Ipari automatizálási kommunikáció

WiFi, Ethernet, LoRaWAN

• WiFi

A legtöbb Industrial Shields PLC-ben, mint például az Arduino alapú M-Duino PLC családban, a Wi-Fi az IEEE 802 protokollcsalád különböző részeit használja, és úgy tervezték, hogy zökkenőmentesen működjön vezetékes megfelelője, az Ethernet mellett.

A kompatibilis eszközök hozzáférési pontokon keresztül vezeték nélkül csatlakozhatnak, lehetővé téve az egymással, valamint a vezetékes eszközökkel és az internettel való kommunikációt. A Wi-Fi különböző változatait a különböző IEEE 802.11 protokollszabványok határozzák meg, amelyek ipari vezeték nélküli hálózati protokollként szolgálnak. Az alkalmazott rádiótechnológiák határozzák meg a frekvenciasávokat, a maximális hatótávolságokat és az elérhető sebességeket. A Wi-Fi által leggyakrabban használt frekvenciasávok a 2,4 gigahertzes (120 mm) UHF és az 5 gigahertzes (60 mm) SHF ISM, és mindkettő több csatornára oszlik tovább. Bár a csatornák megoszthatók a hálózatok között, egy csatornán egy adott időpontban lokálisan csak egy adó sugározhat.

• Ethernet

Az Ethernet a legszélesebb körben használt technológia a helyi hálózatokban (LAN) és a nagy kiterjedésű hálózatokban (WAN). Az Ethernet-kommunikáció a LAN protokollt használja, amely technikailag IEEE 802.3 protokoll néven ismert. Ez az ipari hálózati protokoll az idők során fejlődött és javult, így másodpercenként egy gigabit sebességű adatátvitelre is képes.

Az Industrial Shields M-Duino PLC család tagjai a W5500 IC integrált áramkört tartalmazzák. A W5500 egy vezetékes TCP/IP beágyazott Ethernet-vezérlő, amely megkönnyíti a beágyazott rendszerek internetkapcsolatát. Ez a chip lehetővé teszi, hogy a felhasználók egyetlen, a TCP/IP stacket, a 10/100 Ethernet MAC-et és a PHY-t integráló chip segítségével internetkapcsolatot alakítsanak ki alkalmazásaikban.

A W5500 chip egy 32 Kb-os belső memóriapuffert tartalmaz az Ethernet csomagok feldolgozásához. Ezzel a chippel a felhasználók az Ethernet-alkalmazást socket programozással valósíthatják meg. Az SPI (Serial Peripheral Interface) busz a külső mikrokontrollerrel való adatátvitel megkönnyítésére szolgál.

Az Ethernet különböző ipari protokollokat használ a kommunikációhoz. Ezek közül néhány a HTTP, HTTPS, MQTT és Modbus protokollok.

• LoRaWAN

A LoRaWAN egy hosszú távú, alacsony fogyasztású vezeték nélküli hálózati specifikáció (LPWAN), amely LoRa moduláción alapul, és kedvező körülmények között akár 20 km távolságig is képes kommunikációt elérni. Ez egy MAC (Media Access Control), amely különböző LoRa eszközök csatlakoztatására szolgál, és hitelesítést biztosít a szabványos protokollokat követő kapcsolatokon keresztül. Ha többet szeretne megtudni a LoRa-ról és a LoRaWAN-ról, olvassa el A LoRaWAN és a Zigbee hálózatok összehasonlítása cikkünket.

RS-232 és RS-485

Az RS-485, más néven TIA/EIA-485 egy olyan szabvány, amely meghatározza a soros kommunikációs rendszerekben használt vezérlők és vevőkészülékek elektromos jellemzőit. Az elektromos jelzés kiegyensúlyozott, és támogatja a multi-drop rendszereket. A szabványt a Távközlési Ipari Szövetség és az Elektronikai Ipari Szövetség (TIA/EIA) közösen adja ki.

A szabványt alkalmazó digitális kommunikációs hálózatok nagy távolságokon és elektromosan zajos környezetben is hatékonyan használhatók. Egy ilyen hálózathoz több vevőkészülék csatlakoztatható egy lineáris multi-drop buszban. Ezek a tulajdonságok teszik az RS-485-öt hasznossá az ipari vezérlőrendszerekben és hasonló alkalmazásokban.

