SŁAWOMIR WIAK (redakcja) Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT
Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Piotr Ostalczyk (rozdz. 1, 2) Prof. Edward Jezierski (rozdz. 3) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 4) Dr hab. inż. Ryszard Szczerbanowski, prof. PŁ (rozdz. 5) Dr inż. Grzegorz Tosik (rozdz. 6) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 6) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr hab. inż. Krzysztof Pacholski, prof. PŁ (rozdz. 8, 9) Prof. Krzysztof Gniotek (rozdz. 10) Dr hab. inż. Iwona Frydrych, prof. PŁ (rozdz. 10) Dr hab. Inż Ryszard Korycki, prof. PŁ (rozdz. 11) Dr inż. Grażyna Sobiczewska (rozdz. 12) Dr hab. Maria Dems, prof. PŁ (rozdz. 13, 15) Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 13, 14, 15, 16, 17) Dr inż. Wojciech Rosiak (rozdz. 13, 15) Dr inż. Paweł Drzymała (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Henryk Welfle (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Ryszard Lasota (rozdz. 18) Dr inż. Marek Jan Glaba (rozdz. 19) Monografia przygotowana w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjału dydakty-cznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-60434-85-7 Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2010
Sławomir Wiak Paweł Drzymała Henryk Welfle 17. Sieci komunikacyjne, urządzenia HMI i wizualizacja procesów przemysłowych W układach automatyki do wymiany informacji wykorzystuje się przemysłowe sieci komunikacyjne. Ważnym elementem systemów automatyki jest wizualizacja procesów przemysłowych i integracja ich z systemami zarządzania. W tym celu wykorzystywane są urządzenia HMI (Human Machine Interface), które oprócz wizualizacji procesu, usprawniają obsługę operatorską sterowania. Do wizualizacji procesów przemysłowych wykorzystuje się komputery, które wyposażone są w nowoczesne oprogramowanie służące do parametryzacji, sterowania i przedstawienia w sposób graficzny pracy procesu oraz związanych z nim awariami czy ostrzeżeniami (systemy SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition). Ze względu na możliwość komunikacji urządzeń poprzez magistrale przemysłowe do urządzeń różnych producentów sieci komunikacyjne są ważnym elementem integrowania układów sterowania. 17.1. Przemysłowe sieci komunikacyjne Jednym z warunków sprawnego działania procesów produkcyjnych jest zapewnienie dużych możliwości komunikacyjnych w otwartych zdecentralizowanych systemach sterowania i wizualizacji za pomocą lokalnych sieci komputerowych. Należy tu mieć na uwadze zarówno komunikację między ludźmi, jak i między urządzeniami technicznymi na różnych poziomach automatyzacji, często znacznie oddalonymi od siebie. Jeszcze na przełomie lat 80-90 każdy z wiodących producentów inteligentnych urządzeń automatyki miał swój standard sieciowy. Jednak wraz z rozwojem wystąpiła konieczność wprowadzenia pewnej standaryzacji w dziedzinie transferu danych. Doprowadziło to do opracowania kilku systemów uznawanych obecnie za standardowe w zakresie obsługi sensorów i układów wykonawczych. 661
Ujednolicenie systemów polowych (FIELDBUS) i stworzenie jednego wspólnego standardu doprowadziło do utworzenia organizacji Fieldbus Foundation. Podstawowym zadaniem stawianym przed każdą siecią tego typu jest maksymalnie szybko przekazać dane do lub z procesu z zachowaniem bezpieczeństwa danych. Ilość danych oraz wymagana szybkość jest zależna od rodzaju sterowanego procesu. Sterowanie, w przypadku procesów dyskretnych, wymaga zebrania w krótkim czasie stosunkowo niewielkiej ilości danych. Praktycznie konieczność przesyłania danych konfiguracyjnych nie występuje tutaj wcale. Sterowanie w przypadku procesów ciągłych, ze względu na przebiegi wolnozmienne, charakteryzuje się umiarkowaną szybkością pozwalającą na rzadszą wymianę danych. Jednak w tym przypadku ilość informacji jest znacznie większa, chociażby