ELEC-C1210 Automaatio 1. Luento 4: Automaation järjestelmärakenne ja tietoliikenne

Transkriptio

1 ELEC-C1210 Automaatio 1 Luento 4: Automaation järjestelmärakenne ja tietoliikenne

2 ELEC-C1210 Automaatio 1 Automaatiojärjestelmien osat ja rekenteet

3

4 Mitä kaikkea hajautetaan. Ohjelmistojen hajautus Datan ja tietojen hajautus Laitteistojen hajautus Laitteistojen sijainnin hajautus

5 Hajautuksen edut luotettavuus lisääntyy modulaarisuus helpottaa suunnittelua, ylläpitoa ja järjestelmän jatkuvaa kehittämistä yksiköiden rakenne ja toiminta muodostuu selkeäksi

6 Hajautuksen haitat Tiedonsiirtotarve kasvaa Hajautusta ei voida aina toteuttaa prosessin, tai tehtävien kannalta optimaalisesti (mielekkäästi) Tiedonsiirtoviiveet saattavat haitata järjestelmän toimintaa.

7 AUTOMAATION HIERARKIAT 1. Informaatiohierarkia 2. Toimintohierarkia 3. Laitteistohierarkia

8 INFORMAATIO - Yrityksen toiminnan strateginen informaatio - Tekninen, taktinen ja suunnittelun informaatio - Prosessien hallinnan informaatio ja data - Prosessin ohjaus- ja mittausdata

9 TOIMINNOT - Yrityksen johtaminen, markkinointi - Tuotannon suunnittelu ja ohjaus (reseptien hallinta ja suunnittelu, ) - Prosessinhallinta (optimointi,hälytykset, raportit, eräajoautomaatio, etc) - Säätö, I/O toiminnot, lukitukset

10 LAITTEISTOT - yrityksen ohjausjärjestelmät - tuotannon suunnittelu- ja ohjausjärjestelmät - osaston ohjausjärjestelmät/valvomot - prosessiasemat ja paikalliset valvomot - - anturointi/toimilaitteet prosessi

11 INTEGRAATIO

12 HALLINNAN INTEGRAATIO Hallinta; konfigurointi, ohjelmointi, dokumentointi, vikahaku, ylläpito, kalibrointi, päivitykset

13

14 Järjestelmän osia Kytkin, palomuuri Kunnossapitoas ema (laitehallinta) Valvomoasema Hälytysasema Ohjelmointi- ja ylläpitoasema Tiedonhallintaasema Kytkin, palomuuri Prosessiasema Prosessiasema Logiikka Yksikkösäätäjä

15

16 ELEC-C1210 Automaatio 1 Luento 4: Automaation tietoliikenne

17 Toimisto CAD/suunnittelu Tehdas Prosessi Liikenne Viestejä (1KB), dokumentteja 100KB, tiedostoja (1MB) Graafiset tiedostot (5MB), tuotantoohjelmat (1MB) Ohjelmat (0,5MB), viestit (2KB), tilatiedostot (20KB) Viestiliikenne satunnaista satunnaista satunnaista ja jatkuvaa Kapasiteettivaatim us Muuttujatiedot (50B), tilatiedot (2KB), ohjelmat (100KB) jatkuvaa ja satunnaista korkea erittäin korkea korkea vaatimaton Vasteaika 2-6 s 2-5 s 0,5-2 s 0,01-0,5 s Verkon varaus tilastollinen (CSMA/CD) tilastollinen (CSMA/CD) vaihteleva (CSMA/CD tai varaus) Varmennettu ei ei usein usein Laajakaista joskus joskus mieluiten joskus Kotelointi etc. toimisto toimisto "puolikovennettu" Tehon syöttö verkossa deterministinen (valtuuden varaus tai isäntä - renki (master-slave) "kovennettu" ei ei ei joskus

