Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, Kenttäväylät:

Transkriptio

1 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 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: 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.), 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 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) 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) 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) Kenttäväylien kehitys

2 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014 Keskitettyjen valvomoiden kehittyessä 1940-luvulla käytettiin pneumaattista tiedonvälitystä. Säätimet olivat pneumaattisia, elektroninen tiedonsiirto ei ollut vielä kehittynyttä, ja automaation sovellukset kehittyivät mm. öljynjalostus-teollisuudessa jossa pneumatiikka ei aiheuttanut räjähdysriskiä. Analogiatekniikka (4 20 ma virtaviesti) korvasi pneumatiikan 1960 luvulta lähtien luvulla alettiin käyttää nk. Hart tekniikkaa (Highway Addressable Remote Transducer), jossa 4 20 ma viestin päälle on moduloitu digitaalinen viesti luvulla ollaan siirtymässä digitaalisten lähiverkkojen käyttöön automaation kenttälaitteiden tiedonsiirrossa. Kuva: Pneumaattisesta viestinvälityksestä ollaan sähköisen analogisen viestin kautta siirtymässä digitaalisen kommunikaatioon kuva (NelesAutomation, 2000). Kuva. Kenttäväylät jakautuvat anturi- tai instrumenttiväyliin (sensor), laiteväyliin (device) ja ylätason kenttäväyliin (fieldbus) Lyhyet kuvaukset merkittävimmistä kenttäväylistä

3 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014 Kenttäväylien sijaan voisi puhua tehtaan lattiatason väylistä. Kenttäväylät voidaan jakaa niiden käytön mukaan anturiväyliin eli instrumenttiväyliin (sensor bus), laiteväyliin (device bus) ja yleiskäyttöisiin kenttäväyliin (fieldbus). Toisin tämä jako ei ole mitenkään selvä tai yksiselitteinen. Ei ole mahdollista vetää jyrkkää rajaa erilaisten sovellusten ja väylien ominaisuuksien tai väylätyyppien mukaan. Anturiväylässä kulkee pääasiassa binaarista tietoa, mutta myös usein analogista mittaustietoa. Laiteväylillä siirretään monimutkaisempien laiteiden mittaus, ohjaus ja diagnostiikkatietoa. Ylimmän kenttäväylätason (fieldbus) väylät on tehty välittämään paitsi analogista ja binaarista tietoa, niin myös laitteiden diagnostiikka- ja konfigurointitietoa ja tiedostoja. Tämän tason kenttäväylät tarjoavat standarditoimilohkoja laitteiden ohjaukseen ja tiedonsiirtoon. Kenttäväylät voidaan jakaa myös sovellusten ja teollisuudenalojen mukaan. Karkeasti voimme jaotella väylät kappaletavarateollisuuden ja prosessiteollisuuden väyliin. Tämä jako ei ole kuitenkaan yksiselitteinen. Näiden teollisuudenalojen lisäksi kenttäväyliä käytetään rakennusten, laivojen ja maa-ajoneuvojen mittauksissa ja ohjauksissa. Eri väylät soveltuvat toisiin sovelluksiin hieman paremmin kuin toisiin. Anturi- eli instrumenttiväylät.. Interbus Interbus on rengasmainen anturiväylä, jossa isäntälaite lähettää viestin kiertämään koko renkaan läpi. Jokainen asema lukee itselleen tarkoitetun viestin ja kirjoittaa oman viestinsä sille varatulle viestialueelle. Tiedonsiirtonopeus on 500 kbps. Laitteita voi väylässä olla maksimissaan 512 kappaletta. Siirtotienä käytetään kierrettyä parikaapelia RS-485, tai valokuitua. Väylään koostuu nk. kaukoväylistä ja lähiväylistä. Näitä yhdistelemällä saadaan aikaan hierarkkisia verkkorakenteita. Interbus viestit kulkevat syklisesti, joten niiden kulkuaika on täysin deterministinen. Kaikki asemat päivittävät tietonsa tasavälein. Käytännön järjestelmissä päästään alle 5 ms päivitysväleihin. Käytetään paljon mm. koneautomaatiossa, pakkauskoneissa, robottien ohjauksessa, moottorikäyttöjen ohjauksessa ja niin edelleen. (Interbus Basics, AS-I

4 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014 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. Verkon toplogia on vapaa, eli mihin kohtaan tahansa verkkoon voi liittää uusia laitteita, tai liittää uusia verkon sivuhaaroja. Laitteiden tarvitsema käyttöjännite kulkee samassa parikaapelissa signaalin kanssa (keltainen kaapeli). Tarvittaessa voidaan lisätä toinen standardi kaapeli (musta) lisätehonsyöttöä varten. AS-I mikropiirin avulla laitevalmistajien on helppo tehdä AS-I yhteensopivia laitteita. Asi väylässä asennuksen helppous ja häiriöttömyys on ollut keskeinen suunnittelukriteeri. Asi väylää käytetään kytkinten, merkkilamppujen, rajakytkinten, moottorikäynnistimien ja venttiileiden ja vastaavien teollisuusautomaation komponenttien kytkemiseen laitteissa ja teollisuuden prosesseissa. ASi väylä liitetään joko suoraan prosessiasemaan tai jonkin toisen väylän, esim. Profibus DP:n tai Device Netin aliväyläksi. (Kuvat Profibus DP

