COMANDA SISTEMELOR DE ACTIONARE ELECTRICA

Retele industriale de comunicatie

I. Comunicatia Seriala

Comunicatia seriala trimite un singur bit o data, intre calculatoare sau intre un calculator si PLC. Deoarece necesita un singur canal de comunicatie, costurile sunt mici, dar si transferul este lent. Standardul cel mai utilizat este RS 232c, bazat pe modificarea nivelului de tensiune. Driver-ul de linie va converti o valoare falsa in tensiune cu valori intre +3 V si +15 V, iar o valoare adevarata va fi convertita in -3 V pana la -15 V . In general se folosesc tensiuni de 12 V. Lungimea cablului este limitata la 15 m pentru a reduce efectul perturbatiilor.

Standardul RS-422a foloseste o bucla de curent de 20 mA in locul celei de tensiune. Transmisia este mai putin afectata de zgomot, cablul putand avea lungimi de pana la 900 m. Standardul RS-423a foloseste tensiune diferentiala pe doua linii de transmisie, reducand astfel influenta perturbatiilor electromagnetice. Lungimea poate ajunge la 900 m. Pentru asigurarea comunicatiei bidirectionale se utilizeaza 2 astfel de linii de transmisie.

Tensiunea/curentul pe linie reprezinta valori adevarat sau fals ale bitilor. Latimea unui bit determina limita de biti/s (bps) folosita.

Semnificatia notatiilor de pe desenul anterior:

before perioada in care nici un bit nu este transmis;

start primul bit din pachet, transmis pentru a ajuta la sincronizarea sistemului;

data 7 sau 8 biti, de obicei 8. In figura este transmis un byte cu valoarea 00010010 (primul este trimis cel mai putin semnificativ bit ).

parity ajuta la verificarea corectitudinii transmisiei byte-ului anterior. Bitul parity poate fi adevarat daca se foloseste even parity bit (bit par), fals, pentru odd parity bit (bit impar) sau poate lipsi.

stop un bit de pauza la finalul pachetului. Pot fi utilizati si 2 biti de stop. idle o perioada de timp in care linia este pe nivel adevarat, in asteptarea urmatorului byte.

Viteza de transmisie reprezinta numarul maxim de biti /s. Unitatea de masura este baud. Un baud include bitii de start, paritate si stop. La o rata de transfer de 9600 baud vor fi transmisi pana la bytes pe secunda. Valori tipice: 120, 300, 1.2K, 2.4K, 9.6K, 19.2K, 28.8K, 33.3K.

TXD/RXD - (transmit data, receive data) - liniile de transfer date CTS/RTS - (clear to send, ready to send) DSR/DTR - (data set ready, data terminal ready) liniile alocate dialogului de confirmare (handshaking lines ), indica daca masina este pregatita sa primeasca date COM - conexiunea de ground, furnizeaza o referinta de tensiune pentru TXD si RXD.

II. Retele de comunicatii

Un calculator (PLC) cu o interfata de retea poate comunica cu un numar mare de calculatoare (sau alte echipamente de retea), ceea ce aduce avantaje in privinta flexibilitatii si a costurilor reduse. Retelele de mici dimensiuni sunt numite adesea Local Area Networks (LANs). Acesstea pot conecta cateva sute de calculatoare, pe distante de ordinul sutelor de metri. Au costuri reduse si permit rate de transfer de ordinul Mb/s. Sunt utilizate in cadrul sistemelor de comanda, pentru a conecta diverse tipuri de controlere in aplicatii de tipul: preluarea datelor de proces prin intermediul unui PLC si transmiterea acestora la o baza de date; transmiterea retetelor sau a comenzilor speciale catre echipamentele de prelucrare; monitorizarea de la distan a echipamentelor. Larger Wide Area Networks (WANs) sunt utilizate pentru comunicatii la distante mari intre retele de tip LAN. Nu sunt utilizate frecvent in aplicatii de control, dar pot fi necesare pentru un proces de scara mare. Un exemplu ar fi controlul unei conducte petroliere cu lungime de ordinul miilor de km.

2.1 Topologii

Principalele topologii ale retelelor de comunicatii sunt: - topologie tip Bus, - topologie inelara (Ring) , - topologie tip stea (Star).

