ELEC-C1210 Automaatio 1. Automaatiojärjestelmien perusteet 5. Kenttäväylät

Transkriptio

1 ELEC-C1210 Automaatio 1 Automaatiojärjestelmien perusteet 5. Kenttäväylät

2

3 Kenttäväylät: Kenttäväylä on tehtaan lattiatasolla (kentällä vrt. esimerkiksi öljynjalostamon kenttä, tehtaan lattiataso) tapahtuvaan tiedonsiirtoon tarkoitettu väylä. Kenttäväylien tarpeet sovelluksesta toiseen ovat niin erilaisia, että on päädytty useaan erilaiseen kenttäväylään. Kenttäväylien keskeisiä piirteitä:

4

5 vasteajat (onko deterministinen, nopeat vasteajat), tiedonsiirtokapasiteetti (kuinka paljon dataa voidaan lähettää aikayksikössä), viestien siirtotaajuus (sykliset viestit) ja sen stabiilius (jitter), liitettävien asemien maksimi määrä, erilaiset asemien väliset kommunikointitavat (yhteislähetys, kahden välinen sanomanvälitys kuittauksella, ilman kuittausta etc.),

6 väylän pituus (metreistä kilometreihin), viestien eri prioriteettitasot (mahdollisuus kiireellisten viestien priorisointiin), tiedonsiirtovirheiden havaitsemiskoodit väylän varausmekanismi (vaikuttaa väylän vasteaikoihin, syklisen datan lähettämiseen, viestien priorisointiin) datapakettien koko

7 sopivuus räjähdysvaarallisiin tiloihin (öljynjalostamo, kemian tehtaat, viljasiilot etc.) tehon syöttö väylää pitkin (säästää asennus ja kaapelointikustannuksissa), fyysinen siirtomedia (parikaapeli, koaksiaalikaapeli, valokuitu, radioyhteys, infrapunayhteys), laitteiden osoitteet ja uusien laitteiden liittäminen väylään (laitteiden liittäminen toiminnassa olevaan väylään ilman väylän liikenteen pysäyttämistä)

8 sähköisten ympäristöhäiriöiden sietokyky väylän vikasietoisuus ja kahdennettavuus väylän topologia (vaikuttaa kaapelointiin, väylien hierarkiaan, vikasietoisuuteen) väyläliitännän hinta (liitäntäpiirien hinta) onko avoin ja standardoitu (kerääkö joku rojalteja, onko kaikilla käyttäjillä ja kehittäjillä pääsyy kaikkiin samoihin tietoihin, voivatko kaikki vaikuttaa väylän standardin kehittymiseen)

9 liitettävien laitteiden ja komponenttien saatavuus, tyyppi ja hinta (markkinoilla olevien väylään liitettävien laitteiden kuten antureiden, toimilaitteiden, liittimien, kaapeleiden, väyläohjaimien ja väyläliitäntäkorttien saatavuus, toimitusvarmuus ja hinnat) yhteensopivuus ja liitettävyys erilaisiin muihin väyliin ja tietoliikenneratkaisuihin laajennettavuus, mahdollisuus siirtyä seuraavan väyläsukupolven käyttöön sen ilmestyttyä (esim. Ethernet-verkot 10Mbit/s - > 100 Mbit/s)

10

11 HART Highway Addresable Remote Transducer Keskeiset ominaisuudet Toimii yhdessä konventionaalisten 4 20 ma viestien kanssa Lisää toiminnallisuutta mittauslaitteisiin ja toimilaitteisiin Samalta laitteelta voidaan saada useampia mittauksia yhtä johdinparia pitkin Helpottaa kalibrointi Helpottaa laitteiden vikadiagnostiikka Helpottaa instrumenttien ja toimilaitteiden ylläpitoa HART-laitteilla on oma ohjauskieli

