Monika Rybczak Akademia Morska w Gdyni SIEĆ ETHERNET INDUSTRIAL W pierwszej części artykułu przedstawiono krótki opis sieci Ethernet, następnie sieci Ethernet Industrial. W części drugiej zaprezentowano konfigurację dwóch sterowników PLC pracujących w sieci Ethernet Industrial. Wymieniona konfiguracja została wykonana w Laboratorium Sterowników Programowalnych na Wydziale Elektrycznym Akademii Morskiej w Gdyni. 1. WSTĘP Sieć Ethernet jest światowym standardem sieci lokalnych znanym od lat 70. ubiegłego wieku [3]. Pierwszym zastosowaniem Ethernetu były sieci do celów zarządzania lokalnego z dostępem do Internetu i ISDN 1 [6]. Obecnie sieć tę wykorzystuje się m.in. w rozwiązaniach przemysłowych do wymiany danych między programowalnymi urządzeniami automatyki wszystkich poziomów wytwarzania. Szerokie rozpowszechnienie sieci Ethernet wynika z dużej szybkości transmisji danych i konkurencyjnej ceny sprzętu. Natomiast Ethernet Industrial jest wersją sieci Ethernet przeznaczoną do zastosowań w automatyce. Cechuje się integracją systemową i współpracą z zewnętrznymi aplikacjami, co wydaje się niezbędne w technologii XXI wieku [7]. W artykule scharakteryzowano sieć Ethernet, następnie Ethernet Industrial i przedstawiono podstawową konfigurację sieci łączącej sterowniki PLC. Opisany przykład opracowano w Laboratorium Sterowników Programowalnych na Wydziale Elektrycznym Akademii Morskiej w Gdyni. Układ stosowany jest w dydaktyce WE AM do nauczania komunikacji sieciowej sterowników PLC SIMATIC. 2. SIEĆ ETHERNET Standard sieci Ethernet opisuje sposób łączenia komputerów i wykorzystanie wspólnego okablowania do transmisji danych. Ethernet odnosi się do kilku 1 ISDN (Integrated Service Digital Network) sieć telekomunikacyjna przeznaczona do zintegrowanych usług transmisji obrazu, dźwięku i danych.
142 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzień 2009 technologii sieci lokalnych LAN. Poniżej wyróżniono cztery podstawowe kategorie [4, 5]: Ethernet i IEEE 802.3 określa sieć lokalną LAN, z którego każdy standard pracuje z przepływnością 10 Mb/s, Ethernet 100 Mb/s zwany też Fast Ethernet, określa sieć pracującą z przepływnością 100 Mb/s, Ethernet 1000 Mb/s zwana również Gigabit Ethernet, określa sieć pracującą z przepływnością 1000 Mb/s (1Gb/s), Ethernet 10 Gb/s określa sieć pracującą z przepływnością 10 000 Mb/s (10 Gb/s). Sieć Ethernet zawiera stacje, komputery, medium transmisyjne oraz osprzęt sieciowy [9]. Do medium transmisyjnego zalicza się jeden z trzech rodzajów kabla, tj: kable koncentryczne (z ang. coaxial cable), skrętka (twisted pair) oraz światłowód (optical fibre). Natomiast osprzęt sieciowy to m.in. karty sieciowe, koncentratory wzmacniające (repeater), mosty, przełączniki (switch) czy routery. Dopuszczalne topologie fizyczne to linia, gwiazda, drzewo, pierścień oraz zredundowane połączenie pierścieni [8]. Ethernet dotyczy komunikacji danych na poziomach określanych przez ISO (International Organization for Standardization) jako warstwa fizyczna i warstwa łącza danych (rys. 1). Warstwa łącza danych w modelu Ethernet dzieli