4 Tietoliikenne automaatiossa

Transkriptio

1 Automaation tietoliikenne / Automaatio 1/ ELEC-C1210 / Tietoliikenne automaatiossa Elämme tällä hetkellä voimakasta tietoliikenneboomia kaikkialla yhteiskunnassa. Samaa tapahtuu automaatiossa. Oikeastaan yleinen kehitys vie eteenpäin myös automaation tietoliikenteen kehitystä. Automaation piirissä on kuitenkin itsekin nopeutettu tätä kehitystä tekemällä erilaisia automaation tietoliikenteen standardeja. Tietoliikenne on informaation koodaamista ja siirtämistä paikasta ja käyttäjältä toiselle. Informaatiolla on luojansa ja käyttäjänsä. Tietoliikenne koostuu tiedon luojasta, tietoliikenneyhteydestä ja tiedon vastaanottajasta eli käyttäjästä. Perusautomaatiossa tällaisia informaation luojia ja käyttäjiä ovat anturit ja mittalaitteet, prosessiasemat, valvomoasemat ja muut järjestelmän erikoisasemat (esim. tiedon tallennus ja liitäntäasemat muihin järjestelmiin). Kaiken informaation välittyessä yhä useammin sähköisessä muodossa, on luonnollista, että automaation tietoliikenteellä tulee olla hyvät liitynnät moniin muihin tiedonkäsittely ja -välitysjärjestelmiin. Automaatio on vain osa yritysten tuotanto- ja jakeluprosessia eikä automaatiossa syntyvän tai käytettävän informaation välitys rajoitu enää yritysten sisälle vaan sitä on kyettävä siirtämään myös yritysten ja viranomaisten välillä. Tässä esityksessä keskitymme kuitenkin tuotantoautomaation tietoliikenteen erikoistarpeisiin. Tuotannon tietoliikenteen ja tietoliikennelaitteet voimme erotella seuraaviin eri luokkiin: Toimisto CAD/suunnittelu Tehdas Prosessi Liikenne Viestejä (1KB), dokumentteja 100KB, tiedostoja (1MB) Graafiset tiedostot (5MB), tuotantoohjelmat (1MB) Ohjelmat (0,5MB), viestit (2KB), tilatiedostot (20KB) Muuttujatiedot (50B), tilatiedot (2KB), ohjelmat (100KB) Viestiliikenne satunnaista satunnaista satunnaista ja jatkuvaa jatkuvaa ja satunnaista Kapasiteettivaatimus korkea erittäin korkea korkea vaatimaton Vasteaika 2-6 s 2-5 s 0,5-2 s 0,01-0,5 s Verkon varaus tilastollinen tilastollinen (CSMA/CD) (CSMA/CD) vaihteleva (CSMA/CD tai varaus) deterministinen (valtuuden varaus tai isäntä - renki (master-slave) Varmennettu ei ei usein usein Laajakaista joskus joskus mieluiten joskus Kotelointi etc. toimisto toimisto "puoli-kovennettu" "kovennettu" Tehon syöttö verkossa ei ei ei joskus Toimistossa ja suunnittelussa käytettävän tiedonsiirron ei tarvitse olla täysin reaaliaikaista tai tasavälistä. Riittää kun siirrettävä tiedosto tai dokumentti lähtee jonkun sekunnin kuluttua tietoliikenteen aloittamisesta. Suurten tiedostojen siirtäminen saattaa kestää kymmeniä sekunteja, mutta se ei haittaa toimiston tai suunnittelijan työtä. Tehdas tai prosessitason tietoliikenteeltä sitä vastoin vaaditaan huomattavasti nopeampaa tiedon siirtämistä. Lähellä lattiatasoa ei toisaalta siirrettävän tiedon määrä kerrallaan ole kovin suuri. Eli perusautomaation alueeseen taulukossa kuuluvat "tehdas" ja "prosessi" alueiden tiedonsiirto vaatii ennalta määrättävissä olevaa lyhyttä vasteaikaa. Tästä syystä on pitkään oltu sitä mieltä, että prosessitasolla ei

