white space

Bussystemen

1 Voorwoord

In het kader van mijn stage die ik vanuit de opleiding elektrotechniek bij Ytong loop, schrijf ik dit verslag over bussystemen.

Ik zal in dit verslag bespreken wat bussystemen zijn, hoe de opbouw is, wat de mogelijkheden, de voor en nadelen zijn en ik zal de werking van twee soorten industriële bussystemen bespreken.

2 Inleiding

Door de snelle ontwikkelingen van de techniek krijgen elektrische apparaten een betere werking, een langere levensduur en een lager energieverbruik. Door het gebruik van meerdere technieken door elkaar wordt het mogelijk ook apparaten vanuit een centraal punt aan te sturen.

In een productieproces moet gemeten, gestuurd en geregeld worden. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van sensoren en actuatoren. Al deze sensoren en actuatoren moeten door middel van kabels met de besturingseenheid verbonden worden, dit kan tot heel veel kabels leiden, door gebruik te maken van een bussysteem kan de hoeveelheid kabel verminderd worden. Zo ontstaat er een overzichtelijk netwerk. Er zijn verschillende soorten bussystemen op de markt, in dit verslag worden het PROFIBUS, SafetyBUS en het AS-i bussysteem verder uitgewerkt.

3 Automatisering

3.1 Algemeen

Door de ontwikkelingen in de elektronica, wordt er op steeds meer gebieden geautomatiseerd. In productieprocessen moet gemeten, gestuurd en geregeld worden. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van sensoren en actuatoren. Al deze onderdelen moeten door middel van kabels met een stuur- of regeleenheid verbonden worden. Bij uitgebreide processen kan dit tot zeer veel kabels leiden. Grote ingewikkelde processen worden vaak verdeeld in deelprocessen. Elk deelproces krijgt dan zijn eigen besturingseenheid. De verschillende besturingseenheden worden door middel van een apart netwerk met een hoofdbesturingseenheid verbonden, die voor de onderlinge communicatie zorgt. Deze masters kunnen dan weer door middel van een netwerk verbonden worden met een bedrijfscomputer,die voor het verwerken van de bedrijfsgegevens zorgt. Een productieproces kan vanaf de werkvloer tot aan het management in verschillende lagen verdeeld worden. Tussen deze lagen zijn netwerken aangebracht om de benodigde productiegegevens te transporteren. De verschillende lagen en de tussenliggende netwerken zijn:

  • Management ondersteuning -> Fabrieksnetwerk of fabrieksbus
  • Supervisie productieprocessen -> Procesnetwerk of procesbus, deze bus wordt ook wel veldbus genoemd.
  • Besturing- en regeling van Actuator/sensornetwerk, actuator/sensorbus -> het productieproces  instrumentatie, sensoren en actuatoren.
busnivo´s
Figuur 1: buslagen

Een fabrieksnetwerk zorgt voor de distributie van gegevens die van belang zijn voor de planning, logistiek, efficiëntie, kwaliteit, enz. Procesnetwerken verzorgen de distributie van instelwaarden, grenswaarden, bewerkingsgegevens, recepten enz. Het actuator/sensornetwerk is een gemeenschappelijk middel voor de verbinding van actuatoren, sensoren en instrumenten met de besturings- en regelapparatuur.

3.2 Actuator/sensornetwerk

Bij een traditionele installatiemethode worden alle componenten zoals sensoren en actuatoren via aparte kabels met de besturingskast verbonden. Bij grote productieprocessen wordt het aantal kabels en draden zo groot dat het installatiewerk veel tijd in beslag neemt. Wanneer naderhand het ontwerp van een productieproces gewijzigd moet worden, kost het veel tijd om alles aan te passen. Bij een actuator/sensornetwerk wordt één kabel geïnstalleerd die voor zowel het datatransport als de voeding van en naar alle actuatoren en sensoren gebruikt wordt.
Alleen wanneer het apparaat een te groot vermogen vraagt is er een aparte kabel nodig.
Bij machines met veel sensoren en actuatoren kan er gebruik gemaakt worden van een netwerk om deze apparatuur snel en eenvoudig aan te sluiten, er wordt zo ook een hoop kabel uitgespaard.