18 AUTOMAATIOPYRAMIDI Toimintojen lukumäärä ja aikakriittisyys kasvaa Tuotannon taloudellinen valvonta ja suunnittelu Informaatio jalostuu ja sen määrä pienenee Tuotannon ohjaus tehdasväylä Prosessiohjaukset ja optimointi järjestelmäväylä Perusautomaatiotoiminnot kenttäväylä

19 Tehdasväylät Yhdistää eri automaatiojärjestelmät toisiinsa Järjestelmäväylät Yhdistää automaatiojärjestelmän eri osia toisiinsa, pääasiassa prosessiasemia toisiinsa. Valvomoväylä yhdistää valvomot, tiedonkeräys- ja raportointi, sekä järjestelmän hallinta-asemat toisiinsa. Kenttäväylät asemien välinen tiedonsiirto (pääasiallinen sovellus) kommunikointi analogisten mittausja ohjauslaitteiden kanssa kommunikointi binäärimittausten ja toimilaitteiden kanssa

20

21

22

23

24

25 Tiedonsiiro Vaatimuksia Tiedonsiirrolle Toimintojen kommunikointi-vaatimukset (= Miten toimintojen pitäisi kommunikoida?) Kullakin toiminnolla on omat sovelluskohtaiset kommunikointivaatimukset, jotka valittavan tiedonsiirtoratkaisun (teknologian) tulee täyttää. Tiedonsiirtoratkaisu (esim. kenttäväylä) tarjoaa yhden tai useamman tyyppisiä kommunikointimekanismeja (syklinen, tapahtumat, luku/kirjoitus). Automaatiosuunnittelijan tulee tuntea erilaisia tiedonsiirtotekniikoita ja valita niistä projektiin sellainen ratkaisujoukko, joka täyttää sovelluksen kaikkien toimintojen kaikki toiminnalliset (kommunikointimekanismit) ja laadulliset (esim. vasteajat, kapasiteetti, yms.) kommunikointivaatimukset. Samalla tulee täyttää joukko muita, mm. kustannuksiin ja tekniseen ylläpidettävyyteen liittyviä vaatimuksia. Esimerkiksi suuret etäisyydet ja kommunikoivien laitteiden lukumäärä nostavat kaapeloinnin kustannuksia. Erilaisten tekniikoiden suuri määrä puolestaan nostaa ylläpitokustannuksia. Lopullinen ratkaisu on monen (usein ristiriitaisen) vaatimuksen kompromissi

26 Erilaisia tiedonsiirron toteutustekniikoita Langoitettu automaatio. Perinteinen ja edelleen yleisin tapa toteuttaa I/O kommunikointi. Luotettava, mutta hankala asentaa ja tehdä muutoksia. Perinteiset 4-20mA, 0-10V, 0/10V, 0/24V sähköiset signaalit kuljettavat mittausja ohjausviestit anturilta automaatiojärjestelmän mittaus/ohjauskortille saakka, omalla johtimellaan. Point-to-point yhteydet. Asynkroninen sarjaväyläyhteys kahden laitteen välillä. Sovellettu paljon esim. tietokone - robottiohjain / PLC / jne. väliseen kommunikointiin. Esimerkiksi RS 232-C standardin mukainen sarjaväyläyhteys kahden laitteen välillä Kenttäväylät. Tiedonkeruu antureilta ja ohjaus toimilaitteille prosessin kenttätasolla. Laitteiden välinen tiedonsiirto. Kunnonvalvonta-, vikadiagnostiikkaja ohjausparametritiedon välittäminen. Sovellukset tuotantoprosesseissa, ajoneuvoissa ja työkoneissa sekä rakennusautomaatiossa. Älykkäitä antureita/toimilaitteita ja hajautettuja I/O moduuleja. Lähiverkot. LAN (Local Area Network). Tietokonelaitteiden ja järjestelmien välinen kommunikointi tyypillisesti tehdastasolla. Nykyisin usein myös robottiohjaimissa ja PLC:ssä on lähiverkkoliitäntä. (Ethernet) Langattomat tiedonsiirtoyhteydet. Esim. ZigBee, WirelessHART, WLAN, Bluetooth, GPRS, GSM ja Radiomodeemit point-to-point-yhteyksiin, jne.

