Temat z okładki: Bractwo Użytkowników Fieldbusa

Pod presją użytkowników poszukujących wyższego stopnia zgodności z różnymi systemami i w reakcji na szybki rozwój Ethernetu organizacje powiązane z fieldbusem wyraźnie zaczynają współpracować (na razie wprawdzie tylko powierzchownie), by spełnić oczekiwania klientów.

Klient ma zawsze rację, a szczególnie kiedy stwierdza, że jego potrzeby nie są zaspokojone. Wymagania użytkowników końcowych, zwiększone ostatnio przez oczywistą otwartość Ethernetu, wymuszają na dostawcach, sprzedawcach sieci przemysłowych oraz organizacjach, które ich reprezentują, wprowadzanie zmian.

Zapotrzebowanie na rozszerzalność magistrali fieldbus (rozumianą jako zwiększenie możliwości wzajemnej współpracy różnych systemów, nazywaną ?interoperability?) utrzymuje się, ponieważ trwające w ostatnich latach spory na temat fieldbusa oraz wynikający z nich ośmioczęściowy, opublikowany przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (International Electrotechnical Commission ? IEC), nieuzgodniony w pełni standard 61158 w zasadzie przyczynił się w zaledwie nieznacznym stopniu do zwiększenia prawdziwej, tak rozumianej rozszerzalności magistrali fieldbus, chociaż spowodował zwiększenie liczby zastosowań (wdrożeń) indywidualnych magistrali fieldbus i zniósł kilka istniejących wcześniej barier typu komercyjnego.

W konsekwencji wielu znajwiększych na świecie użytkowników końcowych magistrali fieldbus, wywodzących się z przemysłu petrochemicznego, motoryzacyjnego oraz z innych gałęzi przemysłu, zaczęło coraz głośniej domagać się od swoich własnych organizacji fieldbusowych oraz grup użytkowników końcowych zwiększonej rozszerzalności. ? Użytkownicy mają dosyć występującego wcześniej zjawiska nadmiernej konkurencji. W zdecydowany sposób tłumaczą dostawcom, że rozwiązania oparte na magistralach typu fieldbus muszą być takie, aby przeciętny facet mógł się nimi posłużyć przy minimalnym nakładzie pracy ? mówi Ian Verhappen, przewodniczący rady doradczej użytkowników końcowych Fundacji Fieldbus [Fieldbus Foundation?s (FF) End-User Advisory Council (EUAC)]. ? Użytkownicy chcą mieć możliwość zamieniania komponentów magistrali w taki sam sposób, jak robi się to z urządzeniami pracującymi w oparciu o standard sygnałów prądowych 4?20 mA.

Wspólne wysiłki

Na skutek tego producenci infrastruktury sieciowej oraz zrzeszające ich organizacje próbują dostarczyć użytkownikom bardziej praktyczne mechanizmy zapewniające tak rozumianą rozszerzalność magistrali fieldbus, a nawet współpracują ze sobą, aby zadanie to zrealizować. Z podjętych ostatnio wspólnych inicjatyw, najbardziej godne uwagi są:

