Промышленные шины для систем автоматизации

Промышленные шины для систем автоматизации

Вольфганг Эйзенбарт (Wolfgang Eisenbarth)

Компьютеры и микропроцессоры проникают в каждую область нашей жизни. Особенно это заметно в высокоавтоматизированных отраслях промышленности. По мере того, как этот "интеллект" становился всё более распределенным, всё очевиднее проявлялась потребность в общем стандартном средстве связи как между отдельными интеллектуальными устройствами, так и между ними и остальным миром, что позволило бы упростить визуализацию и управление контролируемым процессом. В результате появилось нескольких стандартов промышленных шин, применяемых в качестве средств связи различных устройств на цеховом уровне. Статья знакомит читателя с существующими промышленными шинами, поддерживающими их организациями и характеристиками, отличающими промышленные шины от локальных сетей, широко применяемых в управленческих структурах.

Промышленная автоматизация переживает сейчас большие изменения. Пользователи постепенно отходят от практики применения собственных систем и централизованных систем управления и начинают обращать внимание на системы с распределенным интеллектом. В результате фирменные и централизованные архитектуры понемногу сдают свои позиции на рынке, в то время как открытые распределенные системы (в которых для управления, сбора данных и обмена информацией используются промышленные шины - Fieldbus) начинают его завоевывать (рис. 1). Одна из причин этого кроется в том, что прокладка кабелей и развертывание системы с использованием промышленных шин обходится значительно дешевле. Системы с централизованным управлением обычно требуют, чтобы каждый датчик или группа датчиков подключалась к центральному контроллеру отдельным (и довольно дорогим) высококачественным кабелем. Напротив, в системе на базе промышленной шины рядом с каждым кластером датчиков располагается один интеллектуальный узел, преобразующий сигналы датчиков в цифровую последовательность и передающий их в этом виде в систему управления/мониторинга.

Промышленная шина должна быть универсальной

Промышленная шина - это коммуникационная сеть, объединяющая несколько промышленных систем и функционирующая практически так же, как и локальная сеть в учреждении. Однако для поддержания режима реального времени промышленная шина должна быть детерминистичной - качество, отсутствующее в офисных локальных сетях. Именно поэтому ни Ethernet, ни другие аналогичные сети не применяются в чисто промышленных системах. Отвечая требованиям различных прикладных сфер, промышленные шины обладают соответствующими характеристиками, благодаря которым их можно использовать в условиях промышленной эксплуатации. Это:

· детерминированность,

· поддержка больших расстояний между узлами,

· защита от электромагнитных наводок,

· упрочнённая механическая конструкция.

Многие промышленные шины опираются на стандарт двухпроводного канала RS485, обеспечивающего взаимосвязь нескольких устройств на расстояниях до нескольких сотен метров. Как правило, в промышленных условиях оперативность и предсказуемость времени передачи информации - характеристики более важные, чем способность передавать большие объемы данных. Скорости передачи по промышленным шинам колеблются от 50 Кбит/с до 4 Мбит/с (с одним замечательным исключением - шина PROFIbus имеет пропускную способность до 12 Мбит/с).

В распределенных промышленных системах объединяются сетевые узлы самых разных типов, с самыми разными скоростями, расстояниями передачи информации и типами данных. Например:

· вентиль может постоянно сообщать о своем состоянии (закрыт/открыт) единственным битом,

· датчик температуры может передавать соответствующий параметр каждые 5 минут,

· датчик быстродействующей системы регулирования должен сообщать о произошедшем отказе в течение нескольких микросекунд,

· для обновления изображения на дисплее оператора в большой системе управления технологическим процессом может понадобиться передача нескольких мегабайт информации.

Решить все задачи при помощи промышленной шины одного типа просто невозможно. Однако все вместе они могут удовлетворить требованиям практически любой системы управления, имеющей распределенную архитектуру.

Электрическая среда В промышленных системах чрезвычайно важна защита от электромагнитных помех. Практически везде случаются значительные скачки напряжений и токов. Периодические отказы из-за воздействия помех обходятся очень дорого, ведут к потере производительности и поэтому просто недопустимы. В большинстве средних и крупных систем требуется соответствие различным международным стандартам (типа СЕ или UL), что является обязательным во многих странах (например, в США).

