INTERBUS je průmyslová sběrnice pro komunikaci mezi PLC nebo PC se senzory, aktuátory a I/O rozhraními po mnoha typech vedení. Jednou z možností je optické vedení (kabely). Následující článek volně navazuje na "Úvod do INTERBUS" a popisuje konektory a zajímavý protokol pro optimalizaci a průběžné testování optického vedení v reálném čase během přenosu dat.

INTERBUS je otevřený systém pro propojení I/O zařízení a běžně užívaných průmyslových zařízení v řídícím systému. Tímto způsobem lze připojit většinu senzorů a řídit akční členy, jakými jsou například motory, na velké vzdálenosti a po mnoha typech vedení ať již metalických, optických nebo s použitím radiového přenosu. V tomto článku bych se dotkl několika aspektů INTERBUS komunikace po optických vedeních včetně zajímavého protokolu SUPI 3 OPC, který umožňuje během přenosu dat diagnostikovat vedení a optimalizovat výkon vysílacích LED v závislosti na vzájemné vzdálenosti komunikujících jednotek.

Bližší obecné a základní informace o průmyslové sběrnici INTERBUS, její funkci a topologii lze získat v článku "Úvod do INTERBUS" na serveru automatizace.HW.cz.

INTERBUS konektory pro optické vedení

Optických vláken se využívá ve struktuře sběrnice INTERBUS na pozici tzv. Vzdálená sběrnice (Remote Bus), která jen fyzicky přenáší data a zde zapojená zařízení mají lokální zdroj napájení. Ve specifikaci sdružení INTERBUS Club je definováno použití polymerového optického vlákna, typu A4a, 980/1000 µm s průměrem vnějšího pláště 2.2 mm +/- 0.07 ve spojení s terminálovým zakončením tzv. Fiber optic p.c.b terminal block s vysílací a přijímací diodou - FOPT-2,2 (viz. obrázek 1. a 2.).

Výhodou uvedených konektorů, proti dříve definovaným FSMA konektorům, je v jednodušším použitím při kompletaci, resp. připojování optického vlákna ke konektoru. Při použití FOPT-2,2 stačí pouze vlákno jednoduše uříznout a vložit do konektoru bez potřeby nějakých speciálních nástrojů, jak je to běžné při klasickém propojování optických kabelů.

Výhody / nevýhody použití optického vedení

Výhody:

• Vysoká přenosová rychlost
• Odolnost proti elektomagnetickému rušení
• Menší ztráty v přenosové cestě
• Větší dosah - větší vzdálenost mezi stanicemi

Nevýhody:

• Vliv teploty a vlhkosti na zvýšení ztrát přenosu
• Menší mechanická odolnost

Protokol SUPI OPC pro optickou INTERBUS sběrnici

Po lokálním instalaci konektorů a propojení stanic optickým vedením, je obvykle nutné provést test měřením optického výkonu na přijímací a vysílací straně vedení a porovnat jej s limitními hodnotami. Manuální měření obvykle jsou časově i cenově náročná. Nehledě na to, že by bylo výhodné měření po nějaké době opakovat a tak se včas vyhnout a identifikovat problémy v komunikaci, případně regulovat vysílací výkon na straně vysílače na minimální potřebný výkon pro bezchybný přenos. Tak by bylo možné snížit energetické nároky celé sběrnice. Tyto všechny vlastnosti podporuje protokol SUPI OPC pro INTERBUS sběrnici, který výše uvedné požadavky může provádět automaticky a za plného provozu, tzn. při přenosu dat.

Celý koncept je založen na faktu, že díky řešení topologie sítě interbus, se prakticky jedná o point-to-point komunikaci sousedních aktivních jednotek, kde přímý i zpětný přenos dat jde vždy přes vedlejší INTERBUS jednotku. SUPI 3 OPC INTERBUS protokol tak může řídit úlohu regulace vysílacího výkonu každého připojeného optického vysílače v rozsahu 15 úrovní budícího proudu vysílače. Tak lze tady v reálném čase regulovat potřebný optický výkon na minimální úroveň nutnou pro úspěšný bezchybný přenos dat k sousední jednotce. Tím se snižuje nejen spotřeba energie každé jednotky v síti, ale prodlužuje se i životnost vysílacích LED. Další výhodou, plynoucí z testování kvality přenosové cesty, je okamžitá reakce vysílacího optického výkonu na zvýšení ztrát optického vlákna. Velikost vysílacího výkonu tím závisí na konkrétní vzdálenosti mezi sousedními jednotkami (stanicemi), teplotě, vlhkosti, změně parametru vysílače a přijímače (například stárnutím) apod.

