Dzięki nowym standardom i oprogramowaniu współczesne sieci automatyki mogą być wzajemnie powiązane między sobą, jak nigdy dotąd. Kolejne implementacje nowoczesnych systemów automatyki przynoszą wymierne korzyści: szybsza instalacja i uruchomienie, ograniczenie kosztów instalacji, funkcjonowania oraz inne.
Keith Jones, prezes firmy Prism Systems Inc. Mobile, zajmującej się integracją systemów automatyki, nie jest osobą, która ?korzysta z młotka, by przykręcić śrubę?. Jest on przekonany o tym, iż do każdego zadania należy użyć właściwego narzędzia. Dlatego też jego zdaniem sieci komunikacyjne odpowiednie dla niektórych aplikacji automatyki i sterowania, jak sieci Profibus czy ControlNet (z zaawansowanymi, rozbudowanymi możliwościami funkcjonalnymi i szerokim pasmem komunikacji), nie zawsze sprawdzają się w innych, zwłaszcza mniejszych aplikacjach, gdzie warto rozważyć zastosowanie znacznie prostszych standardów, jak np. ASi.
? Korzystając z ?większych? sieci otrzymujemy co prawda większe pasmo komunikacyjne ? stwierdza K. Jones. ? W większości mniejszych aplikacji jednak ważniejsza jest prostota sieci, dostępna właśnie w innych, mniej znanych standardach. Dlatego też często na końcu sieci komunikacyjnej wykorzystujemy różnorodne standardy sieciowe ? przyznaje Keith Jones, podkreślając jednocześnie, iż zawsze istnieje jedna, jednolita sieć główna, łącząca system we wspólną całość.
W rezultacie ta właśnie sieć musi zagwarantować bezpieczną komunikację całkowicie odmiennych nieraz podsystemów zarówno na poziomie produkcyjnym, jak i poza nim. Potrzeba ta spotyka się z szerokim odzewem grup, opracowujących standardy komunikacji oraz sprzedawców systemów automatyki. Dzięki podejmowanym przez nich działaniom instalacja takich systemów staje się coraz mniej skomplikowana, możliwe jest zaoszczędzenie znacznych kwot pieniężnych w momencie inwestycji użytkownika, a możliwości funkcjonalne samych systemów powiększają się praktycznie z dnia na dzień.
Opracowywanie standardów komunikacyjnych
Nie jest żadnym zaskoczeniem, iż osoby pracujące nad konkretnymi standardami komunikacyjnymi uważają, że właśnie ich marka i typ sieci są najodpowiedniejsze do zastosowania jako sieć szkieletowa (tzw. backbone), łączącą inne podsystemy w zakładzie przemysłowym. Na przykład Carl Henning, zastępca kierownika Organizacji PTO (ang. Profibus Trade Organization) zauważa, iż standard Profinet ma odpowiednie narzędzia programowe, tzw. proxy (ang. proxy ? pośredniczące), pomocne w integracji sieci i urządzeń pracujących w zupełnie odmiennych standardach. To właśnie one odgrywają rolę swoistego ?tłumacza?, dzięki którym urządzenia różnych marek i standardów wyglądają dla sieci szkieletowej tak samo, a użytkownik może łączyć je jedne z drugimi.
? Nie musimy martwić się, jakiej firmy jest sterownik, jaki rodzaj standardu sieci miejscowej obsługuje, jakiego pochodzenia są inne urządzenia. Wszystko jest w pełni przejrzyste, dzięki wsparciu programów proxy. Z punktu widzenia użytkownika to wspaniałe rozwiązanie ? podkreśla Carl Henning.
Producenci oprzyrządowania tworzą i zapewniają obsługę programów proxy, które mają postać plików XML, zawierających jednoznaczne określenia typów wejść, wyjść oraz inne niezbędne informacje. Organizacja PTO przeprowadza w swoich laboratoriach badania certyfikacyjne zgodności tych programów ze standardem. Ostatecznie urządzenia z tymi programami pojawiają się jako elementy systemu, łączone razem w sposób graficzny, na ekranie komputera. ? Dzięki uniknięciu procedury programowania urządzeń w laboratoriach firmowych realizacja i konfiguracja różnych projektów systemów automatyki stała się znacznie mniej kosztowna ? zaznacza Henning.
