV predstavljajo takoimenovane S7 komunikacijske strukture izvedene preko omrežja

Ethernet. Komunikacije s S7 funkcijami so izvedene med posameznimi krmilno

procesorskimi enotami laserskih čitalnih mest za branje bar kode izdelka ter samostojnim

transportnim sistemom EVTV.

Slika 6.4 : Nalagalna cona s transportnim sistemom EVTV - HZA

Krmilno procesna oprema

Samostojni krmilni sistem nalagalne cone s transportnim sistemom EVTV sestavljajo:

• Siemens CPU S7-300 / 318-2DP [6ES7 318-2AJ00-0AB0],

• Siemens CP 343-1 [6GK7 343-1EX11-0XE0],

• Siemens SM321 [6ES7 321-1BL00-0AA0],


• Siemens ET200L [6ES7 131-1BL0*-0XB0],

• Siemens ASM452 [6GT2002-0EB20],

• Siemens DP-DP COUPLER [6ES7 158-0AD00-0XA0],

• @C100-PB.


I85.2

I85.2

I85.2

I85.2

I/O komunikacija

I/O komunikacija je izvedena po principu fizičnega ožičenja posameznih vhodno-izhodnih

modulov (slika 6.5). Pri tej povezavi gre za izmenjavo signalov med posameznimi krmilno

razvodnimi enotami nalagalnih mest ET200L in AS-i moduli proizvodne linije 2, 3, 4 in 5.

Povezava je zaradi potrebne izenačitve potencialov izvedena preko relejev. To pomeni, da

je vsak izhodni signal vezan neposredno na rele enega sistema, povezan direktno na

vhodne sponke drugega sistema.

Slika 6.5 : Izmenjava I/O komunikacijskih signalov med nalagalno cono in proizvodno linijo

ZAHTEVA ZA VSTOP V DVIGALO

IZDELEK PRISPEL V DVIGALO

ZAHTEVA ZA PRENOS ČRTNE KODE

I104.0

Q96.1

Q96.2

Q96.3

Q85.0

I85.1

I85.0

DOVOLJENJE ZA TRANSPORT IZ MT2 V DVIGALO

MONTAŽNA LINIJA 2 NALAGALNO MESTO 2




I136.0

Q120.1

Q120.2

Q120.3






I152.0

Q132.1

Q132.2

Q132.3






I168.0

Q144.1

Q144.2

Q144.3



Q108.1 ZAHTEVA ZA RAZLAGANJE

I14.4

Q85.0

I85.1

I85.0

Q85.0

I85.1

I85.0

Q85.0

I85.1

I85.0


Profibus-DP

Uporabljeno je omrežje Profibus z načinom Profibus-DP komunikacije zaradi enostavne

področne razporeditve posameznih vhodno-izhodnih mest, povezljivosti HMI naprav in

modulov indifikacijskega sistema MOBY-E. Dolžina omrežja se razprostira na razdalji

približno 300 m. V omrežju Profibus-DP s hitrostjo 1,5 Mbps je vključenih 44 gradnikov,

vključno s krmilno procesno enoto Simatic CPU 318-2DP z vgrajenim komunikacijskim

vmesnikom Profibus-DP. Poleg krmilno procesne enote so v omrežje vezani naslednji

moduli, prikazani tudi na sliki 6.6:

• Siemens ET200L [6ES7 131-1BL0*-0XB0],



• Siemens OP7 [6AV7 607-1JC20-0XA1],

• @C100-PB.

Slika 6.6 : Struktura Profibus-DP omrežja nalagalne cone s transportnim sistemom HZA


Vsakemu modulu je dodeljen Profibus-DP naslov, ki se fizično nastavi preko DIP stikal na

modulu (tabela 6.1).

