Industrijske komunikacijske mreže

Zašto u pogonu ne vrijedi uredska mreža

Uredska mreža je građena za velike količine podataka i za korisnika koji ne primjećuje zastoj od nekoliko desetaka milisekundi. Datoteka koja stigne malo kasnije i dalje je ista datoteka. U pogonu je situacija obrnuta: količine podataka su vrlo male, često samo nekoliko bajtova po uređaju, ali vrijeme u kojem stignu mora biti zajamčeno. Podatak koji kasni jednako je loš kao podatak koji nije stigao.

Drugi razlog je okolina. U pogonu se nalaze frekvencijski pretvarači, pogoni za zavarivanje, sklopnici i kabeli velike snage koji stvaraju elektromagnetske smetnje. Industrijski kabel je zato oklopljen, konektori su izvedeni za vlagu i vibraciju, a protokoli sadrže provjeru ispravnosti poruke i postupak ponavljanja. Treći razlog je dijagnostika: industrijska mreža mora javiti koji je uređaj ispao i kada, jer se kvar traži uz stroj, a ne u poslužiteljskoj sobi.

Iz toga slijedi pravilo koje se u pogonu često krši: mreža stroja i mreža ureda ne spajaju se izravno. Između njih stoji uređaj koji propušta samo dogovoreni promet, jer bi inače jedan nepažljivo pokrenut program na uredskom računalu mogao opteretiti mrežu u kojoj se mjeri milisekunda.

Razine automatizacijske piramide

Mreže u pogonu ne rade sve isti posao. Uobičajeno se prikazuju kao piramida s četiri razine, u kojoj prema dolje raste zahtjev na brzinu odziva, a prema gore raste količina podataka.

Na dnu je senzorska i aktuatorska razina. Tu se prenose pojedinačni bitovi: je li senzor aktiviran, je li ventil otvoren. Poruke su vrlo kratke, uređaji jednostavni i jeftini, a tipično rješenje je AS-i sabirnica koja napajanje i podatke vodi istim, dvožilnim kabelom. Iznad je poljna razina, na kojoj PLC razgovara s udaljenim ulazno-izlaznim stanicama, pretvaračima, mjernim uređajima i kontrolerom robota. Ovdje se nalaze PROFIBUS DP, DeviceNet, CANopen, Modbus i, sve češće, industrijski Ethernet.

Upravljačka razina povezuje upravljačke uređaje međusobno: PLC s PLC-om, PLC s nadzornim panelom, ćeliju s linijom. Poruke su veće, a zahtjev na vrijeme blaži. Na vrhu je nadzorna i poslovna razina na kojoj se prikupljaju podaci o proizvodnji, zastojima i kvaliteti. Tu se vrijeme mjeri sekundama i minutama, a najvažnije je da podatak bude potpun i trajno zapisan.

Topologije i pristup mediju

Topologija opisuje kako su uređaji fizički povezani. U liniji svi uređaji vise na istom vodu, jedan za drugim. Kabela je malo, ali prekid voda dijeli mrežu na dva dijela i sve iza prekida nestaje. U zvijezdi svaki uređaj ima vlastiti vod do središnjeg uređaja; kabela je više, ali kvar jednog voda ne dira ostale. U prstenu vod se vraća u polazište, pa se pri prekidu promet preusmjeri na drugu stranu i mreža nastavlja raditi. Prsten se zato bira ondje gdje je zastoj skup.

Pristup mediju odgovara na pitanje tko smije govoriti i kada. Kod master-slave pristupa jedan uređaj, obično PLC, redom poziva svakog sudionika, a sudionik odgovara tek kada je pozvan. Redoslijed je poznat, pa je i vrijeme ciklusa poznato. Kod token pristupa pravo govora kruži od uređaja do uređaja u dogovorenom redu; tako rade mreže s više ravnopravnih upravljačkih uređaja. Kod CSMA pristupa uređaj sluša vod i šalje kada je slobodan, a pri sudaru se slanje ponavlja. To je pristup uredskog Etherneta i upravo je on razlog zašto obična mreža nije deterministična.

Determinizam, vrijeme ciklusa i jitter

Determinizam znači da za mrežu postoji izračunljivo najduže vrijeme u kojem će poruka sigurno stići. Ne znači da je mreža brza, nego da je predvidljiva. Projektant ćelije treba upravo taj broj, jer o njemu ovisi koliko rano PLC mora poslati naredbu da bi robot stigao reagirati.

Vrijeme ciklusa mreže je trajanje jednog punog obilaska svih sudionika, nakon kojega su svi podaci osvježeni jedanput. Ono raste s brojem sudionika, s količinom podataka po sudioniku i s režijskim dijelom svake poruke, a pada s brzinom prijenosa. Jitter je rasipanje tog vremena oko srednje vrijednosti. Mreža s vremenom ciklusa od 4 ms i jitterom od 0,1 ms predvidljivija je od mreže s vremenom ciklusa 2 ms i jitterom od 3 ms, iako je druga u prosjeku brža.

Uz vrijeme ciklusa mreže treba računati i s vremenom ciklusa samog PLC-a. Signal se u najgorem slučaju čeka gotovo dva ciklusa mreže i jedan ciklus programa, pa se ukupno kašnjenje procjenjuje zbrojem, a ne najvećim pojedinačnim članom.

Pregled najčešćih sabirnica

Iako industrijski Ethernet preuzima sve više posla, serijske sabirnice i dalje su u pogonima brojne. Postojeća ćelija rijetko se prespaja samo zato što je nastala nova tehnologija, pa ih treba poznavati.

Zajedničko im je da se planiraju unaprijed: broj sudionika, adrese i količina podataka poznati su prije puštanja u rad i upisuju se u projekt. Neplanirano dodavanje uređaja u takvu mrežu nije nemoguće, ali traži izmjenu projekta, a ne samo utaknuti kabel.

Medij, duljine i terminacija

Najveći dio smetnji u industrijskoj mreži ne dolazi iz protokola nego iz ožičenja. Za serijske sabirnice upotrebljava se oklopljena upredena parica, a oklop se spaja na zaštitni vodič po pravilu koje propisuje proizvođač — najčešće s obje strane i na velikoj površini, a ne tankom žicom. Podatkovni kabel vodi se odvojeno od kabela pogona; ako se moraju križati, križaju se pod pravim kutom.

Duljina voda ovisi o brzini. Ista PROFIBUS linija koja pri 93,75 kbit/s smije biti duga 1200 m, pri 12 Mbit/s smije biti duga 100 m. Na oba kraja linije mora se uključiti terminacija, otpornička mreža koja sprječava odbijanje signala od otvorenog kraja voda. Izostavljena ili udvostručena terminacija tipičan je uzrok povremenih, naizgled nasumičnih ispada koji se ne mogu ponoviti na zahtjev.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.