Локальная сеть fieldbus на предприятии

При автоматизации предприятия имеется выбор многих типов магистралей. Магистрали — это только протоколы связи в сети, так что не поддайтесь тому, чтобы диапазон выбора, который поначалу кажется  приводящим в замешательство, удержал вас от выбора одного или нескольких решений. Не устанавливайте сеть техникой прокладки кабеля „point-to-point” только потому, что вы всегда так делали. Имеются многочисленные выгоды использования магистралей. А под выгодами мы понимаем экономию денег.

В настоящее время промышленная сеть Ethernet является спонтанно выбираемым протоколом сетевой связи, и совершенно правильно, но существуют места, для которых эта сеть не подходит. Например, нет смысла подключать к промышленной сети Ethernet концевой выключатель. Но сегодня разработка нового проекта автоматизации должна начинаться с промышленной сети Ethernet, а затем дополняться соответствующей системой fieldbus и сетью датчик/привод на низших уровнях, в соответствии с потребностями.

Что представляет собой промышленный Ethernet?

Промышленный Ethernet имеет расширенные возможности по сравнению с офисным вариантом Ethernet, увеличенную скорость, детерминизм и устойчивость к помехам. На участках, где не возникают опасности, промышленный Ethernet часто заменяет более старые линейные системы fieldbus. В случае типичной офисной среды электронная почта может доставляться за несколько секунд или даже минут, а вот команду остановки конвейера в условиях завода желательно передавать за миллисекунды, в противном случае может произойти повреждение или разрушение продукции. Кроме скорости в промышленной среде для команд важно, чтобы они высылались с регулярными интервалами во времени, что мы называем детерминизмом. Реле для Ethernet, приобретенное у местного поставщика компьютеров, с точки зрения электроники может работать как промышленный Ethernet, но маловероятно, что оно будет достаточно защищенным, чтобы работать в горячей, влажной, промасленной промышленной среде.

Наиболее часто применяемые сегодня протоколы промышленного Ethernet — это Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, а также Modbus TCP. Самый свежий обзор рынка показывает, что среди всех установленных систем примерно по одной трети приходится на Profinet, EtherNet/IP и на остальные системы.

Что представляет собой сеть fieldbus?

Имеются три основных типа сетей на уровне устройств – дискретные и процессные системы fieldbus, а также сети датчик/привод. Эта классификация основывается на типе устройств, которые связываются этими сетями, а также типе передаваемых данных. Все эти три типа связывают обычно группу устройств с одним контроллером или сетью верхнего уровня. Все обеспечивают цифровую линейную дуплексную многоадресную коммуникационную связь между контроллерами и устройствами.

Дискретные

Дискретные сети fieldbus связывают цифровые входы/выходы с контроллерами. Две наиболее часто выбираемые системы для промышленного применения (не для непрерывного производственного цикла) в Северной Америке – это Profibus DP и DeviceNet. Другие выбираемые системы – Interbus и CC-Link LT. Дискретные сети fieldbus применяются для коммутации следующих устройств:

• контроллеры двигателей,
• приводы переменной частоты VFD,
• энкодеры,
• процессные приборы,
• системы наблюдения,
• другие устройства, генерирующие сложные данные.

Такие устройства обычно имеют внешнее питание, однако система DeviceNet может также подавать питание.

Процессные

Процессные сети fieldbus предназначены для связи с процессными приборами и приводами. Две наиболее часто применяемые системы – это Profibus PA и Foundation fieldbus (FF). Процессные сети fieldbus начали применять на нефтеперерабатывающих заводах и на химических предприятиях, где часто находится огромное количество устройств, но применение этих сетей распространилось на многие другие отрасли, такие, как подготовка и очистка воды, фармацевтическая промышленность. Процессные устройства, которые могут связываться сетью fieldbus, это:

• расходомеры,
• датчики давления,
• датчики уровня,
• управляющие клапаны,
• датчики температуры.

Процессные сети fieldbus подводят питание к устройствам и предназначены для безопасной работы в опасных средах. Это главное достоинство в случаях, когда имеет место высокая пожароопасность или взрывоопасность.

Сходство процессных и дискретных сетей fieldbus состоит в том, что они могут передавать одни и те же типы данных. В действительности на некоторых предприятиях дискретная сеть может быть использована для процессного оборудования, но такое решение требует установки внешнего питания.

Датчик / привод

Магистраль датчик/привод  предназначена для взаимодействия с простыми устройствами, управление которыми ограничивается включением и выключением. Наиболее популярная магистраль датчик/привод – AS-интерфейс (AS-i, от слов Actuator/Sensor interface). Эта сеть обычно связывает простые устройства входа/выхода с помощью двужильного провода, который одновременно обеспечивает питание устройства. К типичным устройствам для сети AS-i относятся:

• концевые выключатели,
• выключатель, срабатывающий при сближении,
• клапаны типа «включен/выключен»,
• кнопки.

AS-i подходит для кабельной сети с линейной, звездообразной и древовидной топологией. По причине общих низких затрат на коммуникацию, AS-i хорошо подходит для применения при низких требованиях в отношении пересылаемых данных.

В рамках новых технологий возникла система связи, названная IO-Link. Хотя это не магистраль, эта система связывает цифровую связь с дискретной кабельной сетью IO. Система IO-Link особенно подходит для применения с «умными» датчиками и приводами. Она также может быть включена в сети fieldbus или промышленного Ethernet с помощью шлюзов gateway или proxy.

Устройства и контроллеры

Степень сложности конкретного устройства системы автоматики помогает при выборе соответствующей магистрали, к которой это устройство предполагается подключить. Простые устройства подключают к магистрали датчик/привод; более сложные устройства подключают к сети fieldbus или к промышленной сети Ethernet.