ze względu na przesyłanie całego zespołu parametrów pochodzących od inteligentnych urządzeń (czujniki, przetworniki, regulatory). Aby stworzyć sprawnie i efektywnie działający system komunikacji należy określić rodzaj nośnika transmisyjnego (medium) (np.: skrętka dwużyłowa, światłowód) oraz sposób korzystania z tego nośnika przez urządzenia, określony jako protokół komunikacyjny. Sieciowe protokoły komunikacyjne określają ogólne zasady komunikowania się urządzeń z nośnikiem transmisyjnym, do którego zostały podłączone. Są to między innymi: sposób nadawania priorytetów określających, który z węzłów w danej chwili ma dostęp do sieci, (tzw. protokół dostępu) niezawodność, efektywność i szybkość działania danej sieci. W obecnych czasach trudno było by sobie wyobrazić konieczność stosowania konwencjonalnych systemów sterowania i prowadzania okablowania od sterownika do każdego elementu indywidualnie. W 1977 roku Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (International Standard Organization) opracowała wzorcowy model łączenia systemów otwartych (Open System Interconnection). Ideą przyświecającą tym działaniom, było umożliwienie współdziałania ze sobą produktów pochodzących od różnych producentów. Proces komunikacji został podzielony na 7 etapów, zwanych warstwami, ze względu na sposób przechodzenia pomiędzy nimi informacji. Często struktura tworzona przez warstwy OSI nazywana jest stosem protokołów wymiany danych. W złożonym zagadnieniu komunikacji wyodrębnia się pewne niezależne zadania, które mogą być rozwiązywane przez wydzielone układy sprzętowe lub pakiety oprogramowania zwane obiektami. Klasę obiektów rozwiązujących dane zagadnienie nazywa się warstwą. Pojęcie warstwy nie jest jednoznaczne z pojęciem protokołu funkcje danej warstwy mogą być wykonywane przez kilka różnych protokołów. Każdy protokół komunikuje się ze swoim odpowiednikiem, będącym implementacją tego samego protokołu w równorzędnej warstwie 662
komunikacyjnej systemu odległego. Warstwy (a dokładnie konkretne protokoły zawarte w tej warstwie) komunikują się bezpośrednio z odpowiadającymi im warstwami w odległym hoście. Należy, więc też zapewnić reguły przekazywania informacji w dół do kolejnych warstw pracujących na danym komputerze. Dane przekazywane są od wierzchołka stosu, poprzez kolejne warstwy, aż do warstwy fizycznej, która przesyła je poprzez sieć do odległego hosta. Na szczycie stosu znajdują się usługi świadczone bezpośrednio użytkownikowi przez aplikacje sieciowe, na spodzie sprzęt realizujący transmisję sygnałów niosących informacje. Każda kolejna warstwa musi jedynie znać format danych wymagany do komunikacji poprzez warstwę niższą zwany protokołem wymiany danych. Przy przechodzeniu do warstwy niższej dana warstwa dokleja do otrzymanych przez siebie danych nagłówek z informacjami dla swojego odpowiednika na odległym hoście. W ten sposób kolejne warstwy nie ingerują w dane otrzymane z warstwy poprzedniej. Przy odbieraniu danych z warstwy niższej, dana warstwa interpretuje ten nagłówek doklejony poprzez swojego odpowiednika i jeśli zachodzi potrzeba przekazania danych do warstwy wyższej, usuwa swój nagłówek i przekazuje dane dalej. Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportowa Warstwa sieciowa Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna Warstwa aplikacji Warstwa prezentacji Warstwa sesji Warstwa transportowa Warstwa sieciowa Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna Rys. 17.1. Transmisja danych pomiędzy kolejnymi warstwami ISO/OSI Zadania realizowane przez poszczególne warstwy są następujące: Warstwa fizyczna odpowiedzialna jest za transmisję danych w medium. Definiuje ona sposób reprezentowania danych 0 oraz 1 logicznej w wykorzystywanym medium transmisji (poziomy napięć/prądów, długość fali świetlnej, radiowej itp.), Warstwa łącza danych podzielona jest na dwie podwarstwy: kontroli łącza logicznego odpowiedzialnej za format przekazywanych danych (format ramki) oraz kontroli dostępu do nośnika 663