się na dwie podwarstwy: warstwa MAC KLIENT warstwa LLC (Logical Link Control) podwarstwa odpowiada za interfejs między podwarstwą MAC (niezależnie od jej konkretnej specyfikacji zadanej przez protokół sieci lokalnej) a wyższymi warstwami modelu OSI, tj. sterowanie przepływem ramek i podejmowanie decyzji o ich retransmisji; warstwa Media Access Control podwarstwa MAC definiuje sposób transmisji ramek fizycznym przewodem; obsługuje fizyczny schemat adresowania związany z każdym urządzeniem, definicją topologii. MODEL TCP/IP MODEL OSI MODEL ETHERNET APLIKACJI APLIKACJI TCP TELNET FTP SMTP TFTP UDP PREZENTACJI SESJI TRANSPORTOWAWA SIECIOWA DANYCH FIZYCZNA PREZENTACJI SESJI TRANSPORTOWA SIECIOWA MAC KLIENT MAC ACCESS MAC) FIZYCZNA IP PODSIECI Rys. 1. Zestawienie warstw poszczególnych modeli sieci
M. Rybczak, Sieć Ethernet Industrial 143 Obecnie termin standardowy Ethernet dotyczy wszystkich sieci używających Ethernetu, włączając w to standard IEEE 802.3. Sieć Ethernet pracuje wykorzystując technologię współdzielonego medium transmisyjnego 2, tj. CSMA/CD (Carier Sense Multiple Access/Collision Detection). Protokół CSMA/CD umożliwia negocjowanie praw urządzeń do transmisji danych w sieci. Standard sieci Ethernet wykorzystujący metodę CSMA/CD uwzględnia wszystkie żądania transmisji i decyduje, które urządzenia i w jakim czasie mogą korzystać z łącza. 3. SIEĆ ETHERNET INDUSTRIAL Sieć Ethernet Industrial jest siecią wykorzystywaną do projektów przez największych producentów związanych z przemysłem i automatyką, m.in. ABB, ThyssenKrupp AG czy Siemens S.A. [2]. Sieć Ethernet Industrial opiera się na modelu OSI oraz protokole TCP/IP (patrz rys. 1) i jest przeznaczona dla przemysłu stąd nazwa Industrial. Wiąże się to ze sposobem odczytu danych zawierających informacje o stanie pracy systemu sterowania między zróżnicowanymi urządzeniami, np. robotem typu PUMA a panelem operatorskim typu TOUCH czy maszyną. W zależności od producentów stosuje się specjalne moduły do konfiguracji sieci. W artykule przedstawiono ogólny zarys komunikacji i wymiany danych między komputerem PC a sterownikami firmy Siemens S7-200 i ich modułami CP 243-1 oraz CP 243-1 IT. Wymieniona konfiguracja jest jedną z wielu, z której korzystają producenci. Przykładem jest firma Siemens, w której obecne sterowniki z serii S7-300 korzystają z modułów komunikacyjnych CP 343-1 oraz 343-1 IT. 4. BUDOWA I DZIAŁANIE ELEMENTÓW SIECI ETHERNET INDUSTRIAL W LABORATORIUM STEROWNIKÓW PROGRAMOWALNYCH AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI W Laboratorium Sterowników Programowalnych Akademii Morskiej w Gdyni skonfigurowano stanowisko ze sterownikami PLC i siecią Ethernet Industrial w celu sprawdzenia właściwości sieci Ethernet Industrial, zapoznania studentów z nowymi technologiami i weryfikacji uzyskanej wiedzy teoretycznej z dziedziny komunikacji sieciowej. 2 Współdzielone medium oznacza, że wszystkie urządzenia w sieci nasłuchują transmisji wysyłanych z innych urządzeń, sprawdzają lub negocjują szanse i prawa transmisji. W danym czasie może odbywać się tylko jedna transmisja.
