Kommunikation inom automation. Kommunikation på olika nivåer

Transkript

1 Kommunikation inom automation Kommunikation på olika nivåer

2 Kommunikation inom automation Motivering till användning av fältbussar - Färre kablar - Effektiv kommunikation - Enklare dokumentation - Större flexibilitet - Enklare felsökning

3 Kommunikation inom automation Vanligaste typerna av fältbussar * HART (Highway Addressable Remote Transducer) * ASI (Actuator Sensor Interface) * CAN (Controller Area Network) - CANopen - Devicenet * Controlnet * Interbus * Lonworks * Modbus * Profibus (DP, PA. FMS) * Profinet * Industrial Ethernet - Ethernet/IP - EtherCAT

4 4-20 ma standard för analoga signaler ma för aktivt tillstånd, 0 ma svarar mot fel - Ej känslig för spänningsfall över ledningarna - Fungerar väsentligen som en punkt-till-punkt-kommunikation sensor flow transducer i(t) = f(v) reader 1 reader 2 voltage source 10V..24V R L1 R1 R L2 R2 R L3 R3 R L4 i(t) = 0, ma R L4 conductor resistance

5 HART (Highway Addressable Remote Tranducer) - Utnyttjar 4-20 ma strömloopar för att överlagra data - Använder FSK (Frequency Shift Keying) för att modulera data överlagrade på en sinussignal - Utnyttjar 2 frekvenser: 1200 Hz ( 1 ) och 2200 Hz ( 0 )

6 HART med modem och 2 masters

7 HART med flera givare

8 ASI - Actuator-Sensor Interface - Enkel men snabb fältbuss - Tvåtrådsförbindelse med både kraft och data D0 = sensor 1 one connection D1 = sensor 2 D2 = actuator 1 AS-Interface Slave IC D3 = actuator 2 1 module enclosure P0 Watchdog energy up to 4 sensors or/and 4 actuators

9 ASI - Oskärmad 2-trådskabel - Inget behov av terminering i ändpunkterna - Max ledningslängd upp till 100 m per segment (upp till 300 m med repeaters) - Isoleringspenetrerande kontakter ( vampyrkontakter ) med skyddsklass IP67 även efter urkoppling

10 ASI - Fri topologi: Stjärna, linje, buss eller träd - Cykeltid < 5 ms - Överföringshastighet 167 kbit/s - Master-slave med upp till 62 slavar och en master per station - Upp till 4 digitala ingångar och 3 digitala utgångar per slav - Upp till 248 digitala in och 186 digitala ut totalt

11 CAN Bus (Controller Area Network) - Utvecklades av Bosch Vanligast förekommande i bilindustrin - Överföringshastighet: 10 kbit/s 1 Mbit/s - Max längd per segment: 1 km (dock endast 40 m vid 1 Mbit/s)

12 CAN Bus - Multi-master/slave-baserat linjenät med avtapp (drop lines) - Både kommunikation master-slave och master-master - Balanserad differentiell 2-tråd över STP eller UTP, alt. 4-tråd - Linjekodning: NRZ (Non Return to Zero) med bitstuffing - Terminering i ändpunkterna (120 Ohm)

13 CANopen - Utvecklat av CIA-gruppen (CAN in Automation) - Baserat på CAN Bus (fysiska lagret) - Använder en s.k. Object Dictionary (för bl.a. konfigurering) - Upp till 127 stationer per nät - Linjelängd m

14 DeviceNet - Utvecklat av Allen Bradley (numera ägt av Rockwell Automation) - Baserat på CAN-Bus-protokollet - Topologi: Buss (med multidrop) - Max antal stationer 64 - Överföringshastighet: kbit/s

15 ControlNet - Utvecklat av Allen Bradley (Rockwell Automation numera) - Klarar hårda realtidskrav (tidskritiska tillämpningar) - Flexibel topologi: Linje, buss, stjärna - Max m busslängd (dock 25 km med repeater) - Överföringshastighet: Upp till 5 Mbit/s - Max. antal stationer: 99 - Datapaket med upp till 510 bytes

16 Interbus - Utvecklat av Phoenix Contact - Topologi: Aktiv ring med förgreningar - Master-slave med 1 master och upp till 511 slavar - Max 400 m mellan enheter, max 13 km totalt - Överföringshastighet: 500 kbit/s eller 2 Mbit/s

17 Lonworks (Local Operating Networks) - I huvudsak använt för automation i byggnader - Fysiska lagret: TP, kraftnät, RF, koaxial, RS-232, fiber - Master-slave och peer-to-peer - Max ca noder per domän - Överföringshastighet: Upp till 1.25 Mbit/s och full duplex - Max 2000 m busslängd (vid 78 kbit/s) - Topologi: Buss, ring, stjärna