Zjednodušeně lze protokol vysvětlit následovně:

1. Stanice 1 vyšle vedlejší stanici po optickém vlákně mezi přenášenými daty i krátký regulační vzorek (Regulation pattern) dat s o stupeň nižším optickým vysílacím výkonem než je výkon použitý pro právě přenesená data.
2. Vedlejší (nejbližší) stanice 2 přijme s daty i vzorek a protokolový chip vyhodnotí správnost a kvalitu přijatého vzorku.
3. Stanice 2 vyšle zpětně stanici 1 ( jejímu protokolovému chipu) informaci (Regulation response) o úspěšnosti nebo neúspěšnosti příjmu regulačního vzorku.
4. Stanice 1 sníží, ponechá nebo zvýší vysílací výkon podle získané informace od stanice 2.

Regulační vzorek (Regulation pattern) i zpětná informace (Regulation response) od stanice 2 k stanici 1 se přenášejí ve volném prostoru kontrolního součtu INTERBUS souhrnného rámce (INTERBUS summation frame) - viz. obrázek 3.

Protože testování úrovně výkonu probíhá v krátké úseku mimo samotná přenášená data, není regulací omezen ani provoz na sběrnici, ani vysoká efektivita přenosového protokolu INTERBUS sběrnice.

Z obrázku 3. je patrné, že testování se provádí v každém cyklu přenosu rámce. V síti INTERBUS je definováno, že optický výkon pro příjem uživatelských dat na konci vedení musí být minimálně o 3 dB vyšší než je hranice citlivosti přijímacích komponent - viz. obrázek 4. Tento limit zajistí úspěšné bezchybné přenesení dat mezi vysílačem a přijímačem sousedních jednotek. Při započatí regulace s vychází z nejvyšší úrovně výkonu (level 15) a postupně, v závislosti na kladné reakce sousední stanice, dochází k postupnému snižování vysílacího výkonu (viz. obrázek 4.). Po dosažení limitu se udržuje konstantní výkon do té doby, kdy například vinou zvýšení teploty dojde i ke zvýšení ztrát optického vlákna a je tedy nutné i zvýšit vysílací optický výkon.

Ušetřený vysílací výkon se označuje jako výkonová rezerva vysílače (Power reserve of Transmitters) a lze jej spočítat dle vztahu:

Výkonová rezerva [dB] = 3dB systémová rezerva + (15 - aktuální řídící hladina) * 1.5 dB

Tedy pro případ obrázku 4. by výkonová rezerva měla hodnotu 10.5 dB (tj. 3 dB + 7dB).

Parametr výkonová rezerva tak lze použít jako diagnostický parametr pro určení momentální kvality kabeláže s tím, že lze snadno nalézt úsek mezi dvěmi danými jednotkami, který vykazuje nejmenší výkonovou rezervu. Úsek s výkonovou rezervou 3dB již pracuje na maximální výkon a každé další zhoršení parametrů (útlumu) již muže způsobit chyby v přenosu. Stejně lze získat informaci o maximální délce úseku použitého typu optického vedení, který ještě zajistí bezchybný přenos. Pomocí "CMD configuration, monitoring, and diagnostics software" lze vypsat výkonové rezervy všech úseků optické INTERBUS sítě a tak jednoduše provádět pravidelnou revizi a dopředu odhadnou nebo odhalit nutné opravy. Tím tak předejít kritickým situacím, které mohou vést až k výpadkům v komunikaci.

Závěr

Tento článek měl za úkol uvést použití optických vláken a vedení pro INTERBUS síť a hlavně přiblížit zajímavý protokol pro řízení optického výkonu vysílačů a real-time diagnostiku kvality vedení. V další článkách, které se časem objeví na stránkách HW serveru o automatizaci (automatizace.HW.cz), bych se k INTERBUSu vrátil s dalším popisem a parametry.

 

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky o INTERBUS - http://www.interbusclub.com
• časopis Automatization Forum - Edition 1/2003 - INTERBUS – Technology, Products, Solutions & More…
• článek na automatizace.HW.cz - "Úvod do INTERBUS"