odpowiedzialnej za prawidłową współpracę wszystkich stacji współdzielących sieć, Warstwa sieciowa odpowiedzialna jest za komunikację pomiędzy stacjami umieszczonymi w różnych sieciach, Warstwa transportowa jest odpowiedzialna za sprawdzenie poprawności oraz kontrolę przepływu informacji, Warstwa sesji pozwala na komunikację pomiędzy identycznymi aplikacjami pracującymi na różnych stacjach. Łączność ta jest możliwa dzięki nawiązywaniu wirtualnego połączenia opartego na np. nazwie użytkownika, Warstwa prezentacji odpowiedzialna jest za konwersję języka pomiędzy wymieniającymi dane stacji, Warstwa aplikacji odpowiedzialna jest za wymianę danych z aplikacją użytkownika: przyjmuje ona dane od aplikacji i wysyła przez sieć. Topologia sieci określa sposób łączenia urządzeń. Dodatkowo informuje o rozległości, funkcjonalności oraz odporności na uszkodzenia. Można wyróżnić kilka topologii: Szyna (BUS), Topologia pierścieniowa (RING), Topologia gwiazdy (STAR), Topologia rozszerzonej gwiazdy (EXTENDED STAR), Topologia Hierarchiczna (HERARCHICAL), Topologia siatki (MESH). 17.1.1. Interfejsy komunikacyjne i protokoły transmisji W celu stworzenia przemysłowej sieci komunikacyjnej istnieje możliwość wykorzystania komunikacji przewodowej lub bezprzewodowej. W systemach SIMATIC firmy SIEMENS mamy możliwość zastosowania: Industrial Ethernet ProfiNet, ProfiBus, AS-Interface, 664
EIB, sieci bezprzewodowe (np. WLAN, GSM), MPI (Multi Point Interface), PPI (Point to Point Interface). Podstawę nowoczesnych systemów rozproszonych opartych na koncepcji Totally Integrated Automation - Całkowicie Zintegrowanej Automatyki stanowią sieci komunikacyjne. W zależności od typu sterownika PLC mamy różne protokoły transmisji danych. Występuje tutaj protokół PPI, MPI, ProfiBus, TCP/IP. Jednak wszystkie światowe sieci komunikacyjne oparte są o komunikację wykorzystującą protokół TCP/IP (wykorzystywany w sieciach lokalnych jak i sieci Internet). Mamy tu także możliwość wprowadzenia dodatkowych usług typu WEB czy poczty elektronicznej e-mail. Rys. 17.2. Przykład zastosowania modułów komunikacyjnych do wymiany informacji z wykorzystaniem różnych interfejsów komunikacyjnych Protokół PPI PPI jest protokołem typu master/slave. W tym protokole urządzenie master (czyli inna jednostka centralna, narzędzia programowania SIMATIC, TD 200) posyła prośbę do urządzenie slave, które odpowiada. Urządzenie slave nie inicjuje wiadomości, ale czeka, aż master wyśle do niego prośbę albo odpyta je w celu udzielenia odpowiedzi. Sterowniki z jednostką centralną S7-200 działają w sieci jako slave. Niektóre sterowniki S7-200 może działać jako urządzenie master kiedy jest w trybie RUN, pod warunkiem, że zostanie ustawiony tryb master PPI w programie użytkownika. Ustawienie jednego trybu mistrza PPI daje możliwość, przeczytania lub zapisać instrukcje do innej jednostki CPU. 665
Protokół MPI Protokół MPI może służyć jako protokół Master/Master albo Master/ Slave. Dokładnie jak działa jest oparty na typie urządzenia. Jeśli docelowe urządzenie jest jednostką S7-300, wtedy połączenie master/master jest nawiązywane, ponieważ wszystek CPU S7-300 są siecią master. Jeśli docelowe urządzenie jest jednostką S7-200, wtedy połączenie master/slave jest złożone, ponieważ CPU S7-200 są urządzeniami typu slave. Jednostki centralne rodziny S7-300/400 wyposażone są w interfejs nazywany MPI (z jęz. ang. Multipoint Interface interfejs wielopunktowy). Do interfejsu MPI mogą zostać dołączone maksymalnie 32 urządzenia. Szybkość wymiany danych poprzez interfejs MPI może wynosić: 187,5 bit/s (standard) oraz 19,2 kbit/s (wykorzystywana do komunikacji pomiędzy S7-300/400 a S7-200). Każde z urządzeń dołączonych do magistrali (a za taką można uważać MPI) powinno posiadać