De belangrijkste redenen om een netwerk toe te passen zijn:

  • Vermindering van de kasten
  • Eenvoudig aan te leggen
  • Minder tijd nodig voor storing zoeken
  • Besturing kan eenvoudig gewijzigd worden.

De actuatoren, sensoren en besturingseenheid zijn echter wel duurder. Microprocessoren worden niet alleen aan de besturingszijde, maar ook aan de actuator/sensor zijde toegepast.
Sensoren worden tegenwoordig vaak met een processor uitgerust waardoor ze alleen nog maar bewerkte informatie doorgeven aan de besturing. Bij actuatoren worden ook processoren ingebouwd zodat ze nog maar één commando nodig hebben om een reeks opdrachten uit te voeren. Doordat deze sensoren en actuatoren een ingebouwde processor hebben en dus een deel van het denkwerk van de besturing over nemen, wordt het besturingssysteem voor een deel ontlast.

4 Bussystemen

Een bus is een kabel met aan beide einden een interface. Een bussysteem is een verzamelnaam voor alle bussen, zo wordt er onderscheid gemaakt tussen:

  • Fabrieksbussen
  • Veldbussen
  • Sensorbussen

Een fabrieksbus is speciaal ontwikkeld voor computers. De datasnelheid moet hierbij hoog zijn en de netwerkinterfaces zo goedkoop mogelijk. Dit wordt gerealiseerd door zoveel mogelijk busafspraken softwarematig af te handelen.

Waarom niet overal hetzelfde netwerk?
Netwerken zoals TCP/IP en Novell zijn al lange tijd op de markt, er is veel software voor ontwikkeld en de kinderziektes zijn er al uit. Veldbussen zijn nog “jonge” netwerken, die in tegenstelling tot de standaard netwerken, op het transporteren van kleine hoeveelheden informatie gericht zijn.

Veldbussen hebben veel minder hardware nodig dan de standaard netwerken waardoor ze in de kleinste sensoren en actuatoren geïntegreerd kunnen worden. Veldbus applicaties stellen speciale eisen aan de hardware, bijvoorbeeld intrinsiek veilig, voeding over het netwerk, zeer hoge bescherming tegen elektrische storingen, galvanische scheiding, op verschillende plaatsen bedienbaar, enz.

4.1 Voordelen van veldbussen

  • Weinig kabel nodig
  • Geen problemen met 4-20 mA omzetting (directe communicatie met PLC of PC)
  • Meer intelligentie mogelijk in apparatuur
  • Eenvoudig uit te breiden zonder extra bekabeling
  • Onderhoud en storing zoeken kan via het netwerk
  • Digitale techniek

4.2 Soorten Veldbussen

Er zijn verschillende soorten veldbussen, deze verschillen voornamelijk in de manier waarop ze met informatie omgaan. De verschillende soorten zijn:

  • Remote I/O:
    Dit soort veldbus fungeert als een soort multiplexer. De databits worden aan het netwerk aangeboden en vervolgens getransporteerd naar outputs elders in het netwerk.
  • Master/slave:
    Dit is het meest gebruikte type. De master is de enige die op de bus een bericht mag verzenden aan de slave. De slave verwerkt het bericht en geeft antwoord. Slaves kunnen onderling niet communiceren.
  • Cliënt/server:
    Een veldbus met meerdere masters. Een cliënt geeft een opdracht aan een server. Deze voert de opdracht eerst uit en geeft daarna antwoord. een station kan zowel cliënt als server tegelijk zijn en dan ook meerdere opdrachten tegelijk verzenden.
  • Consumer/producer:
    Een veldbus met meerdere masters waarbij elk station in een bepaald stuk data geïnteresseerd is. De maker van de data zal bij elke wijziging of anders regelmatig de data rondsturen.
  • Mengvorm:
    Een mengvorm van de hierboven vermelde types is bijvoorbeeld PROFIBUS. Dit is een netwerk dat zowel de eigenschappen van een cliënt/server netwerk als van een consumer/producer netwerk heeft.

4.3 Veldbus interface

De veldbus interface vertaald de commando’s of de toestand van de in- en uitgangen naar digitale informatie die geschikt is voor transport over de kabel.

veldbusopstelling
Figuur 2: veldbusinterface

5 Netwerken

Er zijn veel soorten netwerken te onderscheiden. Door het netwerk wordt de informatie getransporteerd, zo’n netwerk wordt ook wel een bus genoemd.