Zdaniem kierownika działu rozwoju technologicznego Fundacji Fielbus Davida Glanzera standard FOUNDATION Fieldbus wydaje się być obecnie niedościgniony, jeżeli chodzi o zdolności wsparcia i obsługi różnych standardów sieciowych. W systemie FOUNDATION Fieldbus komunikacja realizowana jest za pośrednictwem standardu Ethernet ? z inteligentnymi switchami (łącznikami) gwarantującymi, iż dana wiadomość dotrze dokładnie do miejsca przeznaczenia,
bez zbędnego rozprzestrzeniania się po całej sieci. W systemie możliwe są dwie architektury komunikacyjne. Jedna z nich o nazwie H1 zapewnia szybkość komunikacji na poziomie 31,25 kbit/sek; druga o nazwie HSE (szybki Ethernet) to szybkość komunikacji 100 Mbit/sek. Kontrola i zarządzanie siecią realizowane są przez architekturę standardu OPC, z serwerami komunikującymi się miedzy sobą.
Integracja różnych urządzeń i sieci oparta jest na koncepcji standardowych, elastycznych modeli bloków funkcjonalnych zarówno dla architektury H1, jak i HSE. Takie podejście umożliwia tworzenie ?obrazu? funkcjonalnego nowych węzłów (urządzeń) w sieci, podobnego do urządzeń już w sieci występujących. David Glanzer podkreśla, iż koncepcja ta wciąż jest rozwijana. ? Próbujemy stworzyć jednolity, wspólny interfejs sieciowy dla wszystkich aplikacji ? stwierdza Glanzer.
Członek kierownictwa Organizacji ODVA, Katherine Voss zwraca uwagę na powstającą w niej, niezależną od medium transmisyjnego, platformę wzajemnej komunikacji rożnych systemów o nazwie Common Industrial Protocol (CIP). Jej zdaniem takie właśnie podejście pozwala na izolację modelu obiektu od sieci niższego poziomu. W ten sposób platforma CIP wychodzi poza ramy stworzone przez sieci bazujące na standardzie Ethernet oraz innych, oferując możliwość otwarcia na inne aplikacje, np. na systemy bezpieczeństwa, kontroli ruchu itp. ? Platforma CIP, proponowana przez Organizację ODVA, łączy w sobie wymagania stawiane systemom sieciowym przez różnych użytkowników. CIP pozwala firmom na swobodną integrację i sterowanie modułami We/Wy, konfigurowanie urządzeń oraz zbieranie danych z sieci różnych standardów ? wyjaśnia Katherine Voss.
Z kolei prezes Fundacji OPC, Thomas Burke podkreśla, iż działania reprezentowanej przez niego grupy zawsze były ukierunkowane na ułatwienie współpracy i urzeczywistnienie idei interoperacyjności pomiędzy wszystkimi istniejącymi standardami komunikacji sieciowej. Opracowywany właśnie standard poprawionego języka opisu urządzeń elektronicznych (ang. EDDL ? Enhanced DDL), w których to pracach uczestniczy Fundacja OPC, powinien pozwolić użytkownikom końcowym na diagnozowanie, konfigurowanie oraz pobieranie informacji z sieci w czasie rzeczywistym ? dla ponad 15 milionów typów urządzeń i oprzyrządowania przyłączonego do sieci, a pochodzącego od różnych producentów.
Fundacja OPC czynnie uczestniczy również w działaniach zmierzających do rozwoju powstającej właśnie zunifikowanej architektury i standardu o nazwie OPC Unified Architecture (OPC-UA). Celem tych działań jest stworzenie serwerów OPC, komunikujących się bezpośrednio z urządzeniami fizycznymi, generującymi dane i informacje oraz zapewnienie jednolitego standardu tej komunikacji. Aby to osiągnąć producenci lub sprzedawcy sprzętu musieliby zaimplementować ten standard do swoich urządzeń. Gdyby zostało to zrealizowane, standard OPC-UA pozwoliłby na swobodne odnajdywanie i przeglądanie nawet skomplikowanych i zaawansowanych informacji, generowanych w urządzeniach sieciowych. Odpowiednie dane mogłyby być wymieniane pomiędzy poszczególnymi urządzeniami oraz aplikacjami programowymi wyższego poziomu.