27

28

29

30

31 Protokollista yleensä Lähettäjän ja vastaanottajan välinen sopimus mm. Signaalin sähköisistä ominaisuuksista, bittien/datan järjestyksestä ja yhteydenmuodostus-prosessista Kuvataan yleensä kerrosrakenteena (stack), jossa alimpana on sähköinen mekanismi datan lähetykseen/vastaanottoon siirtotietä pitkin (johdin, kuitu, radio). Ylimpänä on käyttäjäsovelluksen näkemät ohjelmistopalvelut (API) Välissä on kerroksia, jotka tekevät virhetarkastuksia, ratkaisevat reitityksiä ja osoitteita, pilkkovat/yhdistävät pitkiä viestejä ja neuvottelevat oikeudesta lähettää jaetulle siirtotielle ( Mastering ). Kukin kerros saa lähetettävän viestin käsiteltäväksi yläpuoleltaan (payload) ja lisää siihen oman kerroksen mukaiset kehystiedot. Tämän jälkeen se antaa kehystetyn viestin alemmalle kerrokselle, kunnes se kirjoitetaan siirtotielle. Vastaanotossa alempi kerros vastaavasti kuuntelee ja käsittelee viestin ja antaa se ylemmälle kerrokselle, kunnes sen saa vastaanottava käyttäjäsovellus. Siirtotiellä olevasta datasta voi suurin osa olla eri protokollakerrosten tarvitsemia kehysbittejä/merkkejä

32 Sovelluskerros Esitystapakerros Yhteyskerros Kuljetuskerros Verkkokerros Siirtoyhteyskerros Fyysinen kerros

33 OSI-mallin kerrokset ovat: 7. Sovelluskerros (Application layer), jolle itse käyttäjälle näkyvät sovellukset sijoittuvat. 6. Esitystapakerros (Presentation layer), joka muuttaa tiedon käyttäjälle sopivaan muotoon, kuten kuvan pikseleiksi tai Unicode-tekstin kiinankielisiksi merkeiksi. 5. Istuntokerros (yhteysjakso, Session layer), joka huolehtii useiden yhdessä yhteydessä kulkevien istuntojen multipleksoinnista. 4. Kuljetuskerros (Transport layer), joka huolehtii siitä, että paketit tulevat perille ja että ne järjestetään oikeaan järjestykseen. Myös vuonhallinta on kuljetuskerroksen tehtävä. 3. Verkkokerros (Network layer), joka hoitaa globaalin reitityksen ja kohdekoneen löytämisen koko Internetistä. 2. Siirtoyhteyskerros tai siirtokerros (Data Link layer), joka hoitaa paikallisen lähiverkon laitteiden välisen liikennöinnin. 1. Fyysinen kerros (Physical layer), joka käsittelee sähköimpulsseja, valoa tai muuta fyysistä tekniikkaa. [muokkaa] Huumori Usein OSI-malli myös esitetään humoristisessa kontekstissa 9-kerroksisena, 8. ja 9. kerroksen ollessa taloudellinen ja poliittinen kerros. Järjestelmien ylläpitäjät myös viittaavat usein 8. kerroksen ongelmiin tarkoittaen sovellusten käyttäjiä. wikipedia / OSI-malli

34 wikipedia / OSI-malli

35 Tyypilliset kenttäväylien toteuttamat OSI-kerrokset: 1 (Physical) 1 Physical Layer / Fyysinen kerros Ei sisällä siirtomediaa, vaan sähköisen ja loogisen rajapinnan siihen Mm. Jännite-/taajuus-/vaihetasot, symbolit (0/1), tiedon koodaustapa (miten sähköisen suureen muutokset tai tasot tulkitaan symboleiksi), signalointitapa, fyysiset liittimet ja johdinten roolit (pinout), jos mahdollista niin masterointi (esim. CSMA/CD), vuon ohjaus (keskeytetään lähetys, jos vastaanottaja ilmoittaa, ettei ehdi) Tiivistetysti, kerros sisältää keinot, joilla tunnistetaan/kirjoitetaan kaikki vaadittavat bitit.

