Анализ и рекомендации по выбору fieldbus

Обзор, классификация промышленных коммуникационных технологий.

Среди программных опций, решающих коммуникационные задачи, особо выделим поддержку электроприводом коммуникационных протоколов. Протоколом называют формализованные правила, определяющие процедуру взаимодействия узлов информационной сети. Спецификация протокола – это документ, содержащий полный перечень таких правил. Поддержка электроприводом коммуникационного протокола, т.е. способность посылать, принимать и обрабатывать сообщения в соответствии со спецификацией, позволяет встраивать электропривод в АСУТП или строить на его основе локальные информационно-управляющие сети. Коммуникационный протокол является базовым средством коммуникации, определяющим, в составе какой сети сможет работать электропривод.

В АСУП можно выделить офисную сеть, объединяющую персональные компьютеры и серверы административных служб предприятия, и промышленную сеть, объединяющую производственное оборудование цехов. Коммуникационную технологию построения промышленной сети принято называть fieldbus или, в переводе на русский, полевой (промышленной) шиной.

Существует более 50 промышленных шин. Такое разнообразие можно объяснить множеством областей применения fieldbus с достаточно разнообразными требованиями. Кроме того, каждая способная на то фирма-производитель электроприводов и оборудования для систем автоматики считает своим долгом предложить пользователям свою промышленную шину и созданную на её основе технологию построения АСУТП.

Определению критериев выбора той или иной промышленной шины способствует классификация fieldbus.

Предложенная классификация (рис. 2.1) выделяет следующие признаки промышленных шин:

1) тип физического интерфейса;

2) тип среды передачи данных;

3) сетевая топология;

4) метод доступа к среде передачи данных;

5) степень открытости;

6) уровень применения.

Рис. 2.1. Классификация промышленных шин (fieldbus)

Физическим интерфейсом в подавляющем большинстве случаев являются RS-232 и RS-485. Это связано с применением витой экранированной пары как среды передачи данных. Хотя используются и оптоволокно, радиоканал и другие. Преимуществом витой экранированной пары является низкая цена при хорошей помехозащищенности и достаточной для большинства применений длине линии и скорости передачи данных.

Из сетевых топологий предпочтительной является шинная топология, поскольку она обеспечивает лучшую надежность, позволяет легко изменять конфигурацию сети и выбирать метод доступа к среде передачи данных.

Централизованный метод доступа обладает очевидным недостатком, поскольку предполагает обмен сообщениями только по запросу одного ведущего (Master) узла сети. В децентрализованных методах этот недостаток устраняется либо передачей маркера (прав ведущего узла), либо случайным методом доступа, когда любой узел может инициировать передачу сообщения, а их приоритет определяется типом сообщения.

Степень открытости является существенной характеристикой коммуникационной технологии. Степень открытости определяет наличие общепринятых и широкодоступных документов, регламентирующих данную промышленную шину, а также количество независимых производителей оборудования, поддерживающего данную fieldbus. На практике это означает, что любой разработчик электроприводов или оборудования для систем автоматики может свободно получить исчерпывающую информацию по данной промышленной шине (спецификацию или стандарт), проектировщик системы АСУТП может выбирать лучшее для его задач оборудование от различных производителей, а потребитель, эксплуатирующий АСУТП, быть уверенным в том, что в обозримом будущем он сможет без труда купить оборудование для ремонта или модернизации своей системы.

К закрытым промышленным шинам можно отнести такие, которые используют оборудование только одного производителя и уникальный коммуникационный протокол. Например, закрытой промышленной шиной является технология CTNet от Control Techniques. Такие технологии есть у каждого крупного производителя оборудования для систем автоматики, но они были актуальны во времена, когда АСУТП создавались с помощью оборудования от одного производителя.

В настоящее время АСУТП представляют собой сложные системы, использующие оборудование разных производителей. Поэтому актуальной является задача информационной совместимости этого оборудования, его интеграция в единую систему. Такую задачу решают на основе открытых промышленных шин. Учитывая тенденцию перехода к использованию открытых fieldbus, многие крупные производители электроприводов и систем автоматики добились стандартизации своих технологий на национальном или международном уровнях. Например, технология Profibus от Siemens AG оформлена в качестве германского (DIN19245), а затем европейского (EN50170) и международного (IEC61158) стандартов. При этом все производители обеспечивают в своей продукции поддержку нескольких, в силу своих возможностей, наиболее распространенных коммуникационных протоколов.

Среди уровней применения промышленных шин можно выделить уровень периферийного оборудования и уровень цеха. Простые, с минимальными по длине передаваемых данных и информационному сервису, но хорошо решающие задачи обмена информацией в режиме реального времени промышленные шины, такие как ASI, Sercos, Profibus-DP, применяются на уровне периферийного оборудования. Задача сетей этого уровня сводится к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механизмов.

Промышленные шины, решающие задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров, имеют широкий набор сервисных функций и могут передавать значительные объемы данных в одном кадре. Примерами таких сетей являются Bitbus, Profibus.

