Są takie urządzenia automatyki, jak na przykład wyłączniki krańcowe czy czujniki zbliżeniowe, które jeszcze przez pewien czas nie będą wyposażone w interfejsy standardu Ethernet. Warto zatem wiedzieć, w jaki sposób już dziś można podłączyć je do nowych sieci Ethernetu przemysłowego.
Przemysłowe standardy sieciowe typu: Arcnet, DeviceNet, Modbus, Profibus oraz inne podlegają ciągłemu rozwojowi. Szybki rozwój Ethernetu nie oznacza więc, że można zapomnieć o innych technologiach. Sytuacja, w której użytkownicy systemów automatyki musieliby wybierać pomiędzy nimi a promowanym w ostatnim czasie standardem Ethernet, byłaby niekorzystna dla interesów zakładu przemysłowego. Trzeba dążyć do tego, aby wszystkie one mogły ze sobą współpracować. Przynajmniej tak długo, jak konieczne będzie istnienie i
wykorzystywanie tradycyjnych standardów sieciowych, z przyłączonymi do nich modułami czujników, sterowników, elementów wykonawczych i We/Wy. Ponadto trzeba pamiętać, że sieci bazujące na standardzie Ethernet wymagają użycia wielu dodatkowych modułów infrastrukturalnych, jak: routery, switche, firewalle itp. Wszystkie tego typu urządzenia należy uwzględnić w kosztach ewentualnej inwestycji.
Do łączenia sieci o różnych standardach można wykorzystać wiele dostępnych na rynku urządzeń. Należą do nich: gatewaye, tzw. mostki, routery, małe serwery, konwertery itp. W przypadku łączenia sieci przemysłowych typu fieldbus i Ethernetu urządzenia takie mogą pracować w trybie slave, master lub ich kombinacji bądź opierając się na technice peer-to-peer.
Znajomość tych aspektów na nieco bardziej zaawansowanym poziomie może być pomocna w sprawnym tworzeniu zintegrowanego systemu złożonego z wielu standardów sieciowych.
Poniżej kilka praktycznych rozwiązań.
Gatewaye ? mostkowanie
CIP: standard EtherNet/IP bazuje na protokole CIP (Common Industrial Protocol), który jest podstawą innych standardów sieci przemysłowych ? DeviceNet i ControlNet. Ponieważ protokoły te wymieniają dane o identycznej strukturze, w dość łatwy sposób można połączyć np. skaner działający w sieci EtherNet/IP z innymi urządzeniami podłączonymi do sieci DeviceNet, na przykład poprzez gateway.
Modbus: z podobną sytuacją mamy do czynienia w przypadku standardów Modbus RTU i Modbus TCP, gdzie struktura przesyłanych danych jest w obu przypadkach identyczna. W znaczący sposób ułatwia to próby wzajemnego połączenia sieci zrealizowanych w tych standardach.
Gatewaye typu We/Wy
Często bywa jednak, że dwie łączone sieci bazują na różnych protokołach komunikacyjnych i w związku z tym mają różne struktury pakietów transmitowanych danych. W takich sytuacjach stosuje się gatewaye typu We/Wy, które interpretują i przekazują dane w obie strony. Urządzenia te mają zdolność odczytania wiadomości przesyłanej na przykład przez sieć standardu Ethernet i stworzenia na tej podstawie pakietu wiadomości z tą samą informacją dla innego typu standardu sieci przemysłowej.
Struktura master-slave: struktura zwana też niekiedy strukturą rodzic-dziecko. Powstaje w momencie, gdy użytkownik decyduje się na użycie konkretnego urządzenia ? najlepszego w swojej klasie do obsługi jakiejś konkretnej aplikacji ? które nie używa standardu Ethernet, zastosowanego w całym systemie sterowania. Wówczas dołącza się je przez odpowiedni gateway, który pracuje w trybie slave z punktu widzenia sieci Ethernet i jako master dla obsługiwanego urządzenia (ewentualnie urządzeń).
Przykładowo, może zaistnieć konieczność wymiany informacji między sterownikiem PLC, który działa w standardzie Modbus TCP, a centrum sterowania napędem, w którym zastosowano standard sieciowy Profibus.
W takim przypadku sygnały wyjściowe sterownika mogłyby być zapisywane w pamięci wewnętrznej gatewaya w postaci tabeli, zaś sam gateway mógłby być skonfigurowany jako urządzenie mapujące te wyjścia do odpowiednich urządzeń standardu Profibus, które pracują w trybie slave. Z kolei po stronie master sieci Profibus gateway mógłby być skonfigurowany jak każde inne urządzenie tej sieci. Takie, które może korzystać z danych pobieranych z modułów trybu slave. Tak więc gateway pracuje w tym układzie jako moduł mapowania wyjść urządzeń jednego standardu sieciowego i jako moduł master, który wysyła informacje do drugiego standardu.