Thomas Burke podkreśla, iż użytkownicy nie chcą tracić czasu na tworzenie i zapisywanie specjalnych kodów, by przekazać lub otrzymać konkretną informację. ? Przejrzystość to klucz do interoperacyjności; użytkownicy końcowi kupują urządzenia i systemy od wielu dostawców i producentów i oczekują, iż te produkty będą zdolne do swobodnej wymiany informacji między sobą, bez konieczności tworzenia dodatkowych aplikacji czy oprogramowania ? stwierdza T. Burke.
Wykonać jedno, a dobrze
Dostawcy systemów reagują na wymagania związane z integracją sieci w różnorodny sposób. Sedno takich reakcji rozumie i wyjaśnia Tim Sweet, menedżer działu marketingu systemu Experion oraz układów We/Wy w firmie Honeywell, stwierdzając: ? Wszystkie te sieci są optymalizowane ze względu na kilka wykluczających się wzajemnie parametrów.
Przykładem może być tu system Profibus, który z powodzeniem sprawdza się w bardzo szybkich systemach sterowania, przenoszących raczej nieskomplikowane strukturalne ciągi danych. Zupełnie inaczej jest w przypadku standardu FOUNDATION Fieldbus, który ma bardziej skomplikowaną strukturę sterowania oraz ciągów danych, jednakże działa przy niższych prędkościach komunikacji. Zdaniem Tima Sweeta takie zróżnicowanie nie jest niczym złym. On sam wolałby mieć różne rodzaje sieci, wykonujące poprawnie pojedyncze, konkretne zadania, nie zaś jedną, rozbudowaną i obejmującą wszystko sieć, która żadnego z zadań nie wykonuje do końca poprawnie.
Dostawcy, tacy jak firma Honeywell, dostarczający systemy nadrzędne dla wielu sieci sterowania, skupiają się szczególnie na dwóch stojących przed nimi wyzwaniach. Pierwsze z nich to kwestia jak zachować właściwy poziom niezawodności i bezpieczeństwa komunikacji w sieci, drugie zaś to stworzenie prostego w obsłudze i bezawaryjnego interfejsu dla użytkownika końcowego. Ich zdaniem jakikolwiek system zostanie użyty, powinien sprostać przede wszystkim tym właśnie dwóm wyzwaniom.
Zdaniem Tima Sweeta realizacja tego jest coraz prostsza, głównie ze względu na fakt, iż na rynku pojawia się coraz więcej narzędzi, umożliwiających łączenie sieci różnych standardów miedzy sobą. Dostępne są już protokoły komunikacyjne trzeciej generacji, zapewniające większą niezawodność i bezpieczeństwo takich połączeń. Podkreśla on również, iż nowe standardy opisu urządzeń, takie jak EDDL, mogą przyczynić się do upowszechnienia połączeń komunikacyjnych pomiędzy różnorodnymi urządzeniami, przyłączonymi do różnych sieci.
Dodatkowo, prace grupy FDT (ang. Field Device Tool ? standard komunikacji pomiędzy urządzeniami systemowymi) również zwiększają zgodność pomiędzy różnymi typami i standardami sieci. Taka koncepcja współpracy różnych standardów jest ideą stosunkowo nową; na przykład wspomniany język EDDL to rozwiązanie rozwijane zaledwie od kilku lat. Główny czynnik napędzający ten rozwój to wymaganie dotyczące zmniejszenia kosztów, a co za tym idzie konieczność adaptacji coraz to nowszych technologii w zakładach przemysłowych.
Alex Johnson, kierownik działu architektury systemów dla procesów przemysłowych w firmie Invensys przyznaje, iż różne sieci tworzone są dla różnych, szczególnych zastosowań i każda z nich ma pewne atuty, ale i słabości. Co jest szczególnie istotne, wiele z tych zaawansowanych funkcjonalnie sieci nie może być wykorzystanych w nowych aplikacjach.
