Upotreba računala za upravljanje je najvažnija značajka suvremenih upravljačkih sustava u procesnoj industriji. Računala se povezuju neposredno na proces a međusobno se povezuju u mrežu računala. U početku primjene računala za upravljanje, kada su računala bila vrlo skupa, upravljanje se je zasnovalo na upotrebi jednog velikog središnjeg računala, no razvojem tehnologije poluvodičkih elemenata cijena računala postaje sve manje značajna i istovremeno snaga malih računala omogućuje primjenu velikog broja računala za upravljanje proizvodnje u nekom pogonu ili cijeloj tvornici. Svaki industrijski pogon se sastoji od velikog broja procesnih jedinica koje se mogu upravljati računalom, tako da se vrlo često veliki broj računala u industrijskom pogonu međusobno povezuje u višerazinsku strukturu računalnu mreže. Na prvoj računalnoj razini nalaze se računala za neposredno upravljanje pojedenim procesima. Ova računala imaju zadaće upravljanja slijedom operacija i regulaciju pojedinih procesnih veličina. Informacije s razine neposredne proizvodnje prenose se na višu razinu. Na ovoj razini se obavljaju složeni zadaci upravljanje kao što je optimiranje proizvodnih planova. Takova računala podržavaju distribuirane baze podataka o tekućoj proizvodnji kao i tehničku dokumentaciju o procesnim jedinicama. Na najvišoj razini se nalazi središnje ili glavno računalo koje ima najveću procesnu moć obrade informacija. Za razmjenu informacija u ovako organiziranim računalnim sustavima razvili su se specifične računalne mreže koja su prilagođene određenoj razini komunikacije i fizičkim uslovima koji vladaju u pojedinim područjima. Kao primjer tako organiziranog sustava prikazana je mrežna struktura tiskarskog postrojenja u kojoj je primijenjen moderan pristup automatizaciji i mrežnoj tehnologiji.
Princip rada Interbus-S mreže
Interbus-S senzorsko-aktorska mreža je digitalni serijski komunikacijski sustav za prijenos podataka između kontrolnog sustava i raznoraznih senzora i aktora. Interbus-S je koncipiran kao serijski podatkovni prsten koji radi isključivo u realnom vremenu u okviru master/slave metode kontrole prijenosa a strukturiran je kao pozadinski posmični registar. Svaki član mreže (slave) sa svojim registrima dio je tog prstenastog posmičnog registra. Interbus master u mrežnom modulu čini centralni dio Interbus sustava koji kontrolira čitav sustav te omogućava da su ulazno-izlazni podaci dostupni slici procesa. Tijekom jednog mrežnog ciklusa serijski se isporučuju izlazni podaci članovima mreže ali se istovremeno od njih zaprimaju ulazni podaci. Na kraju ciklusa svi izlazni podaci su distribuirani a ulazni upisani u ulaznu mapu slike procesa. Koristeći prstenastu strukturu moguće je ostvariti istovremenu predaju i zaprimanje podataka (full dupleks) a predvidljivo vrijeme pristupa za sve članove mreže je zajamčeno.
Interbus-S mrežna toplogija
Topologija ove mreže je prsten koji sve članove mreže integrira u jedinstven transportnu putanju. Dodatna karakteristika Interbus-S mreže je prijenos podataka u oba smjera za sve članove. Fizički izgled mreže je radi toga linijska ili razgranate struktura s pojedinačnim ograncima. Spajanje na mrežu ostvaruje se mnogostrukim serijskim spojevima tako da svaki član svojim ulazom zaprima podatke od prethodnog člana te ga odašilje prema slijedećem. U tom kontekstu linije se označavaju kao DO (DataOut) linija ako je tok podataka od nadređenog (mastera) te kao DI (DataIn) ako je tok podataka ka nadređenom. Analizirajući realnu strukturu mreže mogu se izvući slijedeće prednosti:
- Adresiranje članova mreže pomoću kodnih prekidača nije potrebno jer je fizičkim položajem svaki član jasno određen u mreži.
- Nisu potrebni skupi pojačivači signala jer se signal u svakom članu mreže regenerira.
- Omogućen je istovremeni prijam i odašiljanje podataka što karakterizira prijenos kao full dupleks.