Bussystemen kunnen onderverdeeld worden naar de manier waarop ze opgebouwd zijn. Dit noemen ze een topologie. Hieronder staan de verschillende topologiën vermeld.


Figuur 3 a t/m e: topologiën

Er bestaat ook nog een combinatie topologie
In de praktijk wordt een besturingseenheid vaak op meerdere netwerken aangesloten. Deze kunnen verschillend van opbouw zijn.

6 Informatieoverdracht

Een databus wordt gekenmerkt door de manier waarop de informatie wordt verzonden. Dit wordt vastgelegd in het protocol.

In een protocol worden afspraken gemaakt over de manier van dataoverdracht, de snelheid (bits per sec), samenstelling van de telegrammen (aantal start en stopbits) en elektrische grootheden.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen parallelle en seriële transmissie. Parallelle communicatie is het snelste omdat er meerdere bits tegelijk kunnen worden verzonden. Parallelle communicatie wordt alleen bij communicatie over korte afstanden gebruikt omdat er voor communicatie over lange afstand te veel kabels nodig zijn en dat de mogelijkheid bestaat dat de bits niet gelijk aankomen en zo informatie in de war kan raken.

Voor bussystemen wordt meestal gebruik gemaakt van seriële communicatie via een twee aderige kabel. Dat er vaak gebruik gemaakt wordt van seriële communicatie, komt omdat de kabelkosten veel lager zijn. De communicatiesnelheid is wel lager. Om bij seriële communicatie een zo hoog mogelijke communicatiesnelheid te kunnen bereiken moet er gebruik gemaakt worden van kabels met afgeschermde aders.

7 Synchrone en Asynchrone communicatie

Om communicatie tussen zender en ontvanger mogelijk te maken is het van belang dat beide met de zelfde snelheid werken. Om te voorkomen dat er een verschil in transmissiesnelheid ontstaat worden er twee methoden toegepast.

7.1 Asynchrone communicatie

Bij asynchrone communicatie wordt elk informatiepakketje voorafgegaan door een startbit en afgesloten door een of twee stopbits.
De zender en ontvanger worden dan bij elk startbit aan elkaar gelijk gesteld.

7.2 Synchrone communicatie

Bij synchrone communicatie worden grote blokken informatie verzonden zonder start of stop bits, in plaats hiervan worden er synchronisatiecodes meegezonden waardoor de zender en ontvanger aan elkaar gelijk gesteld kunnen worden.

8 Bussystemen

Er zijn vele soorten bussystemen beschikbaar, om een keuze te kunnen maken welk systeem het beste voor een bepaald doel geschikt is kunnen de bussystemen in drie groepen onderverdeeld worden:

  • Industriële toepassingen
  • Automotieve toepassingen
  • Toepassing in de gebouwautomatisering

In dit verslag richt ik me op industriële systemen.

Elke toepassing stelt z’n eigen eisen aan een systeem, dit heeft tot een uitgebreid aanbod van bussystemen geleid. Zo heeft bijna elke grote fabrikant een eigen bussysteem op de markt gebracht, deze kunnen meestal niet met elkaar communiceren. Dit heeft geleid tot een standaardisatie van enkele systemen.

Interbus-S is het eerste open veldbus systeem. Interbus-s heeft een ring topologie en is ontworpen voor datatransport op machineniveau. De centrale besturingseenheid communiceert met de sensoren en actuatoren. Datatransport vindt plaats via een high speed seriële poort. Interbus is gebaseerd op het OSI model. Op interbus-s kunnen 400 segmenten met 512 sensoren en actuatoren aangesloten worden. Als kabel hiervoor kan een 9 aderige UTP kabel gebruikt worden met een maximale lengte van de bus van 50 meter. De datatransmissie vindt digitaal synchroon via de RS485 standaard plaats. De transmissiesnelheid is 500 kb/s. PROFIBUS-s werkt volgens het master-slave principe.