2 Automaation tietoliikenne / Automaatio 1/ ELEC-C1210 / 2015 kilpavarausmenettelyä (CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) voida käyttää. Eräissä tapauksissa on kuitenkin alettu käyttää Ethernet -väylää (CSMA/CD) myös prosessien ohjaukseen. Muita automaation tiedonsiirron tärkeitä ominaisuuksia verkon varauksen lisäksi ovat verkon topologia eli miten verkko eri koneiden välillä reititetty, verkon tiedonsiirtokapasiteetti (bittiä sekunnissa), sanomien vastaanoton kuittaus (yhteyspohjainen tai yhteydetön sanomavälitys), sanomien lähetys joko yhdelle tai useammalle vastaanottajalle yhtäaikaisesti, sanoman virheettömyyden varmistus, virheenkorjausmenetelmien käyttö bittivirheiden vähentämisessä sekä käytettävät signaalitasot, signaalin koodaus ja modulointi sekä itse fyysiset kaapelit. Verkot eroavat myös toisistaan siinä, että joissain verkkotyypeissä verkon asemat lukevat niille tulevan datan ja lähettävät sen edelleen ellei data ole pelkästään sille tarkoitettu. Useimmissa järjestelmissä kaikki verkon asemat näkevät samanaikaisesti kaiken verkossa liikkuvan tiedon. 4.1 Automaation verkot ja verkkotyypit Mittaus- ja ohjaustasoilla, sekä prosessiohjaus eli prosessiasematasolla ja vielä tämän yläpuolella tehdastasolla olevat tietoliikenneväylät voidaan jakaa esim. seuraaviin ryhmiin ja alaryhmiin: Tehdasväylät Järjestelmäväylät Kenttäväylät asemien välinen tiedonsiirto (pääasiallinen sovellus) kommunikointi analogisten mittaus- ja ohjauslaitteiden kanssa kommunikointi binäärimittausten ja toimilaitteiden kanssa Tehdasväylät Tehdasväylät yhdistävät teollisuuslaitoksen eri prosessien osat ja niiden automaatiojärjestelmät, valvomot, sekä laboratoriot, tuotannon ohjauksen, -suunnittelun ja seurannan, sekä teollisuuslaitoksen hallinnolliset toiminnot keskenään. Tänä päivänä tehdasväylät toteutetaan yleensä Ethernet tyyppisenä kilpavarausväylänä. Tehdasväylää pitkin siirtyy tietoa valvomojärjestelmästä toiseen, sekä osa tiedoista automaatiojärjestelmien välillä. Prosessien tiedonkeruu ja hallintajärjestelmät ovat yleensä kiinni tehdasväylässä samoin kuin esim. laadunvalvonnan laboratoriojärjestelmätkin Järjestelmäväylät Järjestelmäväylät ovat automaatiojärjestelmien sisäisiä väyliä, joihin on kytketty kaikki järjestelmien asemat (prosessi-, valvomo-, ohjelmointi, liitäntä - yms. asemat). Järjestelmien väylärakenne on hyvin toimittajakohtainen. Isoissa automaatiojärjestelmissä on viime aikoina siirrytty kahden erillisen väylän ratkaisuihin, jolloin prosessiasemien välinen kommunikointi toteutetaan laitteistovalmistajan omalla tai räätälöidyllä deterministisellä valtuudenvälitys tekniikkaan perustuvalla tiedonsiirtoverkolla. Prosessiasemat taas kommunikoivat valvomoihin päin kilpavarausmenettelyyn perustuvan Ethernet verkon välityksellä Kenttäväylät Kenttäväylillä tarkoitetaan oikeastaan monia erilaisia ja eri käyttökohteisiin tarkoitettuja väyliä. Kenttäväylä on väylä, joka kulkee kentällä eli tuotantolaitoksen tuotantotiloissa. Riippuen tarpeista, kenttäväylä on tehty joko pääasiassa binaarisen mittaus- ja ohjaustiedon välittämiseen (esim. ASI väylä), tai nopean analogisen mittaustiedon välittämiseen (esim. Profibus