La configuratiile de tip Ring si Bus, controlul retelei este distribuit intre toate calculatoarele (PLC-urile) conectate. Este utilizata o singura bucla sau ruta de cablare. Din acest motiv, reteaua poate deveni lenta, pe masura ce creste traficul. Necesita interfete mai complexe pentru a gestiona fluxul de date. Este posibil ca aparitia unei probleme pe retea sa duca la oprirea intregii retele.

Topologia tip Star necesita lungimi mai mari de cablu, pentru a conecta fiecare calculator la un hub. Interfata de retea a calculatorului este mai simpla, reteaua mai fiabila, iar performantele acesteia pot fi determinate mai usor, lucru important in aplicatiile critice.

In mediul industrial, topologia tip bus este cea mai des intalnita. Numarul mare de conexiuni necesare la retelele tip star poate fi costisitor si poate produce confuzii. Conexiunea in bucla inchisa de tip ring este dificil de realizat si poate genera probleme de tipul buclelor pe conexiunea de ground. In figura alaturata este prezentata o topologie de tip arbore, compusa din retele de dimensiuni mai mici. Repetoarele au rol de amplificare si permit cresterea dimensiunii retelei.

Modelul OSI (Open System Interconnection ) al retelelor descrie componentele hardware si software ale acestora. Contine 7 nivele, cu partea hardware pe nivelele de jos si cea software pe cele de sus. Sageata arata ca un mesaj provenit de la o aplicatie din calculatorul #1 trebuie sa strabata toate nivelele asociate ambelor calculatoare pentru a ajunge la aplicatia destinatie din calculatorul #2.

Application software de nivel inalt ce ruleaza in calculator; Presentation Converteste cererea aplicatiei in operatii ale retelei; Session Gestioneaza interactiunile multiple dintre calculatoare; Transport Imparte datele si le recombina in mici pachete;

Network Adauga adresele de retea si de rutare pentru a genera cadrul de comunicatii. Data Link Criptare si corectarea erorilor, aferente cadrului de comunicatii. Physical nivelul de tensiune si durata asociate unui bit in cadrul de comunicatii. Interconnecting Medium - (nu este parte a standardului) Cablurile sau mediul de transmisie al retelei.

2.2 Modelul OSI al unei retele

In general componentele hardware necesare intr-o retea de comunicatii sunt:

Computer (sau alt echipament cu interfata de retea);

Interfata de retea Echipamentul de retea (computer, PLC, convertor static, senzor etc.) poate fi furnizat cu interfata preinstalata;

Mediul de comunicatii Conexiunile fizice intre nodurile retelei;

Repetoare (Physical Layer) Acestea amplifica si retransmit semnalul pentru a permite cresterea dimensiunilor retelei;

Hub/Concentrator Punct central de legatura la care se conecteaza conductoarele retelei, cu rol in gestionarea traficului de date;

Router (Network Layer) Izolealza diferite retele si redirectioneaza traficul intre LAN;

Bridges (punti) (Data link layer) Conecteaza tipuri diferite de retele, realizand conversia datelor dintr-un format in altul ;

Gateway (Application Layer) - Un Gateway este un computer complet, care va direciona trafic ctre reele diferite. Acestea sunt adesea folosite si pentru a crea firewall.

2.3 Componentele hardware ale unei retele

Componentele retelei si modelul OSI

Modelul OSI al unei retele cu un Router

13

Cerinte specifice de comunicatie:

Timp determinat/predefinit pentru transmisia mesajelor comunicatie de timp-real

Nivel predefinit de siguranta/fiabilitate: Nivelul de fiabilitate trebuie demonstrat Toleranta la defecte, detectia, mascarea si corectia erorilor

Caracter determinist, predictiv al transmisiei

Transmiterea unor structuri specifice de date

Achizitia si transmisia periodica a datelor

Mai multe nivele de prioritati

!!! Retelele de calculatoare nu au fost proiectate pentru astfel de cerinte !!!