unikalny adres, który pozwoli na jednoznaczną jego identyfikację w sieci. Protokół PROFIBUS Sieć PROFIBUS - DP zwykle ma jednego mastera i kilku urządzeni (I/O) slave. Urządzenie master jest skonfigurowane tak, by wiedzieć jaki typ I/O chce się połączyć i jaki ma adres. Master ustanawia połączenie i weryfikuje czy urządzenie slave na nie odpowiada. Zapisuje on dane produkcji urządzeniom typu slave i czyta od nich ciągle dane wejściowe. PROFIBUS to otwarty standard magistrali przemysłowej. Jego cechy to: otwarty = ogólnodostępny, stabilny = pewny i sprawdzony, niezależny od dostawcy sprzętu, zapewnia współpracę urządzeń różnych dostawców, gwarantuję pełną wymienialność urządzeń. Sieć PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) jest jednym z najbardziej znanych standardów połączeń komunikacyjnych szczególnie w Europie dzięki firmie Siemens. Użytkownicy tego standardu zrzeszeni są w organizacji PROFIBUS-PNO. System zawiera urządzenia typu Master (np.: sterowniki PLC) i Slave (np.: sterowniki napędów, czujniki, zadajniki). Stacje aktywne typu Master, które tworzą pierścień logiczny, mogą zarządzać siecią, np.: przesyłać dane lub żądać informacji od innych urządzeń. Stacje pasywne typu Slave otrzymują wiadomości lub polecenia od stacji Master i odpowiadają na nie. W sieci PROFIBUS może pracować do 126 stacji. Medium transmisyjnym w tym standardzie jest dwuprzewodowa skrętka miedziana, opcjonalnie ekranowana, wykorzystu- 666
jąca standard złącza RS485 lub też łącze światłowodowe, które zapewnia zwiększenie rozpiętości sieci, prędkości przesyłania danych oraz dużą odporność na zakłócenia. Istnieją 3 wersje protokołu PROFIBUS: FMS, DP, PA. W skład rodziny PROFIBUS wchodzą 3 protokoły: PROFIBUS FMS magistrala ogólnego przeznaczenia wykorzystywana do wymiany informacji na poziomie sterowania. Posiada ona bardzo rozbudowane i uniwersalne możliwości komunikacyjne. PROFIBUS DP przeznaczony do komunikacji pomiędzy urządzeniami obiektowymi, systemami rozproszonych wejść/wyjść a system sterowania. Magistrala ta została zoptymalizowana pod kątem dużej szybkości i niezawodności wymiany małych pakietów danych. Jej zdaniem jest zastąpienie równoległych połączeń pomiędzy czujnikami, elementami wykonawczymi a sterownikiem. PROFIBUS PA magistrala przeznaczona do zastosowania w sektorze automatyzacji procesu. Pozwala ona na połączenie czujników, przetworników oraz urządzeń wykonawczych do jednej magistrali, która jednocześnie umożliwi zasilanie tych urządzeń. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest znaczne ograniczenie kosztów okablowania. Magistrala ta może być stosowana w strefach zagrożonych wybuchem. Parametry profilu sieci PROFIBUS. Wszystkie urządzenia, które powinny wymieniać dane poprzez magistralę muszą korzystać z tego samego profilu. Możliwy jest wybór jednego z następujących profili: DP który powinien być wybrany wtedy, kiedy wszystkie urządzenia należą do rodziny SIMATIC S7 oraz SIMATIC M7. Ustawienia parametrów sieci są wtedy zoptymalizowane dla tych urządzeń. Możliwa jest praca sieci w trybie Mono-Master oraz Multi-Master, Standard przeznaczony do pracy sieci w trybie Multi-Master, w której będą pracowały urządzenia wykorzystujące najnowsze układy ASIC (wszystkie urządzenia SIMATIC S7, procesory komunikacyjne oraz karty dla PC), Uniwersal (DP/FMS) który powinien zostać wybrany wtedy, kiedy profile DP oraz Standard nie mogą być wybrane (przykładowo w sieci pracują urządzenia SIMATIC S5 z procesorami komunikacyjnymi CP 5430/5431), User-Defined dla którego użytkownik może sam ustalić parametry sieci. Zadania warstwy łącza danych: kodowanie, dekodowanie i przesyłanie informacji, 667