5 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014 Profibus (PROcess FIeld BUS) DP(Decentralized Periphery) on Profibus väyläperheeseen kuuluva tiedonsiirtoprotokolla, joka on yhteinen kaikille Profibus väylille. Kun käytännössä puhutaan Profibus DP väylästä, niin sillä tarkoitetaan RS-485 sarjaliikenteen päällä tai valokuidulla toteutettua nopeaa kenttäväylää. Tällöin Profibus DP kommunikointiprotokollaa käytetään suoraan kenttäväylänä ilman sovellustason protokollia. Profibus DP:tä käytetään yleensä yhdistämään ohjelmoitavia logiikoita, hajautettua I/O:ta ja monimutkaisempia laitteita kuten analysaattoreita ja taajuusmuuttajia toisiinsa. Profibus DP väylän nopeus voi olla 12Mbit/s. Profibus DP (RS485) väyläkaapelin tunnistaa yleensä kentällä sen violetista väristä. Profibus protokollaperhe rakentuu erilaisista fyysisen tason ja verkkotason protokollista. Näille on yhteistä verkon hallinnasta ja viestin välistysmekanismeista vastaava DP protokolla. Tämän protokollan päällä voi olla erialisia sovellusprofiileita. Sovellusprofiilien avulla automaatiolaitteet liittyvät Profibus verkkoon ja näin ollen kykenevät keskustelemaan keskenään. (Oheinen kuva (Fig.2: Application ) on julkaisusta atp international, 2(2004) No. 1. Jäljempänä olevassa artikkelissa How Fieldbuses Work on lisää tietoa Profibus väylistä, eritoten Profibus PA väylästä... DeviceNet DeviceNet on yhdysvaltalaisen Rockwell in alun perin kehittämään teollisuusverkkoperheeseen kuuluva anturitason väylä. Muut Amerikoissa suositut teollisuusverkot ovat kenttäväylä ControlNet ja tehdastason väylä EtherNet IP. Kaikki nämä verkot käyttävät korkeamman tason protokollanaan nk. CIP eli Common Idustrial Protocol protokollaa. DeviceNet liityntöjä löytyy säätimistä, I/O yksiköistä, yksittäisistä antureista ja toimilaitteista, moottoriohjaimista, operaattoripaneeleista, jne. DeviceNet käyttää siirtoyhteyskerroksella CAN väylästandardiin siirtoyhteyskerrost: CAN väylä on joko dominoivassa (määräävässä) 0-tilassa tai resessiivisessä (väistyvässä) 1-tilassa. Mikä tahansa väylän laite voi vetää väylän 0-tilaan. Väylän ollessa vapaa voi mikä tahansa asema alkaa lähetyksen aloitusbitillä, joka vetää väylän 0-tilaan. Tämän jälkeen asema alkaa lähettää viestin tunnistebittejä (11-bittinen viestitunniste). Mikäli useampi asema on aloittanut lähetyksen samanaikaisesti, niin ne asemat, joiden viestin tunnistebitissä on väistyvä 1-tila,

6 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014 häviävät kilpailun väylästä ja lopettavat viestinsä lähettämisen. Asema huomaa hävinneensä väylänvarauskilpailu, kun se on kirjoittanut väylälle väistyvän 1-tilabitin, mutta väylä siitä huolimatta on edelleen 0-tilassa korkeamman prioriteetin viestin 0-bitin johdosta. CAN väylien viesteissä ei ole lähettäjien tai vastaanottajien osoitetietoja, ainoastaan tieto viestin tyypistä ja sen prioriteetista. Kaikki asemat, jotka tarvitsevat viestin tietoja tai komentoja, lukevat sen väylältä. Muut asemat sivuuttavat ko. viestin. (Kuvat CAN in Automation, DeviceNet-verkon verkko- ja kuljetuskerroksen toiminnot huolehtivat yhteyksien muodostamisesta ja ylläpitämisestä laitteiden välillä. Nämä toiminnot toteutetaan antamalla asemalle erilaisia viestitunnisteita eri viesteille. DeviceNet-verkossa olevat asemat voivat olla asiakkaita tai palvelimia (server, client), viestit voivat olla laitteelta toiselle tai

7 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014 laitteelta monelle laitteelle yhteislähetysviestejä. DeviceNet-protokolla tukee myös satunnaisten ja syklisten viestien lähettämistä. Tällöin asemat lähettävät tietoja ilman että mikään asema (client) niitä pyytää. CIP protokollaperhe on atlantintakainen vastinen eurooppalaiselle Profibus teollisuusprotokollaperheelle... ControlNet ControlNet on amerikkalaisen Rockwell Automationin 5 Mbps kenttäväylä, jossa jokaiselle asemalle on annettu oma aikajakso syklisten ja kriittisten viestien välittämiseen. Siirtoyhteyskerroksen protokolla on nimeltään Concurrent Time Domain Multiple Access (CTDMA). Laitteet voivat saada verkon käyttöönsä esim. 2ms, 20ms tai 50ms välein. Nopein päivitysväli (NUT Network Update Time on 2ms). ControlNet on käytössä pääasiassa Amerikan mantereilla... LonWorks LonWORKS-järjestelmä ja LON-väylä (Local Operating Network) on Echelon Corporation kehittämän tiedonsiirto-ja tiedonkäsittelyjärjestelmä, jota käytetään pääasiassa rakennusautomaatiossa. LON sovelluksia löytyy myös mm. teollisuudessa, kulkuneuvoissa, hälytysjärjestelmissä ja liikenteenohjausjärjestelmissä. Tiedonsiirto tapahtuu käyttämällä sanomaperusteista LonTalk protokollaa. Väylän varaukseen käytetään priorisoitua kilpavarausmenettelyä (p-persistent CSMA/CD). LON-väylä muodostetaan LON-solmuista (toteutettu Neuron prosessorilla), jotka toimivat I/O pisteinä. LON-solmut prosessoivat I/O tietoa sekä toisilta solmuilta vastaanotettua tietoa,