Например, если рассматривают определенное применение и пытаются определить, какой тип магистралей применить, следует начать с того, чтобы присмотреться, какие типы устройств и виды данных имеют место: датчик сближения, который должен определять, правильно ли расположена деталь на транспортере, может работать при использовании магистралей датчик/привод. Если датчик должен определить, насколько удалена деталь, то в этом случае понадобится дискретная сеть fieldbus. Такое же рассуждение применимо к устройству для измерения давления. Переключатель, срабатывающий при падении давления в магистрали сжатого воздуха до уровня ниже 5,5 бар, пригоден для сети AS-i. Однако же в случае, когда требуется информация о том, какое давление имеет место на протяжении некоторого времени, вероятно, наилучшим решением будет процессная сеть fieldbus.

Все виды контроллеров, популярные в промышленной автоматике, обычно изготавливаются так, чтобы иметь возможность подключения их к сети fieldbus и к промышленной сети Ethernet. Система DCS (distributed control system – разделенная система управления) обычно используется в процессных приложениях. Контроллеры PLC (programmable logic controllers – программируемые логические контроллеры) первоначально применялись в промышленной автоматике с выходами «включен/выключен», но все чаще используются в приложениях, включающих выполнение дискретных и процессных функций. Контроллеры PAC (programmable automation controllers – программируемые контроллеры автоматики) сочетают функциональность решений, опирающихся на компьютеры PC и контроллеров PLC. Магистрали привод/датчик чаще всего служат для соединения с магистралью высшего порядка через шлюз gateway или Proxy, а не непосредственно с контроллером.

Выбор магистрали

С того момента, как признали, что пройден тот этап, на котором промышленная сеть Ethernetu является наилучшим выбором, наступает время начать попытки выбора соответствующего протокола магистралей.

Первое, с чего следует начать размышления, это вопрос, какие устройства должны будут работать в данной сети. Надо будет оценить, какие устройства, совместимые с определенным типом магистралей, могут быть получены от разных поставщиков. Например, если есть желание применить расходомер на элементе FF, следует убедиться, доступен ли расходомер, который намерены установить, в версии с определенным типом подключения. Продавцы не обязательно предлагают каждое устройство в любой опции подсоединения. Некоторые продавцы отдают предпочтение одной из сетей fieldbus перед другими.

Если рассматривается применение широкого диапазона устройств, как это может иметь место в сетях для производственных структур на химическом предприятии, процессные приборы могут быть на сетях FF, а контроллеры двигателей насосов на сети Profibus DP. Не следует исходить из того, что все непременно должно работать на одном типе платформы.

Подобным образом на производственной линии, не предполагающей непрерывный производственный цикл, энкодеры и визуальные системы могут быть подключены к DeviceNet, а концевые выключатели могут связываться сетью AS-i. Следует использовать сеть, соответствующую определенным задачам.

Совместимость

Нельзя просто присоединить провода и получить коммуникацию устройств; устройства должны иметь встроенный сетевой протокол. Это означает, что если вы хотите подключить оборотно-импульсный преобразователь к сети Profibus DP или реле давления к сети FF, данное устройство должно быть с этой целью соответствующим образом конфигурировано и обладать соответствующей совместимостью. Кроме того, протоколы различаются между сетями. Нельзя подключить трансмиттер из сети Profibus PA к карте контроллера из сети FF, такое решение не будет работать, даже если бы эти два устройства предполагали одни и те же физические свойства магистралей (такие, как объем сообщения и скорость). Эта характеристика является главной проблемой в ситуациях, когда пользователи хотят ввести сеть fieldbus в существующую инсталляцию с оставленными  устройствами и с проложенными кабелями по схеме «точка-точка».

Выгоды от применения магистралей

Начало этой статьи анонсировало выгоды в форме сэкономленных денег. Как это может быть достигнуто при использовании такого сложного оборудования? На каждом этапе проекта автоматизации применение магистрали или магистралей может помочь в снижении затрат.

Во время этапа проектирования инструменты конфигурации магистралей упрощают проектирование и документацию. Многие инструменты для конфигурации содержат опцию изготовления документации в качестве нормальной процедуры. Сокращение кабельной сети по самой своей сути упрощает чертежи и комплект необходимых материалов. В силу этого сокращения установка сети происходит также быстрее.

Передача в эксплуатацию систем, опирающихся на использование магистралей, обычно поддерживается также специально изготовленными инструментами для ускоренного пуска. Диагностические инструменты могут точно указать ошибки в кабельной сети и неверные законцовки. Достоинством всех видов магистралей является централизованный доступ. Конфигурирование и тестирование могут проводиться с центрального поста управления, исключая необходимость хождения по предприятию с конфигураторами, генераторами и многофункциональными измерителями.

Многие из этих выгод периода сдачи в эксплуатацию имеют место и во время работы системы. Кроме того, многие устройства имеют так называемую информацию управления активами. Например, привод клапана для работы в сети fieldbus знает, сколько циклов он выполнил, и эта информация может позволить выполнить необходимые операции по техническому обслуживанию, когда будет достигнуто критическое значение, тем самым избегая работы по неэффективному графику. Некоторые протоколы могут очень точно указать появление повреждения. Например: цифровой вход на устройстве 3 входа/выхода, модуль 4, канал 1 обрыв провода.

Разумеется, не все выглядит так красиво. Имеются некоторые отрицательные стороны применения этих магистралей. Пользоваться ими нетрудно, но это не то, к чему привык персонал. Обучение решительно рекомендуется, и для этого есть много возможностей. Поставщики решений для автоматизации, сетевые консорциумы и третьи стороны предлагают обучение в сети, бесплатные однодневные учебные группы, обучение с получением сертификата, а также практическое обучение в объеме установка/обслуживание.