Hur ser industrins sbehov ut: Ethernet i stället för fältbuss? Trådlöst i stället för trådbundet? PROFIBUS i Sveriges Ethernetseminarier 2005 av Lars H Larsson ordförande i den svenska användarorganisationen för PROFIBUS och PROFINET materialet finns att ladda hem efter den 15:e maj: 1 Industrins sbehov har alltid varit stort. En ökad automatisering ställer allt större krav på en. Från början var behovet av framförallt mellan styrsystemen för olika delar av en anläggning eller mellan olika perifera funktioner in till DCSsystemet: från råvaruhantering, fastighetsfunktioner, lagerhantering, paketering. Det löstes ofta med seriell med mycket skilda protokoll och en stor insats ingenjörsarbete. Sedan växte behovet dels för operatörs, dels för med processen. Parallellt växte det fram ett behov av att kommunicera uppåt: kvalitetsuppföljning, statistik mm. Redan tidigt fanns Ethernet med i bilden. Dess industriella form var i början klumpig och dyr. Protokollen var skiftande: Siemens H1, ABB:s Master Buss osv. Försöket till samordning och standardisering gav MAP men det siktade för högt och blev för dyrt. Samtidigt växte ADB-världen fram med över Ethernet och så småningom TCP/IP och Internet. Industrin å andra sidan koncentrerade sig främst på en nedåt till givare och instrument och vi fick fältbussarna. Nu kräver en rationell produktion att ERP och MES-system integreras i fabriken samtidigt som allt mera intelligenta fältenheter ställer högre krav på en än vad fältbussarna kan klara av. Det är med andra ord dags att Ethernet tar över i industrin. 1
Utvecklingen av industrins sbehov Ledningsnivå Ingenjörsstation, PC Då: Cell nivå Fältnivå PLC, PC PLC, PC Drives Ventiler Nu: Givarnivå Planning Management ERP MES Controls Aktorer givare Enterprise Resource Planning (ERP) Manufacturing Execution Systems (MES) Process och produktion Production 2 Synen på våra produktionsanläggningar och deras sbehov har förändrats kraftigt under de 15 år som vi levt med fältbussar. Från början var varje nivå som en sluten värld med begränsad vertikalt. Industrianläggningen började med PLC:n eller DCS:n och därunder I/O, instrument, givare och ställdon. na sågs först som en kabelersättare för att sedan uppskattas framförallt för den ökade informationen och de stora fördelarna med att ha en online slinje ut till varje enhet i anläggningen. Enklare konfigurering, drifttagning, parametrering även under drift, byte av enheter under drift med automatisk parametrering av den nya enheten, förebyggande underhåll mm. Så småningom har fokus flyttat uppåt i hierarkin. Kommunikation mellan anläggningens olika delar. Kommunikation uppåt till operatörsstationer, produktionsstyrning och kvalitetsuppföljning med krav på större datamängder. Därmed har behovet av standardiserat Ethernet kommit in i anläggningarna. Idag gäller inte den traditionella hierarkiska bilden i form av en triangel. Underifrån kommer allt intelligentare fältenheter, stand alone produktionsenheter med funktionsomfång i styrsystems eller DCS klass. Ovanifrån finns behovet av att integrera MES för att utföra orderna från ERP. Samtidigt finns mikrostyrsystem med full Internetkapacitet inklusive websidor, realtids-ethernet i små I/O-stationer och i Motion Control enheter, industrianpassat Ethernet med industrimässiga kablar, kontakter och switchar. Alla pratar med alla och vägen går inte längre genom en fast hierarki. 2