144 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzień 2009 Sieć składa się z dwóch sterowników firmy Siemens S7-200, modułu komunikacyjnego CP 243-1, modułu komunikacyjnego CP 243-1 IT, zasilacza, switcha, komputera PC; medium komunikacyjne to skrętka. Za pomocą zastosowanych modułów komunikacyjnych CP 243-1 oraz CP 243-1 IT można zaprojektować do 8 połączeń z innymi uczestnikami sieci pracującej jako klient lub serwer. 4.1. komunikacyjny CP 243-1 komunikacyjny CP 243-1 jest procesorem komunikacyjnym zaprojektowanym do wykonywania operacji na systemach automatyki opartych na sterownikach S7-200 [1]. Jest używany do połączenia sterownika S7-200 poprzez sieć Ethernetu z innymi produktami z rodziny S7. W wyniku tego S7-200 może być zdalnie konfigurowany, programowany i diagnozowany poprzez Ethernet za pomocą oprogramowania STEP 7 Micro/Win32. 4.2. komunikacyjny CP 243-1 IT CP 243-1 IT różni się od modułu CP 243-1 dodatkowymi funkcjami, takimi jak: obsługa e-maili, stron http, serwerów FTP (File Transfer Protocol). W kanale (channel) tylko jedna komenda na raz może być odbierana, przetwarzana albo przekazywana. 4.3. Medium transmisyjne Medium transmisyjne sieci Ethernet jest to skrętka, zwana też w zależności od przepustowości 10BASE-T, 100BASE-T lub 1000BASE-T [10]. Składa się od dwóch do nawet kilku tysięcy par skręconych przewodów, umieszczonych we wspólnej osłonie. W sieciach skrętkowych, podobnie jak w pozostałych okablowaniach standardu Ethernet, obowiązuje zasada, że sygnał może przejść tylko przez 4 repeatery. Do karty sieciowej skrętkę przyłącza się za pomocą popularnego złącza RJ-45. 4.4. Sposoby komunikacji między urządzeniami stosowanymi w Laboratorium Sterowników Programowalnych Akademii Morskiej w Gdyni Poniżej przedstawiono trzy możliwości struktur połączeń komputera PC, sterowników oraz modułów komunikacyjnych CP 243-1 i CP 243-1 IT. Pierwsza została skonfigurowana w Laboratorium Sterowników Programowalnych w Akademii Morskiej w Gdyni, dwie pozostałe będą rozszerzeniem pracy z siecią Ethernet Industrial.
M. Rybczak, Sieć Ethernet Industrial 145 Połączenie z wykorzystaniem switcha internetowego, komputera PC, sterowników s7-200 oraz wraz z modułem CP 243-1 i modułem CP 243-1 IT poprzez sieć Ethernet PC komputer Sterwonik CP 243-1 Switch Klient Ethernet CP 243-1 IT Rys. 2. Komunikacja z wykorzystaniem switcha internetowego, komputera PC ze sterownikiem S7-200 oraz i modułami CP 243-1 oraz CP 243-IT Połączenie z wykorzystaniem switcha internetowego z trzema sterownikami S7-200 z modułem CP 243-1 oraz modułem CP 243-1 IT poprzez sieć Ethernet PC komputer Sterwonik CP 243-1 Switch Ethernet CP 243-1 IT CP 243-1 IT Klient 2 Klient 1 Rys. 3. Komunikacja z wykorzystaniem switcha internetowego, komputera PC z trzema sterownikami i modułami CP 243-1 oraz CP 243-IT