18 Modbus - Utvecklat av Schneider och Modicon (1979) - Master-slave med 'token passing' (över RS-485) - Topologi: Linje med upp till 32 noder per segment - Kabellängd: Max 500 m/segment och totalt upp till 2000 m - Överföringshastighet: Max 2 Mbit/s - Max antal stationer: 64 - Flera varianter: Modbus RTU (seriellt), Modbus TCP/IP osv

19 Profibus (Process Field Bus) - Utvecklat i Tyskland 1989 (DIN 19245) - Multi-master/slave kommunikation - Topologi: Linje-segment (RS-485) eller stjärna, buss (fiber) - Överföringshastighet: Från 9.6 kbit/s upp till 12 Mbit/s - Upp till 32 stationer per segment - Upp till 126 stationer per nät med högst 5 segment - Max avstånd mellan noder 100m (vid 12 Mbit/s)

20 Profibus - Finns i tre olika varianter FMS, DP och PA : * Profibus FMS (Fieldbus Message Specification) - Ursprunglig version (sällan använd numera) - Komplexa meddelanden (t.ex. mellan PC och PLC) * Profibus DP (Decentralized Periphery) - Version för verkstadsindustrin - Enklare, snabbare och mer generell (vanligaste varianten) - Finns i sin tur i tre versioner (DP-v0, DP-v1 och DP-v2) * Profibus PA (Process Automation) - Version för processautomation - Speciellt använd för överföring av mätdata - Används framför allt i krävande miljöer

21 Profibus DP De tre olika varianterna: - DP-v0 * Grundläggande variant * Cyklisk hantering av data * Diagnostikhantering - DP-v1 * Utvidgning med acyklisk datahantering * Parametrering, styrning, övervakning och alarmhantering - DP-v2 * Utvidgning med kommunikation mellan slavar (broadcast)

22 Profibus DP Två olika master-typer: - DPM1 (DP Master klass 1): * Cyklisk kommunikation med slavenheter * Utbyter information cykliskt med andra enheter * Ansluten hela tiden - DPM2 (DP Master klass 2): * Enbart acyklisk kommunikation * Drifttagning och konfigurering (parametrering) * Underhåll och diagnostik * Inte ansluten hela tiden

23 Profibus Alternativ för fysiska lagret - MBP (Manchester coding Bus Powered) * kbit/s - Fiber * 9.6 kbit/s 12 Mbit/s - RS-485 (IEC-485) * 9.6 kbit/s (1200 m) - 12 Mbit/s (100 m)

24 Profibus - Anslutning och bussterminering för RS-485:

25 Profinet - Utvecklat av Siemens och Profibus User Organization (PNO) - Ethernetbaserat avancerat kommunikationssystem - Medium: STP eller fiber - Överföringshastighet: 100 Mbit/s - Topologi: Linje, buss, träd, ring eller stjärna - Antal stationer: Praktiskt taget obegränsat

26 Profinet - Tre realtidsklasser: - Non Real Time (NRT): För icke-realtidsapplikationer - Real Time (RT): För realtidsöverföring av tidskritiska processdata - Isochronous Real Time (IRT): För tillämpningar med rörelsestyrning

27 Profinet - Två varianter: - Profinet CBA (Component Based Automation): * Avsett för distribuerade automationssystem * Objektorienterad modulär design * Baserat på Microsofts modell DCOM (Distributed Component Object Model) * Cykeltid: ms - Profinet IO: * Kommunikation med perifer utrustning (distribuerad I/O) * Utnyttjar det XML-baserade GSD-formatet GSDML (General Station Description Markup Language) * Cykeltid: ca 1 ms

28 Industrial Ethernet 2 av alla varianter: - Ethernet/IP (Industrial Protocol) * Utvecklat av Rockwell Automation * Topologi: Stjärna, linje, träd * Överföring via TX Ethernet eller fiber * Hastigheter: Mbit/s * Antal stationer: Så gott som obegränsat - EtherCAT (Control Automation technology) * Utvecklat av Beckhoff * Topologi: Stjärna, linje, träd * Överföring via TX 100 Ethernet * Hastighet: 100 Mbit/s med full duplex * Antal stationer: 65535

29 Ethernetbaserade arkitekturer 1

30 Ethernetbaserade arkitekturer 2

31 Ethernetbaserade arkitekturer 3

32 Jämförelse mellan EtherCAT och Profinet IRT Payload = Mängden nyttig (egentlig) information per ram/paket Slutsats: EtherCat är snabbare än Profinet IRT, speciellt för små payloads Ref.: Prytz, G: A performance analysis of EtherCAT and PROFINET IRT. ETFA Proceedings, pp , 2008.