na dominerar dagens automation Mer än 26 miljoner noder installerade av de stora fältbussarna. används i alla branscher...... i hela anläggningen,... och med profiler för alla applikationer: HART Instrument Ställdon Upstream Mainstream Downstream Safety Vägning/Docering Fältbuss Antal noder därav i Process PROFIBUS DP 13 Miljoner 2,5 Miljoner PROFIBUS PA 0,5 Miljoner 0,45 Miljoner Interbus 7,5 Miljoner --- CC-Link 2,8 Miljoner --- DeviceNet 2,5 Miljoner 1,0 Miljoner Foundation Fieldbus 0,4 Miljoner 0,4 Miljoner Remote I/O Robot Control Motion Control Encoder HMI Drives IP65 3 I snart 20 år har vi haft fältbussar i industrin. Idag finns det fältbussar i alla branscher och knappt någon anläggning byggs utan fältbuss. I år kommer mer än 4 miljoner fältbussnoder att installeras. De flesta fältbussnoderna finns inom verkstadsindustrin. Inom processindustrin finns totalt drygt 4 miljoner noder installerade. De flesta är utanför Ex-zon och utgörs av DeviceNet och Profibus DP. Endast en mindre del, ca 0,8 miljoner noder, berör instrument och intelligenta ställdon med Profibus PA eller Foundation Fieldbus. Detta trots att standardiserade fältbussar för processindustrin funnits i mer än 10 år. na har utvecklats enormt från deras ursprungliga roll som kabelersättare och enkelt datautbyte med givare, ställdon och instrument till dagens automationssystem där fältbussen ofta är en förutsättning för funktionaliteten. Med sina profiler för allt från enkel I/O-uppdatering till avancerad reglering över bussen, felsäkerhet, vägning och docering, robotstyrning, Motion Control, HMI och mycket mer. Prestanda för fältbussarna har samtidigt utvecklats: Hastigheter på upp till 12Mbit/s Uppdatering av tusentals signaler på ett par millisekunder, tidssynkronisering med noggrannhet på under 1µs Avstånd upp till 100km, hög datasäkerhet, olika media inklusive fiber, Exklass, utvecklade konfigureringsverktyg, parametrering och utbyte under drift, omfattande diagnostik, hanterar datamängder på många MB, interoperabilitet, ett enormt produktutbud, många leverantörer, långtgående standardisering mm. Ethernet har ett tufft jobb när fältbussarna skall ersättas. 3
Varför Ethernet i process och industrianläggningar? Knyter samman ledningsnivån med produktionen ERP och MES kommer online Transparent integrering ner till instrumentnivå En enhetlig nätverksstruktur Reducering av olika typer av gränssnitt Anläggningsövergripande projektering Kontinuitet ända ner till fältnivå Gemensamt leverantörsgränssnitt Utnyttjar fördelarna med IT-teknologin även inom produktionsområdena Fjärranslutningar Web-tjänster Uppdateringar Förbättringar jämfört med fältbussar Högre prestanda Betydligt fler anslutningar Förenklad och enhetlig hantering 4 Med så duktiga fältbussar finns det väl ingen anledning att gå över till Ethernet? Fyra stora biltillverkare gick nyligen ut och deklarerade att man nu förväntar sig att alla leverantörer omgående börjar implementera Ethernet. Man anser att den begränsade bandbredden på fältbussarna är ett hinder för den industriella utvecklingen. Vad man då tänker på är bland annat Asset Management, Produktionsplanering, Spårbarhet och annat som ingår i MES. Man vill också komma bort från nuvarande situation där till exempel central engineering och fjärranslutning sker via gateways där ofta DCS eller styrsystem måste fungera som scentraler för ibland flera olika underliggande bussar. Applikationer som till exempel Motion Control och mer intelligenta produktionsceller kräver i vissa fall högre prestanda än vad som är möjligt med fältbussar. Till exempel komponentbaserad automation. Allt flexiblare anläggningar och produkter kan dra nytta av onlinekoppling till IT för exempelvis uppdateringar och larmförmedling via web. 4
