Σύντομη εισαγωγή στα βιομηχανικά πρωτόκολλα επικοινωνίας

[SYSCON Technologies]

Αγαπητοί συνάδελφοι καλησπέρα σας,

 

Καθώς αυτό αποτελέι το πρώτο Post μου στο forum, θα ήθελα να συνεισφέρω με πληροφορίες σε ένα αντικείμενο στο οποίο έχω αναπτύξει ιδιαίτερη τεχνογνωσία. Αφορά στα γνωστότερα βιομηχανικά πρωτόκολλα/standards επικοινωνίας για process control.

 

1) EIA-232

 

To standard ΕΙΑ-232 αναπτύχθηκε με μοναδικό σκοπό την επικοινωνία μεταξύ τερματικών σταθμών (Data Terminal Equipment - DTE) και σταθμών τερματισμού κυκλωμάτων Data (Data Circuit terminating Equipment - DCE). To EIA-232 εκδόθηκε στις ΗΠΑ το 1969 και μέχρι το 1988 έγινε ευρέως γνωστό ως RS-232. H τρέχουσα έκδοση (ΕΙΑ/ΤΙΑ-232Ε) ολοκληρώθηκε το 1991 οπότε και το πρωτόκολλο ήρθε σε συμφωνία με τα standards ITU V.24, ITU V.28 και ISO 2110.

 

To EIA-232 ορίζει τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού σήματος όπως επίπεδα τάσης και χαρακτηριστικά γείωσης των εναλλασώμενων σημάτων καθώς και των αντίστοιχων κυκλωμάτων για ασσύμετρα (unbalanced) συστήματα.

 

Η εκπομπή σημάτων στο IA-232 επιτυγχάνεται με την παραγωγή τάσεων της τάξης των +/-15 εως +/-25V ως εξής:

 

Εκπομπή

Λογικό 0: -5V εως -25V

Λογικό 1: +5V εως +25V

Απροσδιόριστο: -5V εως +5V

 

Λήψη

Λογικό 0: -3V εως -25V

Λογικό 1: +3V εως +25V

Απροσδιόριστο: -3V εως +3V

 

Για τον έλεγχο της συσκευής (handshaking) και τον έλεγχο της κατεύθυνσης των δεδομένων χρησιμοποιούνται κυρίως 4 γραμμές ελέγχου:

α) RTS: Request to Send

β) CTS: Clear to Send

γ) DSR ή DCE: Data-Set Ready

δ) DTR ή DTE: Data-Terminal Ready

 

Περιορισμοί:

- Ο κύριος περιορισμός αφορά στην point-to-point αρχιτεκτονική κατά την οποία μόνο 2 συσκευές δύναται να επικοινωνήσουν σε κάθε bus.

- Μέγιστη απόσταση μετάδοσης σήματος είναι τα 15 μέτρα (στα 20kbps).

- Ο ρυθμός μετάδοσης, 20k bits-per-second, είναι πολύ μικρός για τις περισσότερες εφαρμογές σήμερα.

- Τα εύρη τάσης -3 εως -25V και +3 εως +25V είναι συνήθως μη συμβατά με τα περισσότερα τροφοδοτικά.

 

Τέλος ένας πίνακας με τα μέγιστα μήκη καλωδίου σε διαφορετικές ταχύτητες-ρυθμούς μετάδοσης

 

Baud Rate | Μήκος (m)

---------------------

110 -> 850

300 -> 800

600 -> 700

1200 -> 500

2400 -> 200

4800 -> 100

9600 -> 70

19200 -> 50

115000 -> 20

 

 

2) EIA-422/485

 

Το standard ΕΙΑ-485Α αποτελεί ένα από τα πιο ευπροσάρμοστα standards της οικογένειας EIA. Είναι επέκταση του ΕΙΑ-422 και επιτρέπει εως και 32 συσκευές-οδηγούς γραμμής (πομπούς) και 32 συσκευές-λήπτες, με μέγιστο μήκος καλωδίωσης τα 1200m και ταχύτητες εως 100ΜBps. Ορισμένοι κατασκευαστές προμηθεύουν συσκευές οι οποίες είναι ισοδύναμες με 1/2 ή 1/4 της συσκευής, επιτυγχάνοντας έτσι μέχρι και 64 ή 128 συσκευές ανά bus. Ο συνδιασμός όμως μέγιστης απόστασης-ταχύτητας δεν μπορούν να επιτευχθούν ταυτόχρονως.