MODUL NASLOV MODUL NASLOV CPU318 2 ET200L 72 ET200L 11 ET200L 73 ET200L 12 ET200L 74 ET200L 13 ET200L 75 ET200L 14 ET200L 76 ET200L 21 ET200L 77 ET200L 22 ET200L 78 ET200L 23 ET200L 79 ET200L 24 ASM452 90 ET200L 31 ASM452 91 ET200L 32 ASM452 92 ET200L 33 ASM452 93 ET200L 34 ASM452 94 ET200L 41 ASM452 95 ET200L 42 ASM452 96 ET200L 43 OP7 10 ET200L 44 OP7 20 ET200L 51 OP7 30 ET200L 52 OP7 40 ET200L 53 OP7 50 ET200L 54 OP7 60 ET200L 61 OP7 80 ET200L 62 DP-DP COUPLER 110 ET200L 63 @C100-PB 99 ET200L 64 ET200L 70 ET200L 71

Tabela 6.1 : Razporeditev Profibus-DP naslovov nalagalne cone s transportnim sistemom HZA

Ethernet

Povezljivost krmilno procesne enote na omrežje Ethernet je izvedena s pomočjo

komunikacijskega modula Siemens CP343-1, ki ima dodeljen IP in MAC naslov lokalnega

Ethernet omrežja. Povezava z ostalimi krmilno procesnimi enotami, kot so sistemi za

čitanje bar kode na posamezni proizvodnji liniji in samostojnim transportnim EVTV, je

izvedena preko neposredne povezave S7 komunikacije (slika 6.7), ki jo omogoča

komunikacijski modul Siemens CP343-1.

Slika 6.7 : Konfiguracija S7 komunikacij v programskem orodju Simatic Manager


Vzpostavitev S7 komunikacije se izvede preko programskega orodja Simatic Manager pri

konfiguraciji Ethernet omrežja. Pri konfiguraciji takšnega načina komunikacije se vpišejo

IP naslovi komunikacijskih partnerjev in ID posamezne komunikacije. Primer nastavitve

S7 komunikacije med dvema partnerjema prikazuje slika 6.8.

Slika 6.8 : Primer nastavitve S7 komunikacije v programskem orodju Simatic Manager

Komunikacija na programskem nivoju poteka preko »GET« funkcij, katerih podatkovno

strukturo določi uporabnik sam (tabela 6.2).

NALAG. CONA – LINIJA 2 GET DB2.DBX0.0 BYTE 16 ↔ BAR KODA – LINIJA 2 DB9.DBX0.0 BYTE 16




NALAGALNA CONA - EVTV GET DB145.DBX0.0 BYTE 22 ↔ TRANSPORTNI SISTEM

EVTV DB145.DBX0.0 BYTE 22

Tabela 6.2 : Prenos podatkov preko programske funkcije »GET«

Poleg S7 komunikacije se Ethernet omrežje uporablja za povezljivost sistema s centralnim

SCADA sistemom WinCC. Preko izdelane nadzorne server aplikacije WinCC je mogoče

spremljati logistične poti posameznega izdelka, od nalaganja do skladiščenja izdelka v


visoko regalno skladišče, kjer funkcijo sledenja zamenja tako imenovani nadzorno-

kontrolni sistem WMS in WCS. V tabeli 6.3 so prikazani udeleženci Ethernet omrežja z

uporabo S7 komunikacij.

NAZIV KRMILNEGA SISTEMA VRSTA KOMUNIKACIJE IP NASLOV

NALAGALNA CONA S TRANS. SISTEMOM EVTV GOSPODAR 10.64.61.22 ČITANJE BAR KODE – LINIJA 2 PARTNER 10.64.61.83 ČITANJE BAR KODE – LINIJA 3 PARTNER 10.64.61.84 ČITANJE BAR KODE – LINIJA 4 PARTNER 10.64.61.85 ČITANJE BAR KODE – LINIJA 5 PARTNER 10.64.61.86 TRANSPORTNI SISTEM EVTV PARTNER 10.64.61.21

Tabela 6.3 : IP naslovi komunikacijskih partnerjev omrežja Ethernet


6.4 TRANSPORTNI SISTEM EVTV – HZA

Samostojni elektro pogonski viseči transportni sistem EVTV (slika 6.9) predstavlja vezni

člen med nalagalno cono v proizvodni hali in sistemom razvrščanja v skladišču Navis.

Transportni sistem EVTV je sestavljen iz Al proge z energetskimi drsečimi vodi in

samostojnimi vozički z elektropogonsko krmilno enoto.