Примечание. Обычно от отдельных fieldbus-продуктов не требуется обязательного соответствия международным стандартам защиты от электромагнитных излучений. Однако, если вы используете несертифицированное устройство, вам, возможно, придётся его сертифицировать на соответствие требованиям вашей системы. Это означает, что при покупке изделий для построения систем на базе промышленных шин лучше всего иметь дело с компаниями, которые с самого начала разрабатывают свои изделия с ориентацией на соответствие стандартам по электромагнитной защищённости.

Например, если для связи fieldbus-устройств в качестве линий связи применяются медные проводники, то их нужно тщательно экранировать. Альтернативой может быть оптоволоконная передающая среда. Некоторые стандарты промышленных шин прямо определяют использование оптоволоконных кабелей. Стандарты, в которых применение оптоволоконных кабелей специально не предусматривается, допускают применение серийно выпускаемых преобразователей (электрического сигнала в оптический и обратно) при прокладке промышленной шины через зоны с повышенным уровнем помех.

Физическая среда

Кроме электрических характеристик окружающей среды, необходимо учитывать и ее физические параметры. Электронные узлы промышленных систем часто работают в экстремальных условиях, например:

· при больших температурных колебаниях,

· при больших вибрациях и ударных нагрузках.

Температура окружающей среды

В таблице приведена типовая классификация температурных диапазонов для промышленного оборудования. Прежде чем выбрать тот или иной fieldbus-компонент, необходимо определить, к какому температурному диапазону относятся реальные производственные условия (учитывая при этом и метод охлаждения: принудительный или естественный (конвективный)).

Ударные и вибрационные нагрузки

Иногда промышленные системы подвергаются различным ударам и вибрациям. Системы на базе европлат (типа VME и CompactPCI) удовлетворяющие требованиям механических стандартов "Евромеханика" (входят в серию стандартов IEEE 1101) обычно могут противостоять ударам и вибрациям. Каждая плата должна быть зафиксирована со всех четырех сторон: направляющими объединительной панели (сверху и снизу), разъемами (сзади) и крепежными винтами или самоблокирующимися ручками вставки/извлечения (спереди).

Промышленные шины, лидирующие на рынке

В настоящее время на рынке присутствует около 50 различных промышленных шин, однако главенствуют только 4 из них. Это:

· CAN,

· PROFIbus,

· LON,

· Foundation Fieldbus.

CAN

CAN (Controller Area Network) - последовательная шина, разработанная компаниями Bosch и Intel для автомобильной промышленности. В настоящее время она используется и в распределенных системах управления (а также и в других областях автоматизации и контроля) для объединения интеллектуальных датчиков, интеллектуальных приводов и высокоуровневых систем.

CAN - это шина с несколькими мастер-узлами на основе пары медных проводников. Скорость передачи данных по этой шине зависит от длины линии связи. На расстояния до 40 метров данные могут передаваться со скоростью 1 Мбит/с, при передаче на 1000 метров скорость падает до 50 Кбит/с.

CiA (CAN in Automation) - Ассоциация производителей и пользователей CAN - рекомендует пользоваться физическими каналами, удовлетворяющими международному стандарту ISO 11898. Кроме того, группа пользователей в CiA советует реализовывать в системах протокольный уровень CAN Applicaton Layer (CAL). Этот высокоуровневый протокол (на базе модели ISO/OSI), не зависящий от приложения, хотя и не определяет содержание передаваемых данных, всё же предоставляет стандартизированный сервис и протоколы для

· передачи данных,

· назначения идентификаторов,

· управления сетью.

CANopen - это набор аппаратных профилей на базе CAL, ориентированных на специфичные прикладные области. Каждый профиль представляет собой книгу (около 120 страниц), в которой определяются стандартные интерфейсы связи с устройствами конкретного типа (например, с модулями ввода/вывода - CiA DS-401, с подсистемами управления перемещением и приводными механизмами - CiA DS-402). Сейчас разрабатываются дополнительные профили для устройств типа цифровых шифраторов, а также для протокольных уровней.

Существуют и другие CAN-протоколы, например, DeviceNet и SDS - Smart Distributed Systems (оба разработаны в США).

Foundation Fieldbus - FF

Foundation Fieldbus - это название промышленной шины, поддерживаемой организацией Fieldbus Foundation. Как и CiA, Fieldbus Foundation тоже является ассоциацией, появившейся в результате слияния североамериканских компаний ISP-Foundation и WorldFIP.

