Ważenie, Mierzenie, Pakowanie

Sprzęgi
gi międzysieciowe
międzysieciowe w komunikacji
przemysłowej
rzemysłowej – zastosowanie bram
Komunikacja przemysłowa, zwłaszcza
z
z wykorzystaniem więcej
cej niŜ jednej sieci, a
więc takŜe łączenie ich i właściwy
właś
dobór urządzenia sprzęgającego
cego nie naleŜy,
nale
jakby
się moŜe wydawało, do trywialnych zadań. PoniŜszy artykuł ma na celu przybliŜenie
przybli
czytelnikom zasady działania oraz podstawowych róŜnic
ró
pomiędzy
dzy urządzeniami
urz
sieciowymi, których oferta jest dziś
dzi dość bogata.
Warstwowy model OSI
Zacznijmy od omówienia warstwowego modelu sieci
OSI (ang.: open system interconnection).
). Jest to
podstawowy podział komunikacji sieciowej na 7
warstw:
Praktycznie kaŜda,
da, nawet najbardziej podstawowa
komunikacja korzysta z takiego właśnie
śnie podziału.
Warstwa 1. – fizyczna, stanowi podstawę sieci.
Odpowiada za fizyczne połączenie przewodu
zewodu i
parametry elektryczne sieci. NajwyŜsza
Ŝsza warstwa 7. –
aplikacji, jest poziomem uŜytkownika.
ytkownika. Odpowiada za
interpretację wymienianych pomiędzy
dzy dwoma
urządzeniami
dzeniami danych. Prostym przykładem jest
sytuacja, gdy rozmawia ze sobą dwoje ludzi – pomimo
wydawaniaa z siebie (oraz odbierania) róŜnych
róŜ
dźwięków, łączących się dalej w słowa i dalej w
zdania, jeŜeli chcą rozumieć znaczenie wypowiadanych
„danych” muszą posługiwać się takim samym
językiem.
zykiem. Tak samo jest w przypadku dwóch urządzeń.
urz
Aby mogły się komunikować, oprócz umiejętności
umiej
nadawania i odbierania sygnałów elektrycznych,
opisanych warstwą fizyczną, musząą operowa
operować tym
samym protokołem, zdefiniowanym przez warstwę
warstw
aplikacji.
Standardowy interfejs RS232 zbudowany jest w
oparciu o jedną tylko warstwę – fizyczną
czną,
odpowiadającą jedynie za elektryczne połączenie
poł
dwóch urządzeń. Aby urządzenia
ądzenia te mogły ze sobą
wymieniać dane i je interpretować,
interpretowa niezbędnym jest
zaimplementowanie w obu urządzeniach
urz
odpowiedniego protokołu komunikacji.
Popularny standard CAN, uŜywany
u
w wielu
aplikacjach automatyki, komunikuje się
si
obecnie w warstwie 2. W instalacjach
samochodowych producenci wykorzystują
CAN jako łącze
cze komunikacyjne, jednak
dodają swój własny protokół warstwy 7. do
wszystkich węzłów
złów sieci tak, aby te mogły
się nawzajem porozumiewać.
porozumiewa Urządzenia
zewnętrzne, nie uŜywaj
Ŝywające tego samego
protokołu, nie mogąą uczestniczyć
uczestniczy w
komunikacji.
Na rynku automatyki przemysłowej,
producenci sprzętu
tu chcą,
chc aby ich urządzenia
mogły komunikować się
si z urządzeniami
innych dostawców. Spowodowało to
powstanie otwartych protokołów
p
sieciowych
warstwy 7.,
., pozwalających
pozwalają
na komunikacje
urządzeń pochodzących
ących z róŜnych źródeł.
Przykładowo dla sieci
ci CAN moŜna
mo
wyróŜnić DeviceNET, CANopen, czy J1939.
Ethernet z protokołem TCP/IP, daje
da duŜo większe
moŜliwości niŜ technologia CAN. Protokół TCP/IP,
pracujący
cy w warstwie 4 modelu OSI, odpowiada za
transport danych,, w tym adresację,
adresacj oraz takie
funkcje serwisowe, jak wznowienie połączenia
poł
czy
powtórne wysłanie danych w przypadku
wystąpienia błędu
du lub kolizji. Dzięki temu, dwa
węzły mogą juŜ do siebie „mówi
„mówić”, ale się nie
rozumieją, poniewaŜ nie mają jeszcze wspólnego
„języka”,
zyka”, zdefiniowanego przez protokoły warstw
wyŜszych. Do takich naleŜą
Ŝą m.in. SNMP, FTP,
HTTP, i inne, udostępniające
ące uŜytkownikowi
u
funkcje IT.
W komunikacji przemysłowej stosuje się
si
dodatkowe protokoły warstwy 7,
7 pracujące w
czasie rzeczywistym. Przykładem jest tu
Ethernet/IP (IP=Industrial Protokol), czy ModbusTCP. Oba protokoły mogąą obsługiwa
obsługiwać krytyczne
procesy w automatyce,
yce, a w przyszłości,
przyszło
nieco
zmodyfikowane o profile safety, równieŜ
równie systemy
bezpieczeństwa.