8.1 Bus niveaus

Binnen de toepassingsgebieden kan er onderscheid naar niveau gemaakt worden (hiërarchie). De sensoren en actuatoren vallen hierbij onder het laagste niveau. De bus die de sensoren en actuatoren met de PLC verbind wordt dan ook wel de sensor/actuator bus genoemd. Op een hoger niveau vind de communicatie tussen de PLC’s onderling plaats. De bus die deze communicatie verzorgd wordt de veldbus genoemd. Er vindt ook nog communicatie tussen de PLC en het management plaats, dit gebeurt meestal via een Local Area Network (LAN) of Wide Area Network (WAN).

8.2 Overzicht bussystemen

Bussystemen zijn bijna allemaal ontwikkeld met het doel gebruikt te worden in een bepaald toepassingsgebied. In de onderstaande tabel staat een overzicht gegeven van de specificaties van de verschillende bussystemen.

Figuur 4: eigenschappen bussystemen
Systeem responsie / snelheid berichtgrootte bus acces medium foutdetectie
AS-i

max 5 ms
max 150 kb

3 bit master / slave symmetrisch geen
Bitbus 62,5 / 375 kb 0 - 250 byte master / slave RS485 16 bit CRC
CAN-bus max 1Mb 0 - 8 byte CSMA/BA RS485 / asym. 16 bit CRC
DIN-meßbus 0.1 - 19.2 kb 0 - 128 ASCI chars master / slave 2x RS485 byte en blok
pariteit
FIP 31k / 1M / 2 Mb onbekend master / slave RS485 onbekend
I2C-bus 100 / 400 kb onbekend CSMA / BA 2 draads geen
Interbus-S 500 kb 8 of 16 bit tijdmultiplex 4 x symetrisch 16 bit CRC
LON 4.8 k / 9.6 k / 78 k / 1.25 MB onbekend CSMA/CD RS485 / lichtnet enz. 16 bit CRC
P-net 76.8 kb 0 - 56 byte virt. token RS485 16 bit checksum
Profibus 9.6 - 500 kb 1 - 249 byte token bus RS485 8 bit checksum
Sconet 187.5 kb 2 - 3600 byte master / slave RS485 byte en blok pariteit

8.3 Industriële bussystemen

Het is bij het besturen voor een productieproces belangrijk dat er snel en betrouwbaar gereageerd wordt op de signalen uit het proces. Besturingseenheden werken meestal sequentieel en cyclisch. De besturingseenheid doet dus alles in een vaste volgorde. Dit betekend dat een PLC eerst de ingangen leest, dan de gegevens verwerkt en vervolgens de uitgangen aanpast.

De technische eisen waar een besturingssysteem aan moet voldoen hangen van het proces af. Het bussysteem bepaald mede de snelheid en betrouwbaarheid van het proces. De keuze voor een bussysteem hangt van de volgende dingen af:

  • Transportcapaciteit
  • Reactie- of responsietijd
  • Maximum aantal deelnemers op de bus
  • Maximaal toegestane lengte van de buskabel
  • Betrouwbaarheid
  • Standaardisatie
  • Hulpmiddelen
  • Verkrijgbaarheid en diversificatie van producten
  • Ondersteuning door leveranciers
  • Kosten aanleg en onderhoud

9 Tot slot

Met een bussysteem kan een bedrijfszeker, overzichtelijk en makkelijk aan te leggen besturingssysteem gevormd worden. Doordat er veel minder kabels nodig zijn voor de aanleg van het systeem kan er fors bespaard worden op aanlegtijd en kabelkosten. De kosten van de intelligente sensoren en actuatoren zijn echter wel hoger. Eventuele storingen kunnen in een bussysteem via de PC opgespoord worden.

In mij stagebedrijf wordt er sinds een paar jaar ook gebruik gemaakt van bussystemen. Er wordt gebruik gemaakt van het PROFIBUS-DP systeem voor het besturen van een zaag voor het zagen van cellenbetonblokken. Het zagen van de blokken gaat hierbij geheel automatisch. Vanaf het kantoor worden er via een computer de maten van de blokken doorgegeven aan de server. Vervolgens haalt het zaagprogramma die gegevens op van de server en zorgt dat de blokken op maat gezaagd worden.

In de toekomst is het de bedoeling dat er nog meer installaties via bussystemen bestuurt gaan worden, het gaat hierbij om een storttoren en een staafjesautomaat.

10 Literatuuropgave.

Welkom op Engineering-online.nl
hier ben je nu: Voorpagina / Bussystemen