Nie ma jednej wspólnej miary dla wszystkich sieci magistralowych. Każda z projektowanych sieci jest każdorazowo indywidualnie optymalizowana pod kątem konkretnych potrzeb przedsiębiorstwa. Wprowadzanie automatyzacji narzuca różne wymagania w stosunku do sieci projektowanych dla potrzeb wsparcia procesu wytwarzania. Przy projektowaniu sieci wspierających proces automatyzacji, takich jak LONworks czy Bagnet, zagadnieniem priorytetowym jest zwykle minimalizacja kosztów – w przypadku zaś sieci projektowanych dla procesów wytwarzania – uwaga skupiona jest przede wszystkim na ich mocy i niezawodności. Niezależnie od tego, czy dany producent dąży do pełnej automatyzacji zakładu, czy tylko poszczególnych procesów, sieci i magistrale muszą mieć zdolność bezawaryjnego funkcjonowania w trudnych warunkach środowiskowych, a priorytetem w procesie ich projektowania musi być niezawodność funkcjonowania sieci i integralność danych wykorzystywanych dla celów nadzoru realizowanych procesów wytwarzania.
Sieć magistralowa typu fieldbus jest cyfrową siecią komunikacyjną wykorzystywaną zwykle w przypadku rozproszonych urządzeń systemowych dla celów kontroli ich funkcjonowania. Amerykańska organizacja Profibus Trade Organization (PTO) definiuje sieci magistralowe typu fieldbus jako „cyfrowe, szeregowe, dwukierunkowe, wielogałęziowe połączenie komunikacyjne pomiędzy kontrolerami i ich zdalnie sterowanymi wejściami/wyjściami, czujnikami pomiarowymi, urządzeniami uruchamiającymi (tzw. starterami) oraz innymi elementami wyposażenia pracującymi w sieci. Dokonując porównania ze standardowymi lokalnymi sieciami typu LAN, sieci magistralowe typu fieldbus przeznaczone są przede wszystkim do stosowania w trudnym środowisku wytwarzania, gdzie istotną rolę pełni niezawodność i brak przerw w ciągłości zasilania”.
Sieci magistralowe typu fieldbus muszą się charakteryzować elastycznością przyłączeniową, elastycznością funkcjonalną oraz tzw. elastycznością zamiennościową. Elastyczność przyłączeniowa oznacza, że urządzenia pochodzące od różnych producentów mogą być bezpiecznie przyłączane do tej samej sieci fieldbus (a tym samym są elektrycznie kompatybilne). Elastyczność funkcjonalna oznacza możliwość skutecznego przyłączenia i działania elementów wyposażenia pochodzących od różnych dostawców. Elastyczność zamiennościowa oznacza zaś, iż urządzenia pochodzące od jednego producenta mogą być bez przeszkód (jako ekwiwalent funkcjonalny) zastąpione urządzeniem pochodzącym od innego producenta.
Alternatywnym rozwiązaniem w stosunku do zastosowania sieci fieldbus jest tradycyjne dwupunktowe połączenie indywidualnymi przewodami rozciągniętymi pomiędzy każdym z urządzeń a jego jednostką sterującą. Jednym z podstawowych powodów zastosowania sieci typu fieldbus jest możliwość wyeliminowania ogromnej ilości okablowania, które byłoby niezbędne w przypadku indywidualnego łączenia każdego z urządzeń z jego jednostką sterującą. Poza tym innymi korzyściami płynącymi z zastosowania sieci magistralowych typu fieldbus są: możliwość elastycznej konfiguracji i rekonfiguracji wyposażenia, bieżąca diagnostyka urządzeń, możliwość wykrywania i usuwania usterek w wyposażeniu, dostęp do dodatkowych pomiarów związanych z nadzorowaniem pracy urządzeń, szybsze wdrożenie oraz większa bezawaryjność i możliwość bieżącej kontroli pracy urządzeń.
Dlaczego cyfrowa?