• RS-485

Az Industrial Shields Arduino-alapú ipari PLC-k a MAX485 integrált áramkört tartalmazzák. A MAX485 egy alacsony fogyasztású, slew rate limited adó-vevő, amelyet RS-485 kommunikációhoz használnak. Egyetlen +5 V-os tápegységgel működik, a névleges áram 300 μA. A TTL szint RS-485 szintre történő átalakításának funkcióját megvalósító fél-duplex kommunikáció elfogadásával 2,5 Mbps maximális átviteli sebességet érhet el.

A MAX485 adó-vevő 120μA és 500μA közötti tápfeszültségi áramot fogyaszt teljes kisütés vagy teljes terhelés mellett, amikor a vezérlő ki van kapcsolva.

• RS-232

Az RS-232 (Recommended Standard 232) a soros kommunikációval történő adatátvitel szabványa. Formálisan meghatározza a DTE (Data Terminal Equipment), például számítógépes terminál és DCE (Data Circuit-Terminating Equipment), például modem, közötti kapcsolat jeleit.

A szabvány meghatározza a jelek elektromos jellemzőit és időzítését, a jelek jelentését, valamint a csatlakozók fizikai méretét és pinout-ját. A szabvány jelenlegi változata a TIA-232-F interfész soros bináris adatátvitelt valósít meg a DTE és a DCE között. Az RS-232 szabványt korábban a számítógépek soros portjainál általánosan használták, az ipari kommunikációs eszközökben még mindig széles körben alkalmazzák.

Az Industrial Shields Arduino-alapú ipari PLC család tagja tartalmazzák a MAX232 integrált áramkört. A MAX232 a TIA-232 (RS-232) soros port jeleit TTL-kompatibilis digitális logikai áramkörökben való használatra alkalmas jelekké alakítja. A MAX232 egy kettős adó/kettős vevő, amelyet az RX, TX, CTS, RTS jelek átalakítására használnak.

• I2C

Az I2C (Inter-Integrated Circuit), egy aszinkron, multi-master, multi-slave, csomagkapcsolt, egyoldalú, soros kommunikációs busz. Széles körben használják alacsony sebességű perifériás integrált áramkörök és processzorok, valamint mikrokontrollerek összekapcsolására, rövid távú áramköri lapkán belüli kommunikációra.

Ezt követően az I2C-t fokozatosan más gyártók is átvették, míg végül piaci szabvány lett belőle. Az I2C busz működéséhez csak két vezetékre van szükség, egy az órajelhez (CLK) és egy az adatátvitelhez (SDA), ami előny az SPI buszhoz képest. Másrészt a működése valamivel összetettebb, ahogy a megvalósításához szükséges elektronika is.

• GPRS

A GPRS (General Packet Radio Services) egy ipari csomagalapú vezeték nélküli kommunikációs szolgáltatás, amely 56 és 114 Kbps közötti adatátviteli sebességet és folyamatos internetkapcsolatot biztosít a mobiltelefon- és számítógép-felhasználók számára. A GPRS a Global System for Mobile Communications (GSM) rendszerre épül, és kiegészíti a meglévő szolgáltatásokat, mint például az áramköri kapcsolású mobiltelefon-kapcsolatokat és a Short Message Service (SMS) szolgáltatást.

A GPRS-sel rendelkező Arduino-alapú ipari PLC-k ideálisak távfelügyeletre, adatnaplózásra és távoli hozzáférésre, diagnosztikára és a vezérlésre rövid szöveges üzeneteken (SMS) keresztül. Beállíthatja, hogy az üzeneteket statikus (szöveges) vagy dinamikus (szöveg és értékek) tartalommal küldje a készülék.

A készülék több kommunikációs portot is tartalmaz, amelyek nagyobb rugalmasságot és vezérlést biztosítanak. A GPRS/GSM család lehetőséget kínál akár 127 modul bővítésére I2C-n keresztül, ami azt jelenti, hogy akár 7100 bemenet/kimenet is lehet Master-Slave kapcsolatban, plusz érzékelők stb.

Protokollok

• HTTP ÉS HTTPS

A HTTP a Hypertext Transfer Protocol (hipertext átviteli protokoll) rövidítése. A "http://" címsorba történő beírásával a domain előtt a böngésző utasítást kap, hogy HTTP-n keresztül csatlakozzon.