zabezpieczenie transmisji, detekcja przekłamań, detekcja uszkodzeń warstwy fizycznej, detekcja błędów adresowania stacji, uaktualnianie listy stacji dostępnych w sieci, nadzorowanie wymiany informacji w sieci. Protokół FREEPORT Komunikacje freeport jest trybem operacji, za pomocą której program użytkownika może skontrolować port komunikacyjny jednostki centralnej S7-200. Używając trybu Freeport, użytkownik może zaimplementować zdefiniowane protokoły komunikacji do interfejsu do wiele typów inteligentnych urządzeń. Program użytkownika kontroluje operacje portu komunikacyjnego bezpośrednio przez użycie: otrzymanego przerwania, transmisji przerwania, transmisji instrukcji (XMT) i przyjęcie instrukcji (RCV). Protokół komunikacji jest kontrolowany całkowicie przez program użytkownika kiedy jest w trybie Freeport. Tryb Freeport jest ustawiony za pomocą SMB30 (portu 0) i SMB130 (port 1) tylko wtedy kiedy CPU jest w trybie RUN. Powrót do trybu STOP, powoduje zatrzymanie komunikacji Freeport i port komunikacyjny wraca do normalnego operacja protokołu PPI. Magistrala ASI Sieć AS-I (Actuator Sensor Interfejs), o najnowszym rodowodzie, stosowana jest na najniższym poziomie hierarchicznej struktury automatyzacji i wykorzystuje dwużyłowy (2x1,5mm2) nieekranowany kabel. Sieć łączy z sobą elementy o działaniu dwustanowym (np.: przyciski, urządzenia sygnalizacyjne, przełączniki, styczniki, zawory, czujniki zbliżeniowe, itp.). Urządzenia nowej generacji mogą posiadać wbudowany układ scalony z interfejsem AS-I, pozwalający na bezpośrednie podłączenie tych elementów do sieci. Sieć AS-I umożliwia zastąpienie wielu przewodów między czujnikami, a sterownikiem jednym, wspólnym przewodem łączącym wszystkie czujniki w systemie. W konsekwencji ulega zmniejszeniu liczba binarnych modułów wejścia-wyjścia w sterowniku programowalnym. Tą samą parą przewodów przesyłane są dane oraz jest doprowadzane do czujników napięcie zasilające 24VDC. Komunikacja jest zorganizowana na zasadzie Master Slave. W sieci może wystąpić jedna stacja Master oraz do 31 stacji Slave w postaci modułów AS-I, do których można dołączyć do 4 elementów automatyki, czyli łącznie w systemie może być zainstalowanych do 124 urządzeń automatyki. System sieciowy AS-I może znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie system czujników i zadajników umieszczony jest w różnych miejscach obiektu i w znacznym oddaleniu od układu sterowania 668
(np.: taśmociągi, linie transportowe, itp.). Rozpiętość sieci może dochodzić do kilkuset metrów. ETHERNET Ethernet - technologia, w której zawarte są standardy wykorzystywane w budowie głównie lokalnych sieci komputerowych. Ethernet opisuje również format ramek i protokoły z dwóch najniższych warstw modelu OSI. Standard IEEE 802.3 opisuje jego specyfikację. Cechy standardu Ethernet: Zmienna szybkość transmisji - 10Mbit/s, 100Mbit/s, 1Gbit/s, 10Gbit/s, Unikanie kolizji (dzięki technologii przełączania, transmisji Full-Duplex, priorytety), Możliwość redundancji medium, Różne media: o przewód miedziany (kabel koncentryczny lub skrętka), o światłowód, o transmisja w podczerwieni, o transmisja radiowa. 17.1.2. Ethernet przemysłowy (Industrial Ethernet) Industrial Ethernet jest międzynarodowym standardem komunikacyjnym dla sieci przemysłowych zgodnym z IEEE 802.3 (Ethernet) oraz IEEE 802.11 (Wireless LAN). Wykorzystując ten standard mamy możliwość projektowania i budowania szybkich sieci komunikacyjnych w których istnieje możliwość przesyłania danych na duże odległości z bardzo dużą prędkością transmisji. Dodatkowo istnieje możliwość dostępu do sieci Internet, która z założenia jest siecią rozproszoną. Na bazie fizycznej warstwy Ethernetu istnieje wiele protokołów np. ProfiBus, Modbus/TCP, Ethernet Powerlink i wiele innych. Ethernet przemysłowy posiada wiele zalet: duża prędkość transmisji (do 1 GB/s i szybkość rośnie w miarę pojawiania się nowych urządzeń), możliwość wykorzystania popularnego okablowania w postaci skrętki lub światłowodów, duże odległości między elementami sieci, możliwość wykorzystania już istniejącego sprzętu sieciowego, 669