Помочь в определении критериев выбора промышленной шины, несомненно, может и изучение решения этого вопроса крупнейшими производителями электроприводов.

В табл. 2.2 приведена информация об интерфейсах и промышленных шинах в современных сериях ПЧ и комплектных электроприводов мировых производителей. Основываясь на данных этой таблицы, можно сделать вывод, что каждый производитель демонстрирует своё отношение к значимости этого вопроса.

Таблица 2.2. Промышленные шины современных ПЧ и комплектных ЭП

Произво-дитель и серия ПЧ	Промышленные шины
Siemens AG Simovert Master-Drives	Интерфейсы RS-232/RS-485 с уникальным протоколом USS (до 38400 bps). Требуют подключения плат расширения: CAN, Simolink (оптоволокно), Profibus DP, DeviceNet
ABB ACS 800	MODBUS (RS-485, RTU режим, 1200-19200 bps). Требуют подключения плат расширения: Profibus DP, ControlNet, MODBUS Plus, Ethernet, LonWorks, CANopen, DeviceNet, Interbus-S. Имеется оптоволоконный интерфейс
Control Techniques Unidrive SP	ANSI, MODBUS (RS-485, RTU режим, 300-115200 bps). Требуют подключения плат расширения: Profibus DP, Sercos, Ethernet, CANopen, DeviceNet, Interbus-S, CTNet. Имеется только 2 слота для подключения fieldbus-плат
Dunfoss VLT FC 300	Интерфейсы USB (только для связи с персональным компьютером), RS-485. Profibus, DeviceNet
Schneider Electric Altivar ATV‑58F	MODBUS (RS-485, RTU и ASCII режимы, 9600-19200 bps). Требуют подключения плат или модулей расширения: Profibus DP, MODBUS Plus, Fipio, ASI, Ethernet, METASYS N2, LonWorks, CANopen, DeviceNet, Interbus-S. Имеется только 2 слота для подключения fieldbus-плат
KEB F5M	MODBUS (RS-485/RS-232, RTU режим, 300-55500 bps). Требуют подключения дополнительных модулей: Profibus DP, Sercos, CANopen, Interbus-S
Vacon NX	MODBUS, Profibus DP, LonWorks, C-Bus, CANopen, DeviceNet, Interbus-S. Требуют подключения плат расширения. Имеется только 2 слота для подключения fieldbus-плат
Hitachi SJ300	Интерфейс RS-485, режим ASCII, baud rate 2400-19200 bps. Подключив карту расширения, можно получить DeviceNet
Mitsubishi Electric FR-A540	Интерфейс RS-485, baud rate до 19200 bps. Подключив карту расширения (не облее 1), можно получить MODBUS Plus, Profibus DP, DeviceNet, CC-Link
LG Industrial Systems iS5-4RUS	MODBUS (RTU), Profibus DP, DeviceNet, F-Net. Требуют подключения плат расширения
Веспер EI-9011	Дополнительная плата с интерфейсом RS-232/RS-485
Триол АТ04, АТ05, АТ06	Два канала с интерфейсом RS-485, адаптер для получения интерфейса RS-232
Электро-текс ПЧ-03В	Интерфейс RS-485
ЧЭАЗ–ЭЛПРИ ЭПВ	MODBUS (RS-485/RS-232, RTU и ASCII режимы, 300-115200 bps), CANopen (PDO и SDO, 20-1000 kbps)

Так, Siemens AG считает себя, возможно и не безосновательно, законодателем в области fieldbus и делает упор на промышленные шины собственной разработки. Это USS, использующая интерфейс RS-485/RS-232 и реализованная в основной комплектации, и требующие подключения плат расширения Profibus и оптоволоконная Simolink. Из других промышленных шин Siemens реализовал только DeviceNet с интерфейсом CAN, видимо, отдавая дань его распространенности в Европе и учитывая то, что CAN создан в «соседнем» Bosh. При этом нельзя сказать, что Siemens проигрывает на рынке электроприводов и средств автоматизации. Ограниченный набор поддерживаемых Siemens AG промышленных шин компенсируется предложением полного набора оборудования для создания АСУТП любой сложности и назначения, развитой сетью представительств и, наконец, именем Siemens.

Другой подход к рассматриваемому вопросу демонстрируют ABB, Control Techniques и Schneider Electric, которые также относят к крупным интернациональным компаниям-производителям комплектных электроприводов. Они обеспечивают поддержку всех лидирующих, с их точки зрения, коммуникационных технологий. При этом все эти компании базовой промышленной шиной избрали традиционный MODBUS, а для поддержки других требуется установка карт расширения. Кроме того, эти компании разрабатывают собственные коммуникационные технологии: у ABB это оптоволоконный интерфейс, у Control Techniques – высокоскоростная CTNet, у Schneider Electric – технология Transparent Factory на основе MODBUS TCP/IP и Ethernet.

Такие компании, как KEB, Vacon, Mitsubishi Electric и LG Industrial Systems, обеспечивают поддержку лишь нескольких, обычно 4-х, промышленных шин. Отметим, что среди них всегда есть MODBUS, Profibus и технология, использующая интерфейс CAN: CANopen или DeviceNet.

