OKABLOWANIE W WYBRANYCH SYSTEMACH KOMUNIKACJI Robert Pastuszka, Ireneusz Sosnowski W ciągu ostatnich lat postęp w elektronice i automatyce wymusił zmiany w konstrukcji kabli sterowniczych i zasilających. Pewność połączeń, dokładność przekazywania danych są elementem skutecznej komunikacji. Jest to bardzo ważny czynnik w instalacjach aparatury kontrolno pomiarowej oraz komputeryzacji sterowania urządzeniami i całymi liniami produkcyjnymi, szczególnie pracującymi w trudnych warunkach środowiskowych. Każdy ze standardów komunikacji, transmisji danych wymaga zupełnie innych połączeń kablowych, a kable do poszczególnych systemów oprócz właściwej budowy muszą charakteryzować się niezawodnością w warunkach pracy do których są przeznaczone. Najczęściej stosowane systemy komunikacji to: - AS-I (Actuator-Sensor Interface) - PROFIBUS - CANopen - DeviceNet - Ethernet - PROFInet Poniżej zamieszczono opis struktury kilku systemów komunikacji i wymogów stawianych przed okablowaniem. Należy pamiętać, że niezależnie od systemu komunikacji zastosowane kable muszą sprostać wymogom środowiskowym oraz obciążeniom mechanicznym występującym w miejscach ich pracy. Wymogi środowiskowe mogą dotyczyć temperatury pracy przewodów, odporności na promieniowanie UV, oleje, różnorodne związki chemiczne lub wilgoć. Zastosowanie sieci (magistrali) AS-I pozwala na rozproszenie systemu sterowania. Komponenty sieci są połączone za pomocą profilowanego, płaskiego, nieekranowanego dwużyłowego kabla. Oprócz transmisji danych, kablem dostarczane jest napięcie do wszystkich modułów slave, co pozwala zasilać z sieci AS-I standardowe czujniki dwustanowe PNP (np. indukcyjne czujniki ruchu, pojemnościowe czujniki poziomu, czujniki ciśnienia). Jest to sieć typu Master-Slave. Transmisja danych w magistrali odbywa się przez zakodowany sygnał prądowy przy napięciu DC 30V. Na obiekcie gdzie zastosowano magistralę AS-I prowadzone są tylko dwa kable 2x1,5 mm 2 koloru żółtego i czarnego, które pokazano na rys.1. Zamiast licznych wiązek kabli wielożyłowych, wrażliwych na indukowanie zakłóceń elektromagnetycznych wykonuje się połączenia w prosty sposób, wykorzystując uniwersalną technikę łączenia modułów slave z kablami żółtym i czarnym [1]. Sieć PROFIBUS jest standardem sieci przemysłowej, który może być wykorzystywany w Rys.1. Kable dla AS-I różnorodnych układach automatyki przemysłowej. Komunikacja może się odbywać pomiędzy urządzeniami różnych producentów bez jakichkolwiek dodatkowych interfejsów. W sieci PROFIBUS może znajdować się wiele urządzeń nadrzędnych typu master i urządzeń typu slave. Dzięki temu do jednej sieci mogą być podłączone urządzenia sterujące, zarządzające przetwarzające i wizualizujące proces technologiczny. Urządzenia nadrzędne master określają sposób komunikacji w sieci, mogą wysyłać informacje bez dodatkowego zewnętrznego sygnału żądania transmisji, jeżeli uzyskają dostęp do sieci. Urządzenia typu slave to urządzenia typu I/O, zawory, urządzenia pomiarowe itp. W standardzie PROFIBUS możemy wyróżnić kilka protokołów: DP (Decentralizet Peipheries), FMS (Fieldbus Message Specyfication), FDL, PA i inne.