możliwość budowy sieci składających się dużej ilości punktów, urządzenia mogą komunikować się w trybie master-slave, duża skalowalność sieci, łatwość udostępniania danych w dowolnej sieci, łatwość implementacji technologii Ethernet. Industrial Ethernet wykorzystuje specjalizowane przełączniki (switch) dla sieci Ethernet. Przełączniki są aktywnymi elementami sieciowymi przekazującymi dane do poszczególnych węzłów sieci. W celu budowy wydajnych sieci firma Siemens stosuje przełączniki: przewodowe Scalance X, bezprzewodowe Scalance W, bezprzewodowe z mechanizmem Firewall Scalance S. SCALANCE X: to przemysłowe komponenty do rozdziału danych w standardzie sieci Ethernet. Pozwalają na przesyłanie danych pomiędzy odpowiednimi urządzeniami sieci oraz zapewniają diagnostykę sieci Industrial Ethernet. SCALANCE W: wykorzystuje technologię radiową w Industrial Wireless LAN. Moduły SCALANCE łączą urządzenia drogą radiową. Mogą one pracować w standardzie IEE 802.11 b/g oraz 802.11a. Urządzenia te zapewniają pełną diagnostykę sieci. SCALANCE S: moduły stosowane do zapewnienia pełnego bezpieczeństwa w sieciach przemysłowych. Wykorzystuje mechanizmy zabezpieczające i szyfrowanie danych. Monitoruje dostęp do sieci i blokuje dostęp przed atakami z zewnątrz. Moduły bezpieczeństwa SCALANCE S umożliwiają skalowalny stopień bezpieczeństwa poprzez stosowanie: zapory internetowej, która chroni przed nieautoryzowanym dostępem, bezpiecznej autoryzacji punktów sieciowych oraz szyfrowanie transmisji, oprogramowanie SOFTNET Security Client do transmisji danych pomiędzy stacjami roboczymi a urządzeniami automatyki SCALANCE. Zalety przemysłowych rozwiązań komunikacji bezprzewodowej: dostęp do informacji niezależnie od lokalizacji, bezprzewodowa wymiana danych wszystkich urządzeń automatyki włączając w to urządzenia poruszające się po danym obszarze, 670
pokrycie dużego obszaru siecią zarówno w obszarze niezabudowanym jak i zabudowanym dzięki przenośnym punktom dostępu, szybka i wygodna modyfikacja topologii sieci, likwidacja kosztów utrzymania tradycyjnych sieci kablowych, dostęp do pasm radiowych jest bezpłatny, zmniejszenie kosztów poniesionych w przypadku zamieszczania urządzeń w obszarach podwyższonego ryzyka, brak ryzyka przerwań w transmisji radiowej w wyniku występujących wibracji i zakłóceń mechanicznych. Cechy modułów SCALANCE W: Monitoring połączenia WLAN, Standardy WLAN (IEEE 802.11b/g / 802.11a), Odporna obudowa (IP65, -20 C do +60 C, metalowa obudowa), Bezpieczeństwo (szyfrowanie WPA / AES). Na rys. 17.3, 17.4 i 17.5 przedstawiono możliwości jakie niesie za sobą komunikacja bezprzewodowa. Podstawowymi cechami jest redundancja połączenia, integracji różnych sieci oraz łatwa rozbudowa jej o nowe elementy (urządzenia). Rys.17.3. Wykorzystanie modułów SCALANCE W do integracji sieci. 671
Rys.17.4. Wykorzystanie modułów SCALANCE W do integracji różnych sieci pracujących jako punkty dostępowe. Rys.17.5. Wykorzystanie modułów SCALANCE W do redundancji połączeń. 672
17.1.3. ProfiNet Nowoczesnym standardem dla automatyki, opartym na sieci Industrial Ethernet jest ProfiNet. Opracowany został przez PROFIBUS International do budowy systemów automatyki. Umożliwia on integrację istniejących sieci polowych (np. PROFIBUS) z nowymi urządzenia wykorzystujących sieci Ethernet. Istotnym elementem jest komunikacja czasu rzeczywistego, która jest niezbędna do szybkiej komunikacji np. z napędami elektrycznymi. Do komunikacji ze światem zewnętrznym łącznie z możliwością wykorzystania usług WEB, FTP czy e-mail stosowane są specjalizowane procesory komunikacyjne w zależności od zastosowanych sterowników PLC. Przykładowo dla firmy SIEMENS dla sterowników SIMATIC rodziny S7-300 stosuje się procesor komunikacyjny CP 343-1 IT, dla S7-400 stosuje się procesor komunikacyjny CP 443-1 IT, a dla S7-200 stosuje się procesor komunikacyjny CP 243-1 