• Fundacja Fieldbus (Fieldbus Foundation ? FF), Fundacja Komunikacyjna HART (HART Communication Foundation ? HCF) oraz Organizacja Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO) współpracują ze sobą w celu rozszerzenia zakresu specyfikacji dla Elektronicznego Języka Opisu Urządzeń (Electronic Device Description Language ? EDDL, w skróconej formie ? DDL ? Jezyk Definiowania Urządzeń). Jest to język tekstowy (text-based), używany również do opisywania charakterystyk pracujących w sieci urządzeń przemysłowych. Proponowane rozszerzenia EDDL obejmują dodanie możliwości opisywania charakterystyk (sposobu) wyświetlania parametrów urządzeń, jak również uwzględniania zależności algorytmicznych dla złożonych parametrów urządzeń, danych trwałych oraz trendów występujących w czasie rzeczywistym. EDDL to międzynarodowy standard IEC 61804-2.
• W roku 2004 ?Memorandum zrozumienia? (MoU), grupa IDA oraz ODVA, które ustanowiły w 2000 r. IAONA jako platformę mającą na celu rozwijanie techniki komunikacyjnej dla automatyki przemysłowej IEEE 802.3 i/lub TCP/IP, zostało rozszerzone o grupy SERCOS (IGS), EtherCAT Technology Group (ETG) oraz Ethernet Powerlink Specification Group (EPSG). Połączone techniczne grupy robocze IAONA, jej Komitet Nadzorczy oraz organizacje z nią współpracujące poszukują ?wspólnych, jednolitych, obejmujących wszystkie aspekty zagadnienia? szczegółowych procedur i zaleceń technicznych dla wspólnych obszarów zainteresowań. Procedury te mają służyć organizacjom obsługującym użytkowników automatyki przemysłowej, jak również sprzedawcom techniki IEEE 802.3 i/lub TCP/IP.
• PNO i jej amerykański oddział ? Handlowa Organizacja Profibus (Profibus Trade Organization ? PTO) utworzyły ostatnio połączoną grupę roboczą z Klubem Interbus, w celu przeniesienia protokołu magistrali Interbus fieldbus na oparty na Etehrnecie protokół PNO Profinet. Grupa robocza przygotowuje specyfikację, która przyjmie koncepcję ?proxy? Profinet, co pozwoli na przeniesienie systemów Interbus do architektur Profinetu, z uwzględnieniem wymaganych zmian inżynieryjnych. Oczekuje się, że pierwszy szkic specyfikacji ?proxy? będzie gotowy do września 2004.

Profile magistrali typu fieldbus

Najbardziej aktywne protokoły fieldbus oraz ich organizacje rozwijają się w stałym tempie. Rozwiązania wdrażane są skutecznie w różnych, nowych gałęziach przemysłu. Większość obchodziła ostatnio 10 rocznicę powstania. W artykule przedstawiamy w skrócie techniczne profile każdej organizacji związanej z techniką fieldbus, wraz z jej ostatnimi, znaczącymi osiągnięciami i zastosowaniami.

DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP

• DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP, które są oparte na Wspólnym Protokole Przemysłowym (Common Industrial Protocol ? CIP), będącym protokołem najwyższej, górnej warstwy modelu sieci
• Organizacje zrzeszające projektantów i firmy zapewniające wsparcie: ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) oraz CI (ControlNet International), które wspólnie zarządzają EtherNet/IP
• Zainstalowana baza: około 3,5 miliona węzłów (stanowisk) dla wszystkich sieci kategorii CIP
• Topologia: liniowa (drzewo/gałąź ? trunkline/dropline topology) dla DeviceNet; liniowa, drzewa, gwiazdy lub kombinowana ? ControlNet; aktywnej gwiazdy z urządzeniami podłączonymi do switcha Ethernet ? Ethernet/IP
• Media fizyczne: skrętka dwużyłowa do sygnału i zasilania (DeviceNet); kabel koncentryczny lub światłowodowy (ControlNet); 10/100-BaseT skrętka dwużyłowa Cat 5E (Ethernet/IP)
• Maksymalna liczba urządzeń: 64 węzły (DeviceNet); 99 węzłów (ControlNet), bez ograniczeń (EtherNet/IP)
• Maksymalna odległość: 500 metrów przy prędkości transmisji 125 kbps, w zależności od prędkości transmisji danych (DeviceNet); 1 km przez skrętkę przy dwóch węzłach, 3 km przez skrętkę przy 99 węzłach, 30 km przez światłowód lub
  skrętkę ze wzmacniakami (repeater) aż do 99 węzłów (ControlNet); bez ograniczeń (EtherNet/IP)
• Metoda komunikacyjna: nadajnik/odbiornik z opcją ?każdy z każdym? (peer-to-peer) oraz z opcją ?nadrzędny ? podległy? (master-slave) dla DeviceNet oraz ControlNet
• Prędkość transmisji: 500 kbps, 250 kbps lub 125 kbps (DeviceNet); 5 Mbps (ControlNet); 10/100 Mbps (EtherNet/IP)
• Wielkość pakietu danych: 0?8 bajtów, zmienna (DeviceNet); 0?510 bajtów, zmienna (ControlNet); 0 do 65 511 bajtów, zmienna (EtherNet/IP)