Media-konwertery
konwertery i wzmacniaki
Media-konwertery pracują w warstwie 1. lub 2. Ich
zadaniem jest dostosowanie parametrów fizycznej
warstwy jednej sieci do drugiej. Przykładem
zykładem jest
konwerter RS232<->RS485,, który dopasowuje
poziomy napięć interfejsu RS232 do poziomów
prądowych
dowych w porcie RS485 i odwrotnie. Innym
przykładem jest konwerter Ethernet 100Mbit CAT5 <<
> 100Mbit Fiber, którego zadaniem jest dopasowanie
sygnału elektrycznego
ktrycznego na optyczny pomiędzy
pomię
sieciami.
Media-konwertery
konwertery to bardzo praktyczne i przydatne
urządzenia, ale jak widać ich zadaniem jest jedynie
dopasowanie sygnałów na poziomie warstwy fizycznej,
w tym zamiana jednego medium w inne, bez
wprowadzania jakichkolwiek
kolwiek zmian w komunikacie.
Ponadto wymogiem jest, aby sygnały były
transmitowane w podobnej prędkości.
Serwery portów szeregowych są bardzo popularne
w automatyce. Najczęściej
ciej współpracują
współpracuj z
komputerem PC jako zdalne porty,
port który dzięki
zainstalowanym driverom z protokołem warstwy 4.,
tworzy wirtualny port szeregowy. Odpowiednie
oprogramowanie korzystające
ące z portu (warstwa
aplikacji) nawet nie „widzi”, Ŝe
Ŝ port jest wirtualny,
poniewaŜ obsługą zdalnego serwera zajmuj
zajmują się
wspomniane sterowniki (drivery).
JeŜeli
eli zamiast komputera z drugiej strony sieci
zainstalujemy inny serwer portu szeregowego,
wówczas ethernet, w pewnym sensie, jest tylko
przedłuŜeniem
eniem przewodu do komu
komunikacji
szeregowej. Dane z jednego portu są
s przez serwer
paczkowane co pewien czas i wysyłane poprzez
ethernet do drugiego serwera, gdzie są
s
rozpakowywane i forwardowane na port
Jak wiadomo kabel sieciowy wprowadza dość
do duŜe
straty w sygnale. Aby straty te skompensować,
skompensowa przy
duŜych odległościach pomiędzy węzłami
złami stosuje się
si
wzmacniaki (repeater’y). Są to proste urządzenia
urz
pracujące
ce w warstwie fizycznej, odbierają
odbierające słaby
sygnał z jednego segmentu sieci, regenerują
regeneruj i
przekazujące
ce dalej. Aby jednak konwerter mógł
działać, obie sieci muszą korzystać z takiej samej
metody dostępu do łącza
cza (np. CSMA/CD nie poł
połączy
się z Token Passing).
Ethernetowe Switch’e przemysłowe
Przełącznik (ang. Switch) jest urządzeniem
dzeniem pracuj
pracującym
w warstwie 2. SłuŜyy do przekazywania ramek danych z
jednego segmentu sieci do innego, docelowego
(wyłącznie). UmoŜliwia połączenie
czenie kilku segmentów w
topologii gwiazdy.
W celu obniŜenia
enia ruchu w sieci, switch do
zaadresowania komunikatu wykorzystuje zapamiętany
z pierwszego połączenia
czenia adres MAC urządzenia
urzą
docelowego, który jest zapisany w nagłówku ramki
przychodzącej. Dzięki
ki takiemu mechanizmowi
przełącznik moŜe zapewnić kaŜdemu
demu podłączonemu
podł
urządzeniu osobny kanał nadawczo-odbiorczy,
odbiorczy, co
odróŜnia go od koncentratora, gdzie kanał jest
wspólny.
Ponadto, switch przelicza sumę kontrolną CRC kaŜdej
nadchodzącej
cej ramki i eliminuje komunikaty bł
błędne.
Serwery portów szeregowych i urządzeń
urzą
I/O
Serwery urządzeń pracują na podobnej zasadzie jak
mosty (warstwa 2.). Jednak, by moŜliwa
Ŝliwa była wymiana
danych pomiędzy siecią ethernet a portem
szeregowym, urządzenia te muszą pracowa
pracować w
warstwie 4 modelu OSI. Mogą więc łączy
ączyć się z
innymi urządzeniami
dzeniami w sieci wykorzystując
wykorzystuj protokół
TCP/IP. Ich działanie, w duŜym
ym uproszczeniu,
uproszc
polega
przekierowywaniu komunikatów z sieci pod
odpowiedni adres IP oraz nr portu,, o ile jest on
wpisany uprzednio w tzw. tablicę forwardingu.
Odebrane komunikaty są jednak anonimowe.
szeregowy.
