systemy komunikacji

OKABLOWANIE W WYBRANYCH SYSTEMACH KOMUNIKACJI
Robert Pastuszka, Ireneusz Sosnowski
W ciągu ostatnich lat postęp w elektronice i automatyce wymusił zmiany w konstrukcji
kabli sterowniczych i zasilających. Pewność połączeń, dokładność przekazywania danych są
elementem skutecznej komunikacji. Jest to bardzo ważny czynnik w instalacjach aparatury
kontrolno – pomiarowej oraz komputeryzacji sterowania urządzeniami i całymi liniami
produkcyjnymi, szczególnie pracującymi w trudnych warunkach środowiskowych. Każdy ze
standardów komunikacji, transmisji danych wymaga zupełnie innych połączeń kablowych, a kable
do poszczególnych systemów oprócz właściwej budowy muszą charakteryzować się
niezawodnością w warunkach pracy do których są przeznaczone.
Najczęściej stosowane systemy komunikacji to:
-
AS-I (Actuator-Sensor Interface)
PROFIBUS
CANopen
DeviceNet
Ethernet
PROFInet
Poniżej zamieszczono opis struktury kilku systemów komunikacji i wymogów stawianych
przed okablowaniem. Należy pamiętać, że niezależnie od systemu komunikacji zastosowane
kable muszą sprostać wymogom środowiskowym oraz obciążeniom mechanicznym
występującym w miejscach ich pracy. Wymogi środowiskowe mogą dotyczyć temperatury pracy
przewodów, odporności na promieniowanie UV, oleje, różnorodne związki chemiczne lub wilgoć.
Zastosowanie sieci (magistrali) AS-I pozwala na rozproszenie
systemu sterowania. Komponenty sieci są połączone za pomocą
profilowanego, płaskiego, nieekranowanego dwużyłowego kabla.
Oprócz transmisji danych, kablem dostarczane jest napięcie do
wszystkich modułów slave, co pozwala zasilać z sieci AS-I
standardowe czujniki dwustanowe PNP (np. indukcyjne czujniki ruchu,
pojemnościowe czujniki poziomu, czujniki ciśnienia). Jest to sieć typu
Master-Slave.
Transmisja
danych w magistrali odbywa się przez zakodowany
sygnał prądowy przy napięciu DC 30V. Na obiekcie gdzie
zastosowano magistralę AS-I prowadzone są tylko dwa
kable 2x1,5 mm2 koloru żółtego i czarnego, które
pokazano na rys.1. Zamiast licznych wiązek kabli
wielożyłowych, wrażliwych na indukowanie zakłóceń
elektromagnetycznych wykonuje się połączenia w prosty
sposób, wykorzystując uniwersalną technikę łączenia
modułów slave z kablami żółtym i czarnym [1].
Sieć PROFIBUS jest standardem sieci
przemysłowej, który może być wykorzystywany w
Rys.1. Kable dla AS-I
różnorodnych układach automatyki przemysłowej.
Komunikacja może się odbywać pomiędzy urządzeniami różnych producentów bez jakichkolwiek
dodatkowych interfejsów.
W sieci PROFIBUS może znajdować się wiele urządzeń nadrzędnych typu master i
urządzeń typu slave. Dzięki temu do jednej sieci mogą być podłączone urządzenia sterujące,
zarządzające przetwarzające i wizualizujące proces technologiczny. Urządzenia nadrzędne
master określają sposób komunikacji w sieci, mogą wysyłać informacje bez dodatkowego
zewnętrznego sygnału żądania transmisji, jeżeli uzyskają dostęp do sieci. Urządzenia typu slave
to urządzenia typu I/O, zawory, urządzenia pomiarowe itp.
W standardzie PROFIBUS możemy wyróżnić kilka protokołów: DP (Decentralizet
Peipheries) , FMS (Fieldbus Message Specyfication), FDL, PA i inne.
PROFIBUS DP jest protokołem do obsługi urządzeń polowych, takich jak karty wejść/wyjść,
napędy, aparatura kontrolno-pomiarowo, itp. W jednym segmencie sieci (bez dodatkowych
urządzeń wzmacniających sygnał typu repeater) może podłączyć do 32 urządzeń, ilość danych
ograniczona jest do 244 bajtów. Przy zastosowaniu repeaterów można zwiększyć liczbę
urządzeń do maksimum 126 [2].