Zagadnienie statusu włącz/wyłącz w odniesieniu do wejść i wyjść zautomatyzowanych elementów wyposażenia przedsiębiorstwa jest z punktu widzenia technologii cyfrowej tzw. „problemem nieinteligentnym”. Z samej natury rzeczy zagadnienie detekcji czy przełącznik jest w stanie „włącz” lub „wyłącz” jest operacją binarną. Problematyka automatyzacji procesu to już jednak zupełnie inne zagadnienie. Ciągła kontrola procesu (w odniesieniu do nadzorowanego elementu wyposażenia) wymaga stałych pomiarów i ciągłej aktualizacji wyników. Kontrolowane parametry pomiaru są z natury rzeczy danymi analogowymi. Oczywiście, aby istniała możliwość transmisji poprzez cyfrową sieć fieldbus sygnały analogowe muszą zostać przekształcone w postać cyfrową.
Zasadniczo magistrale są cyfrowe po to, by minimalizować możliwość pojawienia się błędu. Sygnały analogowe są podatne na wszelkiego rodzaju zniekształcenia, zakłócenia, straty danych lub inne czynniki, które mają wpływ na ich dokładność. W przypadku sygnałów cyfrowych nie ma zagrożenia występowania tego typu zniekształceń. Trzeba jednakże pamiętać, że istnieją inne czynniki, które mają wpływ na integralność systemów cyfrowych. Na szczęście większość sieci typu fieldbus ma zabezpieczenia pozwalające na retransmisję danych w przypadku, gdy informacje są niezrozumiałe. Techniki kontroli błędów umożliwiają systemom fieldbus wykrycie sytuacji, w której sygnał cyfrowy został zniekształcony i w konsekwencji odrzucenie takiej zniekształconej informacji i wysłanie zapytania o ponowną retransmisję tej wiadomości.
Moduły główny i podległy (jak te na rysunku) dają możliwość komunikacji sterowników PLC i urządzeń peryferyjnych z wykorzystaniem sieci Profibus DP
Rodzaje magistrali typu fieldbus
Rodzaj wykorzystywanej sieci magistralowej typu fieldbus w bardzo dużym stopniu zależy od rodzaju procesu wytwarzania, dla którego sieć jest przeznaczona. Dla przykładu producent samochodów i przedsiębiorstwo z branży chemicznej będą miały inne ograniczenia i tym samym będą wymagały innych systemów kontroli. Dane pozyskiwane w trakcie nadzoru procesu będą również się różnić i tym samym wystąpi konieczność zastosowania różnego rodzaju sieci typu fieldbus.
Pojęcie „zautomatyzowanej fabryki” zostało wykorzystane dla potrzeb scharakteryzowania dyskretnych układów logicznych oraz automatyzacji procesów na linii montażu w odniesieniu do operacji realizowanych w przemyśle motoryzacyjnym, obróbce skrawaniem, operacji pakowania czy butelkowania. Zautomatyzowane procesy w przedsiębiorstwie w przeważającej liczbie nadzorowane są przez dyskretne układy logiczne. Logika dyskretna ma z natury rzeczy charakter binarny, tj. stan układu zawsze przyjmuje jedno z dwóch logicznie możliwych rozwiązań: włączone/wyłączone, wysokie/niskie, 1 lub 0.
Sieci projektowane dla obsługi prostych dyskretnych stanów logicznych typu wejście/wyjście, zwykle oparte na małych pakietach danych, nie są odpowiednie dla większych wiadomości jak na przykład ładowania konfiguracyjne nieodłączne w przypadku automatyzacji procesów. Urządzenia magistralowe – lub magistrale na poziomie bajtowym – są ukierunkowane na zaawansowane protokoły o większej szybkości oraz zawierające w swojej strukturze protokoły DeviceNet, systemy ControlNet i sieci Profibus DP. Mniejsze pakiety danych przystosowane są do dynamicznych urządzeń charakterystycznych dla zautomatyzowanych przedsiębiorstw.
DeviceNet jest cyfrową, wielogałęziową siecią, która łączy i obsługuje (jako sieć komunikacyjna) kontrolery przemysłowe i inne urządzenia wejścia/wyjścia. Każde urządzenie i/lub kontroler jest węzłem w sieci. DeviceNet wspomaga hierarchizację zwielokrotnionych sygnałów komunikacyjnych i priorytetyzację wiadomości. Systemy DeviceNet mogą być konfigurowane do funkcjonowania w układzie nadrzędny-podległy lub w układzie zdecentralizowanej kontroli, wykorzystując komunikację na zasadzie „każdy z każdym”.