Klarar Ethernet industrins krav? installation Anläggningsövergripande projektering Integration av befintliga system Hög Tillgänglighet Automation Effektiv nätverks- och enhetsdiagnostik Säkerhetsapplikationer Snabba reaktionstider Konfigurerbart accessskydd 5 Det är stor skillnad på kontorsvärldens krav och industrins krav. Alla har vi blivit irriterade när det tar lite extra tid att hämta data på företagets nätverksanslutna servrar eller när Internet svarar med Page not available. Men vi lever med det och accepterar det muttrande. I en fabrik kan man inte ha avbrott eller fördröjningar. Hög tillgänglighet är ett måste. Dessutom är den elektriska och inte minst den elektromagnetiska miljön mycket tuffare i industrin. Detta liksom vibrationer, fukt och annan miljöpåverkan måste hanteras. Vissa applikationer kräver extremt snabba reaktionstider. Vi vill kunna sitta centralt och komma åt allt och få information och larm från processen. Vi vill kunna hindra otillåtet intrång. Installationen måste kunna ske på ett industrimässigt sätt av industrins personal. 24V DC-matning, säkra kontakter, drag och böj-tåliga kablar osv. Det finns många miljarder kronor investerade i fältbussar i befintliga anläggningar (>26 miljoner noder) och dessa måste kunna integreras. Personsäkerhet och skyddande av anläggningen är en självklarhet. 5
installation av Ethernet Utförande Tåligt metalhölje Montering på DIN-skena Miljötålig (temp., vibrationer...) 24V matning med redundans EMC tålighet Garanterad trafik även i svår EMC-miljö installation Hög tillgänglighet Säker anslutning D-Sub för industriell TP RJ45 i metall IP65 i RJ45 eller M12 BFOC för fiberoptik Nätverkstopologi Linjär buss, stjärna, träd Elektrisk/optisk ring med snabb redundans i millisekundsområdet 6 För att uppnå hög tillgänglighet är det viktigt att kablar och kontakter sitter fast och tål påfrestningarna i en industrimiljö. De skall också hindra störningar från elektromagnetiska fält, fukt mm. Kablar måste finnas med rätt material för att kunna användas i livsmedelsindustri. Switchar och andra nätprodukter måste kunna matas med 24V DC. Montering måste kunna ske industrimässigt, enkelt, säkert, ekonomiskt och av den ordinarie personalen. Anläggningens utformning gör att nätet måste kunna förläggas både som linjär buss och som stjärna eller träd. Hög tillgänglighet måste kunna garanteras genom snabb redundans. Kontorsvärdens redundanstider på 30s upp till minuter måste ner i millisekundsområdet för att inte stoppa processen. 6
a processer kräver säker Säker access med VPN/VPA PC med säkerhetsprogram MES Server PC med säkerhetsprogram PC med säkerhetsprogram WAN Kontorsnät Hög tillgänglighet Brandvägg Konfigurerbart accesskydd Säkerhetsmodul Säkerhetsmodul t Ethernet Operatörsstation Säkerhetsmodul Säkerhetsmodul Produktionsceller Server 7 Alla har vi upplevt riskerna med uppkoppling på Internet. Virus, spam, hackers som bryter sekretess, blue screen... Hur vågar vi koppla industriprocessens I/O-nätverk samman med Internet? Tekniken för säker anslutning utvecklas snabbt och redan idag finns tillräcklig säkerhet för att vi skall kunna åstadkomma fjärranslutning utan att riskera processen. Riskerna med industrimiljön behandlade vi på förra bilden och anges här genom att vi benämner nätet i anläggningen t Ethernet. Sedan gäller det att skydda detta nät mot otillåten access: Första steget man tänker på är en brandvägg men det är ett klent skydd. En hacker behöver bara några timmar för att ta sig igenom en normal brandvägg. Nästa steg är att endast tillåta trafik över säkra tunnlar med tekniken VPN (Virtual Private Network). Ytterligare säkerhet kan uppnås genom att känsliga delar av nätverket skyddas med säkerhetsmoduler som endast släpper igenom trafik från deltagare som har ett speciellt säkerhetsprogram installerat. 7
Ethernet tillåter mer diagnostik: nätverk... från switchar: Effektiv nätverksoch enhetsdiagnostik Indikering (nätstatus, spänning, kollision, data) SNMP OPC server Web baserad hantering SNMP RMON Öppen tack vare IT-standarder Enkel lokalisering av t.ex. trådavbrott Översiktlig diagnostik Detaljerad diagnostik 8 är bra på diagnostik från de anslutna enheterna men först på senaste åren har vi kunnat få någon information från det fysiska nätet och fortfarande är informationen knapphändig och beroende av tilläggsapparater och program. Ethernet har redan i standardprodukter för nätverksuppbyggnad en mycket bättre diagnostik av det fysiska nätet och trafiken på det. Informationen är dessutom lättillgänglig tack vare webbaserad hantering och öppen ITstandard. 8
... station, modul, kanal Diagnosinformation är minst densamma som från fältbussar : Diagnosinformation skickas från I/O-stationen till IO- Controller (1) Diagnosinformationen från stationen kan dessutom läsas 2 direkt av serviceverktyget/ ingenjörsstationen (2) 1 Nivå 1: Nodfel (t.ex. Ventilstation 2) I/O station IO-Controller Effektiv nätverksoch enhetsdiagnostik Kanal 0 Kanal 1 Kanal 0 Kanal 1 Kanal 0 Kanal 1 Nivå 2: Modulfel (t.ex. analog ingångsmodul 3) Kanal 2 Kanal 2 Kanal 2......... Nivå 3: Kanalfel Kanal x Kanal x Kanal x (t.ex. kabelbrott kanal 2) Slot 1 Slot 2 Slot 3 9 Den information som vi kan få från fältbussanslutna produkter idag är omfattande. Med till exempel DPV1 och DPV2 på Profibus hanteras lokalt tidsmärkta larm, kvittering över bussen, överföring av stora mängder information som larmbuffert för att hantera kaskader av larm, statistik, underlag för trendkurvor och mycket mer. Detta är funktioner som successivt kommit för fältbussar under de senaste 10 åren. Bilden visar den situation man tagit över från fältbussarna. För Ethernet finns dessa funktioner med redan från början. Den större kapaciteten och den annorlunda accessmetoden ger nya möjligheter till utökad diagnostik och information från och mellan de anslutna enheterna. 9
Ethernet tillåter fri placering av ingenjörsstationer WAN Lokal projektering Fjärranslutning Samma konfigurering som för motsvarande fältbuss Anläggningsövergripande projektering Anläggningsnät Transparent access PA DP 10 I processanläggningar sker numera det mesta ingenjörsarbete från en centralt belägen ingenjörsstation. Access till fältenheter sker antingen genom DCS:er och styrsystem eller så sker det från PC ansluten direkt på den aktuella bussen. Kraven blir allt större på att kunna nå fler enheter mera direkt och även att kunna nå dem från en fjärranslutning till exempel över Internet. Med Ethernet blir detta mycket enklare att realisera. Redan idag finns transparent tillgång till instrument och I/O genom proxy och länkar utan att behöva gå igenom DCS:er eller PLC:er. en av anslutna enheter sker inledningsvis på samma sätt för fältbussar men utvecklingen av XML-baserad konfigurering och andra metoder med till exempel autokonfigurering är på väg och med Ethernets större möjligheter kan vi förvänta oss innovationer på detta område. 10
I/O och Motion Control kräver realtids-ethernet Process- Fabriks-Automation Motion Control Snabba reaktionstider 100ms 10ms <1ms TCP/UDP Realtid Standard Ethernet har reaktionstider runt 100 ms och uppåt. Det finns flera olika lösningar med realtids- Ethernet. Baserat på olika teknik erhålls från 5-10 ms ner till 0,1 ms : OnTime Ethernet och JetSync med tidsstämpling och prioriterade telegram Powerlink med stängda Ethernetsegment och eget Data Link Lager PROFINET RT med prioriterade telegram EtherCAT och SynqNet med bara fysiken hämtad PROFINET IRT och Sercos III med från Ethernet realtidsswitchar i inbyggda ASICs 11 är bra på realtid! Reglering av upp emot 30 synkroniserade axlar över bussen på 1 ms och med en noggrannhet på 1 µs klarar fältbussar idag. Redan digitala ingångar och utgångar i snabba tillämpningar typ paketerings- och etiketteringsmaskiner kräver reaktionstider runt 5 ms. Standard Ethernet med TCP/IP har reaktionstider som inte är förutsägbara. Med