|
Využití technologie Ethernet pro řízení, měření a sběr dat
V oblasti komunikace průmyslových systémů se stále větší měrou prosazuje standard Ethernet TCP/IP, původně vzniklý jako technologie pro lokální počítačové sítě. Článek stručně popisuje vývoj technologie Ethernetu, umožňující v současné podobě i komunikaci prostřednictvím Internetových technologií např. i mezi řídicími jednotkami a jejich vstupně-výstupními zařízeními. Jako příklad takového řešení je uveden první český Internetový koncentrátor dat SEN 2000 KD.
Z kanceláře do průmyslu
Ethernet byl vyvinut počátkem 70. let jako komunikační technologie počítačových systémů. Původní myšlenka se ukázala být natolik životaschopnou, že Ethernet obstál v konkurenci podobných systémů a po několika inovacích se stal dominantním v oblasti lokálních počítačových sítí, propojujících pracovní stanice, servery, síťové tiskárny a další složitější zařízení.
Úspěch Ethernetu podnítil snahy využít všechny výhody nabízené touto technologií i v oblasti automatizace. Nejdříve byly tímto rozhranním vybaveny některé větší a střední programovatelné automaty. Doslova boom takto založených řešení začal kolem roku 1997. S rozšiřující se nabídkou se objevily také snahy o návrh jednotného standardního aplikačního protokolu.
Z použití Ethernetu jako komunikačního prostředku v automatizaci vyplývá několik nezanedbatelných výhod. Asi hlavní předností je široká nabídka a dobrá dostupnost nezbytných komponent a síťových prvků. Protože Ethernet je standardizován, je z principu zajištěna vzájemná slučitelnost produktů od různých výrobců. S rozšířením Ethernetu souvisí i cenová nenáročnost jednotlivých komponent a rozsáhlé zkušenosti s používáním této technologie. V porovnání s ostatními používanými průmyslovými sběrnicemi Ethernet také nabízí řádově větší propustnost dat (pro porovnání: maximální přenosová rychlost sběrnice Profibus-DP je 12 Mb/s, zatímco Ethernet ve verzi 100BaseT nabízí přenosovou rychlost až 100 Mb/s). Z těchto důvodů začalo být pro výrobce mnoha zařízení zajímavé použít rozhraní Ethernet i tam, kde se běžně používaly a používají standardní průmyslové sítě, sběrnice a rozhraní.
Mnozí odpůrci použití Ethernetu v průmyslovém řízení jako námitku uvádějí, že Ethernet není deterministický, že nezaručuje přesný okamžik odeslání požadovaných dat ani nezaručuje jejich doručení. Tato vlastnost Ethernetu plyne z použité přístupové metody, která nevylučuje možné kolize při pokusu několika zařízení současně vyslat data. Tuto kolizi síť pouze detekuje a data jsou vyslána o náhodně zvolený interval později. Tato vlastnost byla s rozvojem technologie potlačena. Síť je pomocí inteligentních síťových prvků (přepínačů a směrovačů) rozdělena na jednotlivé segmenty, jež se vzájemně neovlivňují. Inteligentní síťové prvky zajišťují, že zpráva je vyslána pouze do toho segmentu sítě, do kterého je určena, a ostatní segmenty nejsou touto zprávou zatěžovány. Spolu s velkou přenosovou rychlostí je tedy zaručen i definovaný přístup k médiu.
Integrace řídicího a informačního systému
Naprostá většina průmyslových aplikací Ethernetu dnes používá další technologii převzatou z oblasti výpočetní techniky – protokoly TCP/IP. V podstatě se jedná o celou skupinu na sebe navazujících protokolů (obr. 1).
Protokoly TCP/IP jsou téměř univerzální komunikační protokoly: vždyť s jejich použitím je vystavěna síť Internet a většina podnikových informačních systémů. Z těchto důvodů je rozhraní Ethernet ideální pro začlenění zařízení do firemní sítě intranet, popř. pro připojení do Internetu. Pro výrobce, který chce umožnit zákazníkům sledovat nebo ovládat jejich výrobek na dálku prostřednictvím Internetu, je tak rozhraní Ethernet téměř jedinou možnou volbu. Jiné způsoby zapojení zařízení do Internetu představují pro zákazníka většinou dodatečné výdaje na speciální mezisběrnicové spoje, vedou ke složitější instalaci i složitější a náročnější údržbě a v konečném důsledku ke zvýšení nákladů na straně zákazníka.
Vzhledem k současnému vývoji, kdy se trvalé připojení k Internetu stává cenově dostupným i pro malé firmy, lze očekávat, že cenově přijatelný trvalý přístup na Internet bude v blízké budoucnosti dostupný nejen ve větších městech, ale na téměř celém území. Na tuto perspektivní situaci reagují i výrobci automatizační techniky. Jak plyne z technicko-marketingových studií, uskutečněných v Německu v roce 2000 a aktualizovaných informacemi z technických pramenů a dalších marketingových studií v roce 2001, je podíl automatizačních prostředků v celém spektru přístrojů a systémů vybavených rozhraním Ethernet, a tím přístupných po Internetu, poměrně velký a počet výrobců je větší než v dalších kategoriích spektra výrobků (mezisběrnicové spoje, základní komponenty, software, IP telefony). Z těchto průzkumů plyne, že celosvětovým trendem je vybavovat rozhraním Ethernet nejen dražší a složitější přístroje, ale i odloučené vstupní a výstupní (I/O) jednotky, měřicí ústředny (data logger) a koncentrátory dat, mikrořadičové systémy aj.