Retele industriale de comunicatie

Evolutia retelelor industriale:

- Prima realizare - MAP General Motors pentru modernizarea liniilor de asamblare

- 1990-1996 marele bum dezvoltarea unui numar foarte mare de protocoale industriale de comunicatie

- 1996- 2000 proces de unificare si standardizare

- Cercetari teoretice analiza caracteristicilor critice (timp, siguranta) prin metode analitice si experimentale

- 2000-2006 utilizarea tehnologiilor Internet pentru

urmarire si control (inclusiv Ethernet)

Situatia actuala

- Probleme: - (Prea) Multe protocoale si standarde - Probleme de incompatibilitate - Probleme de integrabilitate, interoperabilitate

- Tendinte pozitive: - Promovarea protocolului Ethernet (industrial) ca mediu

comun de comunicatie pentru partea de control-proces si partea de gestiune economica

- Tehnici wireless de comunicatie pentru mediu indistrial - Controlul calitatii serviciilor in Internet (QoS) mijloc

de garantare a cerintelor specifice din sistemele de control

Modele de comunicatie

ISO-OSI TCP/IP RIC

(Internet) Utilizator

Aplicatie Aplicatie Aplicatie

Sesiune

Prezentare

Transport Transport(TCP)

Retea Retea (IP) Retea

Legatura de date Nivele inferioare Legatura de date

Fizic Fizic

Clasificarea retelelor industriale :

- 3 clase mai importante: - Retele pentru senzori si elemente de actionare (Instrumentation bus,

Actuator/Sensor network)

- Retele/magistrale de teren (fieldbuses)

- Retele celulare (cell networks)

- Prin ce difera:

numrul de noduri conectate n reea dimensiunea i distribuia geografic a reelei timpul de reacie maxim impus al reelei complexitatea dispozitivelor conectate n reea (gradul de inteligen,

resurse disponibile)

costurile de instalare i ntreinere admise (un procent din costurile ntregii instalaii)

fiabilitatea impus i gradul de toleran la defecte cerine speciale (medii explozive, zgomote electromagnetice intense, variaii

mari ale parametrilor de mediu, etc.)

Retele industriale de comunicatii

Caracteristici Dim. mesaj Timp de reactie

1-10 koct. 10-20 100ms-1s Retele celulare

10-256 oct. 10-100 10-100 ms Magistrale de teren

biti 100-1000 1-10ms Retele pentru senzori si elem. de act.

Numar de noduri

Retele pentru senzori si elemente de actionare

Utilizate pentru controlul la nivelul procesului de fabricatie: - Bucle de reglaj

- Control secvential (PLC)

Interconectarea unor elemente simple de automatizare (senzori, actuatori) cu elemente de complexitate medie (PLC, regulataore, etc.)

caracteristici: - Viteza (foarte) mare; timp de reactie scazut( 1-10 ms)

- Mesaje foarte scurte (8-16 biti); antet scurt/mesaj (overhead)

- Metode deterministe de acces la mediul de comunicatie

- Modele de comunicatie: master-slave, pooling (interogare)

- Protocol simplu la nodurile slave, complex la nodul master

- Nivel ridicat de fiabilitate si siguranta

Exemple:

CAN Contol Area Network - Dezvoltat pentru industria automobilistica masini de curse,

camioane, autovehicole

- Retea de tip magistrala seriala, dimensiuni mici (50m, 200m)

- Protocol de acces la mediu de transmisie CSMA/BA,

- Fiecare tip de mesaj are un nivel propriu de prioritate

- Se poate evalua analitic timpul maxim de intarziere a mesajelor

Interbus-S - Arhitectura de tip inel,

- Controlat de la un nod central

ASi - Actuator Sensor Interface - Retea de tip magistrala

- Acces prin metoda master-slave

- Mesaje foarte scurte (4 biti utili)

- Reconfigurarea automata in caz de defect

Retele de teren (fieldbus)

- Utilizate pentru controlul unor procese de complexitate medie

- Protocol relativ complex care implica prezenta unei anumite inteligente la nivelul fiecarui nod de retea (calculatoare de proces, PLCuri, regulatoare, etc.)