3 Automaation tietoliikenne / Automaatio 1/ ELEC-C1210 / 2015 DP), tai monimutkaisempien asemien väliseen kommunikointiin. Ennen käytännön kenttäväyliin ja tehdasväyliin ja niiden käyttöön tutustumista käydään kuitenkin läpi tärkeimpiä tiedonsiirtoon liittyviä määritelmiä ja tekniikoita. 4.2 Tiedonsiirtoverkkojen tyyppejä ja ominaisuuksia Tiedonsiirtoverkot voidaan karkeasti jakaa kolmeen eri kokoluokkaan: WAN (Wide Area Network), MAN (Metropolitan Area Network) ja LAN (Local Area Network). WAN ja MAN verkot ovat nk. yleisiä dataverkkoja, esim. puhelinverkkoja, jotka yhdistävät käyttäjiä pitkienkin matkojen yli. Näitäkin verkkoja käytetään automaatiossa laitosten etävalvontaan ja laitosten väliseen tiedonsiirtoon. Teollisuustuotannon verkot (tehdas-, osasto- ja kenttäväylät) ovat paikallisverkkoja (LAN verkkoja). Paikallisverkot voidaan edelleen jakaa lankaverkkoihin ja langattomiin verkkoihin. Langattomat verkot ovat suhteellisen uusi tekniikka, joka on ollut laajamittaisessa kaupallisessa käytössä vasta 1990 luvulta lähtien. Puhelinverkko on esimerkki kytkentäisestä (Circuit Switching) verkosta, jossa luodaan fyysinen tai virtuaalinen kanava päätelaitteelta toiselle (virtuaalinen kanava on tietty vakio aikajakso pakettijonossa). Tietokoneiden välisessä tiedonsiirrossa ei muodosteta kiinteää (tai edes virtuaalista) kanavaa, vaan paketit lähetään erillisinä (Packet Switching) verkkoon, jossa ne voidaan jopa reitittää eri verkkojen kautta määränpäähänsä. Täällä paketit jälleen kootaan yhteen. Tällaisen verkon ongelmana ovat mahdolliset viiveet ja ruuhkautumisesta johtuvat datapakettien katoamiset Oheisessa kuvassa (Halsall, 1995) luokitellaan lähi- eli paikallisverkot käytön, rakenteen, standardoinnin, ja tiedonsiirtomedian mukaan. Verkon topologia vaikuttaa luonnollisesti verkon ominaisuuksiin. Tähtikytkentäisessä verkossa keskussolmun vika lamauttaa koko verkon. Väylätyyppisessä monipisteverkossa kahden aseman välinen tietoliikenne varaa yleensä koko väylän. Puumaisessa rakenteessa voidaan rakentaa (käyttäen kytkimiä) helposti aliverkkoja, joiden asemat voivat keskustella keskenään varaamatta koko väylää. Topologian lisäksi lähetystapa on tärkeä verkon ominaisuus. Asema voi lähettää viestin niin, että kaikki verkossa olevat asemat voivat lukea sen (väylä tai highway monipisteverkko). Toinen tapa on lähettää viesti vain yhdelle (seuraavalle) asemalle, joka lukee viestin ja lähettää sen edelleen ellei se ole tarkoitettu juuri sille asemalle tai mikäli viesti on sen itsensä lähettämä (rengasverkko). (store-and-forward, switching network). Väylät eroavat myös väylänvaraustapojen mukaan. Kilpavarausmenettelyssä (CSMA) ei yleensä voida taataa tiedonsiirron vasteaikoja, mutta tällaisen väylän kontrollointi on helppoa. Valtuudenvälitysväylät (control token) vaativat monimutkaisempia rakenteita poikkeustilanteiden hallintaan. Keskitetyt verkot, joissa on yksi master laite, joka jakaa puheoikeuksia on näistä yksinkertaisin ratkaisu. Erilaiset aikajakoiset ratkaisut (time slots) voivat taata tietyt vasteajat, mutta kapasiteetin tuhlaus (laite saa väyläaikaa vaikkei siihen ole tarvetta) saattaa olla tällaisen järjestelmän haittapuolena.

4 Automaation tietoliikenne / Automaatio 1/ ELEC-C1210 / 2015 (Halsall, 1995, p.273) Tietoliikenneverkon kaapeloinnin ja datan signaloinnin perusteella verkot voidaan jakaa valokaapeli-, parikaapeli- ja koaksiaalikaapeliverkkoihin. Valokaapeleissa käytetään valosignaaleja valodiodeilla muodostettuja signaaleja. Parikaapeliin syötetään data koodattuna pulssijonona. Koaksiaalikaapelissa voidaan lähettää suoraa pulssijonoa (carrierband) tai data voidaan lähettää kantoaaltoon moduloituna. Tällöin käytössä voi olla yksi tai useampi samanaikainen (eri taajuinen) kanava. Automaation verkot ovat perinteisesti olleet valmistajakohtaisia, mutta nyt on siirrytty standardoituihin ratkaisuihin. Valmistajakohtaisista verkoista on tehty julkisia ja ne on standardoitu. Joissain tapauksissa on lähdetty puhtaalta pöydältä rakentamaan verkkostandardia (Foundation Fieldbus). Automaation verkkojen kansainvälisiä standardeja kehittävät ja julkaisevat mm. IEC (International Electrotechnical Commission), IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) ja ISO (International Standards Organization). Näiden lisäksi automaation alueella toimii alueellisia ja kansallisia standardointiorganisaatioita.

5 Automaation tietoliikenne / Automaatio 1/ ELEC-C1210 / 2015

6 4.3 OSI/ISO tiedonsiirtomalli ISO:n (International Standards Organization) määrittämä Open Systems Interconnection malli kuvaa tietokoneiden välisen tiedonsiirtojärjestelmän rakennetta ja sen protokollien hierarkiaa. Ylimmän tason päällä toimivat sovellusohjelmat ja alimman tason alapuolella sijaitsee fyysinen kaapeli. OSI mallissa koko tiedonsiirto on jaettu 7 kerrokseen tai tasoon (layer). Tasojen välillä käytetään kullekin tasolle ominaista protokollaa siten, että alempi taso tarjoaa aina ylemmälle tasolle palveluitaan. OSI malli on siis puhtaasti rakenteellinen standardi. Toimiva järjestelmä saadaan aikaan, kun määritetään joka tasolle standardin vaatimat toiminnot toteuttavat protokollat. 7. Sovelluskerros (Application Layer) tarjoaa sovellusohjelmille ja prosesseille niiden tarvitsemat liikennepalvelut. Sovelluskerros sisältää ne siis palveluja, jotka vastaavat tiedon välityksestä verkon yli. ISO on määrittänyt joukon standardi sovelluskerroksen protokollia joita ovat mm. FTP, MMS, ACS, hakemistopalvelut. (File Transfer Protocol, Manufacturing Message Standard, Association Control Service Elements, Directory Services etc). Internet protokollaperheessä sovelluskerroksen protokolliin kuuluvat mm. ftp, http, TELNET, SMTP (File Transfer Protocol, Hypertext Transfer Protocol, Simple Mail Transfer Protocol). 6. Esitystapakerros (Presentation Layer) huolehtii tiedon muotoilun muunnoksista jotta sama tieto olisi eri järjestelmien ja sovellusten käytettävissä. Esitystapa kerros tarjoaa siis sovelluskerrokselle standardoidun, virtuaalisen tietorakenteen ja ko. tietorakenteen käsittelyyn tarvittavat toiminnot. Esitystapakerroksen toimintoja ovat mm. koodaus ja dekoodaus, merkkivalikoiman muutokset ja tiedon syntaksin muutokset. 5. Yhteyskerros (Session Layer) huolehtii kahden sovelluksen tai prosessin välisen kommunikoinnin aloittamisesta, ylläpitämisestä ja päättämisestä. Yhteyskerros valvoo prosessien välistä kommunikointia, joka voi olla kaksisuuntaista yhtäaikaista (full duplex), kaksisuuntaista vuoroaikaista (half duplex) tai yksisuuntaista. Yhteyskerroksessa varmistetaan myös laajojen tietokokonaisuuksien siirron onnistuminen (esim. koko tiedoston tai sivun siirto). 4. Kuljetuskerros (Transport Layer) toteuttaa luotettavan tiedonsiirron asemalta asemalle verkkosiltojen yli. Tämä kerros huolehtii mm. virhetilanteista toipumisesta ja datapakettien järjestämisestä. Kuljetustasolla määritetään tapa, jolla kaksi prosessia voi kommunikoida suoraan keskenään. Prosessit voivat toimia samassa tai eri tietokoneessa. 3. Verkkokerros (Network Layer) suorittaa tarvittavat reititykset verkoissa, aliverkkojen yli ja niiden sisällä. Tämäkin kerros sisältää ohjaus ja varmennustietoja, joka sijoitetaan verkkoyhteyskerroksen kehystietoihin. Verkkoyhteyskerros muodostaa erillisistä verkon osista toimivan tietoliikenneyhteyden. Verkkokerros reitittää tiedot eri osaverkkojen läpi. 2. Siirtoyhteyskerros (Data Link Layer) sisältää kaksi erilaista toimintaa tai alitasoa: MAC (Media Access Control) verkon varausmenettely tiedonsiirron aloittamista ja tiedon siirtämistä varten, LLC (Logical Link Control) tiedonsiirron varmistaminen verkon kahden eri laitteen välillä; tiedonsiirtovirheiden havainnointi ja korjaaminen. Tiedonsiirtokehykset numeroidaan ja hävinneet tai virheelliset datapaketit lähetetään uudelleen tai korjataan.

7 (Pimentel, 1990) 1. Fyysinen kerros (Physical Layer) hoitaa datan lähettämisen fyysistä tiedonsiirtoväylää (esim. kaapeli, radioaallot) pitkin. Fyysisen kerroksen protokollissa määrätään mm., modulointi, sähköinen signalointi (datan koodaus/dekoodaus, jännitetaso, nopeudet), fyysinen kaapelointi ja liitinmääritykset. 4.4 OSI mallin fyysinen taso Sarjamuotoinen vai rinnakkainen tiedonsiirto Tiedonsiirto asemien välillä on pääosin sarjamuotoista edullisuutensa johdosta. Rinnakkainen tiedonsiirto vaatii rinnakkaisia johtimia. Se on yleensä nopeampaa. Sitä käytetään pääasiassa lyhyen matkan tiedonsiirtoon esim. tietokoneiden sisäisissä väylissä tai yhdistämään nopeita elektronisia mittaus- ja ohjauslaitteita, esim. oskilloskooppeja ja signaaligeneraattoreita. Langattomat radioon tai infrapunaan perustuva tiedonsiirto on aina sarjamuotoista.