После многих лет безуспешной деятельности комитетов IEC (МЭК) и ISA по стандартизации единой универсальной промышленной шины в Fieldbus Foundation решили определить собственную шину, объединив несколько уровней самого разного происхождения. Таким образом, в Foundation Fieldbus используются

· базовый физический уровень (H1 FF), обеспечивающий скорость передачи в 31,25 Кбит/с, - на основе модифицированной версии физического уровня IEC 1158-2,

· скоростной физический уровень (H2 FF) с максимальной скоростью передачи в 1 Мбит/с - на основе IEC 1158-2,

· уровень сетевого протокола, в котором используются элементы проекта стандарта унифицированной промышленной шины IEC/ISA SP 50 ,

· прикладной уровень, включающий элементы концепции ISP/PROFIbus (версии 3.0).

Шина Foundation Fieldbus ориентирована на непрерывное управление во "влажных" производствах, в потенциально взрывоопасных средах и поэтому должна проектироваться на базе низковольтной малоточной логики. Шина Foundation Fieldbus очень похожа на шину PROFIbus-PA (описывается ниже) которая также имеет встроенные средства защиты. Кроме того, в ней имеются средства поддержки высокоуровневого супервизорного контроля, аналогичные средствам шины PROFIbus-FMS (описывается ниже).

LON

Шина LON (Local Operating Network) первоначально разрабатывалась компаниями Echelon, Motorola и Toshiba для интеллектуальных систем автоматизации зданий. Однако сейчас она используется также и в промышленных системах автоматизации и контроля. Шина LON предназначена для поддержки распределенного интеллекта. Каждый "нейрон" (узловая микросхема) этой сети содержит по 3 микропроцессора, один из которых специально выделен для поддержания коммуникационного протокола LonTalk с довольно большими вычислительными издержками. Для облегчения такой вычислительной нагрузки к одному "нейрону" может быть подключено несколько более простых устройств. На базе 48-разрядных идентификаторов возможно построение сетей LON с числом узлов более 32000. Уже в прошлом году некоторые части спецификации LON можно было лицензировать.

PROFIbus

Самой широко используемой в Европе и США промышленной шиной для систем автоматизации и контроля является PROFIbus (PROcess FIeldbus). Эта шина разрабатывалась совместными усилиями нескольких компаний. Ее многосторонность отражается в применении как на горизонтальных, так и на вертикальных рынках. PROFIbus - это европейский стандарт (EN 50170), в настоящее время поддерживаемый в США профессиональной организацией PROFIbus Trade Organization. Есть несколько различных вариантов сетевого протокола PROFIbus, каждый из которых ориентирован на свою прикладную область:

· PROFIbus-FMS,

· PROFIbus-DP,

· PROFIbus-PA.

PROFIbus-FMS

PROFIbus-FMS - это универсальный коммуникационный протокол. В основном он используется различными супервизорными задачами на высшем уровне иерархии PROFIbus-системы. FMS стартовал в момент, когда пользователи производственных систем управления стали переключаться на протокол МАР (Manufacturing Automation Protocol). В результате многие элементы обмена сообщениями в FMS похожи на элементы МАР. Однако высокие накладные расходы этого протокола делают его неприемлемым для обслуживания низкоуровневых датчиков.

PROFIbus-DP

PROFIbus-DP - это оптимизированный по производительности протокол, разработанный специально для поддержания критичного ко времени доставки обмена информацией между распределенными интеллектуальными узлами ввода/вывода на нижних иерархических уровнях системы PROFIbus. Этот протокол нижнего уровня в части оптимизации для межсоединения низовых интеллектуальных устройств аналогичен протоколу CAL. Он может использоваться в распределенных системах как с одним, так и с несколькими мастер-узлами, допуская подключение к шине до 128 устройств.

PROFIbus-PA

PROFIbus-PA обычно применяется в системах автоматизации "влажных" химических и нефтеперерабатывающих отраслей, где из соображений безопасности необходима низковольтная и малоточная логика. Это, по сути, PROFIbus-DP, с теми же протоколами, но в иной физической реализации.