- Caracteristici: - Timp de raspuns mediu, predefinit (10-100ms) - Mesaje scurte si medii (100-250 octeti) - Protocol complex care asigura mecanisme bune de

detectie si mascare a erorilor - Mecanisme de acces la retea de tip multimaster

Exemple:

Profibus - Protocol nemtesc (Siemens principalul promotor) - Magistrala de tip token-passing inel logic intre

nodurile master - Mai multe variante: FMS, DP, PA - Folosit in multe tipuri de aplicatii

WorldFIP

- Protocol francez - Retea de tip inel, control centralizat - Mesajele periodice sunt transmise cu prioritate - Pentru garantarea timpului de transmisie se foloseste

un planificator de mesaje

Exemple:

P-Net - Protocol danez - Mecanism de acces la retea - TDMA Time Division

Multiple Access

- Token virtual

- Foarte stabil, cu bune caracteristici de transmisie

DeviceNet, CANOpen - Retele de teren dezvoltate pe infrastructura CAN

- Mecanisme foarte bune de acces la dispozitive si parametri de proces (acces simbolic)

Fieldbus Foundation (FF) - Protocol american

- Retea de tip magistrala

Retele celulare

Retele pentru interconecatrea celulelor flexibile de fabricatie

Seamana cu retelele locale de calculatoare

Caracteristici: - Timp garantat de transmisie

- Comportament determinist

- Mesajele au structura complexa (similar cu Ethernet)

- Nodurile retelei sunt calculatoare de proces

Exemple: MAP Manufacturing Automation Protocol (GM) TOP - (Boeing)

Protocolul Ethernet in controlul industrial

Ethernet in industrie: Cel mai raspindit protocol pentru retele locale de calculatoare Interfete foarte ieftine Compatibilitate cu sistemul informatic al unei intreprinderi

Probleme: Nu este un protocol determinist (CSMA) Nu se poate garanta timpul de transmisie Nu se poate garanta transmisia sigura a unui mesaj

Solutii: Transmisia la frecvente de 100HHz/1GHz evita aparitia

coliziunilor

Determinismul se asigura prin suprapunerea unui mecanism determinist de acces la mediul de transmisie peste protocolul clasic Ethernet (ex: Modbus peste Ethernet, acces master-slave, etc.)

II. DeviceNet

DeviceNet - una din cele mai utilizate reele de control. Este un standard deschis - componentele de la o varietate de producatori pot fi folosite impreun in aceeasi sistem de control. Este sustinut si promovat de catre Open Devicenet Vendors Association (ODVA) (http://www.odva.org). Acest grup are in componenta membri ai principalilor producatori de echipamente de control industrial. http://www.rtaautomation.com/ - prezentare Aceasta retea a fost proiectata pentru a fi robust i rezistente la zgomot. Reeaua DeviceNet poate fi conectata direct la senzori i elemente de acionare. Astfel se reduce cantitatea total de cabluri, prin mutarea I/O mai aproape de aplicatia tinta. Acest lucru poate simplifica, de asemenea, conectarea dispozitivelor complexe, cum ar fi HMI. Intrarile si iesirile bidirectionale permit diagnosticarea problemelor retelei de la controlerul principal.

Initial prezentata in 1994 de Allen Bradley. DeviceNet tehnologie transferata catre ODVA in 1995. DeviceNet - clasificat ca o retea devicebus. Caracteristici:

- retea de mare vitez, - comunicare la nivel de octet, - include echipamente de comunicaii analogice, - capacitate ridicata de diagnosticare prin dispozitivele de retea.

Tehnologia DeviceNet transporta 2 tipuri de informatie: - date ciclice de la senzorii i elementele de acionare direct legate de procesul de comanda, - date non-ciclice legate indirect de control, cum ar fi configurarea i diagnoza.

Nivelul fizic i accesul la reeaua DeviceNet se bazeaz pe protocolul CAN (Controller Area Network), iar nivelele superioare pe protocolul CIP (Common Industrial Protocol), care definete o arhitectur bazat pe obiecte i conexiunile dintre ele. DeviceNet poate conecta pana la 64 de dispozitive pe o singura retea (poate avea maxim 64 de noduri), fiecare nod avand alocata o adresa de la 0 la 63. Poate fi utilizat oricare dintre noduri, fara restrictii, dar al 63 nod este de obicei rezervat pentru commissioning. Nodurile alcatuiesc nivelul fizic al retelei si sunt distribuite de-a acesteia prin intermediul unei topologie de tip trunkline-dropline (linie principala-linii secundare) (trunchi principal - derivatie).