12 Hart.pdf wireless Hart

13 Hart wireless Hart

14

15

16 MMS Application domain cell controller

17 MMS - Manufacturing Message Specification history Developed 1980 (!) for the MAP project (General Motor s flexible manufacturing initiative) Originally unluckily tied to the OSI communication stack and Token Bus (IEEE 802.4) Reputed for being heavy, complicated and costly due to poor implementations. Boeing adopted MMS as TOPs (MMS on Ethernet) - a wise step. Adopted by the automobile industry, aerospace industry, and PLC manufacturers: Siemens, Schneider, Daimler, ABB. Standardized since 1990 as: [1] ISO/IEC (2003): Industrial Automation systems - Manufacturing Message Specification - Part 1: Service Definition [2] ISO/IEC (2003): Industrial Automation systems - Manufacturing Message Specification - Part 2: Protocol Specification

18 MMS - Concept MMS (Manufacturing Message Specifications) defines: A set of standard objects which must exist in every conformant device, on which operations can be executed (examples: read and write local variables, signal events A set of standard messages exchanged between a manager and an agent station for the purpose of controlling these objects A set of protocols (rules for exchanging messages between devices) A set of encoding rules for these messages (how values and parameters are mapped to bits and bytes when transmitted) MMS does not specify application-specific operations (e.g. change motor speed). This is covered by application-specific, companion standards (e.g. flexible manufacturing, drives, remote meter reading,...)

19 A controller represents pieces of equipment request message client (any technology) network (any) response message controller represents automation objects, i.e. a collection of PLC 1 variables 1: PLC= Programmable Logic Controller manufacturing devices represent pieces of equipment Accessing variables that represent automation objects require a standard model that defines the objects, called a virtual manufacturing device

20 The basic MMS idea client (any technology) request read variable name response value status network (any) controller 1: PLC= Programmable Logic Controller I / O devices basic MMS idea: read and write equipment variables using standard messages.

21 Application: MMS for OPC OPC uses MMS for variable access, (events) operator (client) OPCserver historian client other clients OPC will be detailed in chapter 4.3 MMS client MMS accesses PLC Variables TCP/IP Ethernet Ethernet AC800 Ethernet S7 Ethernet TSX TCP/IP MMS server PLC variables MMS server TCP/IP MMS client PLC variables MMS server TCP/IP MMS client PLC variables intention: any PLC should be accessed that way (MMS as universal server)

22 MMS - Communication model MMS specifies a set of messages which allow an MMS client to control an MMS server remote procedure call interface request (command) device (e.g. SCADA) MMS client communication stack response (reply) switch MMS does not specify the application interface MMS specifies a set of objects that an MMS server is expected to hold MMS specifies how messages are encoded for transmission network router device (e.g. PC) MMS server communication stack

23 MMS mapping to communication MMS is not by itself a communication protocol, it defines messages that have to be transported by an unspecified network

24 MMS - Underlying Communication Principles MMS is in principle independent from the communication stack. MMS only requires that two types of communication services exist: MMS Requester (client) network MMS Responder (server) 1) Remote Procedure Call (Call paired with Reply, synchronous, unicast) Request Confirmation Indication Response processing time 2) Event Reporting (spontaneous messages sent by server) Indication Request event

25 MMS - Original Communication Stack Association Control Service Element, ACSE, ISO 8649/8650, N2526,N2327 Abstract Syntax Notation, ISO 8822/8823, 8824/8825 ISO 8326/8327 ISO 8073 Class 4 ISO 8473 connectionless Application Presentation Session Transport Network ISO (Ethernet) ISO Type 1 ISO (token bus) Link MAC Physical quite heavy Boeing decided to drop ISO for TCP/IP, was not followed until

26 MMS in the fieldbus stack time-critical process variables time-benign messages Management Interface common time-critical applications (PLC tasks) implicit real-time data base Remote Procedure Call 5 medium access media MMS implicit connection-oriented connectionless connectionless " 2' 1 Application Presentation Session Transport (connection-oriente Network (connectionless) Logical Link Control Link (Medium Access) Physical MMS is not for real-time communication, but it can access the real-time variables

