Průmyslové sítě

Základní síťové pojmy

V této částí budou vysvětlen model ISO/OSI, topologie sítí, přenosové média (jejích vlastností a využití) a přístupové metody.

Komunikační model

Komunikační modely definují pravidla, která musí dodržet každá stanice (řídicí členy, operátorské stanice i inteligentní instrumentace), účastnící se komunikačního procesu, t.j. výměny informace mezi účastníky přenosu. Nejznámějším modelem je referenční model ISO/OSI, definovaný již v r. 1983 mezinárodní standardizační organizací ISO jako norma ISO 7498.

Tento model definuje podmínky, při jejichž dodržení mohou různí účastníci přenosu spolehlivě komunikovat navzájem mezi sebou. Model je založen na vrstevnaté struktuře, kde daná vrstva poskytuje funkce(data) nadřízené vrstvě. V případě vysíláni zprávy volá vyšší vrstva službu vrstvy nejblíže nižší a naopak směrem nahoru poskytuje nižší vrstva svoje služby vrstvě vyšší. Každá vrstva má definovány dvě základní funkce. První jsou služby dané vrstvy a druhá funkce je protokol vrstvy. Jeho struktura je zobrazena na obr. 13.

13. ISO/OSI model

Fyzická vrstva

Definuje prostředky pro komunikaci s přenosovým médiem a s technickými prostředky rozhraní. Dále definuje fyzické, elektrické, mechanické a funkční parametry týkající se fyzického propojení jednotlivých zařízení. Je hardwarová.

Síťová vrstva

Definuje protokoly pro směrování dat, jejichž prostřednictvím je zajištěn přenos informací do požadovaného cílového uzlu. V lokální síti vůbec nemusí být pokud se nepoužívá směrování. Je hardwarová ale když směrování řeší PC s dvěma síťovými kartami je softwarová.

Transportní vrstva

Definuje protokoly pro strukturované zprávy a zabezpečuje bezchybnost přenosu (provádí některé chybové kontroly). Řeší například rozdělení souboru na pakety a potvrzování. Je softwarová.

Prezentační vrstva

Specifikuje způsob, jakým jsou data formátována, prezentována, transformována a kódována. Řeší například háčky a čárky, CRC, kompresi a dekompresi, šifrování dat. Je softwarová.

Aplikační vrstva

Je to v modelu vrstva nejvyšší. Definuje způsob, jakým komunikují se sítí aplikace, například databázové systémy, elektronická pošta nebo programy pro emulaci terminálů. Používá služby nižších vrstev a díky tomu je izolována od problémů síťových technických prostředků. Je softwarová.

Komunikaci mezi dvěmi uzly je znázorněna na obrázku 14. Ve vysílacím uzlu se provede zpracování zprávy v pořadí začínající aplikační vrstvou a končí fyzickou vrstvou. V přijímacím uzlu se zpracování vrstev, které vedlo k vyslání zprávy provádí opačně.

14. Komunikace

Ve většině případů není nutné využívat funkci všech vrstev modelu, např. dochází k redukci vrstev 3 a 4 a 6 a 7. Obecně se dá říci, že vrstvy 1 až 3 jsou vrstvy svázané s vlastním komunikačním procesem, zatímco vrstvy 5 až 7 úzce souvisejí s aplikačním SW. Transportní 4. vrstva tvoří přechod mezi těmito podsystémy.

Další informace jsou k dispozici v literatuře [13, 15].

Topologie sítě

Topologií sítě lze rozumět strukturu propojení jednotlivých účastníků komunikační sítě. Každá topologie má své určité vlastnosti.

Volba topologie má vliv na řadu vlastností sítě:

rozšiřitelnost - možnost a snadnost doplňování stanic do existující sítě
rekonfigurovatelnost - možnost modifikovat strukturu sítě při závadě některé komponenty
spolehlivost - odolnost sítě proti výpadku jednotlivých komponent

Druhy topologie:

sběrnicová
hvězdicová
kruhová
stromová
jejich vzájemné kombinace

Topologie sběrnice

Základním prvkem sběrnicové sítě je úsek přenosového média - sběrnice, na který jsou připojeny jednotlivé stanice sítě. Přenosným médiem je nejčastěji koaxiální kabel nebo symetrické vedení (kroucený dvoudrát), realizace pomocí optického kabelu je obtížná. Pro řízení těchto sítí je využívána řada deterministických i nedeterministických metod, které využívají faktu, že signál vysílaný jednou stanicí je přijímán ostatními stanicemi jen s malým zpožděním.

15. Topologie sběrnice

Topologie hvězda

Stanice sítě jsou připojeny k centrálnímu uzlu samostatnými linkami. Toto zapojení lze snadno realizovat, síť je odolná proti výpadku jednotlivých zařízení a linek, ale je citlivá na poruchu centrálního uzlu. Jako centrální uzel lze použít hub, switch, kde se signál z jedné linky rozděluje do ostatních linek hvězdy. U těchto sítí lze použít obdobné metody řízení jako u sítě typu sběrnice.

16. Topologie hvězda

Topologie kruh

U kruhových sítí jsou komunikační zařízení propojeny spoji, které jsou využívány pouze jednosměrně. Signál vyslaný jedním zařízením je postupně předáván ostatními stanicemi kruhu a po oběhu se vrací ke stanici, která jej odeslala.

dvoubodové jednosměrné spoje lze snadno realizovat i po optických vláknech
v síti lze kombinovat různá přenosová média
síť je citlivá na výpadek libovolného prvku (zařízení nebo linky )
možnost propojení velmi vzdálených zařízení (až desítky kilometrů)

17. Topologie kruh

Topologie strom

Stromová topologie je přirozeným rozšířením topologie typu "hvězda". Tato struktura odpovídá několika hvězdám, jejichž centrální jsou propojeny.

síť je odolná proti výpadku jednotlivých zařízení a linek
citlivá na poruchu uzlů
snadno rozšiřitelná

18. Topologie strom

Dále se této problematice věnuje literatura [13, 26].

Přenosové médium

U průmyslových lokálních sítí se jedná výhradně o sériový přenos. Nejčastěji se jedná se o vedení:

1) Kroucená dvoulinka (twisted pair)

Symetrické vedení realizované krouceným dvoudrátem je nejlevnějším přenosovým médiem. Ve většině případů jde o stíněný ( STP - Shielded Twisted Pair ) méně již nestíněný ( Unshielded Twisted Pair ) dvoudrát, který dovoluje přenášet signál na vzdálenost několika stovek metrů.

2) Koaxiální kabel

Nesymetrické vedení pomocí koaxiálního kabelu umožňuje dosáhnout přenosovou rychlost 1 - 20 Mb/s v základním pásmu (0-50 MHz - kódovaný datový signál) a až 20 Mb/s v přeloženém pásmu (50-500 MHz - modulovaný signál). Při přenosu v základním pásmu je přenosová vzdálenost omezena elektrickými vlastnostmi na stovky metrů. Koaxiální kabel má relativně dobrou odolnost proti rušení.

19. Koaxiální kabel

3) Optická vlákna

Optická vlákna využívají infračervené a viditelné oblasti světelného spektra pro přenos dat rychlostmi do 1 Gb/s na kilometrové vzdálenosti. Výhodou světelných vláken je vysoká přenosová kapacita při nízké ceně média a velká odolnost proti rušení, nevýhodou je příliš vysoká cena konektorů.

20. Optické vlákno

Další informace lze nalézt v literatuře [11, 26].

Přístupové metody

Přístupová metoda určuje princip přidělování sběrnice. Pro zabezpečení přístupu jednotlivých účastníků k jedinému přenosovému kanálu se používají v zásadě dvě skupiny metod:

metody náhodného přístupu

metody s definovaným přístupem

21. Přístupové metody

Mezi nejrozšířenější přístupové metody u sítí typu LAN patří metoda CSMA/CD (Carrier Sense Multipliing Access with Collission Detection), která patří do skupiny metod s náhodným (libovolným) přístupem. Pro tuto přístupovou metodu je charakteristické to, že uzel, který chce přenášet informaci, nejprve "naslouchá" dějům na přenosovém médiu a poté co zjistí, že zde neprobíhá komunikace, zahájí přenos. V případě, že se v jednom okamžiku pokusí o zahájení přenosu více uzlů (dojde ke kolizi), všechny kolidující uzly přeruší vysílání a pokus o vyslání zprávy opakují po náhodném časovém úseku (aby se předešlo opětovné kolizi). Aby kolizi rozpoznali všechny kolidující uzly, vyšle uzel po detekci kolize tzv. kolizní posloupnost (jam). Tato metoda je vhodná především pro sběrnicovou strukturu sítě. Hardwarové řešení této metody je poměrně jednoduché a systém je velice spolehlivý, avšak při vyšší zátěži přenosového média vzrůstá počet kolizí a tím se snižuje přenosový výkon sítě.

Pro účely automatizace jsou vhodné právě ty přístupové metody, které umožňují a zaručují definovaný přístup účastníků k síti. Jsou to především metody master/slave a token passing metody.

Rovněž modifikované metody náhodného přístupu (CSMA) lze v průmyslové automatizaci použít. Se zvyšující se rychlostí a segmentizací sítí Ethernet dochází k průniku i těchto typických LANů, tedy sítí pro kancelářské použití, až do úrovní blízkých řízenému procesu.

Vzhledem ke specifickým požadavkům automatického řízení na komunikační proces, nevyužívají průmyslové komunikační sběrnice a protokoly všechny vrstvy ISO/OSI. Vesměs se využívají jen 1., 2. a 7. vrstva referenčního modelu.