In general, cablurile pentru trunkline trebuie sa fie de tip cablu DeviceNet thick (cablu gros), iar droplines sa fie realizate cu cablu thin (subtire) sau flat (plat). Pentru conexiunea principala (trunkline) se poate utiliza si cablu DeviceNet subtire, dar cu diminuarea lungimii retelei sau a vitezei de transmisie. Pot fi utilizate cabluri similare celor dedicate, cu condiia ca acestea sa respecte caracteristicile mecanice i electrice ale cablurilor DeviceNet. DeviceNet permite utilizarea de repetoare, punti, rutere si gateways. Cablul contine doua perechi de conductoare, una pentru alimentare (24V) si a doua pentru comunicatii. Dispozitivele se pot conecta si deconecta de la retea in timpul functionarii acesteia, fara a perturba procesul. Accepta dispozitive alimentate la 24V sau echipamente care au propria sursa de alimentare. Se pot folosi conectori deschisi de tip sir de cleme sau mufe etanse.

Include protectie la inversarea conexiunii si la scurtcircuit. Curent pe retea pt. alimentarea echipamentelor pana la 16 A. Pot fi utilizate mai multe surse de alimentare pe aceeasi retea, pentru a asigura cerintele legate de incarcarea retelei si de lungime a cablurilor. Rata de transmisie selectabila: 125, 250 e 500 kbps. Comunicare bazat pe conexiuni I/O si model intrebare rspuns. Functii de diagnosticare pentru fiecare echipament de pe retea. Transport eficient al datelor de comanda digitale si analogice. Detectarea adreselor duplicate. Mecanism de comunicare extrem de robust la interferene electromagnetice.

DeviceNet acoper toate cele apte nivele ale standardului OSI. Protocolul are un numr limitat de adrese si permite pachete de date foarte mici. Dar acest lucru ajuta prin limitarea traficului si asigurarea capacitatii de reacie. Lungimea cablurilor limiteaza viteza maxim a reelei.

Dimensiuni retea Pana la 64 noduri

Lungime retea

Lungimea totala variaza cu viteza 125 Kbps - 500 m (1,640 ft) 250 Kbps - 250 m (820 ft) 500 Kbps - 100 m (328 ft)

Pachete de date 0-8 bytes Topologie Linear (trunkline/dropline); alimentare si date pe acelasi

cablu

Mod de adresare Peer-to-Peer cu Multi-Cast (one-to-many); Multi-Master si Master/Slave (special case); Cu interogare (polling) (exception-based)

Proprietati Conectarea si deconectarea echipamentelor din retea in timpul functionarii

FlexIO rack - rack miniatura ce poate stoca diverse tipuri de module I/O. Power taps (sau tees - teuri) - impart semnalul pe ramurile laterale mici. In cazul prezentat, unul din teuri este legat la sursa de 24V. Senzorul inteligent este alimentat din retea si contine suficienta logica incat sa lucreze ca nod de retea.

Tipuri de conectori

Thick trunk - 8A, 500m Thin trunk - 3A, 100m

Tipuri de cabluri

Lungime retea versus viteza: 156m/78m/39m - 25Kbps/250Kbps/500Kbps. Limita de lungime pt. o derivatie (drop line) - 6m.

Topologia retelei DeviceNet

III. ControlNet

Station MMI

Maintenance PC

Desktop PC

Information Level

Device Level

24vdc

509 -BOD

Modular I/O

Block I/O Micro Drive

Control Level

I/O, PLC or Linking Device

Programmable Device Support PC

Motor Starter

Micro PLC

Operator Interface

Drive

Servo

PLC or Linking Device

Controller

Ethernet

ControlNet

DeviceNet

ControlNet este complementar cu DeviceNet. Este sustinut si promovat de catre Open Devicenet Vendors Association (ODVA) (http://www.odva.org) (a fost transferat catre ODVA in 2008). Standardul este conceput pentru comunicarea ntre controlere, si permite mesaje mai complexe decat DeviceNet. Acesta nu este adecvat pentru comunicarea cu senzori i elemente de acionare individuale (electrovalve, relee etc.) ControlNet este mai complicat decat Devicenet. Cteva dintre caracteristicile cheie ale acestei reele: - Controlere si I/O multiple, pe aceeasi retea - Deterministic - Rate de transfer pana la 5Mbps - Topologii multiple (bus, star, tree) - Medii de transmitere multiple (coaxial, fibra optica, etc.) - Pana la 99 nodes cu adrese (pana la 48 fara repetor) - Pachete de date pana la 510 byte - Numar nelimitat de puncte I / O