27 MMS - Concept of Virtual Manufacturing Device (VMD) robot flow meter cell A virtual device represents a (complex) piece of equipment MMS client Virtual Device Virtual Device Virtual Device Application-specific object models connection establishment Application Programming Interface (MMSI = MMS interface) MMS messages ACSE presentation session transport network link physical ACSE presentation session transport network link physical communication stack A physical device (PLC) may implement one or more virtual devices

28 MMS Objects Each MMS server is expected to contain a number of standard objects

29 MMS - Objects in a PLC device memory regions upload / download remote control the PLC domains PLC program invocations tasks local Human- Machine Interface keep track of history if mass storage available Journal Files named variables variable s initiate start/stop semaphores identification unnamed variables Operator Station events events & alarms user-defined variables state machines for alarms and events built-in variables, I/O and markers

30 Individual MMS service request (RPC). Runnable program consisting of one or more domains. Object for uploading and downloading Resource (e.g. memory region) MMS - Virtual Manufacturing Device (VMD) objects Display and keyboard for use by an operator. Time-based record of events and annotations Operator Station Data Exchange Program Invocation Domain Journal unit control Controls how to use objects File transfer (ops.) Event Enrolment Named Variable access control list 21 File Element of typed data (e.g.integer, array...) VMD Event Condition Lists Event Action Scattered Access Event Condition Collection of variables (obsolete) Named Variable List NamedType Semaphore List of variables named as a list. Represents the state of an event. Description of the format of values Access control to shared resources Which network application to notify when an event condition changes state. Action taken when an event condition changes state. the numbers refer to parts of ISO 9506

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41 com/en/profibus. asp

42

43

44 MBP-IS = Manchester coded Bus Powered Intricincally Safe (IEC ) The topology of the IEC has its background from the 4-20 ma current interface feeding a transmitter or similar devices with up to 4 ma and putting the analog information on top of this base current. For digital information the IEC uses a base current of at least 10 ma. A logical "1" subtracts 9 ma of this by cutting down the input current momentarily and logical "0" adds another 9 ma. The data transmission speed depends on the capacitive and inductive load of the fieldbus derived from the cable as such and from the devices. The IEC uses a lowest frequency of 31,25 kbaud which creates almost no restriction on the impedance of cable and devices.

45 RS-485 RS-485 (tunnetaan myös nimityksillä EIA-485 ja RS485) on differentiaalinen eli balansoitu sarjaliikenneväylä, johon voi liittyä useita väylälaitteita samanaikaisesti. Kolmijohtimisessa RS-485- väylässä liikennöinti tapahtuu vuorosuuntaisesti, koska ainoastaan yksi väylälaite voi lähettää kerrallaan. Viisijohtimisessa RS-485-väylässä liikennöinti voi tapahtua kaksisuuntaisesti. RS-485 määrittelee pelkästään väylän sähköiset ominaisuudet eli fyysisen kerroksen, toisin kuin RS-232. Differentiaalisen signaloinnin ja kierretyn parikaapelin ansiosta yhteismuotoiset häiriöt kumoutuvat liikennöintipiirissä. Tyypillisesti RS-485-väylä terminoidaan 120 ohmin vastuksin, jotka on sijoitettu väylän molempiin päihin.

46

47

48

49 Väyläjärjestelmien jaottelu protokollarakenteen mukaan Sanomaperusteinen protokolla ASI CAN FIP PROFIBUS FMS PROFIBUS DP LON DEVICE-NET... I/O-perusteinen protokolla INTERBUS

50 Yhteiskehysmenetelmä INTERBUS Ohjaus Loopback Yhteiskehys CRC Laite 1 Laite 2 Laite 3 Laite 4 Laite 5 Kehystiedot Hyötytiedot

51 INTERBUSin rakenne Master haaroitus on helppoa haaroitusliittimien avulla laaja käytettävyys joustava sopeutus laitetopologiaan haarat voidaan kytkeä peräkkäisiin tasoihin enintään 16 tasoa Kaukoväylähaara

52 AS-Interface: either directly or together with field-bus systems control level: PLC, PC, IPC,... Master field level: CAN DeviceNet FIP Interbus Profibus etc. AS-Interface level: Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave small sensors and actuators