Protokół FMS oferuje pozwala na komunikację pomiędzy urządzeniami aktywnymi, takimi
jak CP w sterownikach PLC. Protokół FMS określa sposób komunikacji pomiędzy urządzeniami
typu client-server. Model protokołu pozwala na odwzorowanie rozproszonego systemu
automatyki w jednym urządzeniu VFD – Virtual Field Device (wirtualne urządzenie sieciowe).
Możliwe jest zdefiniowanie kilku wirtualnych urządzeń sieciowych[2].
Rys. 2. Kabel PROFIBUS SK przeznaczony dla sieci PROFIBUS z możliwością szybkiego montażu
Sieć
PROFIBUS
pozwala
na
stosowanie
różnych
topologii.
Najczęściej stosowane media transmisji to:
- technologia RS-485 – do tego celu używana jest jedna para przewodów miedzianych w
postaci ekranowanej skrętki,
- transmisja w standardzie IEC 1158-2 – zapewnia możliwość dwuprzewodowego zasilania
współpracujących z siecią urządzeń, wówczas PROFIBUS może być stosowany w strefach
zagrożonych wybuchem
- transmisja z wykorzystaniem światłowodu – do zastosowania w miejscach szczególnie
narażonych na oddziaływanie pól elektromagnetycznych lub gdy wymagana jest izolacja
galwaniczna. [3]
Rys.3. Przyrząd do zdejmowania izolacji z kabli PROFIBUS SK
Sieci BUS pracują w takich samych warunkach środowiskowych, jak przewody tradycyjnych
instalacji automatyki. Jest to często środowisko agresywne chemicznie (oleje, smary,
rozpuszczalniki, kwasy), promieniowanie UV na zewnątrz budynków, podwyższone temperatury,
narażenia mechaniczne. Powłoki zewnętrzne przewodów w sieciach BUS muszą być odporne na
te narażenia. W celu usprawnienia montażu sieci PROFIBUS i polepszenia jakości połączeń
wprowadzono na rynek okablowanie do szybkiego montażu.
Kabel do szybkiego montażu przedstawiono na rys. 2., natomiast specjalny przyrząd do
zdejmowania izolacji z kabli PROFIBUS SK pokazuje rys.3.
Pomysł wykorzystania sieci Ethernet w automatyce przemysłowej pojawił się wiele lat temu.
Dobry stosunek ceny do oferowanych możliwości sieci i duży potencjał w zakresie rozbudowy
sieci przemawiały za zastosowaniem Ethernet w aplikacjach przemysłowych. Ethernet daje duże
możliwości jeśli chodzi o okablowanie: może to być skrętka, światłowód lub nawet sieć
bezprzewodowa. Początkowo sieć Ethernet była opracowana do zastosowań biurowych, więc
wykorzystanie jej w przemyśle wymagało przede wszystkim zastosowania komponentów (typu
switch) w wykonaniu przemysłowym tzn. odpornych do warunków przemysłowych. Następnie
podniesiono niezawodność pracy sieci przez zastosowanie redundatnych pierścieni, które po
przerwaniu połączenia pozwalają na rekonfigurację sieci i zapewnienie połączenia inną drogą.
Ethernet pracuje wg. normy IEEE 802.3 Określono w niej m.in. sposób dostępu metodę
komunikacji i media transmisyjne dla Ethernet (10 Mb/s), fast Ethernet (100 Mb/s) oraz Gigabit
Ethernet (1 Gb/s). Każda z prędkości wymaga zastosowania odpowiedniego okablowania.
Rys.4. Bezhalogenowy kabel do sieci GigabitEthernet (1200 MHz)
PROFInet jest nowoczesnym standardem opracowanym przez organizację Profibus
International do budowy zintegrowanych i zwartych systemów sieciowych w automatyce
przemysłowej opartym na sieci Industrial Ethernet. Jest to swoiste połączenie standardów
PROFIBUS i Ethernet, pozwalające na wykorzystanie ich najlepszych cech. PROFInet pozwala
na integrację w jednej sieci prostych urządzeń polowych oraz aplikacji krytycznych czasowo.
Możliwa jest także budowa rozproszonych systemów automatyki w opartych na modelu
komponentów.
Rys.5. Integracja systemu PROFIBUS do PROFInet przez urządzenie proxy [4]
Zasadniczą cechą systemu PROFInet jest możliwość przejścia z istniejących sieci
polowych (np. Profibus DP) do opartej na standardzie Ethernet sieci PROFInet. Istnieją dwa
sposoby integracji:
-integracja urządzeń polowych przez urządzenie proxy, które reprezentuje urządzenia polowe
niższego poziomu w sieci Ethernet.
-integracja całych aplikacji sieci polowych – segment sieci polowej jest reprezentowany jako
niezależny komponent.
W systemie PROFInet IO integracja rozproszonych urządzeń polowych odbywa się bezpośrednio
na poziomie sieci Ethernet. W tym celu zapożyczono metodę dostępu master-slave znana z
systemu PROFIBUS DP, która jest tu nazywana provider-concumer. Standard PROFInet
wyróżnia trzy typy urządzeń: IO-controller, IO-device, IO-supervisor. IO-controller jest
sterownikiem, który wykonuje program sterujący instalacją, IO-device jest urządzeniem
przypisanym do do sterownika. IO-supervisor jest urządzeniem programującym lub komputerem
PC z funkcjami diagnostycznymi. Zakres funkcji PROFInet IO został przedstawiony na rysunku 6.
Rys. 6. Zakres funkcji PROFInet IO [4]
Transmisja w sieci PROFInet może odbywać się za pomocą okablowania miedzianego lub
światłowodowego. Kable w wykonaniu przemysłowym mogą być poddawane znacznym
obciążeniom mechanicznym i są projektowane w ten sposób by tym wymaganiom sprostać.
System okablowania tworzą przewody oraz złącza. Jedynie elementy, które zostały
przetestowane oraz wypróbowane otrzymują oznaczenie zgodności z PROFInet.
Wymagania w stosunku do kabli na poziomie polowym są podobne do wymagań sieci
PROFBUS. Stacje posiadają nie tylko interfejs danych, wymagają również zasilania. Dlatego
najlepsze rozwiązanie stanowi okablowanie za pomocą kabla hybrydowego, który zawiera
przewody do komunikacji, oraz do zasilania. Przewody takie są dostępne jako jako Cu/FOC
(włókna optyczne dla danych i przewody miedziane do zasilania) lub Cu/Cu (zasilanie i
transmisja danych za pomocą przewodów miedzianych) [4].
Rys.7. Przewód hybrydowy Cu/FOC wraz z przekrojem poprzecznym
PROFInet wykorzystujący kable światłowodowe może być oparty na kablach jednomodowych lub
wielomodowych. Transmisja danych odbywa się za pomocą linii o dwóch włóknach
światłowodowych (jak na rys. powyżej) według standardu 100BASE-FX z prędkością 100Mb/s.
Interfejs optyczny jest zgodny z ISO/IEC 9314-3 (wielomodowy) lub z ISO/IEC 9314-4
(jednomodowy). Kable światłowodowe są przeznaczone głównie do środowisk o silnych polach
elektromagnetycznych, lub przy budowie struktur bardziej rozległych. Maksymalna długość
segmentu linii światłowodu wielomodowego może wynosić do 2 km. Dla światłowodu
jednomodowego długość ta może wzrosnąć do 14 km.
Przy zastosowaniu kabli miedzianych transmisja również prowadzona jest zgodnie ze
standardem 100BASE –TX przy prędkości 100Mb/s. Kable przeznaczone do transmisji PROFInet
składają się z dwóch skręcanych par żył miedzianych w ekranie. Dopuszczane jest wyłącznie
stosowanie kabli i złącz ekranowanych. Poszczególne elementy sieci muszą spełniać wymagania
kategorii 5 a cała sieć musi spełniać wymagania klasy D zgodnie z IEC 11801.
Rys.8. Kabel do sieci PROFInet
Kable sieciowe dla wykonań przemysłowych muszą oczywiście odpowiadać warunkom w
jakich są układane ( wytrzymałość mechaniczna i chemiczna). W przypadku instalacji poza
szafami sterowniczymi opony zewnętrzne kabli muszą spełniać wszystkie wymogi, które narzuca
środowisko.
Literatura:
[1] Sieć AS-I w odpylaniu spalin kotłowych, Tadeusz Kluba, Technika Zagraniczna Maszyny
Technologie Materiały, Wydawnictwo Sigma, 06/2001;
[2] Profibus-światowa sieć komunikacji przemysłowej, Michał Koter, Andrzej Dębowski, Technika
Zagraniczna Maszyny Technologie Materiały, Wydawnictwo Sigma, 02/2000;
[3] Profibus – technologia i aplikacje, listopad 2004, Profibus PNO Polska
[4] Profinet – technologia i aplikacje, luty 2005, Profibus PNO Polska