8 Westermo Verkkokaapelit Kierretty pari (kuparikaapeli) Koaksiaalikaapeli Valokaapeli Kierretty parikaapeli on eniten käytetty automaatiokaapeli. Se on suhteellisen edullista. Pitkillä matkoilla matalilla taajuuksilla kaapeleiden resistanssi vaimentaa signaaleja. Korkeataajuiset signaalit taas vaimenevat kaapeleiden kapasitanssien takia. Koaksiaalikaapelit ovat parempia tiedonsiirto- ja häiriönsieto-ominaisuuksiltaan, mutta niiden käyttö on kalliimpaa. Valokaapeleilla voidaan toteuttaa suuria datanopeuksia, mutta niiden käyttö on kallista. Valokaapeissa kulkevat signaalit eivät ole alttiita sähköisille häiriöille. Kuva. Kierretyt parikaapeleita, koaksiaalikaapeleita ja valokuitukaapeleita käytetään automaation tiedonsiirtoon. (Kuvat: Westermo) Langattomat yhteydet Infrapunalinkit Radiotaajuusyhteydet Langatonta infrapunatiedonsiirtoa ei käytetä juuri lainkaan teollisuudessa infrapunasignaalien huonon häiriösietoisuuden ja lyhyen käyttöetäisyyden vuoksi. Erilaiset radiotaajuiset ratkaisut ovat voimakkaasti lisääntymässä. Operointipäätteitä ja ääntä ja videota käyttävät päätelaitteet yleistyvät teollisuusprosessien hallinnassa. WLAN tai amerikkalaisittain Wi-Fi soveltuu hyvin kannettaville datapäätteille (esim. laptop tietokoneet). Radiotaajuuksien käyttö mahdollistaa myös langattomien mittausantureiden käytön. Kännykkämaailmasta tunnettua Bluetooth (IEEE ) kommunikointia voidaan käyttää mittaustiedon välittämiseen. Langattomien mittausten käyttö ei ole vielä kovin yleistä. Mittausanturit tarvitsevat virran syöttöä varten kaapeliliitännän, jolloin langattomuuden etu katoaa. Akut taas ovat hankalia

9 ylläpitää, vaihtaa ja ladata. IEEE standardi (Zig Bee) on suunniteltu anturiverkkoja varten. Zig Bee laitteet ja kommunikointi vie hyvin vähän virtaa. Laitteiden patterit pitää uusia ehkä vain kerran vuodessa. Tulevaisuudessa harvemminkin. Tämä tekniikka on vasta tulossa. Suurimmat sovellusalueet lienevät kuitenkin tehtaiden ulkopuolella kodeissa, sairaaloissa, varastoissa, liikkuvissa laitteissa ja ulkoympäristössä. Passiivinen RFID tekniikka mahdollistaa langattomat ja paristottomat mittausanturit ja saattomuistit ja tunnistimet. RFID tekniikkaa käytetään viivakoodien rinnalla kappaleiden ja tuotteiden tunnistamiseen. RFID on nopeasti kehittyvä tekniikka. Langattomat yhteydet SHO RT < RA NG E > LON G TEXT INTERNET/AUDIO COMPRESSED VIDEO ZigBee Bluetooth 2 Bluetooth b a/HL2 & g MULTI-CHANNEL DIGITAL VIDEO /WIMEDIA LOW < ACTUAL THROUGHPUT > HIGH Siirtotavat Analoginen laajakaista: käyttää laajaa taajuuskaistaa, taajuuksien jako, (analog broad band transmission). Esimerkkinä kaapelitelevisiokaapeli, jossa eri taajuuksilla kulkee dataa rinnakkain. Analoginen kapeakaista (yksi kantotaajuus), yksi analogiasignaaliin moduloitu signaali vie koko tiedonsiirtokaapelin kapasiteetin (analog carrierband transmission, analog base band transmission) Digitaalinen laajakaista: datalaitteet lähettävät suoraan digitaalisia pulsseja (ilman modulointia) tiedonsiirtokaapeliin. Nimitys laajakaista tulee siitä, että datanopeudet ovat niin suuria, että näennäisesti samanaikaisesti voidaan siirtää useita eri datalähetyksiä, esim. kuvaa ja ääntä ja dataa. (digital base band) Digitaalinen optinen siirto on yleensä myös base band siirtoa. Käytetään yhtä valontaajuutta, mutta suuria datanopeuksia. : nopea, 500 Mbit/s tai yli, vaatii signaalimuuntimet Kantoaaltomodulointi Digitaalisen datan siirrossa käytetään kantoaaltomodulointia mm. radiokommunikoinnissa ilmassa sekä joissain laajakaista sovelluksissa. Amplitudimodulointi (AM) Taajuusmodulointi (FM) Vaihesiirtomodulointi (PM) Laajakaistamodulointi (AM/PSK Amplitude Modulation and Phase Shift Keying)

10 (Pimentel, 1990) Bittien koodaus lähetystä varten Digitaalisessa laajakaistasiirrossa bittejä ei aina koodata suoraan esim. 1 = +5V ja 0 = -5V kuten kuvan NRZ koodauksessa. Alla olevan kuvan koodaustavat b d sisältävät järjestelmän kellotaajuuden, jonka avulla voidaan toteuttaa nopeampaa ja varmempaa tiedonsiirtoa. Binary direct, non return to zero Return to Zero Manchester coding Differential Manchester coding Jännitetasot (Olsson, Pianini, 1992) Synkroninen tai asynkroninen siirto