Slika 6.9 : Transportni sistem EVTV-HZA

Sistem transporta in razvrščanja vozičkov je izveden preko krmilnega sistema Siemens

SIMATIC s krmilno enoto Siemens CPU318. Poleg krmilno procesne enote je krmilje

sestavljeno še s komunikacijskih modulov za omrežja Profibus in Ethernet. Komunikacijo

na področju I/O periferije in izmenjavo signalov s krmilnim sistemom razvrščanja

predstavlja omrežje Profibus-DP s hitrostjo prenosa 1,5 Mbs. V omrežju Profibus-DP so

tako poleg povezovalnih modulov Siemens ET200M in komunikacijskega modula Siemens

DP-DP COUPLER, še moduli za povezavo z indifikacijskem sistemom Siemens MOBY-E

in operacijski paneli Siemens OP7. Prav tako kot pri krmilnem sistemu nalagalne cone, je

tudi tu uporabljen komunikacijski procesor Siemens CP343-1, ki omogoča povezavo na

najvišji komunikacijski nivo omrežja Ethernet. Tudi tu so uporabljene tako imenovane S7

komunikacije, ki s svojimi programskimi bloki predstavljajo komunikacijo med nalagalno


cono in samostojnim transportnim sistemom EVTV. Struktura komunikacijskega omrežja

transportnega sistema EVTV-HZA je prikazana na sliki 6.10.

Slika 6.10 : Struktura komunikacijskega omrežja transportnega sistema EVTV-HZA


Samostojni krmilni sistem transportnega sistema EVTV sestavljajo:

• Siemens CPU S7-300 / 318-2DP [6ES7 318-2AJ00-0AB0],




• Siemens ET200M [6ES7 153-1AA03-0XB0],



• @C100-PB.

Profibus-DP

Omrežje Profibus s načinom Profibus-DP komunikacije je tudi tu uporabljeno izključno

zaradi enostavne področne razporeditve posameznih vhodno-izhodnih mest, povezljivosti


HMI naprav in modulov indifikacijskega sistema MOBY-E. Dolžina omrežja se razprostira

na razdalji približno 500 m, s hitrostjo 1,5 Mbps. Zaradi velike razdalje se na določenih

odsekih uporablja ojačevalna enota Siemens RS-485 REPEATER, ki poleg ojačenja

signala služi kot razdelilni člen Profibus-DP omrežja na posamezne manjše segmente. V

omrežje je vključenih 10 aktivnih elementov, vključno z krmilno procesno enoto Simatic

CPU 318-2DP z vgrajenim komunikacijskih vmesnikom Profibus-DP ter 2 pasivna

ojačevalna elementa, ki nista del programske in naslovne sheme omrežja.

Omrežni krmilni sistem sestavljajo naslednji moduli, prikazani na sliki 6.11:




• Siemens RS-485 REPEATER [6ES7 972-0AA01-0XA0],

• Siemens OP7 [6AV7 607-1JC20-0XA1],

• @C100-PB.

Slika 6.11 : Struktura Profibus-DP omrežja transportnega sistema EVTV-HZA

MODUL NASLOV MODUL NASLOV CPU318 2 DP-DP COUPLER 20 ET200M 5 @C100-PB 8 ET200M 6 OP7 10 ET200M 7 OP7 11 ASM452 16 OP7 12 ASM452 17 ASM452 18

Tabela 6.4 : Razporeditev Profibus-DP naslovov transportnega sistema EVTV-HZA


Vsakemu modulu Profibus-DP omrežja se dodeli ustrezen naslov, ki se na vseh aktivnih

elementih nastavi preko DIP stikal (tabela 6.4). Izjema je tako imenovani modul Siemens

DP-DP COUPLER (slika 6.12), ki predstavlja vezni člen med dvema ločeno zgrajenima

Profibus-DP omrežjema.

Slika 6.12 : Primer komunikacije in ločevanje dveh različnih Profibus-DP omrežij

Povezovalniku je, poleg dveh fizičnih naslov, ki se nastavijo za vsako omrežje posebej,

potrebno prirediti še tako imenovano zrcalno procesno sliko izmenjave podatkov. To

pomeni, da je potrebno modulu pri nastavitvah v strojni shemi in pri izdelavi programa

programskega paketa Simatic Maneger ustrezno nastaviti način komunikacije, dolžino

podatkovnega paketa ter preslikavo vhodno-izhodnih signalov (slika 6.13).

Slika 6.13 : Nastavitve vhodno-izhodnih signalov modula DP-DP COUPLER


Nastavitev za isti modul Siemens DP-DP COUPLER mora biti v obeh omrežjih Profibus-

DP enaka. Modul DP-DP COUPLER je v sistemu uporabljen kot povezovalnik in

predstavlja vezni člen med omrežjem transportnega sistema EVTV in sistemom

razvrščanja izdelkov iz programa HZA. Poleg strojnih nastavitev povezovalnika je

potrebna tudi ustrezna uporaba pripravljenih programskih funkcij, kot jih prikazuje slika

6.14.