- Point to point struktura omogućava zamjenu transportnih medija (svjetlovoda naprimjer) u bilo kome dijelu mreže ako je to potrebno s obzirom na smetnje u tom dijelu.
- Omogućena je implementacija rutina samodijagnostike svakog člana mreže.
Ovako opisana topologija omogućava spajanje najviše 512 mrežnih članova dok je ukupna količina podataka 4098 bita što je uobičajena ulazno-izlazna mapa većine procesnih računala. U fizičkoj strukturi Interbus-S industrijske mreže razlikujemo dvije vrste mrežnih segmenata. Jedan od tih segmenata nazivamo Remote bus i on predstavlja vezu između mrežnih čvorova koji ne nose informaciju nego omogućavaju daljnje grananje strukture . Na svaki mrežni čvor nastavlja se segment koji se naziva Local bus i koji spaja ulazno-izlazne mrežne članove u prsten. Maksimalna duljina Remote bus-a odnosno udaljenost između dva Remote bus mrežna adaptera (BA–BusAdapter) je 400 metara dok je ukupna duljina mreže limitirana na 13 km. Udaljenost između dva mrežna člana unutar Local Bus-a je 20 metara.
OSI model Interbus-S protokola
Interbus-S protokol baziran je na OSI referentni model ali zbog gore navedenih specifičnosti koristi samo 1,2 i 7 sloj . Ostale funkcije od 3 do 6 sloja implementirane su u 7 (aplikacijskom) sloju. Koristeći fizički sloj signali se odašilju standardnom brzinom od 500 kbps koristeći NRZ (non-return to zero) metodu. Podatkovni sloj se brine za integritete podataka i upravlja cikličkim prijenosom podatka koristeći summation frame method. Ovaj sloj prosljeđuje podatke aplikacijskom sloju preko dva različita podatkovna kanala:
- Podatkovni kanal procesa (Process Data Channel) je primarni kanal Interbus-S mreže i koristi se za prijenos procesnih informacija koje se obrađuju skupom senzora i aktuatora.
- Parametarski kanal (Parameter Channel) omogućava cikličku razmjenu parametarskih podataka između složenijih članova uključenih u mrežu. Ovaj kanal zahtjeva veći komunikacijski paket i koristi servise bazirane na master-slave strukturi.
Svaki Interbus-S mrežni član sadrži procesni kanal dok je parametarski dodan kao mogućnost (opcija). Ovakva hibridna struktura protokola koja koristi dvije neovisne kanala podataka omogućava u istoj mreži implementaciju složenih (inteligentnih) mrežnih članova i jednostavnih senzora i aktora. Osim toga u svakom sloju se tijekom rada mreže izvršavaju dijagnostičke rutine o kjima se brine rutina koji se naziva Network Menegment (upravljanje mrežom) .
Summation Frame Protokol
Interbus-S je jedina industrijska mreža koja koristi summation frame method pomoću kojeg se razmjenjuje podaci između nadređenog i podređenih članova mreže u samo jednom komunikacijskom ciklusu i to simultano u oba smjera (full duplex). Ova metoda omogućuje predviđeno trajanje komunikacijskog ciklusa što mu daje prednost u procesima koji se kontroliraju u realnom vremenu. U summation okviru, koji se sastoji od zaglavlja (haeder), povratne riječi (loop-back word), podataka i kontrolne sekvence, podaci za sve članove mreže su grupirani u jedan podatkovni blok.
Razmjena podataka koristeći ovaj protokol izvršava se u s slijedećim sekvencama:
- Svi mrežni članovi se resetiraju te se identifikacijski kodovi dotičnog člana učitava u posmični registar.
- Nadređeni član inicira početak identifikacijskog ciklusa u kome se metodom posmaka transportiraju identifikacijski kodovi svih trenutno prisutnih članova zajedno sa količinom podataka koji pojedinačno obrađuju.
- Završetkom ID-ciklusa nadređeni ažurira trenutnu topologiju mreže i uspoređuje je sa zahtijevanom konfiguracijom te ako nema greške spreman je za početak podatkovnog ciklusa.
- U slučaju greške slijedeći identifikacijskim ciklusom moguće je rekonfigurirati mrežu te ponovo startati podatkovni ciklus.
- Pokreće se podatkovni ciklus koji se ciklički izvršava sve dok se CRC metodama ne utvrdi greška u prijenosu podataka što uzrokuje ponavljanje opisane sekvence.