PROFIBUS DP jest protokołem do obsługi urządzeń polowych, takich jak karty wejść/wyjść, napędy, aparatura kontrolno-pomiarowo, itp. W jednym segmencie sieci (bez dodatkowych urządzeń wzmacniających sygnał typu repeater) może podłączyć do 32 urządzeń, ilość danych ograniczona jest do 244 bajtów. Przy zastosowaniu repeaterów można zwiększyć liczbę urządzeń do maksimum 126 [2]. Protokół FMS oferuje pozwala na komunikację pomiędzy urządzeniami aktywnymi, takimi jak CP w sterownikach PLC. Protokół FMS określa sposób komunikacji pomiędzy urządzeniami typu client-server. Model protokołu pozwala na odwzorowanie rozproszonego systemu automatyki w jednym urządzeniu VFD Virtual Field Device (wirtualne urządzenie sieciowe). Możliwe jest zdefiniowanie kilku wirtualnych urządzeń sieciowych[2]. Rys. 2. Kabel PROFIBUS SK przeznaczony dla sieci PROFIBUS z możliwością szybkiego montażu Sieć PROFIBUS pozwala na stosowanie różnych topologii. Najczęściej stosowane media transmisji to: - technologia RS-485 do tego celu używana jest jedna para przewodów miedzianych w postaci ekranowanej skrętki, - transmisja w standardzie IEC 1158-2 zapewnia możliwość dwuprzewodowego zasilania współpracujących z siecią urządzeń, wówczas PROFIBUS może być stosowany w strefach zagrożonych wybuchem - transmisja z wykorzystaniem światłowodu do zastosowania w miejscach szczególnie narażonych na oddziaływanie pól elektromagnetycznych lub gdy wymagana jest izolacja galwaniczna. [3] Rys.3. Przyrząd do zdejmowania izolacji z kabli PROFIBUS SK Sieci BUS pracują w takich samych warunkach środowiskowych, jak przewody tradycyjnych instalacji automatyki. Jest to często środowisko agresywne chemicznie (oleje, smary, rozpuszczalniki, kwasy), promieniowanie UV na zewnątrz budynków, podwyższone temperatury, narażenia mechaniczne. Powłoki zewnętrzne przewodów w sieciach BUS muszą być odporne na te narażenia. W celu usprawnienia montażu sieci PROFIBUS i polepszenia jakości połączeń wprowadzono na rynek okablowanie do szybkiego montażu.
Kabel do szybkiego montażu przedstawiono na rys. 2., natomiast specjalny przyrząd do zdejmowania izolacji z kabli PROFIBUS SK pokazuje rys.3. Pomysł wykorzystania sieci Ethernet w automatyce przemysłowej pojawił się wiele lat temu. Dobry stosunek ceny do oferowanych możliwości sieci i duży potencjał w zakresie rozbudowy sieci przemawiały za zastosowaniem Ethernet w aplikacjach przemysłowych. Ethernet daje duże możliwości jeśli chodzi o okablowanie: może to być skrętka, światłowód lub nawet sieć bezprzewodowa. Początkowo sieć Ethernet była opracowana do zastosowań biurowych, więc wykorzystanie jej w przemyśle wymagało przede wszystkim zastosowania komponentów (typu switch) w wykonaniu przemysłowym tzn. odpornych do warunków przemysłowych. Następnie podniesiono niezawodność pracy sieci przez zastosowanie redundatnych pierścieni, które po przerwaniu połączenia pozwalają na rekonfigurację sieci i zapewnienie połączenia inną drogą. Ethernet pracuje wg. normy IEEE 802.3 Określono w niej m.in. sposób dostępu metodę komunikacji i media transmisyjne dla Ethernet (10 Mb/s), fast Ethernet (100 Mb/s) oraz Gigabit Ethernet (1 Gb/s). Każda z prędkości wymaga zastosowania odpowiedniego okablowania. Rys.4. Bezhalogenowy kabel do sieci GigabitEthernet (1200 MHz) PROFInet jest nowoczesnym standardem opracowanym przez organizację Profibus International do budowy zintegrowanych i zwartych systemów sieciowych w automatyce przemysłowej opartym na sieci Industrial Ethernet. Jest to swoiste połączenie standardów PROFIBUS i Ethernet, pozwalające na wykorzystanie ich najlepszych cech. PROFInet pozwala na integrację w jednej sieci prostych urządzeń polowych oraz aplikacji krytycznych czasowo. Możliwa jest także budowa rozproszonych systemów automatyki w opartych na modelu komponentów. Rys.5. Integracja systemu PROFIBUS do PROFInet przez urządzenie proxy [4]