 

Το δίκτυο ΕΙΑ-422/ΕΙΑ-485 βασίζεται στην αρχιτεκτονική Master/Slave. Για λόγους απόδοσης συνήθως απαιτούνται ενεργοί (solid state) τερματιστές οι οποίοι παίζουν τον ρόλο αντιστάσεων τερματισμού 120Ω.

 

H γραμμή (ή bus) αποτελείται από 2 επαφές οι οποίες συνήθως ονομάζονται Α (TxA ή Tx+) και Β (TxB ή Tx-).

 

Το ΕΙΑ/485 είναι πολύ χρήσιμο για συστήματα όπου πολλά όργανα ή ελεγκτές πρέπει να συνδεθούν στην ίδια γραμμή, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δωθεί όμως στο λογισμικό το οποίο διευθύνει ποιες συσκευές στο δίκτυο μπορούν να

ενεργοποιηθούν.

 

3) Modbus

 

Το Modbus αναπτύχθηκε από την Gould Modicon (νυν Schneider Electric) για συστήματα ελέγχου διαδικασίας (process control). Παρόλα αυτά όμως θεωρείται ως ένα 'ανοικτό' πρωτόκολλο και αποτελεί de-facto στανταρ σε συστήματα τα οποία 'παντρεύουν' στο ίδιο δίκτυο συσκευές από πολλαπλούς κατασκευαστές. Το Modbus είναι ένα απλό, ευέλικτο και ευρέως χρησιμοποιούμενο πρωτόκολλο, αρχιτεκτονικής Master/Slave, το οποίο επιτρέπει την ανταλλαγή διακριτών αναλογικών σημάτων μεταξύ συσκευών, κάνοντας χρήση των στάνταρ EIA-232 και ΕΙΑ-422/485.

 

Παρότι είναι ένα πρωτόκολλο στο οποίο μπορεί κανεις να επενδύσει, γνωρίζοντας ότι η συντριπτική πλειοψηφία κατασκευαστών το υποστηρίζει, πάσχει από τους περιορισμούς των πιο πάνω σειριακών επικοινωνιών ΕΙΑ-232 και ΕΙΑ-422/485 ὀπως την περιορισμένη ταχύτητα 0.115Mbps σε αντίθεση τα μοντέρνα βιομηχανικά δίκτυα των 16Mbps και πλεον και ενώ η διασύνδεση 20-30 συσκευών είναι εύκολη υπόθεση κάνοντας χρήση του ΕΙΑ-422/485, η σύνδεση για παράδειγμα 500 συσκευών είναι μια ιδιαίτερα σύνθετη ιεραρχία από Master-Slave συσκευές σε μια δενδροειδή αρχιτεκτονική ένθετων βρόγχων (nested loops).

 

Από την άλλη υπάρχουν και αρκετά προτέρηματα τα οποία έχουν ανάγει το Modbus στο δημοφιλέστερο ίσως πρωτόκολλο βιομηχανικών δικτύων. Ορισμένα από τα χαρακτηριστικά του Modbus είναι σταθερά, όπως πχ το format των πακέτων δεδομένων, η σειρά της αλληλουχίας των πακέτων ή η διαχείριση σφαλμάτων, ενώ άλλα είναι επιλέξιμα όπως το μέσο μετάδοσης, χαρακτηριστικά της μετάδοσης (time intervals κλπ), ή η κατάσταση μετάδοσης ASCII ή RTU που μπορούν να χρησιμοποιηθούν εναλλάξ για αποσφαλμάτωση και κανονική λειτουργία. Το μεγαλύτερο όμως προτέρημα είναι ο έλεγχος

σφαλμάτων που αποτελεί σύνολο διαφορετικών τεχνικών όπως parity check, cyclic redudancy check (CRC) και character framing. Τέλος το Modbus μπορεί να λειτουργήσει μέσω κοινών TCP/IP τοπικών ή και wide area δικτύων αφού παρέχει τη δυνατότητα ενσωμάτωσης των πακέτων του σε πακέτα TCP/IP.