8 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014 viestejä ja komentoja. LonWORKS-järjestelmän erityispiirteenä on, että sillä voidaan toteuttaa hajautettuja automaatiotoimintoja ilman erillistä prosessiasemaa tai keskusyksikköä. Valmiit LON laitteet, esim. valaistuksen säätimet, ovilukkojärjestelmät, ilmastointikojeen jne., toteuttavat jotain standardilaitekuvauksia (LonMarks-profiileja). Saman profiilin laitteet ovat vaihtokelpoisia keskenään. Toimiva järjestelmä on helppo toteuttaa yhdistämällä esim. kytkimen käskymuuttuja (Päälle) laitteen vastaavaan muuttujaan, jolloin aina kytkintä operoitaessa käynnistetään juuri tuo verkkoon kytketty laite. Alla kuva Neuron-prosessorista, jonka Application CPU" yksikköön tehdään sovellusohjelmat... Modbus Modicon (MOdular Digital CONtroller) yhtiö teki maailman ensimmäiset ohjelmoitavat logiikat 1960-luvun lopussa luvun alkupuolella Modicon kehitti sarjaväylän, Modbus in, jolla voitiin yhdistää ohjelmoitavia logiikoita toisiinsa. Modbus oli ensimmäinen automaatiolaitteiden välinen protokolla ja standardien puutteessa siitä muodostui käytännön standardi, joka sai virallisen standardin arvon vuonna Modbus-standardi on OSI mallin 7 sovellustason protokolla, jonka avulla muodostetaan asiakas-palvelin-yhteys erilaisten verkkojen yli. Alun perin Modbus-liikennöinti toteutettiin RS- 232 tai RS-485 sarjaväylillä. Modbus Plus on nopea valtuudenvälitysverkossa toimiva 1. ja 2. tason tietoliikennesovellus. Uudempi Modbus sovellus on Modbus TCP/IP. (Katso kuvat Figure 1 ja 2 alla). Modbus ei sisällä laiteprofiileja, tietoa siirrettävien muuttujien yksiköistä tai muista ominaisuuksista, jne. Kaikki välitettävä data luetaan ja kirjoitetaan muistialuetaulukoihin, joista sovellusohjelmat voivat poimia ne ja prosessoida edelleen. Perusmuuttujia ovat I/O muuttujat ja muistitilamuuttujat (holding register). I/O muuttujia ovat mm. binaari- ja analogiatulot ja - lähdöt. Oheisista kuvista selviää pääpiirteittäin Modbus kommunikoinnin filosofia. Modbus

9 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014 protokolla voidaan toteuttaa jopa 8-bitin mikrokontrollerissa, mutta sillä voivat monimutkaisemmatkin sovellukset keskustella keskenään. Melkein kaikista automaatiolaitteista löytyy Modbus-liitäntä, jota voi käyttää, jos muita yhteisiä liitäntästandardeja ei ole käytettävissä.

10 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014

11 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014 Kenttäväylät.. Teollisuus Ethernet - Industrial Ethernet Aikaisemmin tässä luvussa on jo käsitelty Ethernet iä ja sen käyttöä prosessien ohjauksessa. Valvomoväylätasolla Ethernit iä käytetään sellaisenaa. Kenttäväylätasolla siihen on tehty aiemmin mainittuja modifikaatioita. Ethernet väylien käyttö on voimakkaasti lisääntymässä mm. seuraavista syistä: Edullisuus: Toimisto-Ethernet verkkojen massakäyttö ja massatuotanto on laskenut niiden hinnat alas. Teollisuudessa on paljon sovelluksia ja ympäristöjä, joissa voidaan hyvin käyttää toimisto-ethernet ratkaisuja. Molemmat, langalliset ja langattomat Ethernet verkot lisääntyvät teollisuudessa. Myös verkon kaikki komponentit ovat edullisia. Helppo huolto ja ylläpito: Langaton verkko ei vaadi uudelleen kaapelointeja järjestelmämuutoksissa, eikä tiedonsiirtokaapeleiden tai liittimien vikoja tarvitse etsiä ja korjata. Ethernet tekniikka on tuttua. Ylimääräiseen kouluttamiseen ei pala aikaa eikä rahaa. Mobiilit sovellukset: Langattomat verkot mahdollistavat tuotantolaitoksen sisäisiä mobiileja sovelluksia, esim. kannettavat valvomot ja huollon päätteet, liikkuvat robotit ja vihivaunut, siirrettävät tai liikkuvat anturit ja kamerat. Yhteensopivuus laitoksen IT infrastruktuurin kanssa: Ethernet ja IP kommunikointi helpottavat tiedon siirtämistä esim. tuotannonsuunnittelun ja tuotannon tai markkinoinnin ja tuotannon välillä... Control Net.. WorldFIP Prosessiteollisuuden kenttäväylät HART-, Foundation Fieldbus ja Profibus PA kenttäväylien lisäksi yleisessä käytössä myös prosessiteollisuudessa on suuri joukko muita väyliä. Prosessiteollisuuden kenttäväylien ylimmällä tasolla on kehitteillä yhteinen laitekuvauskieli EDDL:n (Electronic Device Description Language). Laitekuvauskielellä muodostataan laitekuvaukset, EDD t (Electronic Device Descriptions). Laitteen EDD tiedosto sisältää kaiken mahdollisen tiedon laitteen suunnittelusta, asennuksesta, käyttöhistoriasta, parametreista ja operointitavoista. Electronic Device Descriptions (EDDs) created by Electronic Device Description Language (EDDL) for a field device support the management of intelligent field devices. Typical tasks such as operation, parameterizing and diagnostics can thus be solved efficiently. EDD de-