helt öppen trafik går alla telegram med samma prioritet och svarstiderna kan variera från någon ms upp till 100-tals ms. Därför har det varit helt nödvändigt att finna ett realtids Ethernet och det är nu gjort på flera olika sätt: Prioriterade telegram, Detta är den enklaste metoden. De telegram som kräver snabbt svar skickas med högre prioritet, än till exempel Internettrafik, men man kan fortfarande använda TCP/IP. Svarstider runt 20 ms. Prioriterade telegram vid sidan om TCP/IP, För de deltagare som är placerade i en anläggning och väl känner varandra behövs inte TCP/IP, som ju är till för transport utanför det lokala nätet. Därigenom kan flera ms tjänas i hanteringen och därmed svarstiden. Full TCP/IP-trafik kan ske parallellt. Svarstider runt 5 ms. Stängda nätverkssegment och speciellt protokoll, Genom att hindra utifrån kommande trafik och synkronisera deltagarna med speciellt protokolltillägg kan mycket snabba svarstider (0,4 ms) med noggrann synkronisering (<1µs) uppnås. TCP/IP-trafik kan inte ske med bibehållen snabb svarstid. Korta slottider för små TCP/IP-telegram möjliga (bandbredd 2-10%) Inbyggda realtidsswitchar i de enheter som kräver snabba svarstider, Genom att bygga in realtidsswitchar endast i de enheter som kräver realtid kan dessa styra trafiken i det lokala segmentet och mycket snabba svarstider (0,25 ms) med noggrann synkronisering (<1µs) uppnås. På fria anslutningar på dessa switchar kan standard TCP/IPanvändare och andra segment anslutas. Realtidsswitcharna tilldelar standard TCP/IP-trafik minst 50% av tiden (bandbredd >50%). Inbyggda ASICs i enheter i avskilt segment, Genom att helt gå ifrån standard Ethernet och bara utnyttja fysiken men införa egen accessmetod och protokoll kan också mycket snabba svarstider (0,1 ms) med noggrann synkronisering (<1µs) uppnås. Mycket begränsad TCP/IP-trafik inbäddad i telegrammen och med uppackning i en gateway. 11
Person- och materialsäkerhet Flera Ethernetlösningar håller på att implementera och få godkännande av safety eller anlutning av underliggande säkerhetsbussar: PROFINET implementerar PROFIsafe med samma funktionalitet som på PROFIBUS DP PROFIsafe på PROFIBUS för PA och DP knyts till PROFINET med proxy Fieldbus Foundation utvecklar safety för processinstrument. FF knyts till HSE som inbäddat protokoll Powerlink implementerar säkerhetsapplikationer Säkerhetsapplikationer t Ethernet 12 Personsäkerhet och skyddande av utrustning och miljö är mycket viktigt för industrin. När fältbussar blev godkända för felsäker innebar det en revolution för automationsapplikationer. Den mest utbredda felsäkra en, PROFIsafe, bygger på på standard fältbuss med en så kallad Black Channel teknik. Detta innebär att alla åtgärder för att uppnå felsäkerhet är inbäddade i nyttodatadelen i telegrammet eller utförs i sändaren respektive mottagaren i form av numrering av telegrammen, kodning av sändare/mottagare, övervakning med time-out osv. Allt detta är oberoende av fältbussen som överför den felsäkra en. Tack vare detta har det varit möjligt att överföra samma teknik nästan helt utan ändringar. 12
Befintliga fältbussar integreras Integration av befintliga system PROFINET Interbus, (DeviceNet, CC-Link...) PROFIBUS Proxy PA, P-NET eller FF Modbus/TCP respektive EthernetIP Link Modbus I/O respektive DeviceNet HSE respektive P-NET on IP Linking Device FF P-NET 13 Redan av de 5 största fältbussarna finns det mer än 25 miljoner noder installerade i anläggningar över hela världen. Dessa representerar ett gigantiskt investerat kapital. Vid tillbyggnad, ombyggnad och uppdatering av dessa anläggningar är det helt nödvändigt att kunna integrera dessa befintliga fältbussenheter i fabrikens nya nätverk. De a Ethernetlösningar vi väljer måste ha integreringsmöjligheter för befintliga anläggningsdelar. Ju transparentare desto bättre. 13