146 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzień 2009 Połączenie z wykorzystaniem switcha internetowego z dwoma sterownikami S7-200 z modułem CP 243-1, modułem CP 243-1 IT oraz urządzeniem HMI, tj. panelem operatorskim GP 2600 poprzez sieć Ethernet PC komputer Sterwonik CP 243-1 Switch Ethernet Panel operatorski GP 2600 Klient Rys. 4. Komunikacja z wykorzystaniem switcha internetowego, komputera PC z trzema sterownikami i modułami CP 243-1 oraz CP 243-IT 5. KONFIGURACJA MODUŁÓW DO POŁĄCZENIA DWÓCH STEROWNIKÓW SIEMENS S7-200 POPRZEZ SIEĆ ETHERNET INDUSTRIAL LABORATORIUM AKADEMII MORSKIEJ Poniżej przedstawiono poglądowy model połączenia uwzględniający ilość przesyłanych danych wraz z wyborem tzw. Connection, czyli liczby klientów. Transfers Ilość przesyłanych danych (1 lub 8) bitowych od 0 do 31 Connection Liczba dostępnych kanałów (klientów) od 0 do 8 Sterownik Siemens S7-200 + komunikacyjny CP 243-1 32 czyli od 0 1 do 31 Sterownik Siemens S7-200 + komunikacyjny CP 243-1 IT Klient 0 Sterownik Siemens S7-200 + komunikacyjny CP 243-1 IT Klient 8 Rys. 5. Model połączenia uwzględniający wymianę danych między serwerem a klientami
M. Rybczak, Sieć Ethernet Industrial 147 W laboratorium wykonano konfigurację sieci na przykładzie przedstawionym na rysunku 2. W przykładzie wykorzystano dwa sterowniki PLC firmy Siemens S7-200 pracujące jako: PLC klient sterownik S7-200 z modułem CP 243-1-IT, PLC serwer sterownik S7-200 z modułem CP 243-1. Zadanie polegało na połączeniu dwóch sterowników w celu wymiany danych między serwerem a klientem. Program ma za zadanie korzystając zarówno z instrukcji ethernetowych, jak i standardowych przesłanie stanów wejść sterownika PLC klient do sieci, gdzie z kolei będą one pobrane przez PLC serwer. Natomiast odczyt danych z sieci stanów wejść PLC serwera ma być wyświetlony na wyjściach PLC klienta. Program ma na przemian dokonywać odczytu/zapisu danych z/do sieci. Rysunek 6 przedstawia działanie programu. KLIENT SERWER 2 4 4 2 VB151 VB150 1 IB0 QB0 3 IB0 QB0 1 3 IB0 (K) zapis VB150 QB0 (S) INSTRUKCJE-KLIENT IB0 MOV_B do VB150 (zapis) VB151 MOV_B do QB0 1 2 IB0 (S) odczyt VB151 QB0 (K) INSTRUKCJE-SERWER VB150 MOV_B do QB0 IB0 MOV_B do VB151 (odczyt) 3 4 (S) serwer, (K) klient Rys. 6. Obraz wymiany danych między klientem a serwerem
148 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzień 2009 Efekt pracy i komunikacji sieci Ethernet na stanowisku laboratoryjnym przedstawiono na zdjęciach (rys. 7 i 8). Przykład przedstawia komunikację między trzema wejściami, tj. I0.2, I0.3, I0.4 sterownika PLC klienta, które załączają trzy wyjścia Q0.2, Q0.3, Q0.4 sterownika PLC serwera. Ponieważ komunikacja jest obustronna, na rysunku 8 pokazano odwrotną sytuację: trzy wejścia sterownika PLC serwera sterują trzema wyjściami sterownika PLC klienta. 3 Klient 2 1 4 5 IB0 QB0 IB0 QB0 Rys. 7. Realizacja programu Lustro w konfiguracji sterownika jako serwer/klient oddziaływanie wejściami klienta (4) na wyjścia serwera (5) Klient 7 6 Rys. 8. Realizacja programu Lustro w konfiguracji sterownika jako serwer/klient oddziaływanie wejściami serwera (6) na wyjścia klienta (7)
M. Rybczak, Sieć Ethernet Industrial 149 Legenda do rysunku 7 i 8: 1 switch 2 medium transmisyjne skrętka ze złączem RJ-45 3 R2-232 konfiguracja sterownika jako klient odbywa się za pomocą łącza RS-232 4 przełączniki I0.2, I0.3, I0.4 wejścia klienta 5 diody Q0.2, Q0.3, Q0.4 wyjścia serwera 6 przełączniki I0.2, I0.3, I0.4 wejścia serwera 7 diody Q0.2, Q0.3, Q0.4 wyjścia klienta 6. WNIOSKI Sieć Ethernet Industrial wyróżnia kompatybilność z innymi urządzeniami. W obecnych czasach rozwoju przemysłu to istotna cecha. Praca urządzeń, zgodnie