Datalogger SEN 2000 KD
Konkrétním příkladem využití rozhranní Ethernet v průmyslové automatizaci je i zařízení SEN 2000 KD firmy BD Sensors s. r. o. Jedná se o první český koncentrátor dat v samostatném (stand allone) provedení s možností připojení na Internet. Systém je určen ke sběru a zobrazení naměřených dat z procesu. Měřená data jsou získána buď z analogových nebo binárních vstupů systému, jehož základní technické parametry jsou:
- 14 analogových vstupů (rozlišení 16 b, přesnost 0,1 %, rozsahy 0/4 až 20 mA, 0 až 1 V),
- 8 digitálních I/O (nastavitelné),
- sériová linka RS-232 s možností připojení modulu GSM,
- 1 MB paměti pro uložení naměřených dat.
Signály z procesu jsou pravidelně měřeny a s nastavitelnou periodou ukládány v paměti koncentrátoru. Paměť koncentrátoru je typu flash, takže její obsah se uchovává i v případě vypnutí (výpadku) napájení systému. Kapacita paměti 1 MB je dostatečná pro většinu aplikací (např. při periodě vzorkování 1 min postačuje pro asi týdenní záznam dat ze všech kanálů).
Koncentrátor SEN 2000 KD využívá dvě moderní komunikační technologie – Ethernet a GSM. Uživatel může měnit konfiguraci, číst uložená data nebo aktuální hodnoty pomocí vestavěného rozhranní Ethernet 10/100 Mb/s nebo pomocí připojitelného průmyslového modulu GSM Siemens TC35. Pro tuto činnost lze použít také zabudované klasické sériové linky.
Ke spojení s koncentrátorem dat prostřednictvím sítě GSM musí uživatel použít speciální ovládací program dodávaný se systémem a modem GSM na straně PC i na straně koncentrátoru.
Prostřednictvím rozhraní pro místní síť Ethernet jsou všechna data dostupná ze sítí intranet/Internet, neboť jsou zpřístupněna s použitím standardních protokolů na bázi TCP/IP. Software koncentrátoru obsahuje jednoduchý webový server a server ftp, takže na straně uživatele jsou vyžadovány pouze běžně dostupné softwarové aplikace typu Internet Explorer, Netscape Navigator apod. Pro zvýšení flexibility a rozšíření možností systému nad rámec poskytovaný jazykem HTML je využita technologie appletů Java.
V případě použití Ethernetu může uživatel pracovat se systémem z libovolného počítače připojeného k intranetu/Internetu. Není nutné žádné speciální softwarové vybavení. S použitím standardního prohlížeče Internetu (MS Internet Explorer, Netscape Navigator, Opera apod.) je možné nakonfigurovat zařízení podle požadavků, zkopírovat do počítače všechna zaznamenaná data a zde popř. zobrazit zaznamenané údaje v tabulce anebo grafu. Uživatel není vázán pouze na platformu MS Windows, ale může použít libovolnou platformu podporující přístup k Internetu a technologii appletů Java.
Funkce systému SEN 2000 KD není omezena pouze na zaznamenávání dat. Koncentrátor umožňuje také např. odeslat e-mail nebo zprávu SMS upozorňující na změnu vstupních signálů i propojit analogový vstup s digitálním výstupem, takže vznikne jednoduchý dvoustavový regulátor s hysterezí. Uživatel může změnit stav digitálního výstupu posláním předem definované zprávy SMS. Protože tento systém je navržen velmi flexibilně, může výrobce snadno přidávat další funkce podle přání zákazníka.
Jelikož rozhranní Ethernet a použití protokolu TCP/IP požadují poměrně velký výpočetní výkon, je Internetový koncentrátor dat SEN 2000 KD postaven na výkonném 32bitovém procesoru Net+ARM 15, který mj. obsahuje standardní jádro RISC ARM7THUMB, integrované rozhraní linkové vrstvy komunikační technologie Fast Ethernet a flexibilní paměťový subsystém. Vzhledem ke komplexnosti procesorové desky a s ohledem na elektromagnetickou kompatibilitu je v zařízení použita čtyřvrstvá deska s plošnými spoji.
Závěr
Použití standardu Ethernet TCP/IP jako průmyslové sběrnice je současný trend s velmi slibnou perspektivou. Jde o technologii umožňující přenášet data z čidel, koncentrátorů dat a mikropočítačových řídicích systémů po standardu Ethernet TCP/IP a tím i následně vizualizovat a řídit procesy prostřednictvím Internetových technologií. Že tuto techniku dokáží nabídnout i tuzemští výrobci, dokazuje příklad prvního českého Internetového koncentrátoru dat SEN 2000 KD firmy BD Sensors s. r. o., na jehož vývoji se podíleli také pracovníci Fakulty elektroniky a komunikačních technologií (FEKT) VUT v Brně.
Ing. Petr Cach, Ing. Petr Fiedler,
doc. Ing. František Zezulka, CSc.,
Ing. Zdeněk Bradáč, Ing. Petr Honzík,
Skupina průmyslové automatizace, Ústav automatizace a měřicí techniky, FEKT VUT v Brně
www.feec.vutbr.cz/UAMT
|