11 Synkronisessa tiedonsiirrossa voidaan käyttää erillistä synkronoiva kelloa, mutta yleensä kellotaajuus on yhdistetty dataan. Aiemman kohdan bittien koodausalgoritmit RZ, Manchester and differential Manchester ovat synkronisia koodeja. Synkronisella tiedonsiirrolla päästään suurempiin bittinopeuksiin ja varmempaan tiedonsiirtoon. Niissä ei myöskään tarvita asynkronisen tiedonsiirron aloitus ja lopetusbittejä jokaisessa lähetetyssä tavussa. Datablokkitasolla joudutaan kuitenkin käyttämään synkronointibittejä, joiden avulla voidaan varmistaa, että lähetetystä bittivirrasta voidaan koota tavut oikein. (kuva Westermo) 4.5 Väylän käyttö ja ohjaus (Siirtoyhteyskerros) Virheen havainnointi ja korjaus Digitaalisessakin tiedonsiirrossa signaali kaapelissa tai ilmassa on itse asiassa analoginen. On mahdotonta lähettää ja välittää pitkiä matkoja signaalia, joka vaihtaisi tilaa äärettömän nopeasti tai jolla olisi aina yksiselitteinen binaarinen arvo tai johon ei voisi kerrostua kohinaa ja häiriöitä. Näin ollen on eri tavoin varmistuttava siitä, että lähetetty signaali osataan vastaanottimessa tulkita oikeaksi digitaaliseksi signaaliksi. Virheenkorjausalgoritmit vaativat yleensä niin paljon ylimääräisiä tarkistusbittejä, että käytännössä yleensä käytetään virheen havainnointia ja sanoman uudelleen lähetystä. Tarkistussummalaskentaa tavukohtaisesti kutsutaan pariteettitarkistukseksi. Siirtoyhteyskerros lisää viestiin omia tunnisteita. Näin muodostuvaa datayksikköä kutsutaan data kehykseksi (data frame). Eri protokollilla on oma kehysrakenteensa. Alla on esitetty Ethernet verkon kehysrakenne: Preamble This is a stream of bits used to allow the transmitter and receiver to synchronize their communication. The preamble is an alternating pattern of binary 56 ones and zeroes. The preamble is immediately followed by the Start Frame Delimter. Start Frame Delimter This is always and is used to indicate the beginning of the frame information. Destination MAC

12 This is the MAC address of the machine receiving data. When a network interface card (NIC) is listening to the wire is checking this field for its own MAC address. Source MAC This is the MAC address of the machine transmitting data. Length This is the length of the entire Ethernet frame in bytes. Although this field can hold any value between 0 and 65,534, it is rarely larger than 1500 as that is usually the maximum transmission frame size for most serial connections. Ethernet networks tend to use serial devices to access the Internet. Data/Padding (a.k.a. Payload) The data is inserted here. This is where the IP header and data is placed if you are running IP over Ethernet. This field contains IPX information if you are running IPX/SPX (Novell). Contained within the data/padding section of an IEEE frame are four specific fields: DSAP - Destination Service Access Point SSAP - Source Service Access Point CTRL - Control bits for Ethernet communication NLI - Network Layer Interface FCS This field contains the Frame Check Sequence (FCS) which is calculated using a Cyclic Redundancy Check (CRC). The FCS allows Ethernet to detect errors in the Ethernet frame and reject the frame if it appears damaged. ( Automaation verkoissa on käytössä erilaisia virheiden havaitsemiskoodeja. Merkkipohjainen korjaus (byte) (7 databittiä, aloitusbitti, parillinen pariteetti, lopetusbitti) Bittipohjainen korjaus: SDLC Synchronous Data Link Control, HDLC High-Level Data Link Control Blokkipohjainen korjaus omat aloitus- ja lopetusmerkit erikokoisille blokeille, jotka muodostuvat datakentistä Verkon varaaminen (medium access control) Määriteltävä Kuka voi lähettää sanomansa verkossa Miten asema liitetään tai poistetaan verkosta Mitä tehdään jos asema ei toimi Miten verkko alustetaan Useita käyttäjiä ja yksi väylä Multipleksaus (aikajako, taajuuskaistajako) Väylää voi käyttää vain yksi laite kerrallaan, jos siihen ei ole jokaiselle laitteelle tehty omaa taajuuskaistaansa. Eli kun samaa kanavaa käyttää useampi laite, pitää jollain tavalla sopia tai määritellä mikä laite milloinkin voi lähettää dataa kanavalle. Kaikki laitteethan kykenevät samanaikaisesti kuuntelemaan kanavaa. Yhden kanavan yksisuuntainen liikenne on simplextyyppistä. Half-duplex käytössä kanava on kaksisuuntainen, sitä voi kuitenkin käyttää vain