ControlNet jest szeregową siecią czasu rzeczywistego, która umożliwia szybką transmisję danych typu: dane o włączeniu/wyłączeniu, dane komunikacyjne, dane aktualizacyjne dotyczące programowania i konfiguracji, wiadomości typu „każdy z każdym” w obu kierunkach, wykorzystując pojedynczy kanał komunikacyjny. ControlNet pozwala wszystkim węzłom w sieci na jednoczesny dostęp do tych samych danych pobieranych z tego samego źródła.
Warstwa fizyczna Profibus DP oparta została na interfejsie szeregowym RS-485 z transferem przewyższającym 12 Mbaud. W rzeczywistości sieci Profibus DP i Profibus PA wykorzystują ten sam protokół. Obie mają szerokie możliwości w zakresie parametryzacji i diagnostyki, 244-bajtowe pakiety danych, monitoring stanów zachowań awaryjnych, wykazują cechy deterministyczne i są łatwo konfigurowalne z zastosowaniem jednego narzędzia zarówno dla układów dyskretnych, jak i procesów zautomatyzowanych.
Pojęcie „procesów zautomatyzowanych” zawiera w sobie procesy nadzoru, istotne zwłaszcza w przypadku procesów ciągłych mających miejsce w produkcji przemysłowej, m.in. rafineriach, przedsiębiorstwach branży celulozowo-papierniczej, elektrowni czy przedsiębiorstwach z branży chemicznej. Najczęściej wykorzystywane w procesach przedsiębiorstw przemysłowych sieci lub magistrale fieldbus oparte są na protokołach HART, FOUNDATION fieldbus i Profibus PA. Protokoły te projektowane były konkretnie pod potrzeby oprzyrządowania magistralowego, zawierając zdefiniowane pierwotnie parametry i polecenia będące istotnymi atutami z punktu widzenia zarządzania informacją. Atuty te przejawiają się w bardzo dużych możliwościach diagnostycznych, identyfikacyjnych, zastosowanych materiałach oraz funkcjonalności kalibracyjnej i komunikacyjnej. Skrót HART oznacza w dosłownym tłumaczeniu „protokół komunikacyjny sieci przemysłowych” i pochodzi od angielskiej nazwy „Highway Addressable Remote Transducer”. W swojej funkcjonalności wykorzystuje on kombinację komunikacji cyfrowej oraz konwencjonalnej komunikacji analogowej w zakresie 4−20 mA. Komunikacja oparta na protokole HART jest dwukierunkową przemysłową komunikacją typu „nadrzędny-podległy” wykorzystywaną do komunikacji pomiędzy tzw. aparaturą inteligentną oraz systemem centralnym. Protokół HART umożliwia przesyłanie bez zakłóceń sygnałów o zakresie 4−20 mA z prędkością 1200 b/s oraz daje możliwość cyfrowej aktualizacji danych jednostki centralnej z częstotliwością dwóch lub więcej ładowań na sekundę.
– Istnieje duża różnica pomiędzy analogowymi urządzeniami 4−20 mA a urządzeniami opartymi na mikroprocesorach HART wykorzystujących sygnał 4−20 mA jako nośnik zasilania i transmisji danych – twierdzi Ed T. Ladd Junior, dyrektor Działu Technologii Programowania amerykańskiej fundacji HART Communication Foundation. Urządzenia oparte na protokole HART mają możliwość konwencjonalnej transmisji nieukierunkowanego sygnału 4−20 mA w postaci podstawowych parametrów z jednoczesną transmisją dwukierunkowych sygnałów w postaci cyfrowej. Prądowy sygnał pomiarowy 4−20 mA zapewnia całkowitą kompatybilność zwrotną z systemami wyłącznie analogowymi z jednoczesną możliwością transferu wielu parametrów dotyczących stanu urządzenia oraz informacji diagnostycznych w trybie cyfrowym.