12 Automaatio 1, ELEC-C1210, 4.1 Automaation kenttäväylät, 2014 scribes product features which serve as a basis for the entire electronic product data management from planning to engineering, set-up, maintenance and diagnostics and the disintegration of a plant. EDDs are ASCII files. They primarily contain the description of all device parameters and their attributes (e.g. lower/upper value range, default value, write rights) and device functions, e.g. for the plausibility check, scaling, mode changes or tank characteristics. EDDs also include a grouping of device parameters and functions for visualization and a description of transferable data records. (Profibus International, 2005) Prosessiteollisuudessa tärkeitä asioita ovat säätöominaisuudet, kaapelointikustannukset, väylä pituus, konfigurointi- ja diagnostiikkatiedon siirto, mahdollisuus syöttää toimilaitteille ja antureille niiden tarvitseman teho väylän kautta. Monet prosessiteollisuuden prosessit ovat räjähdysherkkiä tai -vaarallisia. Prosessiteollisuuden väylistä pitää olla myös räjähdysvaarallisiin tiloihin sopivia versioita. Toisaalta paperitehtaassa, joka on tyypillistä prosessiteollisuutta, on hyvinkin erilaisia osaprosesseja ja näin ollen myös erilaisten väylien tarvetta. Massojen pumppaamisen ja sellun keiton ohjauksessa tarvitaan tyypillisiä prosessiteollisuuden kenttäväyliä. Toisaalta paperikoneen telojen moottoreiden ohjaukseen eivät nämä väylät sovellu. Prosessin loppupäässä pituusleikkurilla ja pakkaamossa tarvitaan taas tyypillisiä kappaletavarateollisuuden väylien ominaisuuksia. Prosessiteollisuuden mittaukset ja ohjaukset on aikaisemmin pitkälti toteutettu ma analogiatiedonsiirtona. Kun analogiasignaalin päälle summataan digitaalista signaalia, saadaan HART väylä, joka olikin kehityksen seuraava askel. Tällä hetkellä uusissa prosessiteollisuuden tehdasprojekteissa voidaan ma-viestit ja HART korvata digitaalisilla kenttäväylillä. Erityisesti prosessiteollisuuteen soveltuvat Foundation Fieldbus (FF) ja Profibus PA kenttäväylät, jotka soveltuvat myös räjähdysvaarallisiin tiloihin. Laajasti käytettyjä muita kenttäväyliä on useita. Kenttäväylän valitaan vaikuttavat paitsi prosessien ominaisuudet niin myös monet kaupalliset seikat. Eri maanosissa käytetään monesti eri valmistajien tuotteita. Esimerkiksi Profibus DP väylä (käytetään Euroopassa) ja ControlNet väylä (käytetään Amerikassa) soveltuvat hyvin mittaus-, ohjaus- ja diagnostiikkatiedon siirtoon mittauslaitteiden, hajautettujen I/O yksiköiden ja prosessiasemien välillä. FF-, Profibus PA- ja Hart-väylillä on ISO/OSI mallin kerrosten yläpuolisella käyttäjätasolla (user layer) määriteltyjä toimilohkoja prosessin ohjaukseen. Näiden toimilohkojen avulla voidaan toteuttaa mittaus- ja ohjauslaitteiden tiedonsiirto ja muut toiminnot (esim. diagnostiikkatiedon siirto, käynnistys, kalibrointi etc.). FF väylän toimilohkoilla voidaan rakentaa standardi PID säätäjä esim. virtausmittariin tai säätöventtiiliin, jolloin säätöohjelman ei tarvitse pyöriä järjestelmän prosessiasemassa.

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31 11 Glossary of industrial fieldbus terminology 10BASE-T 100BASE-FL 100BASE-FX 100BASE-TX Address ARCNET Auto-negotiation BACnet Bandwidth Baud Bit Bridge Broadcast Bus CAN CANopen Category 5 10Mbit/s Ethernet system based on Manchester signal encoding transmitted over Category 3 or better twisted-pair cable. Popular 100Mbit/s link fibre optic solution which replaces the older FOIRL implementation. 100Mbit/s Fast Ethernet system based on 4B/5B signal encoding transmitted over fibre optic cable. 100Mbit/s Fast Ethernet system based on 4B/5B signal encoding transmitted over two copper pairs. Unique designation of a station in a fieldbus system. Attached Resource Computer Net. Communication network using the token-passing method. ARCNET typically operates at a transmission speed of 2.5Mbit/s. A maximum of 255 stations may be connected. A coaxial cable is normally used as the transmission medium. This is the basis of CTNet. A protocol defined in the Ethernet standard that allows devices at either end of a link segment to advertise and negotiate modes of operation such as the speed of the link, half or full-duplex operation, and full-duplex flow control. A protocol used for building automation. The maximum capacity of a network channel. Usually expressed in bits per second (bit/s). Ethernet channels have bandwidths of 10, 100, and 1000 bit/s. A baud is a unit of signaling speed representing the number of discrete signal events per second and, depending upon the encoding, can differ from the bit rate. A binary digit. The smallest unit of data, either a zero or a one. A device that connects two or more networks at the data link layer (layer 2 of the OSI model). Method by which messages are distributed to all stations. A shared connection for multiple devices over a cable or backplane. The Controller Area Network is a bus system developed jointly by Daimler- Benz, Bosch and Intel that was intended initially for installation in automobiles. In the meantime, the system is now also in use in the field of automation. CAN is a multimaster system with priority-controlled bus access. Expands on the CAN protocol by adding higher level features such as profiles and defined messages. Allows for synchronisation of control loops. Twisted-pair cable with electrical characteristics suitable for all twisted-pair Ethernet media systems, including 10BASE-T and 100BASE-TX Category 5 and Category 5e cable are preferred cable types for structured cabling systems. 41