Zasadniczą cechą systemu PROFInet jest możliwość przejścia z istniejących sieci polowych (np. Profibus DP) do opartej na standardzie Ethernet sieci PROFInet. Istnieją dwa sposoby integracji: -integracja urządzeń polowych przez urządzenie proxy, które reprezentuje urządzenia polowe niższego poziomu w sieci Ethernet. -integracja całych aplikacji sieci polowych segment sieci polowej jest reprezentowany jako niezależny komponent. W systemie PROFInet IO integracja rozproszonych urządzeń polowych odbywa się bezpośrednio na poziomie sieci Ethernet. W tym celu zapożyczono metodę dostępu master-slave znana z systemu PROFIBUS DP, która jest tu nazywana provider-concumer. Standard PROFInet wyróżnia trzy typy urządzeń: IO-controller, IO-device, IO-supervisor. IO-controller jest sterownikiem, który wykonuje program sterujący instalacją, IO-device jest urządzeniem przypisanym do do sterownika. IO-supervisor jest urządzeniem programującym lub komputerem PC z funkcjami diagnostycznymi. Zakres funkcji PROFInet IO został przedstawiony na rysunku 6. Rys. 6. Zakres funkcji PROFInet IO [4] Transmisja w sieci PROFInet może odbywać się za pomocą okablowania miedzianego lub światłowodowego. Kable w wykonaniu przemysłowym mogą być poddawane znacznym obciążeniom mechanicznym i są projektowane w ten sposób by tym wymaganiom sprostać. System okablowania tworzą przewody oraz złącza. Jedynie elementy, które zostały przetestowane oraz wypróbowane otrzymują oznaczenie zgodności z PROFInet. Wymagania w stosunku do kabli na poziomie polowym są podobne do wymagań sieci PROFBUS. Stacje posiadają nie tylko interfejs danych, wymagają również zasilania. Dlatego najlepsze rozwiązanie stanowi okablowanie za pomocą kabla hybrydowego, który zawiera przewody do komunikacji, oraz do zasilania. Przewody takie są dostępne jako jako Cu/FOC (włókna optyczne dla danych i przewody miedziane do zasilania) lub Cu/Cu (zasilanie i transmisja danych za pomocą przewodów miedzianych) [4]. Rys.7. Przewód hybrydowy Cu/FOC wraz z przekrojem poprzecznym
PROFInet wykorzystujący kable światłowodowe może być oparty na kablach jednomodowych lub wielomodowych. Transmisja danych odbywa się za pomocą linii o dwóch włóknach światłowodowych (jak na rys. powyżej) według standardu 100BASE-FX z prędkością 100Mb/s. Interfejs optyczny jest zgodny z ISO/IEC 9314-3 (wielomodowy) lub z ISO/IEC 9314-4 (jednomodowy). Kable światłowodowe są przeznaczone głównie do środowisk o silnych polach elektromagnetycznych, lub przy budowie struktur bardziej rozległych. Maksymalna długość segmentu linii światłowodu wielomodowego może wynosić do 2 km. Dla światłowodu jednomodowego długość ta może wzrosnąć do 14 km. Przy zastosowaniu kabli miedzianych transmisja również prowadzona jest zgodnie ze standardem 100BASE TX przy prędkości 100Mb/s. Kable przeznaczone do transmisji PROFInet składają się z dwóch skręcanych par żył miedzianych w ekranie. Dopuszczane jest wyłącznie stosowanie kabli i złącz ekranowanych. Poszczególne elementy sieci muszą spełniać wymagania kategorii 5 a cała sieć musi spełniać wymagania klasy D zgodnie z IEC 11801. Rys.8. Kabel do sieci PROFInet Kable sieciowe dla wykonań przemysłowych muszą oczywiście odpowiadać warunkom w jakich są układane ( wytrzymałość mechaniczna i chemiczna). W przypadku instalacji poza szafami sterowniczymi opony zewnętrzne kabli muszą spełniać wszystkie wymogi, które narzuca środowisko. Literatura: [1] Sieć AS-I w odpylaniu spalin kotłowych, Tadeusz Kluba, Technika Zagraniczna Maszyny Technologie Materiały, Wydawnictwo Sigma, 06/2001; [2] Profibus-światowa sieć komunikacji przemysłowej, Michał Koter, Andrzej Dębowski, Technika Zagraniczna Maszyny Technologie Materiały, Wydawnictwo Sigma, 02/2000; [3] Profibus technologia i aplikacje, listopad 2004, Profibus PNO Polska [4] Profinet technologia i aplikacje, luty 2005, Profibus PNO Polska