 Globalna adaptacja wszystkich sieci CIP w dalszym ciągu szybko wzrasta. Według Katherine Voss, dyrektora zarządzającego ODVA oraz CI, z roku na rok łącznie ok. 300 członków raportuje dwucyfrowy roczny przyrost sprzedaży węzłów.

Rys. Podczas gdy mniejsza liczba z 236 respondentów badania przeprowadzonego w roku 2003 przez Control Engineering/Reed Research Group, dotyczącego Przemysłowych Produktów Sieciowych, podłącza urządzenia do sieci lub planuje zastosowanie jednego ze znanych protokołów fieldbus, niektórzy planują w najbliższej przyszłości zastosowanie większej liczby innych protokołów.

ODVA oraz CI utworzyły ostatnio dwie nowe połączone Grupy Specjalnych Zainteresowań (joint Special Interest Groups ? jSIG). Pierwsza z nich, CIP Safety jSIG, będzie zajmować się udoskonaleniami specyfikacji CIP oraz Device-Net w zakresie bezpieczeństwa. Druga grupa, Distributed Motion jSIG, będzie definiować struktury danych potrzebne do koordynacji złożonych ruchów w przypadku wielokrotnych osi ruchu w sieciach CIP oraz bramkach (gateway) upoważniających do odczytu i zapisu konfiguracji napędu SERCOS IDNs.

Sieci CIP mają również większy udział w kilku rynkach pionowych. W kwietniu 2003 roku dodano EtherNet/IP do standardu sensorbus SEMI E54, co pozwoliło na zastosowanie EtherNet/IP w narzędziach półprzewodnikowych. Ostatnio korporacja General Motors (GM) ogłosiła plany ujednolicenia standardu EtherNet/IP na poziomie zakładowych sieci Ethernet przy produkcji pojazdów.

W przemyśle wydobywczym firma CSIRO Exploration and Mining, zajmująca się poszukiwaniem i wydobyciem, a działająca w Australii, w Queensland Centre for Advanced Technologies, wybrała EtherNet/IP w celu zrealizowania standaryzacji systemu sterowania stosowanego do wrębiarek pracujących w kopalniach węgla kamiennego. System nawigacji inercyjnej (tj. bezwładnościowy) wrębiarki, o klasie odpowiadającej zastosowaniom wojskowym oraz bezprzewodowy sprzęt Ethernet muszą znajdować się bezpośrednio na maszynie wydobywczej, a EtherNet/IP zapewnia im wspólny interfejs komunikacyjny. EtherNet/IP pomoże systemowi nawigacyjnemu śledzić pozycję wrębiarki w trzech wymiarach, podczas gdy przemieszcza się ona w celu zajęcia pozycji w określonym cienkim pokładzie węgla.

FUNDACJA fieldbus

• FUNDACJA fieldbus H1 oraz Ethernet o dużej prędkości (High-Speed Ethernet HSE)
• Organizacje zrzeszające developerów i firmy zapewniające wsparcie: Fundacja Fieldbus (Fieldbus Foundation ? FF)
• Zainstalowana baza: ponad 300 000 węzłów w 5000 systemów; rozrasta się o ok. 125 000 węzłów na rok
• Topologia: gwiazdy lub magistrali, szyny (H1), gwiazdy (HSE)
• Media fizyczne: skrętka dwużyłowa, światłowód
• Maksymalna liczba urządzeń: 240 węzłów nasegment oraz do 65 000 segmentów (H1); nieograniczona ze względu na adresowanie IP (HSE)
• Maksymalna odległość: 1900 metrów przy 31,25 kbps przewód (H1); 100 metrów przy 100 Mbps, skrętka dwużyłowa oraz 2 km przy 100 Mbps, światłowód, pełny duplex (HSE)
• Metoda komunikacji: klient/serwer, wydawca/prenumerator, zawiadamianie o zdarzeniach
• Wielkość pakietu danych: 128 oktetów (H1); zmienia się w zależności od TCP/IP (HSE)
• Czas cyklu: poniżej 500 ms (H1); poniżej 100 ms (HSE)