32 Category 5e CIP CIP Sync Collision Collision domain CRC Crossover cable CSMA/CD CTNet CTSync Data rate Deterministic DeviceNet An enhanced version of Category 5 cable developed to improve certain cable characteristics important to the Gigabit Ethernet operation. It is recommended that all new structured cabling systems be based on at least Category 5e cable. The Common Industrial Protocol is an open industrial protocol for industrial automation applications. A method of distributing timing information and clock/position synchronisation. The result of having two or more simultaneous transmissions on a common communications channel. Part of a network where collisions are possible. Cyclic Redundancy Check. An error-checking technique used to verify the accuracy of received data. A twisted-pair patch cable wired in such a way as to route the transmit signals from one piece of equipment to the receive port of another piece of equipment, and vice-versa. This allows communication between two peer devices. The opposite of crossover is a straight-through or patch cable. Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect. The medium access control (MAC) protocol used on Ethernet to provide collision detection and avoidance. Control Techniques own communication protocol based on ARCNET which offers high speed cyclic data access. Control Techniques own method of sharing references and synchronising drive loops. The data rate can be given in bit/s or in baud. Bit/s counts the number of individual bits per unit of time. Baud theoretically defines the signalling rate, which may consist of one or more bits per second. Deterministic data transfer guarantees that data will be delivered within a specified time. This is normally used with quantifiers such as real time and synchronous. When comparing systems always look for an actual timings to get real world performance figures. The term real time implies high speed (almost instantaneous), but again requires quantifying with actual timings, synchronous means that the data is used at the same time by devices on the network or in synchronisation with the drive s control loops for more accurate and co-ordinated machine control DeviceNet is a CAN based protocol that extends the basic operation by adding higher level functionality. DeviceNet provides both cyclic and non-cyclic access to a slave. 42

33 EIA(RS)-485 EtherCAT Ethernet Ethernet/IP Fast Ethernet Fibre optic cable Fieldbus Flow control Forwarding Full-duplex operation Gateway Gigabit Ethernet Half-duplex operation Hub Interbus IP LAN The EIA(RS)-485 is the most commonly used hardware layer for fieldbus systems. It defines a line with a maximum of 32 stations, terminated at both ends by bus-terminating resistors. It originally defined data rates of up to 500 kbit/s. The maximum distances can be up to 5km (hardware and data rate dependent). EIA(RS)-485 employs shielded twisted-conductor datatransmission lines. This ensures a relatively high degree of noise immunity. A high speed Ethernet based protocol allowing synchronisation of drive control loops. Ethernet is a LAN (Local Area Network) standard that was developed jointly by Xerox, Intel and DEC in the seventies.the transmission rate is 10Mbit/s to 1000Mbit/s. In 1983 Ethernet was standardised by IEEE Ethernet based protocol allowing cyclic data transfer. A version of Ethernet that operates at 100Mbit/s. Although 100Mbit/s is no longer the fastest data rate, this term is still used. A cable with a glass or plastic filament which transmits digital signals in the form of light pulses. A fieldbus is a system for serial data transmission at the sensor-actuator control levels and possibly extending as far as the cell level. This further extends to the boardroom with Ethernet based protocols. The process of controlling data transmission at the sender to avoid overfilling buffers and loss of data at the receiver. The process of moving frames from one port to another in a switching hub. A communications method that allows for the simultaneous transmission and reception of data. A gateway acts as an interface between data-transmission systems of different types. A version of Ethernet that operates at 1000Mbit/s. A communication method in which transmission and reception can occur in either direction but not at the same time. See Repeating hub A fieldbus system for sensor-actuator applications. Developed in 1985 by Phoenix Contact, the system has since been standardised (DIN ) or presented for standardisation (Europe/Internationally). See TCP/IP. Local Area Network. A network in a geographically limited area, usually also associated with a single company / system. 43

34 LON LSB MAC address Master Master/slave system Metasys N2 Modbus RTU Modbus TCP/IP Multi-master Multicast OPC Open systems Optical fibre OSI Packet Patch cable Parity bit A LON (Local Operating Network) is a fieldbus system from the American company Echelon. Echelon developed the Neuron chip as the basis for this communication system. Typically used in building automation. Least Significant Bit. A unique address assigned to a station interface, identifying that station on the network.with Ethernet, this is the unique 48-bit station address. A master is a station that is able to transfer data on the bus. This is in contrast to a slave, which can send data only when requested to do so by a master. In a master/slave system, only one station, the master, has control over the bus. All other stations must constantly scan the bus and may send data on the bus only when requested to do so by the master. A protocol typically used in building automation. One of the most common industrial protocols used in automation. Modbus over Ethernet. A multi-master system may consist of two or more masters which are all able to directly access the bus. A transmission initiated by one station to many stations on the network. Originally, OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control. A process control communications standard for accessing process data from multivendor systems. Open systems allow the formation of multivendor system, i.e. systems that use components from different manufacturers on the same bus. Optical fibre has a high degree of immunity to interference. It requires more complex installation techniques. Open systems Interconnection. A seven-layer reference model for networks, developed by the International Organization for Standardization (ISO).The OSI reference model is a formal method for describing the interlocking sets of networking hardware and software used to deliver network services. A unit of data exchanged at the network layer. A twisted-pair cable used to make a connection between a network interface (on a station or network port in a hub) and a media segment, or to directly connect station and hub ports together. A parity bit is added to the bits of a byte in order to form an even (even parity) or odd (odd parity) number of 1 bits.the receiving station does likewise and then compares the result with the bit it has received. Physical layer The bottom layer in the OSI seven-layer reference model. This layer is responsible for physical signaling - including connectors, timing, voltages, and related issues. 44