- Lungimea maxima a retelei: 1000m, cablu coaxial, la 5Mbps - 2 noduri conectate 250m , cablu coaxial, la 5Mbps 48 de noduri 5000m, cablu coaxial, la 5Mbps, daca se folosesc repetoare 3000m, cu fibra optica, la 5Mbps 30Km , cu fibra optica, 5Mbps daca se folosesc repetoare ControlNet acepta 5 repetore in series, 48 de segmente in paralel Aceasta retea de control suporta un sistem de mesaje n timp real numit Concurrent Time Domain Multiple Access (CTDMA). Actualizarea se face in doua moduri: planificat (prioritate mare) si neplanificat (prioritate redus). La detectarea unei coliziuni, sistemul va atepta un timp de cel puin 2 ms mesaje neplanificate. Dar, mesajele planificat vor fi trecute mai devreme, n timpul unei fereastre de timp speciale. Topologia retelei: - trunchi liniar - arbore - stea - mixta.

Dimensiunea pachtelor de date: variabila, 0-510 byte Timp de actualizare (Scan Time): 2-100 ms (selectabil de catre utilizator) Moduri de comunicatie (Bus-Addressing) - Master/Slave - Mulit-Master - Peer-to-Peer I/O Data Triggers - Interogare - Ciclic - La schimbarea starii Nivelul aplicatiei (Application Layer) - Aplicatie orientata pe obiecte: Clasa / Instan / Caracteristica - Echipamentele sunt modelete ca obiecte, folosind profile

Alimentarea echipamentelor: echipamentele au sursa proprie de alimentare Echipamentele pot fi deconectete fara a opri reteaua Connectori utilizati BNC standard Nivelul fizic al retelei cblu coaxial R6/U sau fibra optica

Parametrii retelelor ControlNet

Parametru Limita

Numar maxim de noduri 99

Numar de repetoare Depinde de lungimea cablului

Rata de transmisie 5 Mbite/s (1.5s/Byte)

Repetoarele extind lungimea si/sau numarul de noduri. Repetoarele nu ocupa nicio adresa din cele 99 admise pe o retea.

Reteaua ControlNet ofera optiunea instalarii unui al doilea cablu de date. Acesta asigura redundanta - nodurile trimit aceeasi informatie pe ambele canale de transmisie. Nodurile receptoare compara calitatea semnalelor pe cele doua canale si selecteaza canalul mai bun pentru receptia urmatorului mesaj. Redundanta asigura un cablu de rezerva in cazul in care unul dintre ele instalat necorespunzator, este deconectat sau defect.

Fiecare tap conecteaza un nod la cablul principal. Un segment reprezinta sectiunile de cablu conectate prin tap, cu terminatoare la fiecare capat. Segmentul nu cuprinde repetoarele.

Fiecare nod poate trimite o singura structura MAC o data, cu dimensiunea maxima de 510 bytes. Fiecare Lpacket din cadrul unei structuri MAC poate fi adresat unor destinatari diferiti.

Structura - Media Access Control (MAC) este forma in care un nod ce transmite grupurile de date. Grupurile de date sunt prezentate sub forma de pachete, numite Lpackets (link packets). O structura MAC poate contine mai multe pachete de date Lpackets.

Punctele forte ale ControlNet Determinism la viteza mare

Transfer de date deterministic momentul cand vor ajunge datele este cunoscut (Scheduled services)

Transfer de date repetabil - intervale de timp de transmisie coerente in conditiile in care echipamentele se conecteaza si se deconecteaza de la reea

Redundanta Este disponibil un mediu de transmisie redundant Procesor de redundana disponibilPLC-5 Hot Backup

Se pot utiliza PLC-uri ca rezerva calda Se pot utiliza PLC-uri redundante

Mediu de transmisie adecvat conditiilor industriale Imunitate mare la zgomot (cablu coaxial si fibra optica) Echipamente si medii de transmisie cu siguranta intriseca Medii etane (IP67) n curs de dezvoltare

