Современные коммуникационные системы занимают все больше места в автоматизации процессов. Наряду с такими решениями как полевая шина, как правило, на основе FoundationFieldbus в эти области вовлекаются сети индустриального Ethernet. Примечательно, что для Ethernet-стратегии пользователей FieldbusFoundationи Profibus важную роль играет хорошо зарекомендовавшая себя техника RemoteI/O. Особенно на установках, которые занимают большие пространства Ethernet-коммутируемые, зачастую связанные оптическим кабелем, RemoteI/Oспособны обработать большое количество сигналов при небольших затратах.
Такие системы доступны в настоящее время и для взрывоопасных зон класса 1.
Мы расскажем здесь о построении, предпосылках и перспективах сосуществования Fieldbus, IndustrialEthernetи систем RemoteI/O.
Ethernet-технология, с момента ее возникновения в 1973 году, к настоящему времени широко распространилась и доминирует в основном в секторе офисного IT. Промышленное же применение возникло около двадцати лет назад и стало шаг за шагом заменять классические 4…20 мА. Развитие шло быстрее в автоматизации производств, чем в автоматизации процессов.
Первые Ethernetрешения для автоматизации процессов появились в недалеком прошлом, после таких решений как HART и полевая шина Profibus или FoundationFieldbus. Одно из основных преимуществ сквозных Ethernet-сетей лежит в ее вертикальной интеграции: через всю сеть вплоть до верхнего уровня менеджмента предприятия можно иметь связь с датчиком или исполнительным устройством в поле. Для пользователя это не только высокий комфорт, но и функционально новые опции. Прозрачный доступ ко всем уровням благодаря стандартизации технологии возможен без особых усилий. Ethernet обеспечивает высокую скорость обмена данными, даже при большом числе пользователей в сети. К этим замечательным качествам нужно прибавить доступные расходы на железо, так как применяются, в основном, стандартные промышленные компоненты, которые стали за долгие годы развития технологии очень дешевыми.
Рис. RemoteI/O, подключенное к искробезопасному оптическому Ethernet
Непрерывность и резервирование.
То, что развитие передачи данных на основе Ethernet развивается в промышленных установках и машинах значительно медленнее, чем в остальном IT имеет свои причины. Три основных недостатка стояли долго на пути этой технологии и все еще препятствуют ее развитию. Первое что требуется от сети это жесткий режим реального времени. Сети Ethernet здесь требуется доработка, которая дополняла или заменяла бы медленные и не очень надежные протоколы TCPи UDP. Единый стандарт для этого отсутствует.
Второе требование это то, что многие процессы требуют, по условиям безопасности, сети с резервированием: при неисправностях необходимо мгновенное переключение на альтернативные цепи и резервные приборы. Даже используя последние стандартные Ethernet доработки, такие как «Spanning Tree Protocol“ и„Rapid Spanning Tree Protocol“ не удается обеспечить требуемую скорость. Многие производители в нефтяной и газовой индустрии требуют структуры с резервированием со скоростью реакции и переключения между 100 и 500 мсек. В доработках „Spanning Tree“ и„Rapid Spanning Tree“ эти значения находятся в секундном диапазоне.
Взрывозащита
Важным является то, что на технологических установках в нефтяной и газовой индустрии сеть, ее компоненты и потребители располагаются во взрывоопасных зонах и к ним предъявляются требования по взрывозащите. Возможные решения зависят от применяемого кабеля и, соответственно, от условий его прокладки, по возможности должны выполнять определенные требования по эксплуатации - особенно, что касается коммутации компонентов установки во время работы, ревизионные операции, замены или добавления оборудования без остановки процесса. Некоторые виды взрывозащиты, применяемые для этих целей всем хорошо знакомы, это, например, вид защиты «Искробезопасная цепь» или «Взрывонепроницаемая оболочка».
Другие виды взрывозащиты, такие как “opis” (IEC 60079-28) либо взрывозащита для радиоволн пока малоизвестны потребителю. Все эти три условия – непрерывность, резервирование и взрывозащита классическая технология Ethernetне выполняет, да и не требовалось от нее выполнения этих условий для обычного рабочего места в офисе.