z protokołem TCP/IP, umożliwia wysyłanie informacji e-mailowych (SMTP), wiadomości SMS oraz dostęp do ustawień urządzeń automatyki przez przeglądarkę internetową [6]. Istotny dla przemysłu jest również wysoki poziom niezawodności komunikacji, które zapewnia sieć Ethernet Industrial poprzez zastosowanie zredundowanego połączenia pierścienia. Ethernet Industrial korzysta z popularnych mediów transmisyjnych i pozwala na integrację z istniejącymi sieciami globalnymi, co minimalizuje koszty tworzenia sieci. W laboratorium Akademii Morskiej w Gdyni odtworzono, skonfigurowano i zbadano podstawową konfigurację sieci przemysłowej Ethernet. Stanowisko do komunikacji ethernetowej wprowadzono do dydaktyki Wydziału Elektrycznego w celu: zapoznania studentów z nowymi technologiami, które będą związane z ich przyszłością zawodową, praktycznej weryfikacji uzyskanej wiedzy teoretycznej z dziedziny komunikacji sieciowej, rozwijania umiejętności integracji systemów programowalnych układów sterowania. Przedstawiona w artykule konfiguracja jest podstawową wersją konfiguracji dwóch sterowników firmy Siemens. Stanowisko laboratoryjne zostanie rozbudowane o następujące komponenty: kolejny węzeł sieci rozszerzający możliwości konfiguracji do kilku klientów, nie tylko na zasadzie serwer i jeden klient (patrz rys. 3), programowalne urządzenie HMI jako interfejs operatora z portem komunikacji Ethernet (patrz rys. 4) obiekt sterowania, np. silnik prądu stałego sterowanego z urządzenia HMI. Zaproponowana konfiguracja jest rozwiązaniem minimalnym, ale daje studentom podstawowy obraz funkcjonowania sieci Ethernet Industrial i utrwala wiedzę teoretyczną. Realizowana konfiguracja pozwoliła na opracowanie koncepcji rozbudowy układu o sterownik, który będzie wspólnym serwerem kilku
150 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzień 2009 węzłów sieci Ethernet. Takie rozwiązanie pozwoli na jednoczesną pracę kilku osób nad konfiguracją jednego stanowiska laboratoryjnego. LITERATURA 1. CP 243-1 Comunications processor for Industrial Ethernet, Manual Siemens, 2002. 2. Maszyny Technologie Materiały, Wydawnictwo SIGMA, Siemens SIMATIC, 2/2004. 3. Nowicki K., Ethernet sieci, mechanizmy, INFOTECH 2006. 4. http://www.prz.rzeszow.pl/we/katedry/zsc/materialy/projekty/008.pdf sieć Ethernet 5. http://itpedia.pl/index.php/ethernet Ethernet, różnice między Ethernetem, a standardem 802.3 6. http://majusek.fm.interia.pl/str29.htm Sieć komputerowa podstawy 7. http://ethernet.industrial-networking.com Ethernet Industrial w przemyśle 8. https://www.automation.siemens.com/net/html_76/produkte/040_produkte.htm Podstawy sieci Ethernet Industrial 9. http://www.automatykab2b.pl/component/option,com_content/itemid,88/id,1536/lang,pl/task, view/ Okablowanie dla Ethernet Industrial 10. http://support.apple.com/kb/ht1433?viewlocale=pl_pl skrętka ze złączem RJ-45 NETWORK ETHERNET INDUSTRIAL Summary The first part of the article is a short description of both Ethernet and Ethernet Industrial networks. The second part is a presentation of a configuration of two Programmable Logic Controllers (PLC) working in Ethernet Industrial network. The configuration was built in Programmable Logic Controllers Laboratory in Gdynia Maritime University.