, fiberoptik, 1 Gbit, 10 Gbit... Vem sa att Ethernet är en standard? Ethernet är inte en utan många standarder. Följande bild visar lite av utmaningen t Ethernet står inför när man vill att det skall klara allt: Källa: Hirschmann Pocket Guide Industrial Ethernet t Ethernet är idag oftast baserat på 100 BaseT på koppar. Fiberoptik används ofta och 1 Gbit är på väg liksom trådlöst... 14 följer idag med när du köper din hemdator. Tekniken är en (eller egentligen några stycken) av många olika IEEE-standarder för det fysiska nätet för Ethernet. Andra standarder är till exempel IEEE 802.3 (10BaseT), IEEE 802.3u (100BaseTX), IEEE 802.3ab (1000 BaseTX). Så vad skall en buss för t Ethernet klara? Allt? Prestandakraven gör att t Ethernet idag är mer eller mindre standardiserat på 100BaseTX med anslutning via switchar vanligtvis med krav på prioriteringshantering, management och diagnostik. Men möjligheterna att använda trådlösa ingenjörsstationer för till exempel kalibrering av instrument på plats när man samtidigt är uppkopplad till instrumentet utan att behöva dra runt på en kabel... Möjligheterna är många och kraven kommer direkt. 14
med säkra accesspoints Med ett Ethernet som hämtar sina telegram från radioöverföring blir säkerheten extra viktig: Kontorsnät IEEE IEEE standard Immun Immun mot mot störning (DSSS, (DSSS, OFDM) OFDM) Hög Hög hastighet (25 (25 MBit/s MBit/s netto) netto) Avstånd upp upp till till 100m 100m Wireless LAN LAN 802.11g(b), med med upp upp till till54mbit/s vid vid 2,4GHz 2,4GHz och och5ghz och och radiogodkännande i i 30 30länder Optimerat radioprotokoll för för extremt tillförlitlig trådlös trådlös överföring Utökad Utökaddatasäkerhet genom genom128bit kryptering (802.11i, ny ny nyckel nyckel med med varje varje telegram) 2x 2x 24 24 V redundant spänningsförsörjning 15 Alla inser snabbt fördelarna med ett trådlöst t Ethernet. Men... Om vi känner oss osäkra när vi öppnar processanläggningens snät mot Internet så känner vi oss än mer osäkra när en skall ske trådlöst. Förutom den rena datasäkerheten känns det som om vem som helst kan avlyssna eller koppla in sig på en accesspoint. Om man inte skyddar nätet är det fullt möjligt. Du kan surfa på grannens WLAN ut på Internet utan eget abonnemang. Kommer du till ett hotell kan du enkelt hacka dig in på deras WLAN. Hur skyddar vi då vår processanläggning. Samma teknik som nämnt tidigare med VPN används med WLAN (Wireless Local Area Network). Enkel kryptering för VPN stoppar de flesta hackare men en duktig sådan kan klara en fast krypteringsnyckel på 3 timmar. För de flesta anläggningar är det alldeles tillräckligt. Vem är så angelägen om att komma åt en industrianläggning att man offrar den tiden och de resurserna? Men behövs det kan man använda ännu bättre kryptering där nyckeln byts med varje telegram. Då krävs det rent matematiskt 50000 år att hacka sig in på det trådlösa nätverket. 15
Slutsats: t Ethernet i stället för fältbussar och självklart med en del trådlöst t Ethernet WAN MES Kontorsnät t Ethernet Operatörsstation Produktionsceller 16 Sammanfattningsvis kan vi konstatera att Industrins sbehov är stort och snabbt växande. na har en enorm utbredning (>>26 miljoner noder) och växer snabbare än aldrig förr (>4 miljoner noder per år). är mångsidigare än man i sin vildaste fantasi kunde föreställa sig för 20 år sedan när de planerades. Men fältbussarna räcker inte till i framtiden. Under de närmaste 10 åren får vi se en övergång till större bandbredd, snabbare överföring, fler funktioner, en ökad enhetlighet med ökad integrering, direktkoppling till MES och ERP och fullständig integrering till världsomspännande system som Internet. t Ethernet är redo att ta över med början idag! Trådlöst t Ethernet har sin självklara plats bland övriga möjligheter. Samtidigt kommer fältbussarna att dominera många år ännu. Lägre pris, större funktionalitet inledningsvis, många gånger fler produkter, profiler och applikationer. Och med möjligheten att fullständigt integrera befintliga fältbussinstallationer i kommande a Ethernetlösningar brådskar det inte. 16