35 Polling Port mirroring PROFIBUS PROFINET Propagation delay Protocol Reaction / response time Repeater Repeating hub Ring RJ-45 Segment SERCOS Server Polling means a cyclic data transmission between a master and it s slaves. The master cyclically checks input and output signals of all slaves. Polling is not event controlled data transmission. Port mirroring allows a switch port to monitor packets from any or all of its ports so that traffic can be analysed. A fieldbus standard developed in 1987 as part of a government sponsored collaborative project in Germany. In 1991, DIN was passed, making PROFIBUS one of the first fieldbus systems to be standardised. PROFIBUS is a hybrid bus system permitting multi-master and master-slave structures in one system. An Ethernet based system offering different variants with different performance levels. The signal transit time through a cable, network segment, or device. A set of agreed-upon rules and message formats for exchanging information among devices on a network. The reaction time of an automation system is the time that elapses between a signal being applied at an input terminal and a signal appearing at an output terminal. Bus amplifier. A repeater is a device used to amplify and regenerate signals in a system for serial data transmission. A repeater is used to extend an existing system beyond given limits, e.g. distance or number of stations. A repeater with more than two ports. This name is frequently shortened to simply hub. A ring is basically a topology in which a point-to-point connection is made from one station to the next. This means that each station in the ring must pass on without changing any data not intended for that station itself. Fieldbus systems employ optical-fibre systems (e.g. SERCOS) as a ring. An 8-pin modular connector used on twisted-pair links. A cable made up of one or more cable sections and connections joined together to produce the equivalent of a continuous cable. The SERCOS interface (Serial Realtime Communication System) was introduced in 1989 as a digital interface between servo drives and numerical controls. Owing to its particular area of application in numerically controlled machine tools, the SERCOS bus has been specially designed for high-speed control processes. This is accomplished by high data rates over an optical fibre ring and through the definition of time slots for each station. A server is a station that provides a service for a client. A typical server is an input / output module that supplies input data and receives output data from the client (e.g. the PLC). 45

36 Slave SNMP Star TCP/IP Token Topology Transceiver Twisted-pair cable UDP VLAN A device controlled by another device such as a PLC. Simple Network Management Protocol. The de facto standard for switch management. A star topology is one in which all stations are each connected by their own cables to a central station. The advantage of a star configuration is its ease of maintenance. If a cable breaks, for example, just one station goes down, with the result that the fault is simple to locate. The disadvantage of a star configuration is the large amount of cabling required. The Internet Protocol Suite (commonly known as TCP/IP) is the set of communications protocols used for the Internet and other similar networks. It is named from two of the most important protocols in it: the Transmission Control Protocol (TCP) and the Internet Protocol (IP), which were the first two networking protocols defined in this standard. A token is a means by which bus access is granted to a device. Only the device owning the token may transmit. Structure of a communication system, e.g. star, line, ring, tree or network. A combination of the words transmitter and receiver. A transceiver is the set of electronics that sends and receives signals. A multiple-conductor cable whose component wires are paired together, twisted, and enclosed in a single jacket. Each pair consists of two insulated copper wires that are twisted together. The User Datagram Protocol (UDP) is one of the core members of the Internet Protocol Suite. With UDP, computer applications can send messages, referred to as datagrams, to other hosts on an Internet Protocol (IP) network without requiring prior communications to set-up special transmission channels or data paths. UDP is sometimes called the Universal Datagram Protocol. Virtual Local Area Network. A LAN maps stations on a basis other than location such as by department, user type or application. Managing traffic, workstations and bandwidth can be easier with a VLAN. 46

37 THE SYNERGETIC FIELDBUS COMPARISON CHART BACKGROUND INFORMATION Fieldbus Name Technology Year Introduced Governing Standard Openness Developer PROFIBUS DP/PA Siemens DP-1994, PA-1995 EN / DIN ASICs from Siemens and part 3(DP) /4 (PA), IEC (PA) Profichip, Products from over 300 vendors INTERBUS-S 1984 DIN EN Products from over 400 manufacturers DeviceNet March 1994 ISO & chip vendors, 300+ product vendors, Open specification ARCNET Datapoint 1977 ANSI/ATA Chips, boards, ANSI docs AS-I AS-I Fall 1993 Submitted to IEC AS-II.C. Market item Consortiu m Foundation Fieldbus H1 Fieldbus Foundation 1995 ISA SP50/IEC Chips/software/products from multiple vendors Foundation In development - lab test IEEE 802.3u Multitude of suppliers for Fieldbus High Fieldbus phase, Prelim spec RFC for IP, TCP & Ethernet components, Speed Ethernet Foundation available to members UDP Extremely low cost (HSE) IEC/ISA SP50 ISA & IEC 1158/ANSI 850 Multiple chip vendors Fieldbus Fieldbus F. Seriplex APC, Inc Seriplex spec Chips available multiple interfaces WorldFIP WorldFIP 1988 IEC Multiple chip vendors LonWorks Echelon Corp. March 1991 Public documentation on protocol Ethernet Modbus Plus Modbus RTU/ASCII Remote I/O Data Highway Plus (DH+) DEC, Intel, Xerox Modicon Modicon Phoenix Contact, Interbus Club Allen- Bradley SDS Honeywell Jan., 1994 Honeywell Specification, Submitted to IEC, ISO11989 ControlNet Allen- ControlNet 1996 Bradley International CAN In CANopen Automatio 1995 CiA n Allen- Bradley Allen- Bradley 1976 IEEE 802.3, DIX v. 2.0 EN (layer 7) IEC (layer 2) 17 chip vendors, 100+ products 1980 Proprietary Open Specification, 2 Chip Vendors 17 chip vendors, 300 product vendors, Open specification Multitudes of Chips and Products Proprietary, requires license/asics Open specification, no special hardware required Proprietary