IT. Za pomocą procesorów komunikacyjnych mamy możliwość dostępu do danych procesowych sterownika, serwisu urządzenia. Zaletą tego typu urządzeń jest duża prędkość transmisji danych od 10 do 100 Mbit/s. Rys.17.6. Wymiana danych pomiędzy różnymi typami sterowników PLC 17.2. Wiadomości ogólne o panelach operatorskich Integracja systemów automatyki obejmuje integrowanie układów sterowania, a tym samym wizualizacji na poziomie sterowania i nosi wówczas nazwę poziomej oraz integrowania systemów sterowania z systemami zarządzania jest to wówczas integracja pionowa. Panele operatorskie spełniają nie tylko rolę lokalnych układów wizualizacji współpracującymi z pojedynczym sterownikiem PLC. Ze względu na możliwość komunikacji poprzez magistrale przemysłowe, dysponowanie oprogramowaniem do sterowników różnych typów 673
i producentów mogą stać się tym samym ważnym elementem integrowania układów sterowania. Użytkowanie systemów sterowania procesami przemysłowymi wymaga coraz więcej informacji na temat procesu i jego systemu sterowania. Wszelkiego rodzaju urządzenia typu HMI (Human Machine Interface) tj. interfejs człowiek-maszyna, pozwalają na bezpośredni dialog człowieka (operatora) z maszyną (procesem sterowania), stając się idealnym uzupełnieniem do sterowania PLC. Układy wizualizacji obejmują urządzenia od prostych (zwykle dedykowanych) pulpitów sterujących poprzez panele tekstowe i graficzne do rozbudowanych systemów programowych umożliwiających kompleksową wizualizacje systemu automatyki. HMI to zestaw paneli operatorskich zwiększających produktywność i elastyczność maszyn i linii produkcyjnych. Zapewniają one przejrzysty interfejs pomiędzy maszyną a człowiekiem. Dzięki funkcji SIMATIC WinCC flexible mamy możliwość programowania oraz przełączania się pomiędzy pięcioma językami a nawet wyświetlania czcionek azjatyckich oraz cyrylica. Są one dzięki temu przystosowane do ogólnoświatowego zastosowania. Stanowią one część TIA (Totally Integrated Automation), czyli jednego z rodzajów globalnych produktowych i systemów automatyki dla wszystkich przemysłów. Do dyspozycji mamy szereg różnorodnych paneli takich jak: panele przyciskowe zmontowany zestaw przycisków niewymagający żadnego dodatkowego oprogramowania sterującego, mikro panele panele dopasowane do pracy ze sterownikami SIMATIC S7-200 i przeznaczone do zadań automatyki z systemów o niższej wydajności, panele ogólne służące do przejrzystej i szybkiej obsługi maszyn o różnej klasie wydajności Dzielą się one na grupę paneli dotykowych (TP) i grupę paneli o przyciskach membranowych (OP), multipanele wydajny zestaw charakteryzujący się dużą wydajnością oraz możliwością rozbudowy. Pozwalają one na integrację kilku zadań automatyki na jednej platformie, panele mobilne zestaw operatorski umożliwiający zarówno sterowanie jak i monitoring w bezpośrednim otoczeniu maszyny. Zapewnia to operatorowi współdziałanie blisko procesu. Do dyspozycji mamy również dwa rodzaje oprogramowania wizualizacyjnego: SIMATIC Wincc Flexible/Pro i SIMATIC WinCC. Pierwsze z nich przeznaczone jest do jednostanowiskowego sterowania oraz do zobrazowania pracy maszyny lub procesu na komputerze klasy 674
PC. Drugie natomiast służy do sterowania zarówno jednostanowiskowych jak również wielostanowiskowych systemów rozproszonych. Istnieją także sterowniki, które w swej budowie posiadają zintegrowany tekstowy lub graficzny panel operatorski o nazwie SIMATIC C7. Połączenie sterownika z panelem skutecznie zredukowało wymiary oraz wygenerowało przestrzeń montażową, którą zagospodarować można innymi modułami. Połączenie to wpłynęło również obniżenie kosztów oraz skróciło instalację, konfigurację i okablowanie sterowania. Ważną rzeczą jest fakt, iż C7 posiada wysoki stopień ochrony IP65 dzięki czemu można montować można go bezpośrednio na drzwiach szaf sterowniczych lub na pulpitach operatora. W jego obudowie