Mediu de lucru pasiv Nodurile se pot conecta si deconecta fara sa afecteze reteaua Topologie trunkline

IV. EtherNet

Ethernet a devenit formatul de retea predominant. Proiectarea si testarea primei retele Ethernet - in 1973, Centrul de Cercetri de la Palo Alto al corporaiei Xerox PARC, Robert Metcalfe. 1983 - IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) a lansat standardul oficial Ethernet denumit IEEE 802.3. 1985 - versiunea II (IEEE 802.3a). Exista mai multe tipuri de cadre (Ethernet frames) de transmisie a informatiile. Cardurile (placile) de retea sustin tipuri diferite de cadre. Medii de transmisie: - cablul coaxiale (cele mai vechi medii), - cablul torsadat (10 Mbps), - cresterea vitezei de transmisie a limitat lungimea conductoarelor de cupru (10 m pentru 100 Gbps), - la viteze i pe distane mari s-a trecut la fibra optic.

Potrivit estimarilor, este posibil ca Ethernet-ul sa ajunga la o viteza de transfer de ordinul terabitilor pe secund, folosind fibr optic, pn n 2015.

Toate protocoalele din familia Ethernet care transmit informaie n banda de baz folosesc codarea Manchester cu valorile de +0.85V i -0.85V.

Ethernet si suita TCP / IP reprezinta aceeasi tehnologie utilizata in majoritatea retelelor locale (LAN) si Wide Area Network (WAN) din aplicatiile comerciale si casnice. EtherNet / IP ofer utilizatorilor instrumentele necesare pentru a implementa tehnologia standard Ethernet pentru aplicatii industriale permitand totodata implementarea tehnologiilor Internet si acces la date in orice moment si din orice loc. EtherNet / IP ofera cateva avantaje unice pentru aplicatiile de automatizare: - permite, simultan, controlul configurarea si achizitia datelor de la dispozitivele inteligente printr-o singura retea sau utilizarea EtherNet ca retea primara pentru conectarea mai multor tipuri de retele industriale distribuite.

- compatiblite cu protocoalele standard Internet (ex. HTTP, FTP, SNMP, DHCP) si cu protocoalele standard industriale pentru accesul si schimbul de date, cum ar fi OPC. - utilizarea standardelor IEEE Ethernet ofera utilizatorilor o gama de viteze ale interfatei de retea (ex. 10, 100 Mbps si 1 Gbps) si o arhitectura flexibila a retelei, compatibila cu optiunile comerciale pentru instalarea Ethernet: conductor din cupru, fibra optica, wireless . - posibilitatea de utilizare a echipamentelor industriale care ncorporeaz conectori IP67 (RJ45 sau M12). - EtherNet / IP, la fel ca alte retele CIP (Common Industrial Protocol), foloseste modelul Open Systems Interconnection (OSI), care defineste un cadru pentru implementarea protocoalelor de retea n sapte nivele (straturi): fizic, legatura de date, retea, transport, sesiune, prezentare si aplicatii. Astfel este definita o suita completa de functionalitati, de la implementarea fizica pana la nivelul de aplicatie si interfata cu utilizatorul. EtherNet / IP foloseste CIP la nivelele de sesiune si cele superioare iar tehnologia EtherNet / IP propriuzisa este implementata la nivelul de transport si cele inferioare.

Cadrul de transmisie Ethernet (etherNet frame) este prezentat n figura urmatoare. Daca toti bitii din octetii adresei de destinatie sunt 1 logic atunci orice computer care primeste mesajul il va citi. Primii trei octeti ai adresei sunt specifici producatorului placii de retea, iar restul specifica adresa de destinatie. Adresa este comuna pentru toate versiunile de EtherNet. Adresa surs specifica expeditorul mesajului. Primii trei octeti sunt specifici producatorului cardului de retea. Octetii ramasi includ adresa sursa. Acest lucru este, de asemenea, identic in toate versiunile de EtherNet. Octetii EtherNet type permite identificarea cadrului transmis ca un pachet Ethernet versiunea II daca valoarea este mai mare decat 05DC hex. Celelalte tipuri de EtherNet utilizeaza acesti octeti pentru a indica lungimea pachetului de date transmis.