Koncepcja Proxy: dla standardu Profinet opracowano specjalny typ gatewayów zwanych Proxy (urządzenie pośredniczące). Urządzenie tego typu pracuje również jako master dla sieci urządzeń pracujących w jednym z tradycyjnych standardów. Jednakże ma ono w sobie zapisany specjalny algorytm / specyfikację, który definiuje sposób wymiany danych między siecią Profinet a siecią tradycyjną. Gateway Proxy może być modułem oddzielnym lub też wbudowanym, na przykład w sterownik. W ten sposób, dajmy na to sterownik PLC, może komunikować się z kilkoma urządzeniami wykonawczymi i czujnikami z interfejsem AS-interface, a jednocześnie być na bieżąco połączonym z siecią standardu Profinet.
Konstrukcja Slave-Slave: w niektórych przypadkach aplikacje systemowe wymagają integracji dwóch zupełnie różnych technologii sieciowych z odmiennymi zasadami sterowania i wymiany danych. Przykładem może być chociażby pojedyncza maszyna z technologią sieciową typu fieldbus, instalowana w zakładzie korzystającym ze standardu Ethernet. Może tu zatem zaistnieć konieczność przesłania tylko kilku wybranych parametrów maszyny z jej sterownika PLC do sieci zakładowej. W takich wypadkach gateway pracuje jako moduł We/Wy w trybie slave dla obu sieci, pozwalając sterownikom każdej z nich na wysyłanie i odbiór niezbędnych danych.
Gatewaye szeregowe: ponieważ wciąż istnieją w aplikacjach przemysłowych moduły bez zintegrowanych portów standardu Ethernet, niejednokrotnie do komunikacji z nimi stosuje się sprawdzone, tradycyjne interfejsy szeregowe ? RS-232/422/485.
Serwery sprzętowe
Na rynku dostępne są również specjalizowane gatewaye, zwane serwerami sprzętowymi lub serwerami szeregowymi.
Stosuje się je w aplikacjach, wktórych konieczna jest zamiana danych z protokołów szeregowych na standard Ethernet. Modułów tego typu często używa się przy programowaniu urządzeń szeregowych poprzez sieć oraz w aplikacjach przesyłania pakietów danych szeregowych pod konkretne adresy IP.
Konwertery protokołów szeregowych
W innych aplikacjach urządzenia szeregowe są podłączane do sterowników PLC, korzystających ze standardu Ethernetu przemysłowego. Połączenie takie realizowane jest wówczas poprzez gatewaye działające jak konwertery protokołów (komunikacja szeregowa – Ethernet). Pewną trudność może powodować fakt, że na rynku istnieje bardzo wiele protokołów komunikacji szeregowej. Co więcej, niektóre z nich to protokoły firmowe (nie są otwarte).
Ponadto część protokołów używa dość skomplikowanych struktur przesyłanych danych. W każdym z przypadków jednak gateway musi prawidłowo interpretować dane przesyłane szeregowo, aby wydobyć z nich informację użytkową.
Informacja ta jest następnie mapowana w postaci tabeli do pamięci wewnętrznej gatewaya. W takiej postaci jest odczytywana na przykład przez sterownik za pośrednictwem sieci Ethernet.
Przykładowo: czytnik kodu paskowego może wysłać do gateweya odczytany z etykiety ciąg znaków ASCII, który oprócz informacji użytkowej zawiera: informacje dotyczące budowy ramki danych, bity sum kontrolnych, bity identyfikacyjne itp., które wynikają z zasad transmisji szeregowej.
W takiej aplikacji gateway musi wyrugować nadmiarowe informacje. Powinien podać do tabeli mapowania i sieci Ethernet tylko informacje użytkowe odczytane z kodu paskowego.
Planowanie integracji
Analizując aktualną sytuację w automatyce przemysłowej widać wyraźnie, że tradycyjne systemy i standardy sieciowe w najbliższej przyszłości wciąż będą jeszcze wykorzystywane. Nie zmienia to jednak faktu, że powoli dominującą rolę będzie przejmować standard Ethernet. Systematycznie zdobywa on coraz to nowe obszary i poziomy w aplikacjach przemysłowych. Warto więc tak zaplanować i zaprojektować systemy sieciowe w swoich zakładach, aby jak najlepiej dostosować się do wspomnianych trendów. Rezygnacja za wszelką cenę z istniejących już i funkcjonujących sieci automatyki na pewno nie ma większego sensu. Jednak ze względu na Ethernet przemysłowy warto skorzystać z szerokiej oferty dostępnych na rynku gatewayów oraz innych urządzeń, które pozwalają na wzajemne integrowanie tych standardów. Szczególnie jeśli weźmiemy pod uwagę, że są proste w konfiguracji, instalacji i utrzymaniu.
Trevor L. Lang, Sales Manager HMS Industrial Networks
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędui Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie