ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΔΟΚΙΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΩΝ ΛΟΓΙΚΩΝ ΕΛΕΓΚΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΥΛΙΚΟ ΕΝΤΟΣ ΤΟΥ ΒΡΟΧΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΔΟΚΙΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΩΝ ΛΟΓΙΚΩΝ ΕΛΕΓΚΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΥΛΙΚΟ ΕΝΤΟΣ ΤΟΥ ΒΡΟΧΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΚΠΟΝΗΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΧΑΡΙΣΗΣ Α.Ε.Μ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΧΑΣΑΠΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΜΑΡΤΙΟΣ 2008

2 Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή μου κύριο Γεώργιο Χασάπη για την πολύτιμη βοήθεια και τις εύστοχες παρατηρήσεις και υποδείξεις του οι οποίες ήταν ουσιαστικές για την ολοκλήρωση του έργου μου. Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2008 Βασίλειος Χαρίσης

3 Περίληψη Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκε και δοκιμάστηκε η λειτουργία ενός προσομοιωτή βιομηχανικού δικτύου προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών με το υλικό εντός του βρόχου ελέγχου (hardware in the loop simulator). Το βιομηχανικό δίκτυο που υλοποιήθηκε είναι το Industrial Ethernet ταχύτητας 100Mbps και περιλαμβάνει δύο PLC της εταιρίας Siemens της σειράς S7 300 και έναν προσωπικό ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η επικοινωνία του υπολογιστή με τα PLC επιτυγχάνεται μέσω του μοντέλου OPC Server OPC Client. Το OPC επιτρέπει την επικοινωνία μεταξύ υλικού και λογισμικού από διαφορετικούς κατασκευαστές και αναπτύχθηκε για να διευκολύνει τη συνδεσιμότητα των αυτοματισμών στις βιομηχανίες. Αυτό προϋποθέτει την ύπαρξη του OPC Server της Siemens και λογισμικού που υποστηρίζει την επικοινωνία OPC όπως το Matlab (μέσω του OPC Toolbox), το οποίο και χρησιμοποιήσαμε. Η επικοινωνία γίνεται μέσω των μεταβλητών της μνήμης cache του server που συνδέονται με θέσεις μνήμης στα PLC. Το πρώτο PLC λειτουργεί σαν γεννήτρια πακέτων και θεωρούμε ότι παράγει όλο το φορτίο των εγκατεστημένων εφαρμογών που εξυπηρετεί το δίκτυο. Το δεύτερο PLC θεωρούμε ότι εξυπηρετεί νέες εφαρμογές και συγκεκριμένα εκτελεί έναν υποθετικό αλγόριθμο ελέγχου μιας υποτιθέμενης διεργασίας. Ο υπολογιστής από τη μια απορροφάει τα πακέτα που στέλνει το πρώτο PLC και από την άλλη εξομοιώνει την υποτιθέμενη διεργασία που ελέγχει το δεύτερο PLC. Ο προσομοιωτής παρέχει αφενός τη δυνατότητα μελέτης της επίδρασης που έχουν στην απόκριση του δικτύου διάφορες παράμετροι του δικτύου όπως το πρωτόκολλο επικοινωνίας (ISO on TCP, TCP και S7 connection), ο χρόνος ανανέωσης της μνήμης του OPC Server και το μέγεθος των διακινούμενων δεδομένων και αφετέρου τη δυνατότητα αξιολόγησης εάν ένα βιομηχανικό δίκτυο με δεδομένο φορτίο μπορεί να εξυπηρετήσει μια νέα εφαρμογή με συγκεκριμένο ρυθμό δειγματοληψίας. Από τις μετρήσεις προέκυψε ότι δίκτυο με μέσο φορτίο 1250 Bytes ανά 250msec μπορεί να εξυπηρετήσει εφαρμογή με ρυθμό δειγματοληψίας μέχρι και 350 msec. Όσον αφορά τα πρωτόκολλα επικοινωνίας το ταχύτερο είναι το TCP με το μειονέκτημα ότι δε συνίσταται για μετάδοση πακέτων μεταβλητού μήκους. Το πρόβλημα αυτό λύνει το ελάχιστα πιο αργό ISO on TCP. Η επικοινωνία S7 είναι απλούστερη αλλά πολύ πιο αργή. Τέλος, αύξηση του χρόνου ανανέωσης της μνήμης του OPC Server και της ποσότητας των δεδομένων συνεπάγεται αύξηση του χρόνου απόκρισης, ενώ υπερβολική μείωση του χρόνου ανανέωσης δεν επιφέρει κανένα θετικό αποτέλεσμα. 5

4 6 Αναφορές

5 Περιεχόμενα Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Ιστορική Αναδρομή Σύντομη περιγραφή του HIL προσομοιωτή Δομή της εργασίας Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Τι είναι δικτυακό σύστημα αυτομάτου ελέγχου Πλεονεκτήματα και εφαρμογές Προβλήματα και λύσεις Τύποι βιομηχανικών δικτύων Fieldbus Profibus AS Interface Industrial Ethernet Πλεονεκτήματα έναντι του παραδοσιακού Fieldbus Industrial Ethernet εναντίον συμβατικού Ethernet Μειονεκτήματα του Industrial Ethernet Ασφάλεια και έξυπνες υπηρεσίες Industrial Ethernet πραγματικού χρόνου Profinet Κεφάλαιο 3 Περιγραφή του δικτύου Ροή των δεδομένων Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές Περιγραφή και λειτουργία του PLC Μνήμες Η σειρά PLC S Προγραμματισμός με το Simatic STEP Δομή του προγράμματος Το πρώτο PLC σταθμός Υλικό Ορισμός και διαρρύθμιση Το δεύτερο PLC σταθμός Υλικό

6 Περιεχόμενα Ορισμός και διαρρύθμιση Ο υπολογιστής Simatic PC Station Υλικό Ορισμός και διαρρύθμιση Ορισμός του δικτύου Industrial Ethernet Τρόποι επικοινωνίας Το πρωτόκολλο ISO Transport Το πρωτόκολλο TCP Το πρωτόκολλο ISO on TCP Η διεπαφή του χρήστη SEND/RECEIVE Εισαγωγή νέας σύνδεσης Φόρτωση των ρυθμίσεων στα PLC και στο PC OPC Server Client και Matlab Γενικά OPC Toolbox OPC Server της Siemens Κεφάλαιο 4 Ανάπτυξη περιβάλλοντος δοκιμών Προγραμματισμός του πρώτου PLC Προγραμματισμός του πρώτου PLC Προγραμματισμός του υπολογιστή Πρώτη λειτουργία Δεύτερη λειτουργία Κεφάλαιο 5 Αποτελέσματα της προσομοίωσης Μετρήσεις για το πρώτο PLC Μετρήσεις για το δεύτερο PLC Μετρήσεις και για τα δύο PLC ταυτόχρονα Κεφάλαιο 6 Συμπεράσματα Αναφορές

7 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Ιστορική Αναδρομή Όπως και με τις περισσότερες ειδικότητες της εφαρμοσμένης μηχανικής έτσι και ο αυτόματος έλεγχος έχει τις ρίζες του στην ανάγκη για επίλυση πρακτικών προβλημάτων. Ο αυτόματος έλεγχος απασχολεί το ανθρώπινο γένος για πάνω από δύο χιλιάδες χρόνια. Η ώθηση για την ανάπτυξη της συγκεκριμένης επιστήμης δόθηκε από τέσσερα σημαντικά γεγονότα [23]: Την ακριβή μέτρηση του χρόνου από τους αρχαίους Έλληνες και τους Άραβες. Τη βιομηχανική επανάσταση στην Ευρώπη. Την εμφάνιση μαζικής επικοινωνίας μετά από τον Α και Β Παγκόσμιο Πόλεμο. Την αρχή της εποχής του διαστήματος και των υπολογιστών. Αρχικά, η ανάγκη για ακριβή μέτρηση του χρόνου έδωσε την ώθηση για την μελέτη αυτόματων συστημάτων [4]. Γύρω στο 270 π.χ. στην Αλεξάνδρεια της Αιγύπτου ο Έλληνας Κτεσίβιος εφεύρε ένα είδος ρυθμιστή στάθμης για τη χρήση του σε ένα ρολόι νερού. Ο ρυθμιστής αυτός διατηρούσε σταθερή τη στάθμη του νερού μιας δεξαμενής το οποίο είχε ως αποτέλεσμα τη σταθερή ροή νερού προς μια δεύτερη δεξαμενή, η στάθμη της οποίας εξαρτιόταν από το χρόνο που είχε περάσει από την έναρξη της διαδικασίας. Ο μηχανισμός αυτός είναι το σημερινό «φλοτέρ» που χρησιμοποιείται ακόμη και στα καζανάκια από τις τουαλέτες των σπιτιών μας. Με την πάροδο των χρόνων ο ρυθμιστής στάθμης χρησιμοποιήθηκε και για άλλες λειτουργίες 9

8 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή όπως η αυτόματη παροχή κρασιού και το άνοιγμα των θυρών των ναών. Ακόμη, πολύ Άραβες μηχανικοί σχεδίασαν συστήματα που βασιζόταν στην αρχή της ανατροφοδότησης. Δυστυχώς, όμως, οι έρευνες τους διακόπηκαν το 1258 όταν οι Μογγόλοι κατέλαβαν τη Βαγδάτη. Η εφεύρεση της ατμομηχανής από τον J Watt το 1769, σηματοδοτεί την έναρξη της Βιομηχανικής Επανάστασης στην Ευρώπη. Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας έκανε δύσκολο το χειροκίνητο χειρισμό των προηγμένων, για την εποχή, μηχανημάτων. Αυτό οδήγησε στην εμφάνιση ποικίλων συσκευών ελέγχου κάποιες από τις οποίες αφορούσαν ρυθμιστές στάθμης (για ακόμα μία φορά), ρυθμιστές θερμοκρασίας, πίεσης και ταχύτητας (governors). Το 1788 ο Watt χρησιμοποίησε τη φυγόκεντρο συσκευή αυτομάτου ελέγχου flyball (centrifugal governor) για τη ρύθμιση της ταχύτητας της περιστρεφόμενης ατμομηχανής. Καθώς τα συστήματα ελέγχου άρχισαν να γίνονται ιδιαίτερα περίπλοκα, η μέθοδος σχεδίασης δοκιμή και λάθος συνδυασμένη με τη διαίσθηση των μηχανικών άρχισε να αποδεικνύεται ανεπαρκής. Στα μέσα του 19 ου αιώνα χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά τα μαθηματικά για τον έλεγχο της ευστάθειας των συστημάτων ανατροφοδότησης. Από τις διαφορικές εξισώσεις έως το κριτήριο ευστάθειας του Routh και τις συναρτήσεις μεταφοράς, αυτή η μαθηματική μοντελοποίηση προωθήθηκε μέχρι το 1900 οπότε και κάνει την εμφάνισή της η θεωρία συστημάτων ελέγχου. Το 1840, ο Βρετανός αστρονόμος G.B.Airy ανέπτυξε μία συσκευή που έδινε τη δυνατότητα για εκτενέστερη παρατήρηση ενός άστρου με το τηλεσκόπιο. Η συσκευή διέθετε ένα σύστημα ελέγχου ταχύτητας το οποίο περίστρεφε το τηλεσκόπιο ώστε να αντιτίθεται στην αλλαγή θέσης λόγω της περιστροφής της γης. Ο Airy ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε διαφορικές εξισώσεις για την μελέτη της ευστάθειας του συστήματος κλειστού βρόγχου. Λίγο αργότερα, το 1868, ο J.C. Maxwell στο έγγραφό του "On Governors", ήταν σε θέση να εξηγήσει τις αστάθειες που παρουσιάστηκαν στο σύστημα αυτομάτου ελέγχου flyball, χρησιμοποιώντας διαφορικές εξισώσεις για να περιγράψει το σύστημα ελέγχου. Μέχρι τον 20 ο αιώνα η ανάλυση των συστημάτων ελέγχου γινόταν στο πεδίο του χρόνου. Μόνο στη δεκαετία του 20 και του 30 το πεδίο της συχνότητας με τα μαθηματικά του Laplace, Fourier και Cauchy άρχισε να παίζει σημαντικό ρόλο. Το κύριο πρόβλημα στα συστήματα μαζικής επικοινωνίας ήταν η ανάγκη για περιοδική ενίσχυση των σημάτων φωνής σε μακρές τηλεφωνικές γραμμές χωρίς την ταυτόχρονη ενίσχυση και του θορύβου. Σε αυτή την περιοχή ήταν που ο H. S. Black έδειξε τη χρησιμότητα της αρνητικής ανατροφοδότησης το 1927 με τους H. Nyquist και H. W. Bode να εισάγουν νέες τεχνικές σχεδίασης την επόμενη δεκαετία. Κατά τη διάρκεια των παγκόσμιων πολέμων, η ανάπτυξη του ελέγχου με ανατροφοδότηση έγινε ένα θέμα επιβίωσης. Ήταν το κλειδί στην ανάπτυξη συστημάτων ελέγχου των πλοίων, συστημάτων πλοήγησης καθώς και ακριβείας σκόπευσης των όπλων. Επίσης, η εξάλειψη του θορύβου έγινε και πάλι σημαντικό ζήτημα κατά τη διάρκεια μελέτης των προβλημάτων της επεξεργασίας των πληροφοριών η οποία συνδέθηκε με την εφεύρεση του «ραντάρ». Η δουλειά του MIT Radiation Lab οδήγησε στην ανάπτυξη προηγμένων τεχνικών σχεδίασης. Προς το τέλος της δεκαετίας του '50, η σχεδίαση συστημάτων ελέγχου στράφηκε και πάλι προς το πεδίο του χρόνου. Μπορεί αρχικά να φαίνεται παράξενο αλλά τελικά έχει νόημα με την εισαγωγή σύνθετων, μη γραμμικών πολλών μεταβλητών 10

9 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή συστημάτων που έχουν σχέση με εφαρμογές της αεροδιαστημικής. Μέχρι την δεκαετία του 1960, τα συστήματα υλοποίησης των αλγορίθμων ελέγχου ήταν μηχανικά. Αποτελούνται από ηλεκτρομηχανικούς διακόπτες, τους ηλεκτρονόμους ή αλλιώς ρελέ (relays) πού ανοίγουν ή κλείνουν μία επαφή ανάλογα με την ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Η χρήση των ρελέ παρουσίαζε πολλές δυσκολίες όπως ο δύσκολος προγραμματισμός τους (κάθε ρελέ έπρεπε να καλωδιωθεί ξεχωριστά), η περίπλοκη κατασκευή και η περιορισμένη διάρκεια ζωής. Επίσης, καθώς οι αλγόριθμοι γινόντουσαν όλο και πιο απαιτητικοί σε μνήμη και αριθμητικές πράξεις, τα συστήματα αυτά δεν μπορούσαν να ανταποκριθούν. Αυτά τα προβλήματα οδήγησαν στην εμφάνιση των PLC (Programmable Logic Controllers Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές) στα τέλη της δεκαετίας του 60. Η μετάβαση στα συστήματα με ψηφιακά ηλεκτρονικά άρχισε. Η εταιρία Bedford Associates παρήγαγε για λογαριασμό μιας μεγάλης Αμερικανικής εταιρίας κατασκευής αυτοκινήτων μια πρωτοποριακή για την εποχή συσκευή με την ονομασία MODICON (Modular Digital Controller Αρθρωτός Ψηφιακός Ελεγκτής). Και άλλες παρόμοιες συσκευές προτάθηκαν από διάφορες εταιρίες αλλά το Modicon έφερε το πρώτο PLC στην εμπορική παραγωγή. Τα PLC αποτέλεσαν μια μεγάλη καινοτομία στον τρόπο χειρισμού των διαδικασιών ελέγχου. Πλέον, οι όποιες αλλαγές στο σύστημα ελέγχουν γίνονται με λιγότερο κόπο, η διάγνωση των σφαλμάτων είναι γρηγορότερη και ευκολότερη και η συντήρηση διευκολύνθηκε. Παρόλα αυτά, αυτές οι νέες συσκευές θα έπρεπε να προγραμματίζονται εύκολα και με μια τεχνική με την οποία οι περισσότεροι άνθρωποι ήταν ήδη εξοικειωμένοι. Επίσης, ήταν απαραίτητη η γνώση υψηλής ηλεκτρονικής για τη σωστότερη εγκατάσταση και συντήρησή τους. Στις αρχές της δεκαετίας του 70 εμφανίζονται οι πρώτες δυνατότητες επικοινωνίας. Το σύστημα αυτό ονομάστηκε Modbus. Έτσι, τα PLC που βρισκόταν σε μακρινές αποστάσεις είχαν τη δυνατότητα να επικοινωνούν μεταξύ τους όπως επίσης και η μηχανή που ελέγχονταν μπορούσε να είναι απομακρυσμένη. Ακόμη, απέκτησαν τη δυνατότητα αποστολής και λήψης διαφόρων τιμών ηλεκτρικών τάσεων ώστε να μπορούν να συνδέονται με αναλογικές συσκευές. Η έλλειψη όμως τυποποίησης και η συνεχώς μεταβαλλόμενη τεχνολογία κατέστησε την επικοινωνία των PLC σε μαρτύριο. Μία προσπάθεια τυποποίησης έγινε στη δεκαετία του 80 με το πρωτόκολλο MAP της General Motors, με το οποίο μπορούσαν να επικοινωνούν PLC διαφορετικών κατασκευαστών. Ένα εξίσου σημαντικό σημείο είναι ότι πλέον ο προγραμματισμός των PLC μπορεί να γίνει με οποιοδήποτε προσωπικό υπολογιστή, εφόσον είναι εφοδιασμένος με το κατάλληλο λογισμικό προγραμματισμού και όχι με τη χρήση ειδικών τερματικών προγραμματισμού. Κι ενώ η τεχνολογία προχωρά, φθάνουμε στη δεκαετία του 90 όπου τεχνολογικά έγινε μεγάλο άλμα (συσκευές μικρότερες, φθηνότερες, με σημαντικά αυξημένες δυνατότητες συγκριτικά με αυτές της προηγούμενης δεκαετίας) αλλά παράλληλα αυξήθηκε δυσανάλογα το κόστος εκπόνησης των προγραμμάτων και της θέσης σε λειτουργία των εγκαταστάσεων. Ακόμη, εκδόθηκε το πρότυπο IEC με σκοπό την ενοποίηση των γλωσσών προγραμματισμού των PLC διαφορετικών κατασκευαστών. Οι κατασκευαστές ρίχνουν πλέον σημαντικό βάρος στο λογισμικό όπου παρέχονται έτοιμες λύσεις για τομείς του αυτοματισμού με τη βοήθεια βιβλιοθηκών, εκμεταλλεύονται την πρόοδο των ηλεκτρονικών υπολογιστών και 11

10 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή χρησιμοποιούν την εξέλιξη στο λειτουργικό τους σύστημα (τεχνολογία windows) για να μειώσουν τους χρόνους στον προγραμματισμό των PLC (σχόλια προγράμματος, αντιγραφή τμημάτων προγράμματος από ένα πρόγραμμα σε άλλο κλπ). Εμφανίζονται νέες γλώσσες προγραμματισμού για τεχνολόγους σε γραφική μορφή (block διαγράμματα συναρτήσεων), όπου ο χρήστης μέσω βιβλιοθηκών κι έχοντας γνώση μόνο της παραγωγικής διαδικασίας συνθέτει τον αυτοματισμό του. Τα υπόλοιπα γίνονται στο παρασκήνιο για λογαριασμό του. Υποστηρίζεται τέλος και η εξέλιξη στις γλώσσες προγραμματισμού των ηλεκτρονικών υπολογιστών (Pascal, C++) για χρήστες που είναι εξοικειωμένοι σε τέτοια περιβάλλοντα. Τέλος, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται πλέον στη δικτύωση ασύρματη ή ενσύρματη για τον προγραμματισμό και την επιτήρηση εξ αποστάσεως μέσω ειδικών συσκευών επικοινωνίας και λογισμικού για ηλεκτρονικό υπολογιστή (SCADA) καθώς και στις επικοινωνίες Internet. Σήμερα η τεχνολογία των PLC έχει να επιδείξει πολυάριθμα επιτεύγματα. Μια από τις μεγαλύτερες και πιο επιτυχημένες εταιρίες κατασκευής PLC είναι η γερμανική Siemens, της οποίας τα PLC χρησιμοποιούνται στην παρούσα διπλωματική εργασία. 1.2 Σύντομη περιγραφή του HIL προσομοιωτή Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας ήταν η δημιουργία ενός, εργαστηριακής κλίμακας, προσομοιωτή με το υλικό εντός του βρόχου ελέγχου (hardware in the loop HIL simulator) για την προσομοίωση συστημάτων δικτυακού αυτόματου ελέγχου με PLC της Siemens τύπου S7 300 και προσωπικούς υπολογιστές. Με τον όρο HIL simulation [27] εννοούμε ένα σύστημα εξομοίωσης κάποιας πραγματικής διεργασίας ή ακόμη και ολόκληρου εργοστασίου του οποίου κάποια τμήματα έχουν αντικατασταθεί από πραγματικά φυσικά στοιχεία, που στην περίπτωσή μας είναι τα PLC. Με άλλα λόγια, ο βρόγχος ελέγχου δεν υλοποιείται μόνο με προγράμματα στον υπολογιστή αλλά υπάρχουν και πραγματικές συσκευές οι οποίες επικοινωνούν με τον υπολογιστή, όπου εκτελούνται τα προγράμματα προσομοίωσης, μέσω δικτύου. Οι συσκευές επιτελούν τις ίδιες λειτουργίες με αυτές που θα επιτελούσαν εάν βρίσκονταν στον κανονικό χώρο εργασίας τους, ενώ ο υπολογιστής τις εξαπατά κάνοντας τες να «πιστεύουν» ότι δουλεύουν στο πραγματικό περιβάλλον εργασίας, δηλαδή με πραγματικές εισόδους και εξόδους. Πιο αναλυτικά, στόχος της διπλωματικής ήταν η δημιουργία ενός βιομηχανικού δικτύου Industrial Ethernet, στο οποίο συνδέονται δύο PLC και ένας προσωπικός ηλεκτρονικός υπολογιστής και η ανάπτυξη εφαρμογών που επιδεικνύουν την ορθή λειτουργία του όλου συστήματος. Οι μέχρι τώρα διπλωματικές εργασίες πάνω στον δικτυακό αυτόματο έλεγχο με PLC χρησιμοποιούσαν δίκτυο Profibus. Για το λόγο αυτό «στήθηκε» από την αρχή ένα νέο δίκτυο με καινούριο προσωπικό υπολογιστή και ένα καινούριο PLC. Για τη μελέτη των επιδόσεων του δικτύου θεωρούμε ότι το δίκτυο δεν εξυπηρετεί μόνο μία συγκεκριμένη εφαρμογή αυτομάτου ελέγχου αλλά και άλλες εφαρμογές που το επιβαρύνουν. Υπάρχουν, δηλαδή, και άλλα πακέτα που πρέπει να 12

11 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή διεκπεραιωθούν. Έτσι, το ένα PLC θεωρούμε ότι προσομοιώνει όλες τις εγκατεστημένες εφαρμογές (του εργοστασίου για παράδειγμα) που εξυπηρετεί το συγκεκριμένο δίκτυο, δηλαδή, ενεργεί σαν γεννήτρια πακέτων που παράγει ολόκληρο το φόρτο του δικτύου. Το δεύτερο PLC θεωρούμε ότι εξυπηρετεί νέες εφαρμογές, για παράδειγμα εκτελεί τον αλγόριθμο ελέγχου ενός βρόχου ή μιας διεργασίας. Από την άλλη πλευρά ο υπολογιστής επιτελεί δύο εργασίες, πρώτον απορροφάει τα πακέτα που παράγει η γεννήτρια πακέτων (το πρώτο PLC) και δεύτερον εξομοιώνει τη διεργασία που ελέγχει το δεύτερο PLC. Η αρχιτεκτονική του δικτύου προσομοίωσης φαίνεται στην εικόνα 1.1. Η επικοινωνία του υπολογιστή με τα PLC γίνεται μέσω του OPC software interface [13],[12],[20] το οποίο είναι εγκατεστημένο στον υπολογιστή. Το OPC είναι ένα ελεύθερο λογισμικό που επιτρέπει την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ υλικού και λογισμικού διαφορετικών κατασκευαστών. Αναπτύχθηκε από την OPC Foundation με σκοπό να διευκολύνει την συνδεσιμότητα των αυτοματισμών στις βιομηχανίες. Το OPC βασίζεται στο μοντέλο client server. Ο OPC server συλλέγει τα δεδομένα από τα PLC και τα στέλνει στον OPC client από τον οποίο μπορούν να τα χρησιμοποιήσουν οι συμβατές εφαρμογές. Πιο συγκεκριμένα, ο OPC Server διαθέτει στη μνήμη του (cache) εσωτερικές μεταβλητές που ονομάζονται server items και συνδέονται με θέσεις μνήμης και μπλοκ δεδομένων στο PLC. Από την άλλη, στον OPC Client δημιουργούνται μεταβλητές που ονομάζονται daitems, οργανώνονται σε ομάδες που ονομάζονται groups και αντιστοιχούν σε συγκεκριμένα server items του OPC Server. Η συμβατή εφαρμογή μέσα από τα daitems έχει πρόσβαση και επικοινωνεί με τα PLC. Επομένως, εγκαταστάθηκε στον υπολογιστή ο OPC Server της Siemens [13] ενώ το MATLAB είναι συμβατό με το OPC και σου παρέχει τα κατάλληλα εργαλεία και εντολές, μέσω του OPC Toolbox [20], για να δημιουργήσεις έναν ή και περισσότερους OPC clients και να επεξεργαστείς τα δεδομένα που σου παρέχουν. Τη δυνατότητα να δημιουργήσεις OPC client σου την παρέχει και το Excel του Microsoft Office αλλά τελικά επιλέχθηκε η χρήση του MATLAB διότι εκεί γίνεται η προσομοίωση των διεργασιών με προγράμματα, η επεξεργασία των δεδομένων είναι πολύ πιο εύκολη και οι ευκολίες και οι υπηρεσίες που διαθέτει το OPC Toolbox είναι σαφώς περισσότερες και κάνουν την όλη διαδικασία πολύ πιο απλή και ευέλικτη. Με απλά λόγια, τα PLC επικοινωνούν απευθείας με το MATLAB. Επομένως, τα PLC στέλνουν τα δεδομένα στον υπολογιστή μέσω του OPC server OPC client, τα επεξεργάζεται και στέλνει απαντήσεις και πάλι μέσω του OPC server OPC client. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω τα PLC και ο υπολογιστής συνδέονται μεταξύ τους με δίκτυο (ενσύρματο) Industrial Ethernet [16],[21]. Με το Industrial Ethernet ένα ισχυρό δίκτυο είναι διαθέσιμο για την εξυπηρέτηση βιομηχανικών εφαρμογών, το οποίο συμφωνεί με τα standards IEEE (ETHERNET) και (ασύρματο LAN). Σε αντίθεση με το δίκτυο Profibus DP, στο Industrial Ethernet, όπως και στο συμβατικό Ethernet, δεν διαχωρίζονται οι διάφοροι σταθμοί σε Master και Slave. Όλοι είναι ισάξιοι και έχουν τα ίδια δικαιώματα πάνω στο δίκτυο με αποτέλεσμα οποιοσδήποτε σταθμός έχει δεδομένα έτοιμα για αποστολή να τα εκπέμπει αμέσως χωρίς να περιμένει το λεγόμενο Token που υπάρχει στο Profibus DP. Η πρόσβαση των σταθμών στο δίκτυο γίνεται με τη μέθοδο CSMA/CD. Τέλος, πάνω στο Industrial Ethernet εφαρμόζονται διάφορα πρωτόκολλα επικοινωνίας, όπως το TCP, το ISO Transport, το ISO on TCP κ.α. και προσφέρει ταχύτητες επικοινωνίας έως και 100 Mbps. 13

12 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Οι ελεγκτές που χρησιμοποιούνται στην προσομοίωση είναι της Siemens της σειράς S Ο προγραμματισμός τους γίνεται με το λογισμικό Simatic STEP 7 v5.4 [17],[18] το οποίο είναι εγκατεστημένο στον υπολογιστή. Εκτός από τον προγραμματισμό διαθέτει και λειτουργίες εποπτείας μεταβλητών και εργαλεία εύρεσης σφαλμάτων. Οι CPU των συγκεκριμένων PLC δεν έχουν ενσωματωμένες τις λειτουργίες σύνδεσης στο δίκτυο και για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται ειδικές κάρτες επικοινωνίας (CP communications processor) που ονομάζονται CP Lean [15] (μια κάρτα για κάθε PLC). Ο υπολογιστής συνδέεται στο δίκτυο μέσω της θύρας Ethernet που διαθέτει και βρίσκεται on board στη μητρική πλακέτα. Τα συμπεράσματα που αναμένεται να εξαχθούν από την εργασία αφορούν το χρόνο απόκρισης των εγκατεστημένων και των νέων εφαρμογών για διάφορες ρυθμίσεις του δικτύου. Ακόμη, θα γίνει προσπάθεια να χρησιμοποιηθεί ο προσομοιωτής για την αξιολόγηση της δυνατότητας που έχει ένα δεδομένο δίκτυο με δεδομένο υπάρχον φορτίο να δεχθεί μια νέα εφαρμογή με καθορισμένο ρυθμό δειγματοληψίας και αριθμό βρόχων ελέγχου. INDUSTRIAL ETHERNET OPC Server Step 7 OPC Client PLC 2 PLC 1 PC Station πρόγρα μμα πρόγρα μμα MATLAB Εικόνα 1.1: Αρχιτεκτονική του δικτύου Για την εύκολη και γρήγορη ρύθμιση των περισσότερων από τις παραμέτρους του δικτύου δημιουργήθηκαν στο Matlab δύο διεπαφές με γραφικά (GUI). Η μία (εικόνα 1.2) ρυθμίζει την επικοινωνία του υπολογιστή με το πρώτο PLC και η άλλη (εικόνα 1.3) με το δεύτερο. Έτσι ο χρήστης δε χρειάζεται να πληκτρολογεί εντολές στο Command Window του Matlab ούτε να θυμάται τα ονόματα των μεταβλητών που αντιστοιχούν σε κάθε παράμετρο. Κάθε διεπαφή ανάλογα με τη λειτουργία για την οποία προορίζεται δίνει στο χρήστη δυνατότητες όπως να επιλέξει το πρωτόκολλο επικοινωνίας που θα χρησιμοποιηθεί, τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβάνεται το Matlab την άφιξη νέων δεδομένων, το αν τα πακέτα που στέλνει το PLC θα έχουν τυχαίο ή σταθερό μέγεθος και ποιο θα είναι αυτό το μέγεθος, ποιο θα είναι το μέγιστο πιθανό μέγεθος στην περίπτωση των τυχαίων πακέτων, να ρυθμίσει το ρυθμό ανανέωσης (Update Rate) των group του Client, τη μέγιστη τυχαία χρονική καθυστέρηση με την οποία παράγονται τα πακέτα, το ρυθμό δειγματοληψίας και το 14

13 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή πλήθος των πακέτων που θα ανταλλαχθούν. Τέλος, και οι δύο διεπαφές παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την πορεία της διαδικασίας ανταλλαγής πακέτων ενώ με τη ολοκλήρωσή της παρουσιάζουν σε γράφημα την απόκριση του δικτύου και εμφανίζουν τη μέση, τη μέγιστη και την ελάχιστη τιμή της. Εικόνα 1.2: Διεπαφή για την πρώτη λειτουργία του υπολογιστή (επικοινωνία με το 1 ο PLC) Εικόνα 1.3: Διεπαφή για τη δεύτερη λειτουργία του υπολογιστή (επικοινωνία με το 2 ο PLC) 1.3 Δομή της εργασίας Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια σύντομη αναφορά στο τι είναι δικτυακά συστήματα αυτομάτου ελέγχου, ποια τα πλεονεκτήματά τους και τι προβλήματα εμφανίζουν. Ακόμη, παρουσιάζονται συνοπτικά διάφοροι βασικοί τύποι βιομηχανικών δικτύων ενώ δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στο Industrial Ethernet και τις αυξημένες απαιτήσεις του για την εξυπηρέτηση των βιομηχανικών εφαρμογών. Περιγράφονται τα πλεονεκτήματά του έναντι των παραδοσιακών δικτύων Fieldbus και οι ιδιαιτερότητες του σε σχέση με το συμβατικό Ethernet. Επίσης, αναλύονται οι έξυπνες εφαρμογές που υποστηρίζει και η υψηλή ασφάλεια που παρέχει ενώ δεν παραλείπονται και τα μειονεκτήματά του, τα 15

14 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή οποία έρχονται να λύσουν το Industrial Ethernet πραγματικού χρόνου και το Profinet. Τα επόμενα κεφάλαια ασχολούνται με την εγκατάσταση του δικτύου και την ανάπτυξη του προσομοιωτή. Στο κεφάλαιο 3, αρχικά, αναφέρονται κάποια βασικά στοιχεία της δομής και λειτουργίας των προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών. Έπειτα, γίνεται αναφορά στο πακέτο προγραμματισμού των PLC που χρησιμοποιούνται στην παρούσα διπλωματική (STEP7) και στο πως είναι δομημένα τα προγράμματά τους. Σειρά έχει η περιγραφή των συσκευών που αποτελούν τους σταθμούς του δικτύου και η παρουσίαση των χαρακτηριστικών τους. Παράλληλα παρατίθεται και ο τρόπος που πρέπει να διαρρυθμιστούν μέσα σε ένα project του STEP7 ώστε να είναι δυνατός ο μετέπειτα προγραμματισμός τους. Επίσης, περιγράφεται το δίκτυο Industrial Ethernet που υλοποιήσαμε, ο τρόπος σύνδεσης των μονάδων σε αυτό και τα πρωτόκολλα επικοινωνίας που υποστηρίζονται και χρησιμοποιούμε. Και πάλι εδώ παρατίθενται οι ρυθμίσεις που πρέπει να γίνουν στο STEP7 για να υπάρξει σωστή επικοινωνία. Τέλος γίνεται παρουσίαση του λογισμικού με τη βοήθεια του οποίου επιτυγχάνεται η επικοινωνία των PLC με τον υπολογιστή (OPC Server Client), του τρόπου λειτουργίας του και των ρυθμίσεων των παραμέτρων του που παίζουν καθοριστικό ρόλο στις εφαρμογές. Από γενικές πληροφορίες περνάμε στα χαρακτηριστικά του server της Siemens και του OPC Toolbox του Μatlab. Το κεφάλαιο 4 περιέχει τα προγράμματα που αναπτύχθηκαν για τα PLC και το Matlab για τη δημιουργία του περιβάλλοντος δοκιμών. Έγινε προσπάθεια τα προγράμματα να παρουσιαστούν με κατανοητό τρόπο και ειδικά αυτά των PLC καθώς είναι γραμμένα σε γλώσσα χαμηλού επιπέδου που δεν είναι εύκολο να την παρακολουθήσει ο αναγνώστης. Τα προγράμματα του Matlab χωρίζονται σε δύο κατηγορίες αναλόγως με το ποια από τις δύο λειτουργίες του υπολογιστή υλοποιούν, σε αυτά που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία με το πρώτο PLC και σε αυτά που χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία με το δεύτερο PLC. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων που έγιναν με τον προσομοιωτή περιέχονται στο κεφάλαιο 5. Αρχικά παρουσιάζονται γραφικές παραστάσεις που απεικονίζουν το χρόνο απόκρισης του δικτύου για διάφορες τιμές παραμέτρων και φορτίου τόσο για τις εγκατεστημένες όσο και για τη νέα εφαρμογή. Ακόμη, γίνονται συγκριτικές αναλύσεις και παρουσιάζονται γραφήματα που δείχνουν το πώς οι τιμές διάφορων παραμέτρων επηρεάζουν την απόκριση. Στη συνέχεια παρατίθενται τα αποτελέσματα των μετρήσεων για τη δυνατότητα που έχει το δίκτυο να εξυπηρετήσει εκτός από τις εγκατεστημένες εφαρμογές και νέες με συγκεκριμένο ρυθμό δειγματοληψίας. Η εργασία ολοκληρώνεται με το κεφάλαιο 6 όπου γίνεται μια σύντομη ανασκόπηση και παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν. 16

15 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 2.1 Τι είναι δικτυακό σύστημα αυτομάτου ελέγχου Η χρήση ενός δικτύου δεδομένων μέσα σε ένα βρόχο ελέγχου έχει κερδίσει την προσοχή των επιστημόνων τα τελευταία χρόνια που οφείλεται στις οικονομικά αποδοτικές και ευέλικτες εφαρμογές του. Αυτό δεν είναι άλλο από ένα δικτυακό σύστημα αυτομάτου ελέγχου [24],[22]. Έτσι, δικτυακό σύστημα αυτομάτου ελέγχου ή απλώς δικτυακό σύστημα ελέγχου (Networked Control System NCS) είναι ένα σύστημα ελέγχου στο οποίο οι βρόχοι ελέγχου «κλείνουν» μέσω ενός δικτύου πραγματικού χρόνου. Το χαρακτηριστικό στοιχείο ενός NCS είναι ότι τα σήματα ελέγχου και ανατροφοδότησης ανταλλάσσονται μεταξύ των κόμβων του δικτύου με τη μορφή πακέτων πληροφορίας μέσω ενός δικτύου. Σε ένα τυπικό NSC υπάρχουν τα εξής τέσσερα βασικά στοιχεία: 1. Αισθητήρες (sensors), για τη συλλογή των δεδομένων 2. Ελεγκτές (controllers), για την παροχή αποφάσεων και εντολών 3. Ενεργοποιητές (actuators), για την εκτέλεση των εντολών ελέγχου 4. Δίκτυο επικοινωνίας (communication network), που να επιτρέπει την ανταλλαγή πληροφοριών Στην εικόνα 2.1 φαίνεται ένα τυπικό NCS. 17

16 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Εικόνα 2.1: Τυπικό δικτυακό σύστημα αυτομάτου ελέγχου. Τα δικτυακά συστήματα ελέγχου μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τη δομή τους [9] στα δικτυακά συστήματα ελέγχου με: άμεση δομή (direct structure) και ιεραρχική δομή (hierarchical structure) Τα δικτυακά συστήματα ελέγχου με άμεση δομή αποτελούνται από έναν ελεγκτή και ένα απομακρυσμένο σύστημα που περιλαμβάνει ένα φυσικό εργοστάσιο, αισθητήρες και ενεργοποιητές. Ο ελεγκτής και το εργοστάσιο βρίσκονται σε διαφορετική τοποθεσία και είναι άμεσα συνδεδεμένα με ένα δίκτυο δεδομένων (data network) ώστε να επιτελούν απομακρυσμένο έλεγχο κλειστού βρόχου, όπως φαίνεται και στην εικόνα 2.2. Το σήμα ελέγχου «ενθυλακώνεται» σε ένα πακέτο ή σε ένα πλαίσιο (frame) και αποστέλλεται στο εργοστάσιο μέσω του δικτύου. Έπειτα το εργοστάσιο επιστρέφει την έξοδο του συστήματος στον ελεγκτή τοποθετώντας την μέτρηση του αισθητήρα σε ένα πακέτο ή πλαίσιο. Σε μια πρακτική υλοποίηση πολλοί ελεγκτές μπορούν να τοποθετηθούν σε μια μονάδα υλικού (hardware unit) για να ελέγχουν πολλαπλούς NCS βρόχους με άμεση δομή. Παραδείγματα NCS με άμεση δομή είναι το εξ αποστάσεως εργαστήριο εκμάθησης (Overstreet & Tzes, 1999) και το σύστημα ελέγχου της ταχύτητας ενός DC κινητήρα. Η βασική ιεραρχική δομή αποτελείται από έναν κεντρικό ελεγκτή και από ένα απομακρυσμένο σύστημα κλειστού βρόχου, όπως αυτό φαίνεται στην εικόνα 2.3. Περιοδικά, ο κεντρικός ελεγκτής υπολογίζει και στέλνει, μέσα σε ένα πακέτο ή πλαίσιο, το σήμα αναφοράς στο απομακρυσμένο σύστημα. Το απομακρυσμένο σύστημα, στη συνέχεια, επεξεργάζεται το σήμα αναφοράς για να εκτελέσει τοπικό έλεγχο κλειστού βρόχου και δίνει στον αισθητήρα μέτρηση που προορίζεται για τον κεντρικό ελεγκτή για να επιτελέσει δικτυακό έλεγχο κλειστού βρόχου. Ο δικτυακός βρόχος ελέγχου έχει συνήθως μεγαλύτερη περίοδο δειγματοληψίας από τον τοπικό βρόχο ελέγχου καθώς ο απομακρυσμένος ελεγκτής υποτίθεται ότι ικανοποιεί το σήμα αναφοράς προτού επεξεργαστεί ένα νέο σήμα αναφοράς που μόλις έφτασε. Όμοια με την άμεση δομή, ο κεντρικός ελεγκτής μπορεί να εγκατασταθεί έτσι ώστε να εξυπηρετεί πολλούς δικτυακούς βρόγχους ελέγχου για πολλούς απομακρυσμένους ελεγκτές. Αυτή η δομή 18

17 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορες εφαρμογές που συμπεριλαμβάνουν κινητά ρομπότ (Tipsuwan & Chow, 2002) και τηλεδιαχείρηση (Tarn & Xi, 1998). Η χρήση της μιας ή της άλλης δομής εξαρτάται από τις απαιτήσεις τις εφαρμογής και από τις προτιμήσεις του σχεδιαστή. Για παράδειγμα ένας χειριστής ρομπότ (robotic manipulator) συνήθως χρειάζεται πολλούς κινητήρες στους συνδέσμους για να κινούνται όλοι μαζί ομαλά και ταυτόχρονα. Σε αυτή την περίπτωση θα ήταν καλύτερο να χρησιμοποιήσουμε έναν υπάρχοντα ελεγκτή ρομπότ και να στήσουμε το πρόβλημα του δικτυακού ελέγχου με ιεραρχική δομή. Από την άλλη, ένας σχεδιαστής μπορεί να χρειάζεται ένα δικτυακό σύστημα ελέγχου ταχύτητας DC κινητήρα για να έχει γρηγορότερη απόκριση πάνω στο δίκτυο. Η άμεση δομή είναι προτιμότερη σε αυτή την περίπτωση. Εικόνα 2.2: NCS με άμεση δομή Εικόνα 2.3: NCS με ιεραρχική δομή 2.2 Πλεονεκτήματα και εφαρμογές Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό γνώρισμα ενός NSC είναι ότι συνδέει τον κυβερνοχώρο με το φυσικό χώρο με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η εκτέλεση πολλών εργασιών από μεγάλη απόσταση. Επιπρόσθετα, τα δικτυακά συστήματα ελέγχου ελαττώνουν τις απαραίτητες καλωδιώσεις, έτσι, μειώνεται η πολυπλοκότητα και το 19

18 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου συνολικό κόστος σχεδίασης και εγκατάστασης του συστήματος ελέγχου. Ακόμη, πολύ εύκολα μπορούν να τροποποιηθούν και να αναβαθμιστούν προσθέτοντας αισθητήρες, ενεργοποιητές και ελεγκτές με μικρό κόστος και ελάχιστες αλλαγές στη δομή. Τέλος, η αποτελεσματική διανομή (sharing) δεδομένων μεταξύ των ελεγκτών τους επιτρέπει στα NSC να παίρνουν έξυπνες αποφάσεις. Οι πιθανές εφαρμογές των NSC είναι πολυάριθμες και καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα κλάδων όπως, διαστημικές και επίγειες εξερευνήσεις, πρόσβαση σε επικίνδυνα περιβάλλοντα, αυτοματισμοί εργοστασίων, εξ αποστάσεως διάγνωση και επίλυση προβλημάτων, αεροναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, επίβλεψη εργοστασίων και τηλεδιαχείρηση. 2.3 Προβλήματα και λύσεις Η ανάπτυξη του Internet συνδυασμένη με τα πλεονεκτήματα που παρέχουν τα NCS προσέλκυσε το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών σε ολόκληρο τον κόσμο. Παράλληλα με τα πλεονεκτήματα όμως εμφανίστηκαν και πολλές προκλήσεις που έδωσαν λαβή για πολλά και σημαντικά θέματα για έρευνα [9],[22]. Νέες στρατηγικές ελέγχου, αξιοπιστία και ασφάλεια των επικοινωνιών, κατανομή του εύρους ζώνης, ανάπτυξη πρωτοκόλλων για τη μεταφορά δεδομένων, σε πραγματικό χρόνο συλλογή δεδομένων και αποτελεσματική επεξεργασία των δεδομένων των αισθητήρων είναι μερικά από τα θέματα που ερευνήθηκαν σε βάθος. Η εισαγωγή ενός δικτύου επικοινωνίας στον βρόχο ελέγχου με ανατροφοδότηση έκανε την ανάλυση και το σχεδιασμό των NCS περίπλοκο. Καθώς τα NCS λειτουργούν πάνω σε δίκτυο, η μεταφορά των δεδομένων μεταξύ του ελεγκτή και των απομακρυσμένων συστημάτων επιβάλει μια καθυστέρηση δικτύου εκτός από την καθυστέρηση που προέρχεται από τον ελεγκτή για την επεξεργασία των δεδομένων. Στην εικόνα 2.4 φαίνεται η καθυστέρηση δικτύου στο βρόχο ελέγχου, όπου το r είναι το σήμα αναφοράς, u το σήμα ελέγχου, το y είναι το σήμα εξόδου, k είναι ο δείκτης χρόνου και το T είναι η περίοδος δειγματοληψίας. Η καθυστέρηση δικτύου μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ως προς την κατεύθυνση που έχουν τα δεδομένα σε αισθητήραπρος ελεγκτή καθυστέρηση (τ sc ) και ελεγκτή προς ενεργοποιητή καθυστέρηση(τ ca ). Η καθυστέρηση δικτύου απαρτίζεται τουλάχιστον από τρία τμήματα. Καθυστέρηση χρόνου αναμονής: Αναμονή μέχρι ο αποστολές να βρει διαθέσιμο το δίκτυο πριν να στείλει ένα πακέτο ή πλαίσιο. Καθυστέρηση πλαισίου: Καθυστέρηση τη στιγμή που ο αποστολές βάζει το πλαίσιο ή το πακέτο στο δίκτυο. Καθυστέρηση διάδοσης: Ο χρόνος που χρειάζεται το πακέτο ή το πλαίσιο να ταξιδέψει μέσα στο φυσικό μέσο. Εξαρτάται από την ταχύτητα μετάδοσης και την απόσταση μεταξύ αποστολέα παραλήπτη. 20

19 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Στη συνέχεια αξίζει να αναφέρουμε ότι τα χαρακτηριστικά της καθυστέρησης δικτύου εξαρτώνται από τον τύπο του δικτύου που χρησιμοποιείται. Έτσι, στα κυκλικά δίκτυα (cyclic service networks),όπως το ΙΕΕΕ 802.4, SAE token bus, PROFIBUS, IEEE 802.5, SAE token ring, FIP κ.α. τα σήματα μεταδίδονται κυκλικά, με ντετερμινιστική συμπεριφορά. Επομένως, η καθυστέρηση είναι περιοδική και μπορεί να μοντελοποιηθεί ως περιοδική συνάρτηση του τύπου και, με και την καθυστέρηση αισθητήρα προς ελεγκτή και ελεγκτήπρος ενεργοποιητή αντίστοιχα στην περίοδο δειγματοληψίας K (Halevi & Ray, 1988). Στην ιδανική περίπτωση τα μοντέλα δουλεύουν σωστά. Στην πράξη, όμως, μπορεί να υπάρξουν μικρές διαφοροποιήσεις στις περιοδικές καθυστερήσεις εξαιτίας διαφόρων λόγων. Για παράδειγμα, η απόκλιση μεταξύ των clock generator του ελεγκτή και του απομακρυσμένου συστήματος μπορεί να οδηγήσει σε διαφοροποιήσεις στην καθυστέρηση. Από την άλλη, τα δίκτυα τυχαίας προσπέλασης (random access networks), όπως το CAN και το ETHRNET, σχετίζονται με «περισσότερο» τυχαίες καθυστερήσεις. Αυτό οφείλεται στο ότι οι παράγοντες που αυξάνουν την «τυχαιότητα» είναι πολύ περισσότεροι όπως, οι συγκρούσεις των πακέτων και οι καθυστερήσεις σε κάποιο switch ή router. Αυτές οι τυχαίες καθυστερήσεις δικτύου έχει γίνει προσπάθεια να μοντελοποιηθούν χρησιμοποιώντας ποικίλες διατυπώσεις βασισμένες στην πιθανότητα και στα χαρακτηριστικά του αποστολέα και του παραλήπτη. Οι τεχνικές κυμαίνονται από τις απλές προσεγγίσεις όπως η διαδικασία Poisson έως τις περιπλοκότερες όπως η αλυσίδα του Markov (Markov chain), το μοντέλο ARMA κ.α. Εικόνα 2.4: Καθυστέρηση δικτύου σε NSC Μια από τις σημαντικότερες συνέπειες που επιφέρει η καθυστέρηση δικτύου είναι η υποβάθμιση της απόδοσης του δικτύου. Για παράδειγμα, αύξηση της υπερύψωσης και του χρόνου αποκατάστασης σε βηματική απόκριση. Ακόμη, αν το δίκτυο εισάγει μεγάλη καθυστέρηση μπορεί να προκαλέσει ακόμη και αστάθεια. Παράδειγμα Στην εικόνα 2.5 φαίνεται ένας βρόχος ελέγχου ενός DC κινητήρα από ένα ελεγκτή PI. Επίσης, σημειώνονται και οι δύο ειδών καθυστερήσεις που περιγράψαμε παραπάνω. 21

20 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Εικόνα 2.5: Βρόγχος ελέγχου Όπου: ελεγκτής PI, Κ P = , K I = και... το μοντέλο ενός DC κινητήρα Το β είναι για τη ρύθμιση των K P και K I. Εδώ, β=1. Ακόμη, τ ca = τ sc = τ/2. Στην εικόνα 2.5 φαίνεται ο κλειστός βρόχος ελέγχου ενός DC κινητήρα. Παρακάτω, στις εικόνες 2.6 και 2.7 φαίνεται η βηματική απόκριση για διάφορες τιμές της καθυστέρησης δικτύου τ και οι αρχικοί κλάδοι του γεωμετρικού τόπου ριζών του. Εικόνα 2.6: Βηματική απόκριση για διάφορες καθυστερήσεις δικτύου 22

21 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Εικόνα 2.7: Γεωμετρικός τόπος ριζών για διάφορα τ. Ένα άλλο πρόβλημα που εμφανίζεται από τη δικτυακή σύνδεση είναι η απώλεια ή η καταστροφή πακέτων. Πρωτόκολλα υψηλότερου επιπέδου (αναφερόμενοι στο μοντέλο OSI), όπως το TCP, είναι πιθανό να απαιτούν αναμετάδοση εάν εμφανιστεί σφάλμα σε ένα πακέτο ή κάποιος router ή switch το απορρίψει. Σε αυτή την περίπτωση η καθυστέρηση δικτύου αυξάνεται. Μερικές φορές, όμως, παρά το ότι κάποια σήματα ελέγχου ή αισθητηρίων χάνονται κατά τη μετάδοση το NCS λειτουργεί αποδεκτά. Τότε η αναμετάδοση είναι ανεπιθύμητη. Από τα παραπάνω γίνεται ξεκάθαρο ότι η επίλυση των προβλημάτων είναι ζωτικής σημασίας. Πολλές μεθοδολογίες και τεχνικές έχουν αναπτυχθεί με το πέρασμα του χρόνου. Κάποιες από αυτές είναι [9]: Augmented deterministic discrete time model methodology Queuing methodology Optimal stochastic control methodology Perturbation methodology Sampling time scheduling methodology Gain scheduler middleware Fuzzy logic modulation methodology Event based methodology End user control adaptation methodology Εξίσου σημαντική είναι και η δημιουργία δικτυακών πρωτοκόλλων κατάλληλων για εφαρμογές δικτυακού ελέγχου. Τα πρωτόκολλα αυτά «εφαρμόζονται» πάνω στο δίκτυο επικοινωνίας των NCS. Αυτά τα δίκτυα συνήθως τα ονομάζουμε βιομηχανικά δίκτυα. Τα βιομηχανικά δίκτυα εκτός των άλλων προσφέρουν αυξημένη ασφάλεια των δεδομένων (πχ με τη χρήση ειδικά θωρακισμένων καλωδίων για την αποφυγή παρεμβολών) και αξιόπιστη λειτουργία κάτω από ακραίες συνθήκες περιβάλλοντος. 23

22 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 2.4 Τύποι βιομηχανικών δικτύων Τα βιομηχανικά δίκτυα κατατάσσονται σε τρεις βασικές κατηγορίες. 1. Fieldbus ή Field bus (για παράδειγμα CAN, LON) 2. Ethernet 3. Ασύρματα δίκτυα (για παράδειγμα Bluetooth, ZigBee). Συχνά χρησιμοποιείται ο όρος WNCS (Wireless NCS).σύνδεση. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα βιομηχανικά δίκτυα είναι κατασκευασμένα έτσι ώστε να σου παρέχουν τη δυνατότητα μεταφοράς δεδομένων από και προς τις εγκαταστάσεις παραγωγής, τους σταθμούς ελέγχου σφαλμάτων, το επίπεδο κατασκευαστικής μονάδας και την κεντρική διεύθυνση της εταιρίας γρήγορα και αξιόπιστα, είτε τοπικά είτε σε παγκόσμια κλίμακα (μέσω internet) Fieldbus Με τον όρο Fieldbus εννοούμε ένα δίκτυο για πραγματικού χρόνου κατανεμημένο έλεγχο. Είναι ένας τρόπος να συνδεθούν τα διάφορα όργανα σε κάποιο εργοστάσιο παραγωγής. Σύμφωνα με την US based Fieldbus Foundation, Fieldbus είναι ένα εξολοκλήρου ψηφιακό, σειριακό, διπλής κατεύθυνσης σύστημα επικοινωνιών που διασυνδέει τον εξοπλισμού μετρήσεων με τον εξοπλισμό ελέγχου όπως αισθητήρες, ενργοποιητές και ελεγκτές. Στο βασικό επίπεδο των δικτύων των εγκαταστάσεων, χρησιμεύει σαν ένα τοπικό δίκτυο (LAN) για όργανα που χρησιμοποιούνται στον έλεγχο διεργασιών και στις εφαρμογές αυτοματοποιημένης κατασκευής και έχει ενσωματωμένη την ικανότητα να διανέμει τις εφαρμογές ελέγχου σε ολόκληρο το δίκτυο. Επιπλέον, το Fieldbus πρέπει να ένα ανοιχτό σύστημα που υποστηρίζεται από διάφορους κατασκευαστές και να μην είναι «δεμένο» με μία μοναδική τεχνολογία. Αν και η τεχνολογία Fieldbus υπήρχε από το 1988 με την ολοκλήρωση του προτύπου ISA S50.02, η ανάπτυξη ενός διεθνούς προτύπου διήρκησε πολλά χρόνια. Το 1999 η επιτροπή IEC SC65C/WG6 συνεδρίασε για να επιλύσει τις διαφορές των διαφόρων προτύπων για το Fieldbus. Το αποτέλεσμα αυτής της συνεδρίασης ήταν η αρχική μορφή του προτύπου IEC με οκτώ διαφορετικές ομάδες πρωτοκόλλων που ονομάζονται τύποι και οι οποίοι είναι. 1. FOUNDATION Fieldbus H1 2. ControlNet 3. PROFIBUS 4. P net 5. FOUNDATION Fieldbus HSE (High Speed Ethernet) 24

23 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου 6. Interbus 7. SwiftNet (πρωτόκολλο που δημιουργήθηκε για την Boeing) 8. WordFIP Με τον καιρό προστέθηκαν και άλλα πρωτόκολλα όπως για ασφαλή Fieldbus και πραγματικού χρόνου Ethernet based Fieldbus. Κάποια από τα πολλά πρωτόκολλα που υπάρχουν σήμερα είναι τα ακόλουθα: Interbus AS interface Lonworks CAN Modbus CANopen Profibus DeviceNet Bitbus SERCOS interface CompuBus Ethercat SafetyBus p FOUNDATION fielbus HART protocol Τα τελευταία χρόνια έχουν εμφανιστεί βιομηχανικά συστήματα επικοινωνίας βασισμένα στο Ethernet, με τα περισσότερα από αυτά να έχουν επεκτάσεις για επικοινωνία πραγματικού χρόνου. Αυτά έχουν τη δυνατότητα να αντικαταστήσουν τα συμβατικά fiieldbuses. Μερικά από αυτά είναι: Profinet IO Ethernet Powerlink SERCOS III VARAN Profibus Το Profibus (Process Field Bus) είναι το πιο διαδομένο πρωτόκολλο του Fieldbus με πάνω από είκοσι εκατομμύρια κόμβους σε χρήση παγκοσμίως [22]. Αξιοπιστία, μεγάλη ταχύτητα, ευελιξία, αυτά είναι τα χαρακτηριστικά του Profibus που το κάνουν ηγέτη στην παγκόσμια αγορά Fieldbus είτε για process είτε για production automation. Υπάρχουν τρεις διαφορετικές εκδόσεις του Profibus αναλόγως την εφαρμογή. 1. Profibus DP, για γρήγορη και κυκλική ανταλλαγή δεδομένων (process ή field communication) 2. Profibus PA, για εφαρμογές υψηλής ασφάλειας 3. Profibus FMS, για την ανταλλαγή δεδομένων (data communication) Το Profibus DP δημιουργήθηκε για την εύκολη σύνδεση PLCs και άλλων συσκευών από διαφορετικούς κατασκευαστές σε δίκτυο. Η αρχή λειτουργίας του 25

24 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου βασίζεται στο token passing, τη δυνατότητα δηλαδή κυκλικά ένας μετά τον άλλο οι σταθμοί να στέλνουν και να λαμβάνουν πληροφορίες από το δίκτυο. Κάθε συσκευή που βρίσκεται στο δίκτυο λαμβάνει μία μοναδική διεύθυνση και αποτελεί ένα σταθμό, ο οποίος χαρακτηρίζεται είτε ως ενεργητικός είτε ως παθητικός. Ένας ενεργητικός σταθμός έχει το δικαίωμα της πρόσβασης στο δίκτυο όταν του δίδεται μια «σκυτάλη» (αλληλουχία δεδομένων) που ονομάζεται token. Το token περνάει διαδοχικά στους ενεργητικούς σταθμούς κατά αυξανόμενη τιμή της διεύθυνσης (token rotation cycle). Οι παθητικοί σταθμοί χρησιμοποιούν το δίκτυο μόνο όταν τους ζητηθεί από τον σταθμό που διαθέτει τo token. Το PROFIBUS DP έχει σχεδιαστεί για την ανταλλαγή δεδομένων με υψηλές ταχύτητες ανάμεσα σε μία κεντρική συσκευή και τις κατανεμημένες μονάδες που διαθέτει. Οι ενεργητικοί σταθμοί του δικτύου μπορεί να είναι PLCs, προσωπικοί υπολογιστές ή γενικότερα εξελιγμένες μονάδες εποπτείας και ελέγχου. Ορίζονται ως αφέντες (master) ενώ οι μονάδες που ελέγχονται ονομάζονται σκλάβοι (slaves). Ένας master έχει πλήρη δικαιώματα πάνω στα slaves του ενώ η πρόσβασή του σε συσκευές άλλων master είναι εξαιρετικά περιορισμένη. Η ταχύτητα δικτύου κυμαίνεται από 9,6 Kbps έως 12 Mbps, ενώ τελευταία με τη χρήση οπτικών ινών μπορούμε να έχουμε επικοινωνία σε μεγάλες αποστάσεις (100 χιλιόμετρα). Τέλος, σημειώνεται ότι ο αριθμός των σταθμών του δικτύου πρέπει να είναι σχετικά μικρός. Στην εικόνα 2.8 φαίνεται γραφικά η λειτουργία του δικτύου. Εικόνα 2.8: Λειτουργία του δικτύου Profibus DP AS Interface Το actuator sensor interface [21] είναι το πιο απλό πρωτόκολλο επικοινωνίας βιομηχανικού δικτύου, σχεδιασμένο αποκλειστικά για τη βιομηχανία. Χρησιμοποιείται για τη σύνδεση αισθητηρίων, ενεργοποιητών, μηχανισμών κίνησης και άλλων field devices με PLCs με ένα δισύρματο, μη θωρακισμένο καλώδιο. Ότι συνδεόταν μέχρι τώρα με ξεχωριστά καλώδια, συνήθως μεγάλου μήκους, πλέον 26

25 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου τοποθετείται σε ένα μόνο καλώδιο τοπικά (επομένως σημαντικά χαμηλότερο κόστος), με μεγάλο βαθμό προστασίας. Επίσης, ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της τεχνολογίας AS i είναι ότι δεδομένα και βοηθητική ισχύς προς αισθητήρες και μηχανισμούς κίνησης μεταδίδονται από το ίδιο καλώδιο. Τέλος, υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης του AS i με ανώτερου επιπέδου βιομηχανικά δίκτυα για ολοκληρωμένες λύσεις (εικόνα 2.9). Εικόνα 2.9: Δίκτυο AS i συνδεδεμένο με Profibus και Profinet Industrial Ethernet Το Industrial Ethernet είναι ένα κυψελωτό δίκτυο σχεδιασμένο με βάση τα πρότυπα ΙΕΕΕ (Ethernet) και a/b/g/h (wireless LAN) για βιομηχανικές εφαρμογές. Μέχρι πρόσφατα, ένα PLC συνδεόταν με μια συσκευή «σκλάβο» μέσω ενός από τα πολλά «ανοιχτά» πρωτόκολλα όπως Profibus, modbus CANopen κ.α. Τώρα, υπάρχει αυξημένο ενδιαφέρον χρήσης του Ethernet σαν το πρωτόκολλο του επιπέδου συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων (link layer) μαζί με ένα πρωτόκολλο ανώτερου επιπέδου (αναφερόμενοι στο μοντέλο του OSI [8]). Δηλαδή, το Industrial Ethernet από μόνο του δε λειτουργεί. Απαιτείται η χρήση ενός πρωτοκόλλου του επιπέδου μεταφοράς για παράδειγμα όπως το TCP για να είναι δυνατή η επικοινωνία των εφαρμογών. 27

26 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Ethernet είναι η τεχνολογία στην οποία βασίζεται το Internet και προσφέρει πολλές δυνατότητες παγκόσμιας δικτύωσης. Οι πολυάριθμες ευκολίες που προσφέρει το Internet και το Intranet και είναι διαθέσιμες στο περιβάλλον γραφείου μπορούν τώρα να χρησιμοποιηθούν και στις εφαρμογές ελέγχου, στην αυτοματοποιημένη παραγωγή και διεργασίες. Η τεχνολογία Ethernet, που χρησιμοποιείται επιτυχημένα για χρόνια, σε συνδυασμό με τη μεταγωγή (switching), την πλήρως αμφίδρομη επικοινωνία (full duplex) και την αυτό αντίληψη (autosensing) επιτρέπει το «ταίριασμα» της απόδοσης του δικτύου με τις δικές μας ανάγκες. Πολλές κατασκευαστικές εταιρίες χρησιμοποιούν ξεχωριστά δκτυα ί για να υποστηρίξουν τις επιχειρησιακές και κατασκευαστικές λειτουργίες. Το «διοικητικό» δίκτυο υποστηρίζει παραδοσιακές διοικητικές λειτουργίες και εταιρικές εφαρμογές όπως ανθρώπινο δυναμικό, λογιστικά και προμήθειες. Αυτό το δίκτυο είναι βασισμένο στο πρότυπο του Ethernet. Το δίκτυο του επιπέδου ελέγχου συνδέει συσκευές ελέγχου και επίβλεψης όπως PLCs, Ι/Ο racks και human machine interfaces (HMIs). Το δίκτυο αυτό απαιτεί ένα router ή στις περισσότερες περιπτώσεις μία πύλη (gateway) για να μεταγλωττίσει τα πρωτόκολλα από προσανατολισμένα στις εφαρμογές (applicationspecific) σε βασισμένα στο Ethernet (Ethernet based). Το δίκτυο του επιπέδου των συσκευών συνδέει τις συσκευές εισόδου/εξόδου, συμπεριλαμβανομένου των αισθητήρων, με άλλες συσκευές αυτοματισμού και κίνησης, όπως ρομπότ και ενεργοποιητές. Η συνδεσιμότητα αυτών των συσκευών ήταν παραδοσιακά εφικτ ή με κάποιου τύπου filedbus. Έτσι λοιπόν, αντί να χρησιμοποιούνται αρχιτεκτονικές με πολλά ξεχωριστά δίκτυα, το Industrial Ethernet μπορεί να ενοποιήσει τα τρία δίκτυα που αναφέρθηκαν παραπάνω (διοικητικό, επιπέδου ελέγχου και επιπέδου συσκευών) σε ένα [2]. Τα τρία αυτά διαφορετικά δίκτυα φαίνονται στην εικόνα Εικόνα 2.10: Παραδοσιακή Fieldbus αρχιτεκτονική 28

27 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Πλεονεκτήματα έναντι του παραδοσιακού Fieldbus Το παγκοσμίως αποδεκτό Industrial Ethernet παρέχει δυνατότητα σύνδεσης συστημάτων αυτοματισμού μεταξύ τους, καθώς και με υπολογιστές και άλλες συσκευές ελέγχου (πχ PLCs). Καλύπτει εφαρμογές υψηλής κλίμακας, απαιτητικές σε όγκο πληροφοριών και ταχύτητα μετάδοσης καθώς έχει αυξημένη απόδοση. Οι πιο ποικίλοι τομείς εφαρμογών όπως τα γραφεία και οι εγκαταστάσεις παραγωγής μπορούν πλέον να δικτυώνονται πολύ εύκολα. Κάτι ιδιαίτερα σημαντικό είναι ότι η τυποποίηση της αρχιτεκτονικής του δικτύου εξαφανίζει κάθε ανησυχία δέσμευσης από την ιδιόκτητη δομή πρωτοκόλλου και δικτύου καθενός κατασκευαστή. Αυτό απλοποιεί ουσιαστικά τη δουλειά του χρήστη αφού πολλοί διαφορετικοί τύποι εξοπλισμού μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους απλά, συνδέοντάς τους στο ίδιο τοπικό Ethernet. Σε σύγκριση με το Profibus η ταχύτητα δικτύου είναι πολύ μεγαλύτερη, από 10 Mbps έως και 1 Gbps (με καλώδια Cat5e / Cat6 ή οπτικές ίνες) ενώ η ταχύτητα των 10 Gbps είναι προ των πυλών. Παράλληλα, και οι αποστάσεις επικοινωνίας είναι πολύ μεγαλύτερες (ακόμη και χωρίς τη χρήση ασύρματου δικτύου). Επίσης, οι αρχιτεκτονικές peer to peer αντικαθιστούν αυτές των master slave. Η διαθεσιμότητα του δικτύου είναι αυξημένη διότι γ ίνονται επεκτάσεις χωρίς κανένα πρόβλημα και διακοπή στη λειτουργία. Στη συνέχεια αξίζει να αναφερθεί ότι η χρήση του πρωτοκόλλου TCP (το ίδιο χρησιμοποιείται και στο internet) κάνει τις διαδικτυακές εφαρμογές πολύ πιο απλές. Η τηλε εποπτεία και η τηλεδιαχείρση, ι που φάνταζαν ακατόρθωτα, έγιναν πραγματικότητα μέσω internet και WAN. Ταυτόχρονα, το Ethernet είναι συνηθισμένο στα γραφεία και προσφέρει πολλές χρήσιμες υπηρεσίες όπως το e mail, FTP κ.α. με τις οποίες οι περισσότεροι χρήστες είναι λίγο πολύ εξοικειωμένοι. Εφαρμόζοντας αυτές τις υπηρεσίες στο δίκτυο βιομηχανικού ελέγχου δίνει στο προσωπικό ένα σημαντικό υπόβαθρο με αποτέλεσμα τη μείωση του κόστους εκπαίδευσής του. Τέλος, η χρήση σημείων πρόσβασης (access points), router, switches, hubs, καλωδίων και οπτικών ινών είναι πολύ πιο οικονομική από τις αντίστοιχες σειριακές συσκευές ενώ δεν υπάρχει κανένας επενδυτικός κίνδυνος χάρη στη συνεχή και συμβατή ανάπτυξη. Εικόνα 2.11: Το Ethernet και τα άλλα πρωτόκολλα των fieldbuses 29

28 Κεφάλαιο 2 Δικτυακά Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Industrial Ethernet εναντίον συμβατικού Ethernet Αν και το Industrial Ethernet είναι βασισμένο στα ίδια πρότυπα με την παραδοσιακή τεχνολογία Ethernet, η υλοποίηση αυτών των δύο δεν είναι πάντα ίδια. Μία τρίλεπτη διακοπή των επικοινωνιών σε ένα γραφείο μπορεί να θεωρηθεί ως μια δευτερεύουσα δυσχέρεια ενώ σε ένα βιομηχανικό περιβάλλον, τα ίδια τρία λεπτά μπορεί να προκαλέσουν μια τεράστια απώλεια επένδυσης [6]. Κάποιες διεργασίες είναι τόσο συμπαγείς που αν συμβεί ένα σφάλμα σε κάποιο σημείο τότε αυτό μεταδίδεται ταχύτατα. Η διαθεσιμότητα του δικτύου, όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, είναι πρωταρχικής σημασίας και για το λόγο αυτό οι βιομηχανίες ξοδεύουν μεγάλα χρηματικά ποσά σε αυτό τον τομέα. Η υψηλή διαθεσιμότητα επιτυγχάνεται με την ανεκτικότητα σε σφάλματα (fault tolerance) και τον πλεονασμό (redundancy). Έτσι, η πρωταρχική διαφορά του industrial Ethernet από το παραδοσιακό είναι στον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται. Ο εξοπλισμός του industrial Ethernet είναι σχεδιασμένος για να λειτουργεί σε δυσμενές περιβάλλον. Τα ανεκτικά σε σφάλματα μηχανήματα (fault tolerant ή fault resilient) μπορούν να λειτουργούν σε ακραίες θερμοκρασίες και κάτω από ακραίες συνθήκες δόνησης και κρούσης. Όσον αφορά τη θερμοκρασία, κάποιος θα μπορούσε να ισχυριστεί ότι η τοποθέτηση των μηχανημάτων σε χώρους κλιματικά ελεγχόμενους λύνει το πρόβλημα. Αυτό, όμως, προϋποθέτει μακρές καλωδιώσεις από τον ελεγχόμενο χώρο έως το βεβαρημένο σημείο κάτι που είναι εκτός των άλλων αντιοικονομικό. Για παράδειγμα, ένα βιομηχανικό Ethernet switch δουλεύει αξιόπιστα σε θερμοκρασίες από 0 o C έως 70 ο C δίνοντας τη δυνατότητα τοποθέτησής του σε δυσμενές περιβάλλον. Επίσης, οι απαιτήσεις ενέργειας ενός βιομηχανικού περιβάλλοντος διαφέρουν από τα δίκτυα δεδομένων, έτσι ο εξοπλισμός λειτουργεί με συνεχή τάση 24V. Άλλα ανεκτικά σε σφάλματα στοιχεία του industrial Ethernet είναι τα «περιττά» τροφοδοτικά (redundant power supplies). Ακόμη και οι πιο μικροί και απλοί σταθμοί εργασίας έχουν κάποιο σύστημα προστασίας της τροφοδοσίας. Για παράδειγμα, ένα καλό βιομηχανικό Ethernet switch είναι εφοδιασμένο με ενσωματωμένη είσοδο περιττής τροφοδοσίας (redundant power input) εξασφαλίζοντας πλήρη προστασία σε ολόκληρο το σύστημα. Τέλος, το δίκτυο έχει «γερό» σχεδιασμό (robust design) ώστε να επιμηκύνεται η ζωή του εξοπλισμού του και να μειώνεται το κόστος συντήρησης. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες σημαντικές διαφορές. Στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές αυτοματισμού και ελέγχου το 80% της κίνησης του δικτύου είναι τοπικό, μία τοπική συσκευή «μιλάει» με μία άλλη τοπική συσκευή χρησιμοποιώντας συνήθως «πολλαπλή διανομή» (multicasting ένας αποστολέας με πολλούς παραλήπτες). Σε ένα τέτοιο περιβάλλον, η σημαντικότερη προτεραιότητα για μια εφαρμογή πολλαπλής διανομής είναι η εγγύηση ότι όλοι παραλήπτες λαμβάνουν τα δεδομένα ταυτόχρονα. Από την άλλη, το παραδοσιακό Ethernet, επικεντρώνεται κυρίως στην αποδοτικότητα του δικτύου και λιγότερο στη σύγχρονη πρόσβαση στα δεδομένα. Για να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση της σύγχρονης πρόσβασης στα δεδομένα ο εξοπλισμός του industrial Ethernet πρέπει να περιλαμβάνει «εξυπνάδα» (intelligence). Έτσι, υποστηρίζει τον «έλεγχο πολλαπλής διανομής», QoS, εικονικά τοπικά δίκτυα (virtual LANs) και άλλες υπηρεσίες. Τέλος, οι βιομηχανικές εφαρμογές διαφέρουν από τις άλλες εφαρμογές στο ότι πολλές φορές απαιτούν ντετερμινισμό και 30