13 yksi laite kerrallaan. Duplex-tyyppisessä liikennöinnissä on käytössä kaksi kanavaa, joita voidaan käyttä samanaikaisesti kaksisuuntaiseen liikennöintiin. Lähiverkkojen dataliikenne on yleensä half-duplex-tyyppistä. Väylän käyttöoikeus annetaan siis yleensä aikajakoisesti. Synkronisessa väylän käytössä jokaiselle asemalle annetaan synkronisesti toistuva aikaikkuna, jossa laite voi lähettää tietoa väylälle. Synkronista tiedonsiirtoa käytetään esimerkiksi puhelinliikenteessä, mutta lähiverkkoissa sitä ei yleensä käytetä, mm. koska sen avulla ei voi jakaa verkon resurssia kulloisenkin tarpeen mukaan optimaalisesti. Jollain laitteella olisi paljon dataa lähetettävänä ja toisella ei yhtään, mutta ne molemmat saavat yhtä paljon verkkoaikaa. Asykroninen verkon käyttö on joko satunnaisesti tapahtuvaa kilpavausta tai ohjattua verkonvarausta. Kilpavarusmenettelyssä kukin laite yrittää varata verkon, kun sillä on tarve lähettää verkkoon dataa. Jos verkkon on varattu, laite odottaa. Jos kaksi laitetta varaa verkon yhtäaikaisesti, syntyy törmäys, eikä kummankaan data kulje virheettömänä verkossa. Laitteet yrittävät uudestaan lyhyen aikajakson jälkeen. Ohjatussa menettelyssä jokin laite jakaa muille laitteelle verkonkäyttövuoroja. Monimutkaisemmissa verkoissa on useita verkonkäyttöä ohjaavia isäntälaitteita. Isäntälaitteet jakavat keskenään väylän varausvaltuutusta. Kun laite saa valtuutuksen, se voi ohjata verkon toimintaa. Tietyn ajan jälkeen sen pitää antaa valtuutus eteenpäin toiselle isäntäkoneelle. Tätä menettelyä kutsutaan valtuuden välitykseksi. Viestityypit / viestien välitys Verkossa kulkee erityyppisiä viestejä. Eri protokollat tukevat eritavoin eriviestityyppejä. 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. Isäntärenki-viestinnässä isäntä kontrolloi rengin viestien lähettämistä; mitä viestejä, kenelle ja koska. Asiakas-palvelintyyppisessä (client-server) kommunikoinnissa asiakassovellus pyytää palvelimelta viestejä itselleen. Tämä viestintämuoto on point-to-point 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.

14 Kuva: Asiakas-palvelija (client-server) mallin mukaisessa kommunikoinnissa asiakas tilaa palvelijalta jonkin palvelun tai dataa. Palvelin lähettä viestin, jossa on kuittaus tapahtumasta. (lähde: Softing GmBh) Kuva: Isäntä-renki (master-slave) mallin mukaisessa kommunikoinnissa isäntä ohjaa rengin toimintaa ja määrä koska renki voi lähettää verkkon tietoa. Renki lähttää tapahtumasta kuitteauksen isännälle.(lähde: Softing GmBh) Kuva: Tuottaja-kuluttaja (producer-consumer) mallin mukaisessa kommunikoinnissa tuottaja lähettää yleislähetystyyppisen viestin verkkoon, joko omatoimisesti tai jonkun asiakkaan pyynnöstä. (lähde: Softing GmBh) 4.6 Perinteisiä käytännön tiedonsiirtoratkaisuja (OSI mallin alimmat tasot) Point-to-point standardiviestit (normaalit mittaussignaalit) jännite, virta, taajuus viestit erillisillä kaapeleilla antureiden ja I/O asemien välillä Rinnakkaisväylät