Wydaje się, że zainteresowanie oraz wdrażanie FUNDACJI fieldbus rośnie lawinowo, o 50% w skali roku; od 175 systemów rozszerzalnych rok temu do 300 obecnie oraz od 205 000 zainstalowanych urządzeń 14 miesięcy temu do około 300 000 obecnie i ponad 5000 systemów hostów na świecie.

Fot. Ośrodek zaawansowanych technologii, CSIRO Exploration and Mining, Queensland Centre for Advanced Technologies w Australii, zastosował ostatnio protokół EtherNet/IP w odkrywkowych kopalniach węgla kamiennego do sterowania (nawigacji) urządzeniami wydobywczymi.

Wygrywamy! ? zakrzyknął podczas ostatniego generalnego zjazdu organizacji w Nowym Orleanie John Pittman, poprzedni prezes i główny dyrektor zarządzający FF. W rzeczywistości FF zrzesza obecnie 200 członków, a 250 urządzeń pochodzących od 20 dostawców jest zarejestrowanych jako zgodnych z FUNDACJĄ fieldbus.

Jednym z głównych powodów tak przyspieszonej akceptacji jest to, że FUNDACJA fieldbus (rozumiana jako standard przemysłowy, a nie organizacja) pozwala na wykonywanie w urządzeniach przemysłowych funkcji logicznych i sterujących, takich jak regulacja zgodna ze standardem PID, zdalnie sterująca nastawami zaworu, czego nie jest w staniewykonać żadna inna technika. ? W aplikacjach przemysłowych ?bezpośrednio na produkcji? przechodzimy od w pełni scentralizowanego sterowania do sterowania rozproszonego, a zamiast tradycyjnych systemów rozproszonych DCS mamy obecnie elastyczne bloki funkcyjne (flexible function blocks ? FFB) pracujące w urządzeniach przemysłowych na produkcji, zgodnych z H1 oraz HSE ? mówi David Glanzer, dyrektor do spraw rozwoju technicznego FF.

Ponadto FUNDACJA fieldbus została ostatnio wdrożona jako część instalacji zarządzania procesem Emerson Process Management, w systemie oprogramowania Plant-Web, DeltaV, AMA Suite oraz Ethernet LAN w Repsol YPF Loma la Lata, przy eksploatacji złóż gazu ziemnego w prowincji Neuquen, w Argentynie. PlantWeb pomaga firmie zarządzać stanem 4000 wyjść i wejść zewnętrznych, zarówno ciągłych (analogowych), jak i dyskretnych (wyłączników), jak również trzema sterowniami nadzorującymi 196 studni (szybów), separatory pól wydobywczych i kompresory, które łącznie generują dziennie (średnio) 40 milionów metrów sześciennych gazu.

FUNDACJA fieldbus H1 obsługuje zarówno sterowanie zasilania, jak i komunikację cyfrową dla maksymalnie 16 przyrządów w Loma la Lata, na jednym kablu podłączonym wielopunktowo. HART nakłada dwukierunkowe impulsy cyfrowe na sygnał 4-20 mA z przekaźnika (transmitter) lub do zaworu sterującego.