– Poza sieciami magistralowymi Profibus, Profinet, Ethernet oraz RS-485 Modbus można wykorzystać warstwy aplikacyjne protokołu HART – dodaje Ladd. – Uruchamiając system komunikacji HART Communication na poziomie rzeczywistych warstw aplikacyjnych system przybiera tryb komunikacji cyfrowej. Należy przy tym dodać, że sieć Profibus ma własne warstwy aplikacyjne dla profili komunikacyjnych DP i PA.
W strukturze FOUNDATION fieldbus zawierającej nadzorujący protokół komunikacyjny i systemy oprzyrządowania, każde z urządzeń ma własną „inteligencję” i komunikuje się poprzez cyfrowy, szeregowy, dwukierunkowy system komunikacyjny. Sieć foundation fieldbus typu H1 jest głównie przeznaczona dla procesów nadzoru, sprzęgnięć wielopoziomowych i integracji urządzeń. Pracując z szybkością 31,25 kbit/s, technologia pozwala na wzajemne łączenie w sieci takich urządzeń jak nadajniki czy startery. Foundation Fieldbus H1 jest zaprojektowana do pracy na istniejących dwużyłowych kablach skręcanych z jednoczesnym zasilaniem i transmisją sygnałów poprzez ten przewód łączący.
Większość aktualnie oferowanych systemów kontroli (tzw. DCS-ów) oferuje cyfrową komunikację za pomocą sieci FOUNDATION fieldbus jako jeden ze sposobów na połączenie różnych urządzeń cyfrowych w jednym systemie. – Warunkiem powodzenia wdrożenia sieci FOUNDATION fieldbus jest jej właściwe inżynierskie zaplanowanie i zaprojektowanie – twierdzi Jim Cahill, kierownik marketingu w przedsiębiorstwie Emerson Process Management. – Gdyby się przyjrzeć wcześniejszym praktykom projektowania, wdrażania i kontroli systemów DCS okazało by się, że było one dużo bardziej kosztowne w stosunku do systemów opartych na sieciach magistralowych typu fieldbus. Wdrożone we właściwy sposób, sieci FOUNDATION fieldbus mogą przyczynić się do opracowania efektywnego systemu kontroli cyfrowej (w tym również struktury tego systemu). Dotychczasowe doświadczenia w tym zakresie są efektem opracowania i ciągłego doskonalenia kolejnych rozwiązań w zakresie automatyzacji w trakcie ponad tysiąca projektów realizowanych w okresie ostatnich 10 lat.
Profibus PA oraz Foundation Fieldbus typu H1 wykorzystują ten sam rodzaj okablowania i oparte są na tym samym standardzie IEC 61158-2. Jednakże występują między nimi duże różnice wynikające z różnej architektury systemów. Tylko urządzenie główne może inicjować komunikację i tylko jedno urządzenie w tym samym czasie ma dostęp do magistrali. Elementy podległe, takie jak przetworniki, nadajniki czy nastawniki, mają tylko możliwość reakcji na sygnał. Dlatego też rozpoznawane są tylko dwa rodzaje urządzeń: główne i podległe. Obydwa, tj. zarówno centralne urządzenie sterujące, jak i narzędzia konfiguracyjne komputera centralnego, mogą być identyfikowane jako urządzenia główne.
Urządzenia główne komunikują się w logicznym układzie pierścieniowym według kolejności adresowania. W momencie gdy urządzenie główne odbierze sygnał, może wysłać własną wiadomość. W związku z dynamicznym układem przejścia sygnału, tylko jedno z urządzeń ma umożliwiony nieograniczony dostęp do magistrali w dowolnym czasie, co daje pewność braku wystąpienia kolizji komunikacyjnych.
Architektura i warstwy aplikacyjne systemu
Z punktu widzenia przemysłowych zastosowań sieci istnieje istotna różnica pomiędzy warstwami aplikacyjnymi sieci, co ma duży wpływ na sposób ich projektowania. Struktura sieci przemysłowych w gruncie rzeczy zależy bezpośrednio od konkretnych warunków środowiskowych pracy urządzeń takich jak na przykład ciśnienie i temperatura przetworników, przepływomierzy i zaworów sterujących, które są w dużej mierze różne w stosunku do warunków pożądanych dla prawidłowego funkcjonowania jednostki centralnej.