? W zakładach zainstalowanych jest mnóstwo urządzeń sieciowych, które nie mogą zostać wymienione czy zlikwidowane, nawet gdyby zostało wynalezione inne, perfekcyjne rozwiązanie dla danej aplikacji ? stwierdza Alex Johnson. Wyjaśnia on ponadto, iż podejście firmy Invensys polega na opracowywaniu i rozwoju jak największego wachlarza standardów interfejsów różnych systemów, dla konwencjonalnych oraz inteligentnych modułów We/Wy, produktów SCADA (akwizycja danych), a także obsługi inteligentnych urządzeń z komunikacją magistralową. Standaryzacja: transmisji danych, alarmów i komunikatów, konfiguracji i diagnostyki systemu realizowana jest poprzez znormalizowanie warstw fizycznych i logicznych protokołu komunikacyjnego. Dzięki czemu każda aplikacja otrzymuje dane zapisane w jednym, standardowym formacie. Firma wprowadziła również normalizację i standaryzację oprogramowania sieciowego, stosując technologię FDT (ang. Field Device Tool) jako podstawę konfiguracji i diagnostyki systemów sieciowych oraz mocno zaangażowała się w ideę wykorzystania standardu OPC-UA, pozwalającego na implementację do systemu sterowania procesami przemysłowymi, usług charakterystycznych dla sieci internetowej.
Podobne działania podejmowane są również przez innych producentów i dostawców systemów automatyki. Na przykład firmy Emerson Process Management oraz Siemens Automation and Drives ogłosiły ostatniozmianę technologiczną, która już w połowie tego roku zaowocowała wsparciem przez produkty obu wspomnianych firm takich standardów sieci przemysłowych, jak FOUNDATION Fieldbus oraz Profinet. Zrealizowano to dzięki wykorzystaniu obsługi standardów EDDL oraz OPU-UA. W specjalnym oświadczeniu, wydanym w momencie ogłoszenia tej decyzji, Anton Huber z działu automatyki i napędów firmy Siemens podkreślił, że integracja ta okaże się szczególnie użyteczna w przypadku konieczności integracji środowiska przemysłowego, gdzie zastosowano sieci różnych standardów. ? Użytkownicy będą mogli wybierać spośród szerokiej gamy oprzyrządowania urządzenia wyposażonego w odpowiedni interfejs, współpracującego z sieciami w danym zakładzie ? stwierdza Anton Huber.
Różne aplikacje: wodociągi i zakład produkcji dysków CD
By zobaczyć, jak skonsolidowane i zintegrowane sieci automatyki funkcjonują w praktyce, rozważymy przykłady kilku zakładów przemysłowych: sieć wodociągową, zakład produkcji dysków CD oraz zakłady tytoniowe. Każdy z nich charakteryzuje się szczególnymi wymaganiami oraz wytwarza lub dostarcza zupełnie inne produkty.
Rozważana sieć wodociągowa zlokalizowana jest w południowej części Stanów Zjednoczonych i zaopatruje w wodę bieżącą oraz transportuje wodę zanieczyszczoną dla ponad 700 000 ludzi, na obszarze 3 800 km2, obsługując więcej niż 200 000 ujęć i punktów sieci. Dodatkowym utrudnieniem był tu wymóg dotyczący konieczności kontroli wzrastającej liczby zanieczyszczeń, z obsługą ponad 200 punktów pomiarowych. Aby sprostać tym zadaniom (sterowanie i monitoring, raporty), obsługa wodociągów wykorzystała system DCS firmy Invensys oraz bezprzewodową sieć akwizycji danych SCADA. Zbudowane 23 stacje komunikują się między sobą w protokole TCP/IP przez linię T1, podczas gdy osiem hubów sieciowych zbiera sygnały radiowe o częstotliwości nośnej 900 MHz ze sterowników PLC standardu Modbus, rozlokowanych w 155 miejscach sieci wodociągowej.