HART

• HART (Highway-Addressable Remote Transducer) ? Adresowalny z Magistrali Zdalny Przetwornik
• Organizacje zrzeszające developerów i firmy zapewniające wsparcie: Fundacja komunikacyjna HART (HART Communication Foundation ? HCF)
• Zainstalowana baza: ponad 14 milionów urządzeń współpracujących z HART, które mogą stanowić zaledwie 25% całości potencjalnej bazy na świecie
• Topologia: zazwyczaj posługuje się istniejącym okablowaniem
• Media fizyczne, takie jak okablowanie dla sygnałów 4-20 mA, bez potrzeby instalowania terminatorów magistrali
• Maksymalna liczba urządzeń: zalecane połączenie dwupunktowe, ale w przypadku niektórych aplikacji może być wielopunktowe, aż do 15 urządzeń
• Maksymalna odległość: 3000 metrów, ale można stosować wzmacniaki (repeaters)
• Metoda komunikacyjna: analogowa 4-20 mA, plus dwukierunkowa nadrzędno-podrzędna (two-way digital master-slave)
• Prędkość transmisji: analogowa 4-20 mA, prędkość natychmiastowa, zawsze obecna, bez opóźnień transportowych czy czasu synchronizacji
• Wielkość pakietu danych: cztery zmienne procesowe o wartościach zmiennopozycyjnych IEEE, ich jednostki (fizyczne) plus status urządzenia w jednym pakiecie
• Czas cyklu: 500 ms dla cyfrowych

Fot. Nowa francuska pakowarka (zginająca i sklejająca karton) Roberts PolyPro wytwarza 260 tysięcy kartonów na godzinę. Sterowanie to PLC Simatic Siemensa typu S7-300, silniki MM440 prądu przemiennego, połączone siecią Profibus.

Podobnie do innych standardów opartych na magistrali fieldbus, HART ma ponad 10 lat. W porównaniu z innymi jest jednak prostszy, ma protokół niższego poziomu, który z założenia miał zostać przejęty przez protokoły innych fieldbusów i na tym zakończyć swój rozwój. Jednakże tak się nigdy nie stało, a HART w dalszym ciągu się rozwija i jest adaptowany przez użytkowników mających świadomość, że wiele z zainstalowanych urządzeń I/O jest kompatybilnych z HART i jest w stanie interpretować inteligentne sygnały I/O. W istocie ostatnie badania wykazały, że w latach 2002?2010 liczba zastosowań HART najprawdopodobniej będzie wzrastać o ok. 5% w skali roku.

? Sygnały analogowe 4-20 mA to w dalszym ciągu najszybszy i najbezpieczniejszy sposób przesyłania danych I/O oraz zmiennych sterujących do zastosowania w połączeniach procesu ze sterownią i z powrotem ? mówi Ron Helson, dyrektor zarządzający PE, HCF. Aby pomóc użytkownikom poszukującym coraz bardziej wyrafinowanych możliwości diagnostycznych, takich jak ocena odchylenia parametrów procesu (process deviation), HART opracował ostatnio kanał komunikacji cyfrowej. Pozwala on użytkownikom uzyskać dostęp do obu sygnałów w czasie rzeczywistym, wykrywać problemy z urządzeniami w sekundy i podejmować stosowne działania.

HCF podaje jednak, że ostatnie osiągnięcie HART polega na tym, że międzynarodowe stowarzyszenie IEC zaaprobowało jednogłośnie język DDL, przyjmując go jako Międzynarodowy Standard 61804-2. DDL to standard, na którym jest oparty HART, a HART był pierwszą techniką komunikacyjną, która wdrożyła praktycznie język DDL i przyjęła go za swój standard. Do konfigurowania urządzeń HART HCF poleca jedynie język DDL.

Departament Wodociagów i Kanalizacji miasta Detroit (Detroit Water and Sewerage Department ? DWSD) posługuje się HART-em w celu wyeliminowania kolizji dotyczących pomiarów, udoskonalenia niezawodności systemu oraz uproszczenia i usystematyzowania podejmowanych działań. DWSD stosuje HART do opracowania i wdrożenia rozległego systemu, odpowiedzialnego za odczytywanie pomiarów/sterowanie nadzorcze oraz zbieranie danych (AMR/SCADA). Koszt systemu będącego głównym projektem unowocześniania infrastruktury zakładu wyniósł 10 mln USD. System posługuje się HART-em w celu zapewnienia zgodnych, wiarygodnych danych z procesów. DWSD zintegrowało wiele różnych urządzeń i technik polowych w jeden system sieciowy, który wykorzystał cyfrowe możliwości komunikacyjne HART-a.