Brzmi jak media-konwerter,
konwerter, jednak w tym
przypadku oprócz zwykłego dopasowania sygnałów
fizycznych wykonywane sąą mechanizmy
odpowiedniego kapsułkowania
ramek/komunikatów dla danego protokołu,
protokołu
zachowywanie ustalonych przez protokół reŜimów
re
czasowych (np. Modbus-TCP
TCP -> Modus RTU).
Niezbędne jest tu uŜycie
ycie stosu warstwy TCP/UDP.
Serwery urządzeń sprawdzają się przy
retransmitowaniu acyklicznych komunikatów
bezpośrednio z ethernetu do portu szeregowego w
niezmienionej formie. Wiele
iele przemysłowych sieci
czasu rzeczywistego cyklicznie wymienia
krytyczne dane do aktualizacji wyjść.
wyj W takim
wypadku często stosuje sięę komunikacj
komunikację w
warstwie 7., z wykorzystaniem protokołów jak
Modus TCP, czy EtherCAT.
Anybus Serial Server firmy HMS jest
serwerem portu szeregowego, umoŜliwiającym
transmisję pełnych ramek protokołów takich jak
MPI, DF1 i Modbus-RTU, posiadającym
ącym
asynchroniczne porty szeregowe RS232 i RS485.
Bramy przemysłowe
łowe warstwy aplikacji
Bramy pracujące
ce w warstwie aplikacji, zwane równie
równieŜ
konwerterami protokołów, są urządzeniami
dzeniami
transportującymi dane pomiędzy
dzy dwiema ró
róŜnymi
sieciami. Ich
ch budowa na ogół opiera się o jeden
podstawowy schemat: w urządzeniu
dzeniu znajdują
znajduj się dwa
niezaleŜne moduły sieciowe, pamięć
ęć dwuwej
dwuwejściowa
(DPRAM, bufor), do której dostępp mają oba moduły
sieciowe, oraz procesor sterujący
cy przepływem danych z
zaimplementowaną odpowiednią aplikacją.
aplikacj Ze względu
na działanie, bramy moŜna podzielićć na trzy zasadnicze
zasadn
grupy: szeregowe konwertery protokołów, konwertery
protokołów sieci ethernet, oraz połączenie
ączenie obu
rodzajów.
Szeregowe konwertery protokołów
Oba bloki sieciowe w takim konwerterze to interfejsy
szeregowe, pracujące w warstwach 1, 2 i 7 (pozostałe
warstwy nie są wykorzystywane
ywane w transmisji
szeregowej). Odpowiedzialne są za komunikację
komunikacj w
określonym standardzie, jak np.: Profibus, DeviceNET,
CANopen, czy Modbus RTU. Procesor zarządza
zarz
zapisem i odczytem poszczególnych komórek pamięci,
pami
uprzednio zmapowanych przez uŜytkownika.
ytkownika. W
niektórych aplikacjach, to równieŜ do zada
zadań procesora
naleŜy formowanie wiadomości
ci na poziomie warstwy
7.,, a moduły sieciowe to tylko porty szeregowe
pracujące
ce w warstwach 1, 2. Takie rozwią
rozwiązanie ma
wiele zalet, m.in. elastyczność doboru
oru protokołów.
Ethernetowe konwertery protokołów
RóŜnią się od szeregowych wspomnianymi blokami
sieciowymi – zamiast interfejsów szeregowych
posiadają Ethernetowe (warstw
warstwy 1-4). W zaleŜności
od rozwiązania,
zania, procesor moŜe
moŜ pełnić funkcje
jedynie sterującą dostępem
pem do bufora, lub równieŜ
równie
obsługą (softwarową)) protokołów warstw
wyŜszych, jakimi mogą byćć np. Modbus-TCP,
Modbus
Profinet, CIP (Ethernet/IP).. Połączenie
Poł
w
warstwach niŜszych moŜe
Ŝe być realizowane poprzez
osobne bloki lub równieŜŜ przez procesor.
Bramy komunikacyjne - mieszane
Jest to połączenie
czenie w/w typów. W urządzeniu
urz
są
zainstalowane zarówno moduły szeregowe oraz
Ethernetowe. Zasada działania jest podobna jak
powyŜej. Dzięki
ki takim bramom moŜliwe
mo
jest dostęp
do danych I/O na magistrali szeregowej poprzez
Web-serwer udostępniony
pniony w sieci Ethernet.
E
Anybus Communicator firmy HMS jest
szeregowym lub ethernetowym konwerterem
protokołów ze wspólnym dla wszystkich wersji
interfejsem Modbus RTU –Master.
Master.
Anybus X-Gateway
Gateway firmy HMS jest
przemysłową bramą komunikacyjną
komunik
łączącą
dowolne dwa interfejsy sieciowe w dowolnej
konfiguracji (master/slawe)
Lech Wilk
Elmark Automatyka Sp. Z o. o.
[email protected]