Slika 6.14 : Programske funkcije in način komunikacije med dvema Profibus-DP omrežjema

Ethernet

Povezljivost krmilno procesne enote na omrežje Ethernet je izvedena s pomočjo

komunikacijskega modula Siemens CP343-1, ki ima dodeljen IP in MAC naslov omrežja

lokalnega Ethernet omrežja. Povezava z nalagalno cono je določena v konfiguraciji S7

komunikacij v krmilnem sistemu nalagalne cone omrežja Ethernet. Za programski nivo

komunikacije se uporablja podatkovni blok DB145 (slika 6.15), katere vsebina je preko

funkcije GET na voljo krmilnemu sistemu nalagalne cone.


Slika 6.15 : Podatkovni blok DB145 – način komunikacije med nalagalno cono in samostojnim

transporterju EVTV-HZA

Poleg povezave z nalagalno cono, se omrežje Ethernet tudi tu uporablja za povezljivost

sistema s centralnim SCADA sistemom WinCC, ki uporablja isto server aplikacijo,

komunikacijski vmesnik in grafično strukturo kot sistem vizualizacije nalagalne cone.

Tabela 6.5 prikazuje naslovno shemo Ethernet S7 komunikacije med gospodarjem in

partnerjem.


NALAGALNA CONA S TRANS. SISTEMOM EVTV-HZA GOSPODAR 10.64.61.21 TRANSPORTNI SISTEM EVTV-HZA PARTNER 10.64.61.22

Tabela 6.5 : IP naslovi komunikacijskih partnerjev omrežja Ethernet


6.5 RAZLAGALNI SISTEM Z RAZVRŠČANJEM IN VSKLADIŠČEVANJEM-

HZA

Razlagalni sistem z razvrščanjem in uskladiščevanjem izdelkov (slika 6.16) je sestavljen iz

treh razlagalnih mest z dvigali, treh sortirnih vozičkov, 28 zalogovnikov, dveh robotov

KUKA in dveh vozičkov z odlagalnimi mesti za uskladiščevanje izdelkov v skladišče.

Slika 6.16 : Sistem razvrščanja in uskladiščevanja izdelkov programa HZA v skladišču NAVIS

Krmilni sistem je sestavljen na osnovi krmilno procesne enote Siemens SIMATIC S7-400

in pripadajočo periferijo družine Siemens SIMATIC S7-300. Poleg krmilnega procesorja s

periferijo, sistem sestavljajo še komunikacijski moduli za povezavo na omrežje Ethernet in

Profibus-FMS. Kot osnovni mrežni sistem za razdelitev vhodno-izhodnih enot in drugih

krmilnih elementov, je uporabljeno omrežje Profibus-DP s hitrostjo 1,5 Mbps. V omrežje

Profibus-DP so tako vključeni frekvenčni regulatorji, čitalci črtne kode, komunikacijski

vmesnik za robote KUKA in operacijski paneli MP370. Komunikacija med transportnim

sistemom EVTV in sistemom razvrščanja poteka preko modula Siemens DP-DP


COUPLER. Izmenjava podatkovnih telegramov med sistemom razvrščanja in skladiščem

BT-A poteka preko omrežja Profibus-FMS. Vse druge podatkovne komunikacije potekajo

po omrežju Ethernet, ki je vezni člen med tako imenovanim MES sistemom. MES skrbi za

posredovanje vseh potrebnih podatkov o izdelkih, ki se uporabljajo za manipulacijo

izdelkov različnih dimenzij z roboti KUKA. V omrežjeEthernet je vključen tudi WinCC

server sistem za vizualizacijo. Struktura komunikacijskega omrežja sistema za razvrščanje

in uskladiščevanje izdelkov programa HZA je prikazana na sliki 6.17.

Slika 6.17 : Struktura komunikacijskega omrežja sistema za razvrščanje in uskladiščevanje

izdelkov programa HZA



Samostojni krmilni sistem razvrščanja in uskladiščevanja izdelkov HZA sestavljajo:

• Siemens CPU S7-400 / 416-2DP [6ES7 416-2XK02-0AB0],

• Siemens CP 443-5 Basic [6GK7 443-5FX01-0XE0],







• Siemens MM440 [6SE640X-1PB00-0AA0],


• Lenze DRIVES,

• Sick BMW,

• Kuka CP5614 Slave [6GK1 561-4AA00].