36 Rinnakkainen ja sarjamuotoinen dataliikenne

37 Fyysiset mediat Kuva: westermo

38

39 Esimerkkinä Asi-väylän signaalin generointi ja lukeminen Hyvä esitys Asi-väylästä

40 Lisää moduloinnista: Pimentel, 1990

41 Tyypilliset kenttäväylien toteuttamat OSI-kerrokset: 2 (Data Link) 2 Data Link Layer / Siirtoyhteyskerros Logical Link Control (LLC) alikerros määrittelee viestin perusrakenteen (esim. Ethernet-kehys), ml. Osoitteistus (from/to) sekä virheiden tunnistus ja korjaus. Media Access Control (MAC) alikerros määrittelee laitteen osoitteen ja hallitsee siirtotielle pääsyä (master/slave, token passing, collisionbased, peer to peer) 7 (Application) 7 Application Layer / Sovelluskerros Protokollapinon ylin kerros, mutta ei siis sisällä sovellusta! Sovellukset käyttävät näitä palveluja joko suoraan tai usein käyttöjärjestelmän kautta. Esim. HTTP, FTP, SMTP, DHCP, Telnet,... (kuuluvat TCP/IP perheeseen)

42 Sykliset viestit vs. asykliset (satunnaiset) viestit: Syklistä viestintää tarvitaan esimerkiksi mittausten ja säätöjen ja ohjausten toteutuksessa. Satunnaisia viestejä ovat mm. prosessin muuttuvat tilatiedot, hälytykset, tiedostojen lataukset, operaattorin toimenpiteet jne. Viestillä on aina yksi lähettäjä, mutta sillä voi olla yksi tai useampi vastaanottaja. Isäntä-renki-viestinnässä (master-slave) isäntä kontrolloi rengin viestien lähettämistä; mitä viestejä, kenelle ja koska. Asiakaspalvelintyyppisessä (client-server) kommunikoinnissa asiakassovellus pyytää palvelimelta viestejä itselleen. Tämä viestintämuoto on point-topoint tyyppistä. Tuottaja-kuluttaja-mallissa (producer-consumer model) tuottaja lähettää verkkoon yleislähetys (broadcast) -tyyppisen viestin, jonka käyttäjät lukevat, jos se on niille tarpeellinen. Vastaanottajan on mahdollisesti kuitattava vastaanotettu viesti tai viesti ei vaadi kuittausta. Kuittaus varmentaa viestintää, mutta kuluttaa samalla verkkoresurssia ja aikaa.

43 Kuva: Asiakas-palvelija (client-server) mallin mukaisessa kommunikoinnissa asiakas tilaa palvelijalta jonkin palvelun tai dataa. Palvelin lähettää viestin, jossa on kuittaus tapahtumasta. (lähde: Softing GmBh)

44 Kuva: Isäntä-renki (master-slave) mallin mukaisessa kommunikoinnissa isäntä ohjaa rengin toimintaa ja määrä koska renki voi lähettää verkkoon tietoa. Renki lähettää tapahtumasta kuittauksen isännälle.(lähde: Softing GmBh)

45 Kuva: Tuottaja-kuluttaja (producer-consumer) mallin mukaisessa kommunikoinnissa tuottaja lähettää yleislähetystyyppisen viestin verkkoon, joko omatoimisesti tai jonkun asiakkaan pyynnöstä. (lähde: Softing GmBh)