EtherNet / IP suporta modelul producator / consumator

Tipuri de mesaje - Implicit (I/O) - Explicit - Ambele pe acelasi fir

Mecanisme de declansare - Schimbarea starii - Date ciclice - Interogare

Transmisie - Point to Point - Multicast - Broadcast

Raportul nodurilor - Master / Slave - Multimaster - Peer to Peer

Nivelul fizic (physical-layer) Conectori:

Conectori standard, tip RJ45, plus RJ45 specifici mediului industrial, cu and IP67

RJ45 etansi Cabluri:

UTP/STP standard plus versiuni specifice mediului industrial-UTP/STP pentru medii cu zgomot elmg.

Fibra optica si conectori specifici

ETHERNET Protocol

Leased Line

1,2

3

4

7

Model OSI la nivelul solutiei Ethernet TCP/IP

Ethernet reprezinta suportul fizic.

Functii: Defineste o adresa unica, astfel incat computerele sau echipamentele sa se poata identifica reciproc pe retea

Determina modul de transmitere a datelor Proceseaza informatie la sosirea la destinatia finala.

T

Process Sensor Node

Actuator Node

Controller Node

Network

u(t) y(t)

sc

kcak

c

k Computational Delay

Care sunt cauzele latetnei variabile? Cat de derministic este Ethernet?

Schema bloc echivalenta

Process Sensor Node

Actuator Node

Controller Node

sc

kc

kca

k Delay

T

Equivalent Process with Variable Delay

Intarzierile ntr-o bucla de control reduc marginea de faz. Acest lucru poate provoca instabilitate, sau afectarea performantelor subsistemelor de control.

Daca intarzierea este mica, in comparatie cu timpul de esantionare, performantele nu sunt afectate in mod substatial.

Minimizarea inarzierilor:

- pastrarea incarcarii retelei la nivel minim - implementarea corecta a controlerelor: se genereaza intai iesirea (comanda) apoi se actualizeaza starile

De ce sunt intarzierile nedorite?

La proiectarea controlului se ia in considerare o intarziere egala cu 1 perioada de esantionare, iar comanda se aplica la pasul de esantionare urmator. Acest lucru duce la obtinerea unui timp de intarziere constant.

Se pot implementa si timpi de intarziere constanti < T.

Timpii de intarziere pot fi tratati ca incertitudini parametrice, utilizand metode de control robust (metoda mai complexa)

Utilizarea unui algoritm de control care compenseaza timpii de intarziere variabili. Asigura performante bune chiar si pt. intarzieri mari, dar apar algoritmi de control cu timpi variabili.

Daca intarzierile nu pot fi ignorate:

Ethernet

switch

switch

SCADA

Fieldbus

Ethernet

SCADA

simple devices

PLC PLC PLC

Soft-PLC Soft-PLC Soft-PLC Soft-PLC

Ethernet

echipamente scumpe Soft-PLC - concentratoi operatii bazate pe evenimente

echipamente ieftine I/O descentralizate operatii ciclice

Ethernet + Fieldbus (clasic)

Ethernet folosit ca Fieldbus

Ethernet de timp real

Metoda 1: sincronizarea ceasului comun: - operatii ciclice.

Metoda 2: IEEE 1588 (Agilent) PTP precision time protocol

Metoda 3: Powerlink B&R, Kuka, Lenze, Technikum Winterthur Metoda 4: Siemens Profinet V3 sincronizarea la nivelul switch-urilor

Master clock

Imbunatatiri pentru a compensa caracterul nedeterminist (nu sunt standard).

Puncte forte ale EtherNet/IP

Transfer de date foarte eficient Rate mari de transfer (baud) (10Mb, 100Mb), utilizarea de switch-

uri (in loc de hub-uri), transmisie de date full duplex pentru a minimiza efectul de coliziune a mesajelor, precum si izolarea retelei industriale de reteaua de Ethernet birou

Utilizarea produselor comerciale standard Set comun de instrumente de instalare si suport Standarde de retea consacrate Poate profita de serviciile web browsing

Medii de transmisie Suporta topologii tip stea Imunitate mare la zgomot (fibra optica) Extinderea lungimii retelei cu switch-uri multiple Medii etanse (IP67)