Poziom sieci dla jednostki centralnej w sposób bezpośredni określa poziom automatyzacji procesów dla poszczególnych podsystemów. To również wiąże się z wykorzystywanymi w przedsiębiorstwie systemami komputerowymi, doświadczeniami, systemami utrzymania ruchu i systemami wspierającymi system wytwarzania. Dla poziomu komunikacyjnego jednostki głównej dominującym rozwiązaniem jest sieć Ethernet. Wykorzystanie sieci Ethernet dla biurowych lokalnych sieci komputerowych LAN oraz indywidualnych użytkowników sieci pozwala na obniżenie kosztów do poziomu, który wskazuje zasadność jej zastosowania na poziomie przedsiębiorstwa przemysłowego, biorąc nawet pod uwagę konieczność zastosowania sprzętu hardware’owego dla sieci Ethernet z przeznaczeniem do zastosowań przemysłowych.
Należy jednak wyraźnie podkreślić, że sieć Ethernet nie jest tym samym co sieć magistralowa typu fieldbus. To nawet nie jest kompletny protokół. Ethernet wymaga chociażby innego rodzaju okablowania; różnica jest również w sposobie dostępu urządzenia będącego w sieci do magistrali. Tu również nie jest wymagane chociażby sprecyzowanie formatu danych czy ich semantyki.
Nawet wówczas, gdy zostanie wykorzystany numer TCP/IP, protokół jest niekompletny. Większość z dostępnych obecnie na rynku rozwiązań sieci ethernetowych (nawet z numerem TCP/IP) dla systemów nadzorujących jest prawnie zastrzeżona. Wskutek tego inne urządzenia nie mogą mieć dostępu do informacji ani tłumaczyć jej na własny język.
Wprowadzony w 2001 roku EtherNet/IP jest elementem rodziny sieci wykorzystujących tzw. wspólny protokół przemysłowy CIP (Common Industrial Protocol) i jego wyższe warstwy aplikacyjne. CIP ukierunkowuje pakiet wiadomości i usług dla zróżnicowanych zastosowań w obszarze automatyzacji procesów wytwarzania, włączając w to kontrolę, bezpieczeństwo, synchronizację, ruch, konfigurację i informację.
Profinet opiera się na założeniach sieci Profibus, wykorzystując taki sam sposób organizacji i strukturę jak Profibus, mając wspólne profile aplikacyjne ze standardem Profisafe i Profidrive charakterystyczne dla Profibus. Jednakże protokół sieci Profinet różni się od sieci Profibus. Rodzaje zadań i czynności właściwych dla Profinet zawierają rzeczywiste w czasie operacje włącz/wyłącz, integrację „każdy z każdym”, kontrolę ruchu, integrację pionową (w strukturze przedsiębiorstwa), bezpieczeństwo, ochronę i integrację posiadanych urządzeń magistralowych.
Profinet spełnia wymagania przemysłowe w zakresie szybkości i determinant, wykorzystując standardy sieci Ethernet z zastosowaniem numeru TCP/IP, tam gdzie jest to niezbędne i pomijając tam, gdzie nie jest to konieczne, utrzymując rezerwy w szerokości taśmy dla zapewnienia wyższych osiągnięć i planując przepływ z punktu widzenia zapewnienia niezbędnej kontroli ruchu. Profinet nie wykorzystuje standardu TCP/IP dla celów rzeczywistych w czasie działań czy komunikacji. Jednakże TCP/IP jest wykorzystywany wówczas, gdy ma to sens, czyli na przykład dla celów diagnostycznych, transmisji danych „niekrytycznych” w sensie czasowym czy komunikacji z jednostką centralną lub innymi systemami IT na wyższych poziomach aplikacyjnych. Sieć Profinet czasu rzeczywistego współistnieje ze standardem TCP/IP bez żadnych ograniczeń.
Artykuł pod redakcją Arkadiusza Gola
Autor: Jack Smith