15 HP-IB (GPIB, IEEE-488) ja VXI instrumenttiväylät, instrumenttien ja tietokoneiden välillä, nopeita ja tehokkaita, PC:n rinnakkaisportti (Centronix väylä), tietokoneiden sisäiset väylät. Rinnakkaisia data-,osoite- ja kellosignaali- ja keskeytysjohtimia. Eivät yleensä sovellu pitkien matkojen yli tapahtuvaan tiedonsiirtoon Sarjaväylät RS 232C (V24) 30m (aina 100m asti), yhteinen signaalimaa (3 johdin minimissään), point-topoint, +-12V, pariteettitarkastukset, databittejä 6,7,8, start, stop. Kättelyjohtimia, kello, etc. mahdollisia. Kuva. RS-232 on point-to-point verkko, joka on yleinen erilaisten laitteiden ja analysaattorien kytkennässä tietokoneisiin. RS-422 (V.11) ja RS-485 verkot ovat automaatioon soveltuvampia sarjaväyliä, joihin voi kytkeä aina 32 laitetta. RS-422, 4 johdin järjestelmä, full-duplex (samanaikainen kaksisuuntainen liikenne), toimii 0..5V jännitealueella. RS-485 on tästä kehitetty kaksijohdinjärjestelmä, (half-duplex, vuorosuuntainen kommunikointi). Liikennöintinopeus aina 10Mbit/s. Pienemmillä nopeuksilla päästään 1200 m tiedonsiirtomatkoihin. TTY, 20mA virtasilmukka, kuten RS-232 mutta jännitetasojen sijasta käytetään tasavirtaa, jonka suunnan avulla lähetetään dataa, 300m, 9600baud Sarjaliikenneväylissä käytettäviä eritasoisia väylänohjausprotokollia Request to Send, Clear to Send, XON/XOFF, ENQ/ACK, Valmistajakohtaiset protokollat, UNI-TE, MODBUS, etc Ethernet -lähiverkon soveltuvuus reaaliaikaisiin prosessinvalvonta- ja -ohjausjärjestelmiin Ethernet väylää on useita eri versioita. Vanhimmat (10Base5 ja 10Base2perustuivat koaksiaalikaapelille ja väylämuotoiseen rakenteeseen. Uusimmat Ethernet versiot on toteutettu parikaapelilla tai valokaapelilla tähtiverkkoina.

16 Ethernet, IEE (CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection), väylä toimii erinomaisesti kun kuormitus on alle 50 %. Useat valmistajat toimittajat käyttävät Ethernet verkkoa tehdastason ja osastotason ja valvomotason ratkaisuissa. Ethernet-verkon modifikaatiot ovat myös tulossa kenttäväylätasolle asti. Perinteisen toimisto-ethernet-verkon ongelmia tehtaan lattiatasolla ovat sähköisten häiriöiden huono sietokyky, liittimien mekaniikka ei sovellu vaativaan teollisuusympäristöön (lika, tärinä, lämpötilavaihtelut, kosteus). Toinen ongelma on viestien deterministisyys. Perinteisessä kilpavarausverkossa ei voida taata tiettyjä vasteaikoja. Tosin pienellä kuormituksella ongelmia ei juuri esiinny. Tähtimäinen verkko voidaan myös rakentaa käyttäen kytkimiä (switch), jolloin jokaisella laitteella on yksin käytössä kytkimen ja laitteen välinen tiedonsiirtokapasiteetti. Deterministisyyden kanssa läheinen ominaisuus on syklisten viestien syklisyyden pysyminen vakiona, jolloin esim. mittaukset tehdään ja ne tulevat säätimille aina esimerkiksi 100 ms valein eikä ms välein. (Kuvat Westermo b).

17 Fig 2: (Industrial Ethernet, vol. 22) Ethernet ratkaisut eivät ole kuitenkaan tulossa anturiväylätasolle. Parhaimmillaan ne ovat ylimmällä kenttäväylätasolla ja valvomoväylissä. Table 1 (Industrial Ethernet, vol. 22). Tehtaan tietoliikenne eroaa toimiston tietoliikenteestä ja ympäristövaatimuksista. Toimisto-Ethernet ei sellaisenaan sovellu tehtaan lattiatason tiedonsiirtoon.

18 Fig. 3 (Industrial, vol. 22) Ethernet verkkoon on tehty erilaisia parannuksia yllä esitettyjen ongelmien poistamiseksi. Monia eri valmistajien ratkaisuja on tarjolla. Standardisointityö on vuonna 2004 myös vauhdissa. Kaaviokuvassa on esitetty 5 eri vaihtoehtoista ratkaisumallia. 1) Ei tehdä mitään. Käytetään toimisto-ethernettiä. 2) Käytetään jotain teollisuustiedonsiirron korkeamman tason protokollaa Ethernetin ja TCP/IP kommunikoinnin päällä. 3 ja 4) TCP/IP kommunikoinnin rinnalla tai sen alapuolella on deterministiseen tiedonsiirtoon varattua tiedonsiirtokaistaa. 5) EtherCAT järjestelmässä kukin EtherCAT asema lukee ja kirjoittaa yhteiseen Ethernet viestiin (kehykseen) oman sanomansa. Topologia on väylämäinen Ethernet verkon kulkiessa laitteesta toiseen. PROFInet Ethernet kenttäväylässä reaaliaikaisuutta parannetaan ohjelmallisesti rakennetulla (RT software) reaaliaika kanavalla (Buesgen, 2002). EtherCAT järjestelmän määrittelyt ovat yhden yrityksen omaisuutta, mutta niistä on tehty julkisia. Tässä versiossa Ethernet verkosta on tehty väylämäinen (kaksisuuntainen väylä, joka muodostaa myös oikeastaan yksisuuntaisen renkaan, silloin kun väylä viimeinen asema yhdistää omat lähtevän Tx linjansa tulevaan Rx linjaan.)