38 PHYSICAL CHARACTERISTICS Fieldbus Name Network Topology Physical Media Max. Devices (nodes) Max. Distance PROFIBUS DP/PA Line, star & ring Twisted-pair or fiber 127 nodes (124 slaves - 4 seg, 3 rptrs) + 3 masters 100m between 12Mbaud; 24 Km (fiber) (baudrate and media dependent) INTERBUS-S Segmented with "T" drops Twisted-pair, fiber, and slip-ring 256 nodes 400 m/segment, 12.8 Km total DeviceNet Trunkline/dropline with Twisted-pair for 64 nodes 500m (baudrate dependent) branching signal & power 6Km w/ repeaters ARCNET Star, bus, distributed star Coax, Twisted-pair, Fiber 255 nodes Coax 2000 feet; Twisted pair 400 feet; Fiber 6000 Feet AS-I Bus, ring, tree star, of al Two wire cable 31 slaves 100 meters, 300 with repeater Foundation Fieldbus H1 Star or bus Twisted-pair, fiber 240/segment, 65,000 segments 31.25K wire IP addressing - 100Mbaud twisted-pair Foundation Star Twisted-pair, fiber essentially 100Mbaud fiber full Fieldbus HSE unlimited duplex IEC/ISA SP50 Fieldbus Star or bus Twisted-pair fiber, and radio IS 3-7 non IS K 5Mbps Seriplex Tree, loop, ring, multidrop, star 4-wire shielded cable 500+ devices 500+ ft WorldFIP Bus Twisted-pair, fiber 256 nodes up to 40 Km LonWorks Bus, ring, loop, star Twisted-pair, fiber, power line 32,000/domain 78 kbps SDS Trunkline/Dropline Twisted-pair for signal & power ControlNet CANopen Linear, Tree, Star, or Combination Thereof Trunkline/Dropline Industrial Ethernet Bus, Star, Daisy-Chain Coax, fiber Twisted Pair + optional Signal & Power Thin Coax, Twisted Pair, Fiber; Thick Coax (rare) 64 nodes, 126 addresses 99 nodes 500m (baudrate dependent) 1000m (coax) 2 nodes 250m with 48 nodes 3km fiber; 30km fiber w/ repeaters 127 Nodes m (baudrate dependent) 1024 nodes, expandable to more via Routers Thin: 185m 10 Base T (Twisted Pair): Max 100m long (90 metres horizontal cable, 5m drops, 1m patch) Max 4 hubs/repeaters between nodes 4Km distancs w/o routers Fiber: 100 Base FX 400m 2.5 Km multi mode w/o Switches; 50 Km mono mode w/ Switches Modbus Plus Linear Twisted Pair 32 nodes per segment, 64 max 500m per segment Modbus Line, star, tree 250 nodes per Twisted Pair RTU/ASCII Network w/ segments segment 350m Remote I/O Linear Trunk Twinaxial 32 nodes/segment 6 km DH+ Linear Trunk Twinaxial 64 nodes/segment 3 km

39 TRANSPORT MECHANISM Fieldbus Name PROFIBUS DP/PA INTERBUS- S DeviceNet Communication Methods Master/slave peer to peer Master/slave with total frame transfer Master/slave, multi-master, peer to peer Transmission Properties Data Transfer Size Arbitration Method Error Checking Diagnostics DP: 9.6, 19.2, bytes Token passing HD4 CRC Station, module 93.75, 187.5, 500 & channel Kbps, 1.5, 3, 6, diagnostics 12 Mbps PA: kbps 500kBits/s, None 16-bit full duplex CRC 500 kbps, 250 kbps, 125 kbps 1-64 Bytes data 246 Bytes Parameter 512 bytes h.s., unlimited block 8-byte variable Carrier-Sense message with Multiple Access w/ fragmentation for Non-Destructive larger packets Bitwise Arbitration CRC check ARCNET Peer to peer 19.53K to 10M 0 to 507 bytes Token passing 16-bit CRC AS-I Foundation Fieldbus H1 Foundation Fieldbus HSE IEC/ISA SP50 Fieldbus Seriplex Master/slave with cyclic polling Client/server publisher/ subscriber, Event notification Client/Server, Publisher/Subscrib er, Event Notification Client/server Publisher/ subscriber Master/slave peer to peer Data and power, EMI resistant 31 slaves with 4 in and 4 out Master/slave with cyclic polling kbps 128 octets Scheduler, multiple backup 100Mbps kbps IS+1, 2.6, 5 Mbps WorldFIP Peer to peer kbps, 1 & 2.5 Mbps, 6 Mbps fiber LonWorks SDS Master/slave peer to peer Master/slave, peer to peer, multi-cast, multi-master Varies, Uses Standard TCP/IP CSMA/CD 64 octets high & 256 low priority Scheduler, tokens, or master Segment location of CRC error and cable break Bus monitoring Built in Acknowledgemen ts at Datalink layer Mancheste Slave fault, r Code, device fault hamming bit CRC CRC 16-bit CRC 200 Mbps 7680/transfer Sonal multiplexing End of frame & echo check 1.25 Mbs full duplex 1Mbps, 500 kbps, 250 kbps, 125 kbps No limit, variables 128 bytes Central arbitration 228 bytes Carrier Sense, Multiple Access 8-byte variable message Carrier-Sense Multiple Access w/ Non-Destructive Bitwise Arbitration Remote diagnostics, network monitors, parameter status Configurable on network management Cabling problems 16-bit Device message CRC, data time-out, "freshness redundant " cabling indicator 16-bit CRC CRC check Database of CRC errors and device errors Bus monitoring ControlNet Producer/Consume 5 Mbps bytes CTDMA Time Slice Modified Duplicate Node