Alex Johnson z firmy Invensys zauważa, iż ta aplikacja wymaga niezawodnego, choć niekoniecznie redundantnego, systemu sterownia w czasie rzeczywistym. Procesy o szczególnym znaczeniu ? jak zachowanie odpowiedniego współczynnika pH oraz poziomu chlorowania wody ? wyizolowano (niezależny system, pompy itp.), podczas gdy konfiguracja całej sieci, zbieranie danych i zarządzanie realizowane jest przez wspomniane już 23 stacje. Programowa wymiana danych dokonuje się poprzez mapowanie wartości ze standardowych aplikacji systemu rozproszonego DCS oraz wartości zapisanych na odległych serwerach i stronach Web. Podstawową korzyścią takiego rozwiązania jest znaczące ograniczenie kosztów finansowych i czasowych przeprowadzenia poszczególnych operacji sterownia oraz tworzenia raportów, dotyczących stanu pracy całej sieci wodociągowej.
Wspomniany wyżej Carl Henning z Organizacji PTO wspomina o jednym z producentów dysków CD, posiadającym w zakładzie różne typy sterowników PLC firm: Omron, Siemens, Sharp, Rockwell Automation oraz Mitsubishi ? sterowników pracujących w standardach sieciowych Profibus i DeviceNet. Dzięki wykorzystaniu aplikacji proxy sterowniki mogą komunikować się między sobą oraz z serwerem OPC, co umożliwia swobodny przepływ informacji pomiędzy poszczególnymi maszynami i etapami procesu produkcyjnego.
Redukcja czasu o 33%
Rezultatem tych działań jest 33% redukcja czasu pracy ekip inżynierskich, znaczna poprawa w kwestii rozwiązywania nagłych problemów na linii produkcyjnej oraz ograniczenie czasu uruchomienia całego systemu do czterech tygodni. Osiągnięto więc znaczne oszczędności.
Na zakończenie warto wspomnieć jeszcze o jednym projekcie firmy Prism Systems, a omawianym przez Keitha Jonesa. To projekt zrealizowany w zakładach tytoniowych i produkcji cygar, gdzie znajdowała się olbrzymia ilość różnego typu sterowników PLC, które wymagały wprowadzenia wzajemnejintegracji w bardzo krótkim czasie. Zasadniczo w projekcie firmy Prism zastosowano rozwiązanie sieciowe firmy Siemens, oparte na standardzie Profinet ? z wyjątkiem kilku punktów sieciowych, gdzie przyjęto standard ASi oraz inne standardy sieci niższego poziomu. Przyjęty podstawowy standard komunikacji sieciowej charakteryzuje się dużą dostępnością różnego typu oprogramowania, dzięki czemu stworzenie i konfiguracja sieci były znacznie łatwiejsze. ? Poziom obiektowy sieci został przeniesiony wyżej i możliwe było zawarcie w nim poziomu komunikacji w całym systemie ? wyjaśnia K. Jones.
Ekipa firmy Prism, zwolniona z konieczności wpisywania kodów programowych, zaoszczędziła około 20% czasu w trakcie tworzenia sieci, co pozwoliło na wcześniejsze zakończenie prac i ostateczne wdrożenie projektu. Producent cygar dostrzegł zaś niemal natychmiast redukcję czasu produkcji, zwiększenie wydajności pracy oraz większe możliwości w zakresie kontroli i monitoringu samego procesu produkcyjnego, również dzięki zastosowaniu etykiet w technologii RFID. Te właśnie korzyści i oszczędności, pojawiające się w relacjach różnych producentów i dostawców, to coś co Keith Jones postrzega jako naturalny efekt rozwoju jednolitych standardów oraz integracji sieci automatyki. ? To tylko część powodów, dla których zmierzamy ku sieciom otwartym: one właśnie nadają się do realizacji projektów, które mogą obsłużyć różnych użytkowników ? podkreśla Keith Jones.
ce
Artykuł pod redakcją
Andrzeja Ożadowicza
www.fieldbus.org www.fdt-dtm.net
www.us.profibus.com
www.odva.org
www.opcfoundation.org