Industrijski Ethernet

Što se dodaje običnom Ethernetu

Obični Ethernet ima dvije osobine koje u pogonu smetaju. Prva je da su sve poruke jednako važne, pa velika datoteka može zauzeti vod upravo u trenutku kada treba prenijeti naredbu za zaustavljanje. Druga je da uređaji nemaju zajednički osjećaj za vrijeme, pa se ne može dogovoriti da svi mjere ili djeluju u istom trenutku.

Industrijski Ethernet rješava to na tri načina. Uvodi prioritet okvira, kojim preklopnik zna koje poruke propušta prve. Uvodi rezervirano vrijeme: u svakom ciklusu postoji dio koji je namijenjen samo procesnim podacima, pa ostali promet mora čekati. I uvodi sinkronizaciju sata, kojom svi uređaji rade prema zajedničkom vremenu s odstupanjem manjim od mikrosekunde. Uz to dolazi i industrijska izvedba opreme: metalna kućišta, napajanje 24 V, konektori otporni na vibraciju i temperaturno područje šire od uredskog.

Vrijeme, prioriteti i sinkronizacija

Kod protokola koji rade u stvarnom vremenu ciklus se dijeli na dva dijela. U prvom se prenose procesni podaci prema unaprijed zadanom rasporedu, a u drugom sve ostalo: prijenos programa, dijagnostika, web sučelje uređaja. Zbog toga se u istoj mreži može istodobno upravljati pogonima i preuzimati dnevnik iz PLC-a, bez da jedno ugrožava drugo.

Razina zahtjeva nije svugdje ista, pa se protokoli obično nude u dvije ili tri razine. Osnovna razina postiže ciklus reda veličine nekoliko milisekundi i dovoljna je za ulaze i izlaze, ventile i razmjenu signala s robotom. Viša razina, s rezerviranim vremenom i sinkronizacijom, postiže ciklus ispod milisekunde uz vrlo mali jitter i upotrebljava se za usklađeno gibanje više osi. Za ćeliju ZR-1, u kojoj se razmjenjuje nekoliko desetaka bitova i nekoliko riječi, osnovna razina posve je dovoljna.

Protokoli koji se susreću u pogonu

PROFINET je najrašireniji u europskim pogonima i prirodan izbor uz PLC Siemens S7-1500. Radi u izvedbi RT, u kojoj se procesni podaci šalju s prioritetom, i IRT, u kojoj je promet vremenski raspoređen i sinkroniziran. Uređaji se ne adresiraju samo brojem nego i imenom uređaja, pa se zamijenjeni uređaj prepoznaje po imenu i preuzima postavke bez ponovnog podešavanja.

EtherNet/IP prevladava u sjevernoameričkoj opremi i temelji se na protokolu CIP prenesenom preko običnog Etherneta. EtherCAT radi drugačije: poruka prolazi kroz sve uređaje u nizu, a svaki iz nje u prolazu uzima svoj dio i upisuje svoj odgovor. Zbog toga postiže vrlo kratke cikluse uz velik broj osi. Modbus TCP najjednostavniji je od svih: prenosi klasične Modbus zahtjeve preko mreže, nema jamstva vremena, ali se lako povezuje s gotovo svime i često se upotrebljava za mjerne uređaje i jednostavnu razmjenu podataka.

Izbor protokola u praksi rijetko je slobodan. Određuje ga proizvođač PLC-a, oprema koja je već u pogonu i sučelja koja kontroler robota uopće podržava. Zato se pri projektiranju ćelije najprije provjeri koja su mrežna sučelja dostupna na robotu, a tek onda se planira ostatak.

Preklopnici, kabeli i konektori

Središnji uređaj industrijske Ethernet mreže je preklopnik. U pogonu se ne upotrebljava uredski preklopnik nego izvedba s napajanjem 24 V, bez ventilatora, s montažom na nosivu tračnicu i, važno, s podrškom za prioritete i dijagnostiku. Upravljivi preklopnik javlja koji je priključak ispao, koliko je pogrešnih okvira primio i kada se stanje promijenilo — podatak bez kojega se povremeni kvar traži danima.

Kabel je oklopljena parica kategorije predviđene za industriju, s vodičima od pune žice za nepomične vodove i s užetom za pomične dijelove i energetske lance. Za pomične dijelove upotrebljava se kabel posebno izveden za savijanje, s propisanim najmanjim polumjerom. Konektori su ili RJ-45 u industrijskoj izvedbi, s dodatnim zaštitnim kućištem, ili konektori M12 s navojem kada se traži otpornost na vlagu i vibraciju.

Duljina jednog voda s bakrenim kabelom ograničena je na 100 m. Za veće udaljenosti ili za prolaz kroz prostor s jakim smetnjama upotrebljava se optički kabel, koji ujedno galvanski odvaja dijelove postrojenja.

Adrese, imena uređaja i opisne datoteke

Svaki uređaj u mreži ima MAC adresu, jedinstvenu i zapisanu u samom uređaju, te IP adresu koju dodjeljuje projektant. IP adresa sastoji se od adrese mreže i adrese uređaja, a granicu među njima određuje maska podmreže. U pogonu se adrese ne dodjeljuju nasumično nego prema planu: ćelija dobiva svoj raspon, unutar njega PLC dobiva prvu adresu, a uređaji slijede u dogovorenom redu.

Uz adresu, PROFINET uređaji imaju i ime uređaja. Ono je zapisano u projektu, a PLC pri pokretanju traži uređaj s tim imenom i tek mu onda dodjeljuje adresu. Zbog toga se pokvareni uređaj može zamijeniti novim bez računala: novom se uređaju dodijeli isto ime i on preuzme ulogu starog.

Da bi projektno okruženje znalo što uređaj uopće može, proizvođač isporučuje opisnu datoteku: GSD za PROFIBUS i PROFINET, EDS za DeviceNet i EtherNet/IP. U njoj piše koliko uređaj ima ulaza i izlaza, koje postavke prima i kakve poruke šalje. Bez odgovarajuće datoteke uređaj se ne može ugraditi u projekt, pa se datoteka nabavlja zajedno s uređajem i pohranjuje uz projekt ćelije.

OPC UA prema nadzornim sustavima

Protokoli opisani u prethodnim odjeljcima služe za razmjenu procesnih podataka među uređajima. Za razmjenu podataka prema nadzornim i poslovnim sustavima upotrebljava se OPC UA. On ne prenosi pojedinačne bitove u stvarnom vremenu nego objekte s imenom, tipom, mjernom jedinicom i opisom: nadzorni sustav ne čita bajt na adresi nego veličinu koja se zove BrojIzradenihKomada i zna što ona znači.

Uz to OPC UA donosi dvije stvari koje procesni protokoli nemaju. Prva je neovisnost o proizvođaču: isti se sustav spaja na PLC jednog i na stroj drugog proizvođača. Druga je sigurnost: provjera identiteta, šifriranje prometa i prava pristupa po korisniku. Zato se OPC UA u praksi postavlja kao sloj između pogona i nadzora, dok se u samoj ćeliji i dalje upotrebljava protokol stvarnog vremena.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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