znajduje się niezawodny sterownik SIMATIC S7-300 dzięki czemu znajduje on zastosowanie we wszelkiego rodzaju maszynach produkcyjnych. Zakresy zastosowań Panele operatorskie wykorzystywane są do wyświetlania, wprowadzania i śledzenia wielu ważnych czynników w procesach technologicznych z wykorzystaniem: wizualizacji niewielkich procesów technologicznych panele operatorskie można umieścić w pobliżu maszyny lub też w centrum dyspozycyjnym, wyświetlania danych produkcyjnych np. danych statystycznych jak średnia wydajność, obsługę diagnostyczną wspieranie działań serwisowych i utrzymania ruchu, monitorowanie programu sterowania, obsługę komunikatów i alarmów prezentacja, gromadzenie komunikatów, alarmów z możliwością ich archiwizacji i wydruku, wprowadzanie danych technologicznych przekazywanie wielu danych technologicznych do procesów z możliwością jednoczesnego ich aktywowania. 17.2.1. Typy paneli Firma SIEMENS daje nam do dyspozycji panele różnego typu, podzielone na grupy w zależności od funkcjonalności i tak mamy: Panele przyciski Nie wymagają parametryzacji, prosta i wygodna obsługa, Konfigurowane w systemie jako grupy wejść/wyjść (przyciski/lampki) bez wymogu oddzielnego drutowania przycisków i lampek, 675
Wbudowane interfejsy PROFIBUS-DP, MPI, Wbudowane funkcje diagnostyczne, wyświetlanie błędów. Przykład: PP7, PP17I/II. Panele micro Dedykowane rodzinie sterowników S7-200, bezpośrednie podłączenie do CPU, Brak wymogu dodatkowego zasilania, Konfigurowanie oprogramowania STEP7 MicroWin/TP Designer. Przykłady: Panel tekstowy TD200. Panel graficzny TP070 (możliwość podłączenia poprzez MPI lub PROFIBUS-DP). Panele tekstowe Odznaczają się prostotą obsługi i programowania, umożliwiają odczyt informacji ze znacznych odległości, Teksty komunikatów zapisywane są bezpośrednio w panelu, Zwykle zabudowywane na przedniej ścianie szaf sterujących. Przykłady: OP3/7/17, TD17. Panele graficzne Duży, kontrastowy wyświetlacz, ergonomiczna klawiatura, Rozbudowane możliwości graficzne pozwalają na realistyczne przedstawienie procesu i stanu maszyny, Wysoka wydajność, szybkość działania. Przykłady: OP27, OP37. Panele dotykowe Oparte na panelach graficznych z możliwością aktywacji funkcji przez dotyk, Brak klawiatury użytkownika dostępne są dowolnie programowane przyciski, Wygodne w użytkowaniu, wyposażone w RS-485 (MPI, PROFIBUS). Przykłady: TP170A/B, TP27/37, TP270. Multi - panele Obejmują kategorię produktów pomiędzy panelami klasycznymi a komputerami PC, 676
Realizują funkcje wizualizacji oraz inne zadania automatyzacji, Umożliwiają wykorzystanie w procesie wizualizacji zabudowanie elementów systemu Windows, Oparte na systemie Microsoft Windows CE. Przykłady: panel graficzny MP270, MP370, Simatic Multi Panels (WinAC). Panele LCD Dostępne jako urządzenia typu desktop, Cechują się małym poborem prądu, długą żywotnością, Zajmują małą przestrzeń, Zapewniają dobrą jakość obrazu. Panele PC Budowane na bazie komputerów przemysłowych PC, Wyposażone w standardowe interfejsy PC (USB, LPT, PCI) oraz PROFIBUS, MPI, ETHERNET, Przeznaczone do realizacji kompleksowych systemów wizualizacji (WinCC, WinAC). Przykłady: panele PC670/870, Lite 70, FI25, FI45. 17.2.2. Zadania stawiane panelom operatorskim W procesie wizualizacji procesów produkcyjnych podstawowym zadaniem paneli operatorskich jest przedstawienie ich w sposób jak najbardziej czytelny i zrozumiały dla operatora. W celu pełnego obrazu zagadnień procesowych potrzebne są nam dane nie tylko aktualne ale także historyczne, logi, błędy czy ostrzeżenia. Przy projektowaniu funkcjonalności paneli operatorskich powinny zostać z definiowane następujące zadania: definiowanie interfejsu użytkownika, projektowanie ekranów wizualizacji, definiowanie pól wyświetlaczy, pól danych, tekstów, definiowanie i transfer danych procesowych, definiowanie statusu, stanu maszyny, trybów pracy. 677