tack vare Ethernet ERP MES Asset Management Order Management Personnell management... Fjärrdiagnostik FAQs @ Download dokumentation Processoptimering Uppdateringar Internet Data i HTML-sidor och via Applets 17 En av de stora fördelarna med att gå över till t Ethernet är alla de nya möjligheterna. Företagsledningens planering (ERP) kan direkt med befintliga system (MES) styra produktionen i onlinekopplade system. Beställningsingången och resurstillgången kan optimera tillverkningen. Asset Management, kvalitetsuppföljning, spårbarhet, lagerplanering och logistik kan styras från produktionen i onlinekopplade system (MES). En hel värld öppnar sig för fjärrdiagnostik, processoptimering, online-uppdateringar, ingenjörshjälp i form av FAQ och nedladdningsbar dokumentation. Anläggningens hela övervakning kan göras tillgänglig i form av HTML-sidor, Applets eller annan Internetteknik varhelst den behövs. 17
Vilken Ethernetlösning klarar industrins alla krav? Person- Security och materialsäkerhet Safety IT-Standard & Säkra nät IT-Standards Industrimässig installation PROFINET? Echtzeit- Process Kommunikation Dezentrale Realtids Feldgeräte Netzwerk- Installation Distribuerad Automation Motion Distribuerade Control fältenheter Verteilte Intelligenz Motion Control 18 Ingen Ethernetlösning klarar av alla industrins krav! Men de flesta av önskemålen i pusslet ovan kan uppfyllas idag eller inom en snar framtid. Resten kan vi förvänta oss kommer inom ett par tre år. Det viktiga är att söka enhetliga, internationellt standardiserade, a Ethernetlösningar som täcker hela anläggningen. 18
Inbäddade protokoll på t Ethernet Fältbussteknik på standard Ethernet med TCP/IP alternativt UDP/IP. De respektive protokollen är som fältbussprotokoll och kapslas in i standard Ethernettelegram. Ethernet/IP, Modbus TCP, HSE, P-Net Applikationsprotokoll ev. Nätverk & Transport Implicit Msg Explicit Msg Inbäddat protokoll TCP IP UDP Ethernet MAC Ethernet IEEE 802.3 Fysik Standar Ethernetprodukter kan anslutas och kommunicera obehindrat. Busstiden bestäms av totala lasten. Ingen realtid. 19 De först realiserade a Ethernetlösningarna använder sig av metoden att transportera ett fältbussprotokoll inbäddat i ett vanligt TCP/IP-telegram. Tekniken har flera fördelar: Det blir snabbt tillgängligt på marknaden Befintliga fältbussar kan enkelt anslutas med en transparent link Full TCP/IP-trafik kan köras parallellt Tekniken har vissa nackdelar: Man får inte mer än vad fältbussen kan Man blir beroende av Ethernets normala svarstider på 100 ms eller mer om inte övrig trafik spärras eller starkt begränsas 19
Ethernet IP Internet ERP... CIP telegram Ethernet Router Bridge EtherNet/IP MMI PLC Logiskt nätverkssegment Bridge DeviceNet ControlNet CIP DeviceNet specifikation DeviceNet Common Industrial Protocol FTP CIP SNMP... TCP IP IEEE 802.3 UDP EtherNet/IP CIP ControlNet specifikation ControlNet 20 Ethernet/IP har bäddat in DeviceNet i ett TCP/IP-telegram. På applikationsnivå har man samma program som används för DeviceNet och för Control/Net och som kallas CIP (Common Industrial Protocol). Man har öppnat möjligheten att ansluta I/O över Ethernet på samma sätt som I/O anslutits på fältbuss tidigare. Genom att änvända UDP/IP kan man för några få I/O nå svarstider ner mot 10 ms men i en normal anläggning ligger man betydligt högre. 20