Profibus-DP

Komunikacijska struktura Profibus-DP je namenjena razporeditvi vhodno-izhodnih

modulov, komunikaciji s frekvenčnimi regulatorji dvigal in vozičkov, komunikaciji z

laserskimi čitalci črtne kode, komunikaciji z robotoma KUKA in operacijskimi paneli

MP370. Omrežje se razprostira na območju približno 1000 m2 z dolžino kabla 200 m. V

omrežju, s hitrostjo 187,5 Kbps je skupaj z krmilno-procesno enoto Siemens CPU 416-

2DP vključenih 27 gradnikov, kot je prikazano na sliki 6.18.


Slika 6.18 : Struktura Profibus-DP omrežja sistema za razvrščanje in uskladiščevanje izdelkov

programa HZA

Poleg ožičenja s FC Profibus kablom je v omrežje vključen tako imenovani Siemens

POWER RAIL BOOSTER (slika 6.19), ki deluje kot povezovalni člen med klasičnim

ožičenjem in prenosom Profibus-DP signala preko drsne proge z ustreznimi drsnimi

krtačkami. Takšen način komunikacije poteka na vseh vozičkih, kjer je gibanje le-teh

omogočeno s pomočjo krmilnega drsnega voda Profibus-DP in energetskega drsnega voda.

V sistem omrežja Profibus-DP so vezani naslednji moduli:


• Siemens MM440 [6SE640X-1PB00-0AA0],


• Lenze DRIVES,

• Sick BMW,

• Kuka CP5614 Slave [6GK1 561-4AA00],

• Siemens MP370 [6AV6-545-0DA10-0AX0].


Vsakemu gradniku Profibus-DP omrežja se dodeli omrežni naslov, ki se fizično nastavi na

vsakem modulu posebej (tabela 6.6).

MODUL NASLOV MODUL NASLOV CPU416-2DP 2 Lenze DRIVE 24 ET200M 3 Kuka CP5614 Slave 18 ET200M 4 Kuka CP5614 Slave 19 ET200M 5 Sick BMW 40 ET200M 9 Sick BMW 41 ET200M 10 Sick BMW 42 ET200M 11 DP-DP COUPLER 25 ET200M 12 TP270 30 ET200M 13 TP270 31 ET200M 14 TP270 32 ET200M 15 TP270 35 ET200M 16 TP270 38 ET200M 17 Micromaster MM440 6 Micromaster MM440 7 Micromaster MM440 8 Lenze DRIVE 20 Lenze DRIVE 21 Lenze DRIVE 22 Lenze DRIVE 23

Tabela 6.6 : Razporeditev Profibus-DP naslovov sistema za razvrščanje in uskladiščevanje izdelkov

programa HZA

Slika 6.19 : Prenos Profibus-DP signala preko drsnih vodov s pomočjo modula Power Rail Booster


Interne komunikacije Profibus-DP omrežja potekajo s fizično nastavljeno vhodno-izhodno

procesno sliko (slika 6.20), katere I/O področje se nastavi za vsak element posebej.

Povsem identičen način komunikacije tako poteka pri povezovanju in izmenjavi kontrolnih

in statusnih signalov s frekvenčnimi regulatorji, roboti KUKA in čitalci črtne kode, ki

poleg statusnih signalov vrnejo tudi podatke o prebrani črtni kode izdelka.

Slika 6.20 : Komunikacija gospodar-suženj, roboti KUKA

Poleg internih komunikacij med posameznimi gradniki Profibus-DP omrežja je na nivoju

DP protokola izvedena komunikacija s pomočjo modula DP-DP COUPLER, ki tudi tu

deluje kot povezovalni element med dvema različnima Profibus-DP omrežjema in skrbi za

komunikacijo pri razlaganju izdelkov iz košar transportnega sistema EVTV na razlagalna

dvigala sistema za razvrščanje. Pri izmenjavi podatkov, ki se definirajo s pomočjo strojne

konfiguracije in programskih funkcij v programskem okolju Simatic Manager, se definira

zrcalna podatkovna shema, ki je zapisana v podatkovnem bloku DB16 in DB41 v obeh

krmilnih sistemih.