Многие производители, к которым можно отнести и российские компании Веспер, Триол и Электротекс, не говорят в документации о поддержке в своих продуктах каких-либо промышленных шин, предоставляя пользователю только интерфейсы RS-485 и RS-232.

Таким образом, проведя классификацию промышленных шин и сравнив продукцию основных мировых и отечественных производителей комплектных электроприводов, можно сделать некоторые выводы:

1) Сфера коммуникационных технологий в промышленности развита, насчитывается несколько десятков промышленных шин, при этом они постоянно совершенствуются, идет процесс стандартизации, появляются новые.

2) Вместе с тем определились лидеры среди fieldbus по распространенности, объему продаж поддерживающего их оборудования и числу фирм-производителей такого оборудования.

3) Каждый из лидеров fieldbus способен решить большинство коммуникационных задач в АСУТП и выполнить требования [2, 9, 31], предъявляемые к промышленным шинам.

4) Все лидеры fieldbus стандартизированы, имеют поддержку в виде сильных компаний и международных ассоциаций пользователей.

5) Существует оборудование – шлюзы, позволяющие преобразовать информацию из одного протокола в другой.

6) Мировые производители современных ПЧ и комплектных электроприводов уделяют большое внимание поддержке промышленных шин в своей продукции. И чем мощнее компания, тем шире список поддерживаемых шин. Российские же производители обходят своим вниманием этот вопрос.

7) Следует отметить появление технологий, использующих оптоволоконную линию связи, а также попытки использования беспроводных технологий.

8) В связи с интеграцией АСУТП и офисных сетей в единую АСУП очевидна тенденция развития промышленных сетей в сторону Ethernet или создания вариантов Ethernet для промышленного применения: Industrial Ethernet. Примерами являются MODBUS TCP/IP, Foundation Fieldbus HSE (High Speed Ethernet) и ProfiNet.

Очевидно, что сделать однозначный и универсальный выбор промышленной шины невозможно.

На наш взгляд, выбор коммуникационной технологии в электроприводе необходимо делать исходя из требований к системе, в которой он будет работать, придерживаясь следующих рекомендаций:

1) Следует использовать открытую, стандартизированную промышленную шину, учитывая доступность спецификации шины, размер платы за её применение в своих разработках, число производителей оборудования для данной технологии, наличие работающей ассоциации пользователей.

2) Лучше выбирать из нескольких наиболее распространенных и перспективных fieldbus: MODBUS (MODBUS Plus, MODBUS TCP/IP), Profibus, Foundation Fieldbus, CANopen, DeviceNet, ControlNet, LonWorks, ASI, Interbus-S, Sercos, WorldFIP, Bitbus.

3) Необходимо учитывать количественные требования к промышленной сети: производительность, топологию, число узлов, максимальную длину сети, простоту конфигурирования, возможность расширения, метод доступа к среде передачи данных, стоимость оборудования. При этом улучшение одного параметра может привести к ухудшению другого. Поэтому при выборе необходимо следовать принципу разумной достаточности.

4) Наконец, решающее значение, на наш взгляд, имеет распространенность той или иной промышленной шины в стране. С известной промышленной шиной легче, дешевле и быстрее проводить модернизацию оборудования, обучение персонала.

Другие программные опции, решающие коммуникационные задачи, – это, по сути, реализованные в электроприводе функции промышленного контроллера: цифровое задание, циклограмма, логические функции, команды программирования. Наличие таких опций расширяет сферу применения электропривода, но востребованы они лишь при выполнении им локальной технологической задачи в составе АСУТП с распределенным интеллектом. Поэтому необходимость наличия в электроприводе опций, реализующих функции промышленного контроллера, определяется сферой использования электропривода.

Как отмечалось ранее (пред. лекция), в локальных объектно-ориентированных электроприводах промышленный контроллер отсутствует, его полностью заменяет электропривод. Это возможно благодаря наличию в программном обеспечении электропривода объектно-ориентированных программных модулей. Отметим, что необходимость разработки таких модулей определяется применением электропривода.

Следует сказать еще об одном средстве коммуникации электропривода. Это прикладная программа для персонального компьютера (ПК). Такая программа облегчает визуализацию состояния, переменных и процессов в электроприводе, его настройку и наладку (современный ПЧ и комплектный электропривод имеет несколько сотен параметров), а также управление. Подобные программы есть у всех крупных производителей ПЧ и комплектных электроприводов и, можно сказать, являются свидетельством сильной, продуманной и развитой разработки.

Программа для ПК должна обеспечивать:

- мониторинг состояния и основных переменных электропривода в режиме реального времени;

- настройку электропривода путем чтения и записи всех доступных по коммуникационным каналам переменных электропривода;

- управление электроприводом с персонального компьютера;

- изменение программного обеспечения преобразователя частоты при наличии такой возможности в самом ПЧ.

Дата добавления: 2015-07-02