Modbus/TCP MODBUS APPLIKATIONSPROGRAM MODBUS TCP TCP IP Andra varianter Modbus+/HDLC Master/Slav Ethernet 802.3 Annan fysik Ethernetfysik RS232/485 Ethernetfysik 21 Med Modbus/TCP har man öppnat ännu en möjlighet att prata Modbus. Därmed kan nya I/O med Modbus anslutas direkt och befintliga I/O anslutna över RS485 kan med en link integreras i Ethernet. Modbus/TCP kan inte nå svarstider under 20 ms och i normala anläggningar hamnar cykeltiderna runt 50 ms och uppåt. 21
FF-HSE och P-Net LINK FF HSE/P-Net s stack IP Ethernet 802.3 Ethernetfysik FF H1/P-Net s stack MBP-fysik 24 V DC FF eller P-NET 22 Fieldbus Foundation tog tidigt fram en möjlighet att ansluta DCS:er över Ethernet med HSE (High Speed Ethernet). Det finns inga processinstrument som anslutes direkt till HSE utan endast gateways sk HSE/FF-links som gör att man kan ansluta upp till 4 Foundation Fieldbus slingor till en link och därmed till ett Ethernetinterface i DCS:en. P-NET är en processbuss med samma fysik som FF och Profibus PA. P-NET on IP är samma lösning som HSE men för att ansluta befintliga P-NET fältbussar över Ethernet till DCS. 22
Realtidslösning med eget protokoll fysik Realtids ringformat subnät med ett enda cirkulerande telegram i en Ethernetram utan IP, TCP eller UDP. Med en master som inkluderar gateway till överliggande standard Ethernet. EtherCat Egen ASIC i varje deltagare i subnätet och endast ett cirkulerande telegram ger realtid <0,1 ms med 1 µs noggrannhet HTTP/FTP... Ethernet Fysik Inbyggd ASIC Eget protokoll för styrdata och diagnostik Process Data EtherCAT slave controller Standar Ethernetprodukter kan anslutas med extra gateways där små TCP/IP telegram inkapslas i EtherCat telegrammet. TCP UDP IP Ethernet MAC Mailbox 23 Helt egna företagsbundna lösningar har tagits fram. Ett exempel är EtherCat. EtherCat görs nu tillgängligt för fler leverantörer men bygger fortfarande på helt egen fysik i form av inbyggda ASICs i alla deltagare och eget protokoll med bara fysiken hämtad från Ethernet. Genom att helt kontrollera trafiken i det egna segmentet och använda en teknik med ett enda cirkulerande telegram där varje deltagare hämtar sin information och lämnar det den vill sända i samma fack i telegrammet uppnås mycket bra realtidsegenskaper. Tekniken är speciellt lämpad för Motion Control och har klara fördelar: All trafik i den egna delen av nätverket kontrolleras av en master Realtid med cykeltider på 100 µs och synkroniseringsnoggrannhet <1 µs Det finns dock många nackdelar: Alla deltagare måste ha inbyggd ASIC och ett eget protokoll Varje deltagare har ett mycket begränsat utrymme i telegrammet Vanlig TCP/IP-trafik måste bäddas in i det begränsade utrymmet för den deltagaren och sedan packas upp i mastern för vidarebefordran utanför segmentet. Externa TCP/IP-enheter kräver extra modul för anslutning 23
Realtidslösning med eget protokoll fysik Realtids dubbelriktat (100 + 100 Mbit/s) nät -fysik. Helt eget protokoll med telegram och access som inte följer Ethernetstandard. SynqNet Helt eget slutet nätverk med eget protokoll gör att man uppnår cykeltider ner till 25 µs och noggrannhet på 1 µs. Inga Ethernettelegram tillåts. Drivutrustning SynqNet MAC Ethernet Fysik Interfacemodul 24 SynqNet har också ett helt eget protokoll där endast fysiken är hämtad från Ethernet. Här adresseras varje motorstyrning med egna telegram där börvärde skickas med ett trådpar och ärvärde skickas av motorenheten över ett annat trådpar. Därmed uppnås 2x100Mbit/s. Genom att applikationen endast är till för motorreglering och ingen annan trafik är möjlig uppnås mycket bra realtidsegenskaper med reglering av flera axlar på cykeltider ner till 25 µs och synkroniseringsnoggrannhet under 1 µs. Interfacemodulen är i det här fallet en elektronikkrets och inte en ASIC. 24