A HTTP általában a 80-as porton keresztül a TCP-t (Transmission Control Protocol) használja adatcsomagok küldésére és fogadására a weben. 

A HTTPS a Hypertext Transfer Protocol Secure rövidítése (más néven HTTP over TLS vagy HTTP over SSL). Ha a "https://" címsávba a domain előtt beírja a https:// címet, a böngésző utasítást kap, hogy HTTPS-en keresztül csatlakozzon. Általában a HTTPS-en keresztül működő webhelyek átirányítással rendelkeznek, így a http:// beírása esetén is átirányításra kerül a biztonságos kapcsolaton keresztül történő szállításhoz. A HTTPS szintén a TCP-t (Transmission Control Protocol) használja az adatcsomagok küldésére és fogadására, de ezt a 443-as porton keresztül, egy TLS (Transport Layer Security) titkosított kapcsolaton belül teszi.

A HTTP és a HTTPS WiFi, Ethernet és GPRS segítségével is működik.

• MQTT

Az MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) az OASIS és az ISO (ISO/IEC 20922) nyílt szabványú, publish-subscribe hálózati protokollja, amely az eszközök közötti üzeneteket szállítja. Ez az automatizálási kommunikációs protokoll jellemzően TCP/IP protokollon fut, azonban bármely olyan hálózati protokoll támogathatja az MQTT-t, amely rendezett, veszteségmentes, kétirányú kapcsolatot biztosít. Olyan távoli helyekre történő kapcsolatokhoz tervezték, ahol "kis kódlábnyomra" van szükség, vagy a hálózati sávszélesség korlátozott.

Az MQTT WiFi, Ethernet és GPRS alapú kommunikáció segítségével is működik.

• Modbus

A Modbus egy nyílt szabvány és egy ipari hálózati protokoll, amely lehetővé teszi az eszközök közötti Master-Slave/Client-Server kommunikációt. A Modicon fejlesztette ki, és széles körben használják az ipari gyártási környezetben a diszkrét/analóg I/O és regiszteradatok vezérlőeszközök közötti átvitelére. A Modbus számos protokoll lehetőséggel rendelkezik, de a legelterjedtebbek a Modbus RTU (Remote Terminal Unit) és a Modbus TCP/IP (Transmission Control Protocol).

A Modbusban a master csomópont egyszerre csak egy tranzakciót kezdeményez, és a slave csomópontok csak a master csomópont kéréseire válaszolnak. A Modbus RTU a legnépszerűbb megvalósítás, de a Modbus TCP/IP egyre népszerűbbé válik.

A Modbus RTU mód a legelterjedtebb megvalósítás, amely bináris kódolást és CRC hibaellenőrzést használ. Az RTU protokoll egy hatékony bináris protokoll, amelyben az üzenet minden nyolc bitje (egy bájt) két négybites hexadecimális karaktert tartalmaz. Minden üzenetet folyamatosan kell továbbítani. Az egyes bájtok (11 bit) formátuma RTU üzemmódban a következő kódolási rendszer: 8 bites bináris, bájtonkénti bitek: 1 kezdőbit, 8 adatbit, a legalacsonyabb értékű bitet küldik először, 1 bit a paritás befejezéséhez, 1 stopbit. A Modbus RTU csomagok csak az adatok küldésére szolgálnak; nem képesek paraméterek, például pontnév, felbontás, egységek stb. küldésére.

Az RTU rendkívül népszerű az ipari vezérlőhálózatokban, mivel már régóta létezik, és rengeteg hardver és szoftver támogatja.

A Modbus RTU-t általában az RS-485 kommunikációban használják, de RS-232-vel is működhet.

A Modbus TCP alapvetően a Modbus RTU protokollt jelenti, amely a TCP interfészt használja Ethernet hálózaton. A Modbus adatszerkezetet a TCP/IP protokollban használt alkalmazási réteg használatával határozzák meg. A TCP, vagyis a szállítási protokoll az adatok helyes fogadásának és küldésének biztosítására szolgál, az IP pedig a cím és az útválasztási információ. Lényegében a Modbus TCP/IP parancs egy Modbus RTU parancs, amelyet egy Ethernet TCP/IP burkolatba zártak. A Modbus TCP/IP használatának előnye a meglévő Ethernet hálózati berendezések használata, amelyek széles körben elérhetőek és költséghatékonyak.