 

4) HART

 

Τα πρωτόκολλα έξυπνων (ή ευφυών) οργάνων είναι σχεδιασμένα για εφαρμογές όπου τα δεδομένα συλλέγονται από όργανα, αισθητήρες και ενεργοποιητές μέσω τεχνικών ψηφιακής επικοινωνίας. Τα τμήματα αυτά συνδεόνται απ' ευθείας σε Προγραμματιζόμενους Λογικούς Ελεγκτές (PLC) ή/και ηλεκτρονικούς υπολογιστές.

 

Το ΗΑRT (Highway Addressable Remote Transducer) είναι παρακλάδι του τυπικού Fieldbus και λειτουργεί σε μια υβριδική (αναλογική-ψηφιακή) κατάσταση τύπου 4-20mA. To HART σε καμία περίπτωση δεν αποτελεί το μοναδικό πρωτόκολλο τέτοιας φύσεως. Υπάρχουν εκατοντάδες παρόμοιες υλοποιήσεις από διάφορους κατασκευαστές, όπως για παράδειγμα της Honeywell, της οποίας το αντίστοιχο πρωτόκολλο αποτελεί τον κύριο ανταγωνιστή του HART.

 

Το HART αρχικά δημιουργήθηκε από την Rosemount και θεωρείται επίσης ως ανοικτό πρωτόκολλο, διαθέσιμο σε όλους τους κατασκευαστές. Το κυρίως προτέρημα του είναι ότι επιτρέπει σε έναν τεχνικό οργάνων, να διατηρήσει την υφιστάμενη εγκατάσταση οργάνων 4-20mA και παράλληλα να χρησιμοποιήσει την ίδια καλωδίωση για τη μετάδοση των σημάτων. Για τον λόγο αυτό, το HART είναι ένα υβριδικό (αναλογικό/ψηφιακό) πρωτόκολλο, εν αντιθέσει με τα υπόλοιπα πρωτόκολλα της οικογένειας Fieldbus. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας την τεχνική Frequency Shift Keying η οποία βασίζεται στο

standard Bell 202 της Bell Laboratories. Δύο ξεχωριστές συχνότητες στα 1200 και 2200Hz αναπαριστούν τα ψηφία 0 και 1 αντίστοιχα. Η μέση τιμή του ημιτονοειδούς κύματος (στις συχνότητες 1200 και 2200Hz) και η οποία άπτει στο σήμα των 4-20mA, είναι μηδενική οπότε και η αναλογική πληροφορία των 4-20mA δεν αλλοιώνεται.

 

5) Profibus PA/DP/FMS

 

To Profibus (PROcess FIeld BUS) είναι ένα διεθνές και ευρέως αποδεκτό στανταρ, το οποίο συναντάται συνήθως σε μεγάλου μεγέθους βιομηχανίες. Είναι ανοικτό πρωτόκολλο, και ανεξάρτητο κατασκευαστή καθώς εμπίπτει στο OSI model. Με τον τρόπο αυτό εξασφαλίζεται οτί συσκευές από διαφορετικούς κατασκευαστές επικοινωνούν μεταξύ τους εύκολα και αποδοτικά. Οριστικοποιήθηκε σαν στανταρ στη Γερμανία ως το DIN-19245 και αργότερα υπό το European National Standard EN 50170. H ανάπτυξη του ξεκίνησε από την BMFT (Γερμανικό Υπουργείο Έρευνας και Τεχνολογίας) το 1989, σε συνεργασία με έναν μεγάλο αριθμό αυτοκινητοβιομηχανιών. Βασίζεται επίσης στο standard ΕΙΑ-485 και υποστηρίζεται από τον Profibus Trade Organization (http://www.profibus.com).