Эффективный ввод сигналов
Даже на самых новых установках, которые декларируются, как образец новейших технологий Вы точно встретите коммуникационные технологии разного поколения и уровня мощности. Большая часть сигналов часто передается по классическим линиям. Системы распределенного ввода вывода во многих случаях, как и раньше, являются самыми эффективными – особенно для простых дискретных сигналов, либо для подключения существующих датчиков. Очевидные преимущества систем RemoteI/Oперед соединением точка-точка с классическими разделителями: меньшие затраты на кабель, система занимает меньше места, гораздо большие возможности для диагностики. Но современный пакет RemoteI/Oдолжен предполагать простую интеграцию в современные системы связи. В 1990 годы самой распространенной сетью был ProfibusDP, который позволял передачу большого количества данных в приемлемое время.
Рис. RemoteI/Oдля искробезопасного ProfibusDP
Для взрывоопасных зон он предлагал возможность построения сетей как на основе медного, так и на основе оптоволоконного кабеля. Все чаще в АСУ ТП требовался взрывозащищенный интерфейс ProfibusDP, который компания R.STAHL впервые ввела для взрывозащищенных RemoteI/O, и который был преобразован в 2003 в стандарт для организации пользователей Profibus.
Remote I/O в сетях Ethernet.
Следуя за развитием тренда вертикальной интеграции, от систем RemoteI/Oвсе чаще требуется интерфейс FastEthernet. Некоторым производителям удалось осуществить соответствующие разработки. Система IS1 предлагает EthernetRemoteI/O с функцией полной «горячей замены» для взрывоопасной зоны класса 1. Модули ввода/вывода для варианта Ethernet точно такие же, как для обычного Profibusили Modbusварианта.
Рис. Стандартные модули ввода/вывода системы IS 1, подключенные к EthernetCPU+Power
Это означает, что для перехода от Profibus-DPверсии необходимо замена только блока CPU. Эта система RemoteI/O позволяет в случае неисправности переключение на резервные цепи всего за 200 мсек. Скорость передачи данных в системе до 100Мбит/с, а, для надежной связи используется Ethernet-протокол реального времени ModbusTCP, который напрямую поддерживается такими системами, как CentrumCSот Yokogawaили DeltaVот Emerson. Конфигурация и диагностика осуществляется с помощью удобного решения DTM, так как для протокола ModbusTCPнет стандартных инструментов. Следующие варианты систем на базе Ethernet будут также иметь возможность связи с более мощными протоколами FoundationFieldbusHSEили ProfiNet, которые имеют интегрированные функции диагностики и конфигурирования. Для того, чтобы создать систему RemoteI/O с Ethernet технологией, связанную оптическими кабелем и разнесенную на многие километры, необходимы соответствующие разделители и коммутаторы. Для этого и существуют компоненты, имеющие вид взрывозащиты «opis», где энергия оптического излучения ограничивается до такой степени, что в случае обрыва кабеля оптическое излучение не сможет нагреть частицы или поверхность до опасных температур. Это также означает, что в оптически искробезопасных цепях можно коммутировать компоненты во время работы системы без ее отключения, это особенно важно для мобильных устройств.
Благодаря промышленному Ethernet открываются новые дополнительные возможности для более быстрой и эффективной передачи сигналов. Кроме этого Ethernet позволяет построение структуры вертикальной интеграции, от верхнего уровня для уровня поля. Компания R.STAHLактивно участвует в процессе интеграции техники RemoteI/O в архитектуры систем управления совместно с крупными международными организациями ProfibusInternationalи FieldbusFoundation. Так в 2007 году была создана рабочая группа FFHSE-RIOна базе производства R.STAHL в г. Вальденбург (Германия), которая занимается исключительно вопросами Fieldbus.
Компания R.STAHL производит сегодня весь спектр устройств, необходимых для построения промышленных сетей во взрывоопасных зонах класса 1 и 2 на базе Modbus, Profibus, FoundationFieldbusи Ethernet.
Рис.1 ИнтеграцияEthernet, Remote I/O иFoundation Fieldbus отР. ШТАЛЬ