40 CANopen r, Device Object Model Master/slave, peer to peer, multi-cast, multi-master 10K, 20K, 50K, 125K, 250K, 500K, 800K, 1Mbps variable Multiple Access CCITT ID, Device, Slave with 16-bit Faults Polynomia l 8-byte variable message Carrier-Sense Multiple Access w/ Non-Destructive Bitwise Arbitration 15 Bit CRC Industrial Peer to Peer 10, 100Mbps Bytes CSMA/CD CRC 32 Ethernet Modbus Plus Peer to Peer 1Mbps variable Modbus 300 bps - Master/Slave Bytes RTU/ASCII 38.4Kbps Remote I/O Master/Slave kbps 128 Bytes CRC 16 none Multi-Master, DH kbps 180 Bytes none Peer<>Peer Error Control & Emergency Messages PERFORMANCE Fieldbus Name Cycle Time: 256 Discrete 16 nodes with 16 I/Os Cycle Time: 128 Analog 16 nodes with 8 I/Os Block transfer of 128 bytes 1 node PROFIBUS DP/PA Configuration dependent typ <2ms Configuration dependent typ <2ms not available INTERBUS-S 1.8 ms 7.4 ms 140 ms DeviceNet 2.0 ms Master-slave polling 10 ms Master-slave polling 4.2 ms ARCNET Application Layer Dependent Application Layer Dependent Application Layer Dependent AS-I 4.7 ms not possible not possible Foundation Fieldbus H1 <100 ms typical <600 ms typical k Foundation Fieldbus HSE Not Applicable; Latency <5ms Not Applicable; Latency <5ms <1ms IEC/ISA SP50 Configuration dependent Configuration dependent Mbps Mbps Seriplex kbps, m/s 10.4 ms 10.4 ms WorldFIP 2 1 Mbps 5 1 Mbps 5 1 Mbps LonWorks 20 ms 5 1 Mbps 5 1 Mbps SDS <1 ms, event driven 5 ms 1 Mbps 2 1 Mbps ControlNet <0.5 ms <0.5 ms <0.5 ms CANopen <1 ms 5 ms 1 Mbps <2.5 ms Industrial Ethernet Application Layer Dependent Application Layer Dependent Application Layer Dependent Modbus Plus Modbus RTU/ASCII Remote I/O 40 bus cycle time DH+

41 Automaation tietoliikenne Automaatiojärjestelmät / AS / Teknillinen korkeakoulu 4.2 Kirjallisuusluettelo, lähteet ja lisämateriaalia: Berge, Jonas, Fieldbuses for Process Control, Engineering, Operation, and Maintenance, ISA Instrumentation, Systems and Automation Society, 2002, ISBN Buesgen, Ralph and Joachim Feld, Real time on the Ethernet: how PROFInet V2.0 improves on V1.0, Control Engineering Europe October 1, Control Techniques: A Guide to Popular Fieldbus Systems for use with Variable Speed Drives, library.aspx#downloadnow (Teknillinen korkeakoulu S Tiedonsiirto ja yhteyskäytännöt). Fieldbus Foundation Organization for promoting and standardizing the Foundation Fieldbus. Profibus Fieldbus Organization for promoting the Profibus Fieldbuses. The official source on HART communication technology Halsall, F., Data Communications Computer Networks and Open Systems, Fourth Edition, Addison-Wesley, 1995,907 pages. InetDaemon, nettisivulta löytyy yleistä tietoliikennetietoa: Interface Bus, tietoa erilaisista tietoliikenneväylistä, Olsson G and Gianguido P., Computer Systems for Automation and Control, Prentice Hall, ISBN , Parampalli U. and Harwood A. Networks and Communications, A course at Melbourne University, 2005: Pimentel, Juan R., Communication Networks for Manufacturing, Prentice-Hall International, 1990, ISBN Rodd, M. G., Deravi, F., Communication systems for industrial automation, Prentice Hall, 1989, ISBN Samson, (good white papers on industrial automation and communication) Westermo Handbook, Industrial Data Communication, Edition 4.0, 2001, Westermo Teleindustrie Ab, Westermo (b) Handbook, Industrial Data Communication, Industrial Ethernet, Edition 5.0, 2004, Westermo Teleindustrie Ab,