Profibus

• Profibus-PA, Profibus-DP, Profinet, Profi-Safe
• Organizacje zrzeszające developerów i firmy zapewniające wsparcie: ProfibusNutzerorganisation e.V. (PNO) oraz Profibus Trade Organization (PTO)
• Zainstalowana baza: ponad 10 milionów węzłów
• Topologia: liniowa, gwiazdy, pierścienia lub magistrali
• Media fizyczne: skrętka dwużyłowa lub światłowód
• Maksymalna liczba urządzeń: 127 węzłów w czterech segmentach z trzema wzmacniakami plus trzy komputery główne
• Maksymalna odległość: 100 metrów pomiędzy segmentami przy prędkości transmisji 12 Mbps lub 12 km przy światłowodzie
• Metoda komunikacyjna: nadrzędny/podrzędny, ?każdy z każdym? (sieć stacji równorzędnych)
• Właściwości transmisji: 500 kbps, 1,5, 12 Mbps dla Profibus DP; 31,25 kbps dla Profibus PA
• Wielkość pakietu danych: 256 bajtów
• Czas cyklu: zależny od konfiguracji, mniej niż 2 ms

Zrzeszenie PTO uczciło swoje 10 urodziny, osiągając pod koniec 2003 roku ponad 10 milionów zainstalowanych węzłów. Obejmuje to sprzedaż około 1,3 miliona urządzeń podrzędnych na całym świecie (w roku 2003), przy czym większą część wzrostu odnotowano w USA.

Ron Mitchell, przewodniczący Centrum Interfejsu Profubus PTO (PTO?s Profibus Interface Center PIC), mówi o innym mierniku rozwoju Profibusa. Również w roku 2003 organizacja przetestowała więcej nowych urządzeń zgodnych z Profibus niż w latach poprzednich, począwszy od wcześniejszego okresu zwyżki, który miał miejsce w roku 1998. Dodaje, że 95% sprzedawców tych urządzeń ma swoją siedzibę również w USA.

? Myślę, że w końcu docieramy do ludzi ? mówi Mitchell. ? Wydaje mi się, że zdali sobie sprawę, że fieldbus jest naprawdę lepszy od okablowania równoległego oraz że poprawa koniunktury pozwala na ich wdrażanie.

Jednym z ostatnio nawróconych jest John Young, główny inżynier elektryk pracujący w firmie Roberts PolyPro, który współpracował z Control Corp. of America (CCA) w celu znalezienia bardziej wydajnego rozwiązania dla nowych szybkich, francuskich falcerek do kartonu, wyposażonych w opcję klejenia, które miały przerabiać 260 tys. kartonów na godzinę (przy prędkości1800 stóp/min). Young wspólnie z CCA zdecydował się zastosować sterowniki PLC firmy Siemens, Simatic S7-300 oraz napędy prądu przemiennego MM440 AC połączone w sieć przez Profibus.

? Zastępując stosowane wcześniej bezszczotkowe silniki i napędy prądu stałego (dc) standardowymi, gotowymi silnikami i napędami wektorowymi obniżyliśmy koszty, w znacznym stopniu poprawiliśmy wydajność maszyny, uprościliśmy procedury konserwacyjne, wyeliminowaliśmy kosztowne i kłopotliwe okablowanie oraz udoskonaliliśmy ustawianie maszyny, poprzez wykorzystanie możliwości sieciowych Profibus network ? stwierdził John Young.

Fieldbus Foundation ? www.fieldbus.org
HART Communication Foundation ? www.hartcomm.org
Interbus ? www.interbusclub.com
Modbus ? www.modbus-ida.org
ODVA ? www.odva.org
Profibus Trade Organization ? www.profibus.com