Восход новой эры

Век "частнофирменных" систем управления различными технологическими процессами быстро близится к закату. Сегодня никакой производитель не может поставлять всю номенклатуру требующихся в современных системах управления устройств. Для построения собственных систем от специалистов по автоматике требуется сейчас умение применять высокотехнологичные изделия разных компаний, и, естественно, эти изделия должны быть совместимыми.

Для гарантии совместимости продукции различных производителей необходимы открытые стандарты аппаратных и программных средств. Одним из замечательных примеров реализации этой парадигмы в производстве систем управления является концепция OMAC (Open Modular Architecture Controller), разрабатываемая "большой тройкой" американских производителей автомобилей. В этой концепции для упрощения применения и повышения общности программирования систем управления производственными процессами определяется новый стандарт контроллеров. В качестве шины, обеспечивающей взаимодействие компонентов системы и снижение затрат на обслуживание и обучение персонала, выбрана шина PROFIbus.

В области систем управления эта новая парадигма отнюдь не уникальна. Для настольных компьютеров уже разработаны новые стандарты последовательных шин с распределенным интеллектом (типа FireWire и USB), которые, возможно, также будут использоваться как в управленческих, так и промышленных системах.

Ближайшие перспективы для промышленных шин

Концепция промышленных шин родилась в Европе и развивалась там в течение многих лет. В настоящее время в самых разных специализированных прикладных областях используется более 50 промышленных шин. Вместе с тем (по мере их распространения в США) количество широко поддерживаемых шин не превышает половины десятка. Применение технологии промышленных шин знаменует собой совершенно новую эпоху в управлении процессами. Одна из важнейших примет этой эпохи - смещение интеллекта на нижние иерархические уровни систем автоматизации. Растущие масштабы активного применения промышленных шин позволят вынести несложные задачи контроля за рамки централизованной системы управления на цеховой уровень. Распределенные интеллектуальные средства, исполняющие эти задачи, смогут также одновременно собирать информацию реального времени и передавать ее узлам более высокого иерархического уровня.

В результате объем информации цехового уровня, собираемой в реальном масштабе времени, значительно возрастет. Только для сохранения, анализа и вывода результатов в реальном времени понадобится повысить производительность и расширить функциональные возможности используемых рабочих станций. Благодаря подобному подходу к "рассредоточению" интеллекта, операторы (а не только инженеры) получат возможность контролировать, настраивать и даже менять параметры автоматизированного процесса непосредственно с рабочего места. Использование в качестве стандартной цеховой платформы операционной системы Windows NT обеспечит применение необходимого инструментария на гораздо более низком управляющем уровне, что приведет к снижению затрат на разработку, а также к ускорению ввода разработанной системы в эксплуатацию.

Другие немаловажные стандарты

Другим заслуживающим упоминания стандартом является ОРС (OLE for Process Control) (см. рис. 2). При помощи этого стандартного клиент-серверного интерфейса новые прикладные программы получат возможность обращаться к сервисным функциям существующих SCADA-систем, человеко-машинного интерфейса и других специальных средств управления и контроля. Появление подобного стандарта клиент-серверного интерфейса значительно упростит труд разработчиков прикладного программного обеспечения, традиционно вынужденных писать специализированные коды для получения доступа к данным низкоуровневых протоколов промышленных шин.

В этой области активны следующие компании:

· Intellution

· National Instruments

· Wonderware

· Siemens

Поскольку стандарт ОРС объединяет в одну унифицированную структуру OLE, ActiveX, COM и DCOM, он позволит различным офисным приложениям для Windows обращаться как к информации низкоуровневых промышленных шин, так и к данным систем автоматизации и управления высокого уровня. В результате существенно упростится планирование производства, анализ выполнения графиков и представление информации, поскольку все данные будут извлекаться непосредственно из цехового уровня. Так как на все эти задачи накладываются менее строгие ограничения, то для снижения стоимости общезаводской интегрированной системы возможно применение стандартных приложений, средств и утилит обычных настольных систем. Исследования показали, что переход от централизованного управления к распределенным архитектурам на базе промышленных шин позволяет достичь экономии до 40 процентов!

Сведения об авторе

Вольфганг Эйзенбарт (Wolfgang Eisenbarth) - руководитель отдела маркетинга в компании PEP Modular Computers (Кауфберен, Германия). До РЕР Вольфганг работал в Hewlett Packard и Digital Equipment.

Источник: VMEbus Systems, June 1998