Profibus-FMS

Profibus-FMS povezava se uporablja za komunikacijo med dvema različnima sistemoma,

saj gre tu za povezavo med krmilno procesno enoto sistema za razvrščanje in kmilno

procesno enoto skladišča BT-A. Uporaba Profibus-FMS protokola se je v komunikacijsko

strukturo vključila zaradi zanesljivosti in kontrole pri prenosu podatkovnih telegramov. Za

ločevanje Profibus omrežij in ločene povezave za prenos podatkovnih telegramov se

uporablja komunikacijski vmesnik Siemens CP 443-5 Basic, ki omogoča in podpira

Universal (DP/FMS) protokol z nastavljeno hitrostjo prenosa 1,5 Mbps, kot je prikazano na

sliki 6.21.


Slika 6.21 : Nastavitev Profibus komunikacije na modulu Siemens CP443-5 Basic

Za komunikacijo na posameznih segmentih se uporabljajo programske funkcije

SEND_AG in RECEIVE_AG, ki sovpadajo s strukturo podatkovnih blokov DB500,

DB501, DB526, DB527, DB528 in DB529. Podatkovni bloki, poleg krmilnih signalov pri

manipulaciji izdelkov, vsebujejo tako imenovan AVISO telegram (slika 6.22), ki prenaša

podatke o izdelkih, število izdelkov in druge, za skladišče uporabne podatke.

Slika 6.22 : AVISO telegram


Ethernet

Povezava z omrežjem Ethernet je izvedena s pomočjo komunikacijskega modula Siemens

CP 443-1, ki mu je po protokolu TCP/IP, dodeljen IP in MAC naslov (tabela 6.7). S

pomočjo Ethernet povezave, sistem razvrščanja po predhodno prebrani črtni kodi izdelka

pridobiva dodatne podatke o izdelkih kot so dimenzijske vrednosti in status izdelka. Za

posredovanje vseh teh podatkov skrbi tako imenovani MES sistem, ki predstavlja vezni

člen med poslovnim programskih paketom SAP in krmilnimi sistemi razvrščanja.

Komunikacija z MES sistemom je izvedena preko OPC Server sistema, ki ima direktni

pregled vseh signalov in podatkov v krmilnem sistemu. Na podlagi signalnih zahtev po

dopolnitvi podatkov na nivoju krmilno procesorskega sistema, nam MES sistem poskrbi za

pravilen vnos zahtevanih podatkov v točno določene podatkovne strukture.

Slika 6.23 : Nadzorna aplikacija Siemens WinCC

Poleg Ethernet komunikacije z MES sistemom je v omrežje povezan tudi sistem

vizualizacije, ki deluje po principu nadzorne aplikacije WinCC server. WinCC s svojo


direktno povezavo s krmilnikom vrši pregled nad točno definiranimi signali in podatki, ki

so s pomočjo grafičnega vmesnika v obliki vizualizacije prikazani uporabniku (slika 6.23).


SISTEM RAZVRŠČANJA IN VSKLADIŠČEVANJA - HZA GOSPODAR 10.64.61.24

Tabela 6.7 : IP naslov omrežja Ethernet sistema za razvrščanje in uskladiščevanje-HZA


7. SKLEP Cilj naloge je bil predstaviti in hkrati izdelati popoln vzorec komunikacijskih struktur in

omrežij uporabljenih v avtomatiziranih proizvodnih procesih. Izdelane komunikacijske

sheme, opisi in seznami uporabljene krmilne opreme, pravilna izbira omrežja in naslovna

shema mrežnih komponent nam predstavljajo komunikacijski načrt izbranega primera

odvoza in skladiščenja gotovih izdelkov iz proizvodnega programa hladilno zamrzovalnih

aparatov v Gorenju d.d.

Zaradi na novo zgrajenega visoko regalnega skladišča NAVIS in novo postavljenih

logističnih poti, je bila izvedba posameznih krmilnih sistemov in komunikacijskih struktur

dokaj lahka in tudi uspešna, po zadanem komunikacijskem vzorcu, izdelana naloga.