 

To Profibus υποστηρίζει μέχρι και 127 κόμβους με μέγιστη απόσταση από άκρο σε άκρο τα 27km κάνοντας χρήση οπτικών ινών και αναμεταδοτών (repeater). Τα πακέτα μηνυμάτων έχουν μήκος 244 bytes/κόμβο συν 12 bytes overhead, συνολικά δηλαδή 256 bytes και στηρίζονται στην τεχνική polling-token passing. To Profibus βασίζεται και αυτό στην αρχιτεκτονική Master-Active/Slave-Passive ως εξής:

 

--Οι συσκευές Master ελέγχουν το bus όταν και όποτε τους παραχωρείται το δικαίωμα. Σε αυτήν την κατάσταση μεταφέρουν τα μηνύματα χωρίς να προηγηθεί απομακρυσμένο αίτημα.

 

--Οι συσκευές Slave είναι περιφερειακές συσκευές όπως λ.χ. αισθητήρες, μετατροπείς κλπ. Επιτρέπεται μόνο να αναγνωρίσουν (ackowledge) τη λήψη μηνυμάτων ή να αποστείλλουν μήνυμα κατόπιν αιτήματος της Master.

 

Υπάρχουν τρεις βασικές κατηγορίες συστημάτων Profibus α) Profibus DP (distributed peripheral) το οποίο επιτρέπει τη χρήση πολλαπλών Master συσκευών με τις συσκευές Slave να αντιστοιχουν σε καθένα από αυτές. Αυτό σημαίνει πως παρότι όλες οι συσκευές Master έχουν πρόσβαση σε όλες τις Slave, μόνο η κύρια Master (στην οποιά αντιστοιχεί η εκάστωτε Slave) έχει τη δυνατότητα να εγγράψει δεδομένα σε αυτή. β) Profibus FMS (Fielbus Message Specification) το οποίο κάνει χρήση ενός peer-to-peer format και επιτρέπει την επικοινωνία μεταξύ των Master με γενικό σύνολο 127 συσκευών πάνω στο bus. Σημείωση πως στο FMS είναι δυνατόν και οι 127 συσκευές να είναι Μaster. γ) Profibus PA, το οποίο αποτελεί νεότερη γενιά του DP στην οποία τα επίπεδα της τάσης και έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος είναι χαμηλότερα

ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις ενδογενούς ασφάλειας βιομηχανικών εγκαταστάσεων (Class I, division II).

 

Ελπίζω να ήμουν κατατοπιστικός και να βρείτε χρήσιμες τις πιο πάνω πληροφορίες. Εαν χρειάζεστε περισσότερες λεπτομέρειες μη διστάσετε να τις ζητήσετε.

[dalamaginho]

Καλησπέρα..μπορείς να μου εξηγήσεις με απλά λόγια την διαφορά ενός SCADA SYSTEM και ενός DCS SYSTEM..ψάχνω στο Internet αλλά δε μπορώ να λύσω την απορία μου..

[nvel]

η περιγραφή στη wikipedia δεν σε καλύπτει; δεν υπάρχει dcs system αλλά σκέτο dcs

[aiche]

Τα συστήματα αυτά καθώς και τα Ethernet, ControlNet, InterBus, WorldFIP κλπ αποτελούν το 90% των νέων βιομηχανικών αυτοματισμών διεθνώς.

Αναπτύσσονται από σχεδόν όλους τους κατασκευαστές σχετικού εξοπλισμού με αποτέλεσμα να υπάρχουν εκατοντάδες "λύσεις".

 

Για ορισμένους συγγραφείς έχει τελειώσει η εποχή των "νησίδων αυτοματισμού". Ένας controller (PLC) εδώ άλλος πιο εκεί που δεν συνδέονται πουθενά.

Η πληροφορία χάνεται και μαζί της κάθε προσπάθεια για βελτιστοποίηση (optimization) των βιομηχανικών διεργασιών.