Procesni podatkovni kanal
Procesni podaci su oni koji neposredno opisuju kontrolirani proces i predstavljaju u realnom vremenu stanja izvršnih i senzorskih uređaja koji sudjeluju u procesu. Kompleksnost tih podataka gledana sa stanovišta pojedinačnih mrežnih članova nije velika i kreče se od nekoliko bitova do d nekoliko bytova. Ova karakteristika omogućava umrežavanje u Interbus-S mrežu velikog broja mrežnih članova sa karakterističnom širinom podataka od 8 do 16 bita(1 word). Nakon što je utvrdio konfiguraciju mreže nadređeni može početi sa prijenosom podataka između procesnog računala i ulazno-izlaznih uređaja. Podatkovni ciklus uključujeposmak podatkovnih blokova prema podređenim članovima mreže i to po, u identifikacijskom ciklusu, utvrđenom redoslijedu i količini podataka. Kada podatkovni blok dospije do mrežnog člana provjerava se pripada li taj podatak tom članu. Ako je odgovor potvrdan mrežni član prihvaća dobavljene podatke u svoj izlazni registar te iz svog ulaznog registra prosljeđuje u posmični registar. Na ovaj način se nakon punog posmaka posmičnog registra razmjeni cjelovita slika procesa .
Parametarski podatkovni kanal
Parametarski podatkovni kanal koristi se da bi neovisni proizvođači razmjenjivali kompleksne podatke za svoje uređaje unutar Interbus-S mreže. Za razliku od procesnih podataka koji se prenose ciklički parametarski podaci se razmjenjuj samo na zahtjev određenog mrežnog člana. Kompleksnost tih podataka je u mnogome veća od procesnih i uobičajeno iznosi od 10 do 100 baytova. Tipični Interbus-S uređaji koji koriste parametarski podatkovni kanal su frekvencijski i tiristorski motorni pretvarači, servo-pozicioneri te operatorski i upravljački paneli. Implementacija parametarskog podatkovnog kanala u summation frame zahtjeva razdavanje kompleksnih parametarskih poruka na više dijelova. Tako razdvojeni parametri se potom prenose zajedno sa procesnim podacima unutar podatkovnog ciklusa i na taj se način proširuje podatkovni blok summation frame. Komunikacija koja koristi parametarski podatkovni kanal bazira se na klijent/server modelu:
- Mrežni član koji želi komunicirati šalje zahtjev (request) i on u komunikacijskom odnosu predstavlja klijenta.
- Interbus master prenosi zahtjev na ciljani podređeni član koji reagira odgovorom (response) i on predstavlja server.
- Ovaj se odgovor prenosi do člana koji je inicirao komunikaciju i na taj način mu se poručuje da može početi sa slanjem parametara.
- Slijedi razmjena parametara koristeći Interbus-S nadređeni uređaj kao posrednika u komunikaciji.
Parametarski podatkovni kanal može se koristiti i za razmjenu podataka između nadređenih (slave) članova mreže i između nadređenog i podređenog člana (što je češći slučaj).
Konektori i kablovi
Interbus-S standard (IEC 61158) se bazira na RS-485 standardu kao električnoj specifikaciji za prijenos podataka u Remote bus segmentu mreže.
Raspored priključaka standardnog ožičenja Interbus-S mreže s DB-9 konektorima:
Raspored priključaka standardnog ožičenja Interbus-S mreže s IP 65 konektorima:
Raspored spajanja Interbus-S mreže s terminalskim priključnicama:
Interbus-S ASICs
ASICs (Application Specific Integrated Circuit) je integrirani krug za primjenu u točno definiranoj aplikaciji za razliku od integriranih krugova opće namjene. Razvojem ASICs čipova pojednostavljen je i ubrzan razvoj krajnjih uređaja posebno u otvorenim industrijskim mrežama kao što je Interbus-S. Isto tako pojednostavljeno je razumijevanje i implementacija mrežnog protokola kod krajnjeg korisnika. Korisnicima Interbu-S mreže dostupna su dva ASICs čipa:
- Slave SuPI – implementacija podređenog mrežnog člana Interbus-S mreže s ulazno-izlaznim funkcijama
- Master IPMS – sučelje između Interbus-S mreže s jedne strane i mikroprocesorskog upravljanja s druge