Izdelava celotne komunikacijske sheme se je sicer gradila postopoma, saj se je sprva

izpostavil komunikacijski tok za transport izdelka s podatki o izdelku, v nadgradnji so se

izdelali še sistemi za semaforizacijo in nadzor procesov. Glede na velikost območja se je v

vseh posameznih krmilnih sistemih za decentralizacijo izbralo omrežje Profibus-DP, ki se

je glede na veliko število gradnikov izkazalo za uspešno, saj vse povezave in komunikacije

delujejo brezhibno z dobro diagnostiko v primeru okvare. Na višjem nivoju povezovanja se

je uporabilo obstoječe omrežje Gorenje Ethernet, preko katerega teče komunikacija tako

med posameznimi krmilnimi sistemi kot tudi komunikacija s serverji za nadzor procesa,

semaforizacijo in vmesniki za poslovno informacijski sistem SAP.

Ozko grlo pretoka podatkov po komunikacijski shemi se je pokazalo predvsem v uporabi

skupne Ethernet mreže za potrebe poslovno uporabniške informatike kot tudi informatike

na nivoju krmilnih sistemov. Glede na analizo prometa in zasedenosti omrežja, se je že

izdelal koncept ločitve omrežja na povsem fizično ločen industrijski Ethernet in poslovno

uporabniški Intranet. Glede na trende krmilno komunikacijske tehnike, je že smotrno

načrtovati uporabo najnovejših vmesnikov, ki so namenjeni prav združevanju industrijskih

in poslovno uporabniških omrežij.


Viri [1] All about AS-Interface, Siemens Automation & Drives Group (A&D), Nemčija,

2002, http://www.automation.siemens.com/

[2] Introduction to Profibus on Industrial PC; kat. št.: C79000-G8976-C068, Siemens

AG, Nemčija, 1996, http://www.automation.siemens.com/

[3] AS-Interface – Introduction and Basic; kat. št.: C79000-G8976-C089-04, Siemens


[4] NCM for Industrial Ethernet - Manual; kat. št.: G79000–G8976–C129-04, Siemens

AG, Nemčija, 1999/2000, http://www.automation.siemens.com/

[5] Profibus Networks; kat. št.: 6GK 1970–5AC20–0AA1, Siemens AG, Nemčija,

1999, http://www.automation.siemens.com/

[6] Twisted-Pair and Fiber-Optic Networks; kat. št.: G79000-G8976-C125-02, Siemens


[7] Industrijska Senzorska Omrežja - interni zapis, Gorenje Vzdrževanje, Velenje, 2005

[8] Profibus - interni zapis, Gorenje Vzdrževanje, Velenje, 2002

[9] Profibus - interno šolanje, Velenje, Gorenje Vzdrževanje, 1999

[10] AS-i - interno šolanje 1, Gorenje Vzdrževanje, Velenje, 2000

[11] AS-i - interno šolanje 2, Gorenje Vzdrževanje, Velenje, 2002

[12] Ethernet - interno šolanje 2, Gorenje Vzdrževanje, Velenje 2002

[13] doc.dr. Peter Planinšič, Fizična plast in prenosni medij - zapiski predavanj

Komunikacije v avtomatiki, 2005/2006, http://www.sparc.uni-mb.si/

[14] doc.dr. Peter Planinšič, OSI referenčni model - zapiski predavanj Komunikacije v

avtomatiki, 2005/2006, http://www.sparc.uni-mb.si/

[15] doc.dr. Peter Planinšič, Podatkovno povezovalna plast DLL - zapiski predavanj


[16] doc.dr. Peter Planinšič, Zgradba komunikacijskega sistema - zapiski predavanj


[17] doc.dr. Peter Planinšič, Lokalne mreže - zapiski predavanj Komunikacije v

avtomatiki, 2005/2006, http://www.sparc.uni-mb.si/

[18] doc.dr. Peter Planinšič, Seminarske naloge - Komunikacije v avtomatiki,

2006/2007, http://vision.fe.uni-lj.si/classes/KA-2006/

[19] Mag. Janez Žmuc, Ethernet v sistemih avtomatizacije, AIG, Maribor, 2003

http://www.automation.siemens.com/






http://www.sparc.uni-mb.si/





http://vision.fe.uni-lj.si/classes/KA-2006/


[20] Profibus Technology and application, Profibus Trade Organization PTO, Nemčija,

2002, http://www.profibus.com/

http://www.profibus.com/

Diploma [Komunikacijske strukture avtomatiziranih ...proizvodno-poslovnih sistemih. Kljub temu da je...

Documents

Transcript of Diploma [Komunikacijske strukture avtomatiziranih ...proizvodno-poslovnih sistemih. Kljub temu da je...