53 AS-Interface: The new installation technology M1 M2 M3 C1 C2 C3 C4 Master traditional wiring with AS -Interface

54 Simple installation... mechanically coded flat cable - two wires for data and power mechanically coded flat cable insulation piercing connectors - simple & safe - protection class up to IP67, even after disconnecting directly connected slaves - sensors, actuators - valve terminals - electrical modules etc. piercing connectors slave housing

55 AS-Interface modules allow for connecting conventional sensors and actuators: D0 = sensor 1 one connection D1 = sensor 2 D2 = actuator 1 1 module enclosure AS-Interface Slave IC D3 = actuator 2 P0 Watchdog energy up to 4 sensors or/and 4 actuators

56 AS-Interface intergrates slave functionality: D0 = switching one connection D1 = warning D2 = enable D3 = testing one enclosure AS-Interface Slave IC P0 = timer P1 = inverting P2 = distance P3 = special function Sensor or Actuator energy Slaves with additional functions, like parametrising. diagnostics of the net up to the slave actuators in IP67 switching in field, not in cabinets

57 The Principle: Master - Slave controller master master calls To Slave 1 To Slave 2 To Slave 31 To Slave 1 Slave 1 Slave 2 Slave 31 Slave 1 slave responses

58 Some interesting facts about AS-Interface... master-slave principle up to 31 slaves on one line each slave can have up to 4 digital inputs + 4 digital outputs additional 4 parameter bits / slave Max. 248 digital Inputs and Outputs also possible: analogue I/O!!! automatic address numbering via bus connection unshielded 2-wire cable data and power on one cable max. length of line: 100 m (300 m with repeater/extender) no terminating resistor necessary free tree structure of network protection class up to IP67, with higher levels possible too cycle time < 5 ms

59 Actuator Sensor Interface for Controllers eli AS-I väylä on tarkoitettu pääasiassa binaaritiedon kytkemiseen prosessiasemiin. Väylän keskeisimpiä ominaisuuksia ovat: Asi väylässä on standardoitu kaapelit ja liittimet. Sähköinen liitos tehdään puristamalla kaapeli uraan, jossa on piikit, jotka työntyvät kaapelin sisään johtimiin asti. AS-I järjestelmässä on standardeja laiteprofiileja. Minkä tahansa valmistajan laite voidaan korvata toisen valmistajan samanlaisella laitteella ilman erillistä ohjelmointia tai asetusten muuttamista. Edellytyksenä on, että korvaava laite noudattaa samaa laiteprofiilia kuin korvattava laite.

60 Verkon toplogia on vapaa, eli mihin kohtaan tahansa verkkoon voi liittää uusia laittei-ta, tai liittää uusia verkon sivuhaaroja..as-i Laitteiden tarvitsema käyttöjännite kulkee samassa parikaapelissa signaalin kanssa (keltainen kaapeli). Tarvittaessa voidaan lisätä toinen standardi kaapeli (musta) lisäte-honsyöttöä varten. AS-I mikropiirin avulla laitevalmistajien on helppo tehdä AS-I yhteensopivia laitteita.

61 Hyviä kenttäväylälähteitä: Profibus by Smar ( Profibus.com: Profibus Technology and Application

62 Why is OPC needed? Display Application Trend Application Report Application Software Driver Software Driver Software Driver Software Driver Copyright 1998 Intellution, Inc. All

63 How does OPC Solve the Problem? Display Application Trend Application Report Application OPC OPC OPC OPC OPC OPC OPC Software Software Driver Driver Software Driver Software Driver Copyright 1998 Intellution, Inc. All

64 Example field bus access: ABB AC800 OPC Server based on MMS separate processes IEC Programming Environment (Control Builder) config files Process Portal (client) AC800 OPCserver MMS Matrikon client user panels OPCServer config MMS Panel by FTP or internal TCP/IP Ethernet TCP/IP MMS PLC variables The variables are defined in the server, not in the PLC

65