Технологии и протоколы передачи данных в промышленности: Industrial Ethernet

В настоящее время при создании fieldbus используется ряд коммуникационных технологий и протоколов, благодаря чему возможно объединить в единую распределенную систему различные датчики, исполнительные устройства и контроллеры. Однако кроме надежности функционирования такой системы, немаловажным вопросом являются факторы простоты обслуживания, инсталляции, возможности создания открытых систем в специфических условиях при сохранении широкого спектра функциональных возможностей.

Ethernet на протяжении длительного времени является признанным универсальным стандартом для компьютерных офисных сетей. Действия разработчиков и поставщиков оборудования для управления производственными процессами направлены на создание международного стандарта в области промышленных коммуникаций и объединения большого количества независимых технологий fieldbus. Учитывая распространение технологии Ethernet, ее поддержку большим количеством производителей, возникает возможность организовать единую систему, обеспечивающую совместную работу программных и аппаратных средств систем АСУП и АСУ ТП, организовать единую среду, включающую в себя компьютеры операторов, производственное оборудование, а также коммуникационного оборудования:

При этом приходится учитывать постоянно растущую необходимость использования производственных данных (в том числе и в режиме реального времени) в системах планирования и управления ресурсами предприятий (ERP, Enterprise Resource Planning), системах бухгалтерского учета и бизнес-процессах, системах взаимодействия с заказчиками (CRM, Customer Relationship Management) и других, а также и то, что нынешние АСУП в большинстве своем используют для коммуникаций сети типа Ethernet и протоколы TCP/IP, а ИС и КИС технологии Internet и Web. Предпринимаются активные попытки внедрить Ethernet на цеховом уровне, задействовать привычные сетевые протоколы для интеграции АСУП и АСУ ТП, преодолеть технологические барьеры, возникшие в результате их независимого развития. С помощью Ethernet становятся возможными интеграция в сети различных устройств и их централизованное управление, передача данных от технологических узлов и их обработка в различных приложениях, простая интеграция с Интернет. А большой спектр устройств и коммуникационных компонентов, поддерживающих Ethernet, и высокий уровень конкуренции предполагают низкую стоимость указанных средств и позволяют снизить расходы на обучение обслуживающего персонала и поддержку инсталлированной системы.

Со стороны производителей в разработках и продвижении Industrial Ethernet участвуют крупные мировые концерны, среди которых Cisco и General Electric, учредившие пять лет назад совместное предприятие GE Cisco Industrial Networks; Siemens, выдвинувшая инициативу Profinet (Profibus+Ether-net), а также Echelon, Phoenix Contact, Schneider Electric и другие. С разработками нового промышленного коммуникационного оборудования, модифицируются некоторые существующие протоколы и технологии с учетом особенностей Ethernet и TCP/IP. В последнее время на рынке систем промышленной автоматизации наблюдается тенденция к вытеснению специализированных промышленных протоколов и переход к более открытым продуктам, поддерживающим Ethernet и TCP/IP и удовлетворяющим требованиям новых стандартов (например Profinet).

Совместно с TCP/IP разработчики внедряют в свои продукты поддержку протокола SNMP. Эта модификация получила название IndustrialSNMP. Продукты, поддерживающие указанный протокол, позволяют администраторам сети читать и записывать информацию на сетевое устройство, обеспечивая удаленное управление. Применение таких решений способствует внедрению Ethernet в области средств управления производственными процессами, усиливая позиции Ethernet в качестве коммуникационной базы управляющих систем. В IndustrialSNMP реализовано несколько баз параметров для распространенных управляемых сетевых устройств, что позволяет администраторам быстрее подбирать подходящие переменные MIB (Management Information Base).

Концепция Transparent Factory от Schneider Electric Automation Business (SEAB), входящей в состав Schneider Electric Group, предполагает использование специального программируе-мого логического контроллера (PLC, Programmable Logic Controller) с поддержкой протоколов TCP/IP и HTTP.

Прозрачный доступ в гетерогенной распределенной сети, включающей в себя различные устройства, от исполнительных устройств и датчиков до ERP-систем, согласно указанной концепции организуется посредством корпоративной сети с различными сервисными уровнями. В качестве разделяемых средств доступа применяются интегрированные в контроллеры устройств сети, Web-серверы WebPLC и интерфейс ОРС (OLE for Process Control), что повышает надежность системы и расширяет возможности диагностики. Открытость контроллеров и систем позволяет решить проблемы, вызванные многообразием различных несовместимых сетевых устройств и ПО, устранить трудности их интеграции и организовать передачу данных между ними и на другие уровни глобальной системы управления предприятием в реальном времени.

Благодаря встроенным Web-серверам обеспечивается возможность реализации пользовательского интерфейса средствами широко распространенного языка HTML, а в качестве клиента можно использовать любое устройство с Web-браузером. Вопросы интеграции в гетерогенной системе уже заложены на уровне HTML и протокола HTTP. Для управления и контроля передачей информации используется вышерассмотренный SNMP. Еще одна интересная особенность этой концепции заключается в возможности использования контроллеров в качестве мостов и концентраторов, которые передают на уровень Ethernet и TCP/IP данные от других, ранее инсталлированных fieldbus-устройств.

В наборе сервисов Transparent Factory Real Time реализованы новые функции Ethernet для контроллеров Schneider Electric производства Premium и Quantum, а также модернизированы коммуникационные адаптеры Momentum ENT и коммуникационное оборудование серии ConneXium. Расширением протокола Modbus TCP/IP для обмена сообщениями в архитектуре клиент-сервер, является открытый протокол реального времени RTPS (Real-Time Publisher Subscriber), разработанный компанией Real Time Innovations. Этот протокол обеспечивает синхронизацию распределенных приложений, гарантированную доставку данных, функции мониторинга, встроенный алгоритм оптимизации трафика, поддержку и автоматическое конфигурирование устройств PnP. В случае отказа узла реконфигурация осуществляется автоматически, что повышает надежность системы и облегчает ее администрирование. По протоколу SNMP каждое устройство в концепции Transparent Factory обращается к базе данных управляющей информации MIB.

Основные отличия между офисными и промышленными кабельными системами состоят в возможностях последних устойчиво работать в агрессивных средах, в условиях сильной вибрации, повышенной влажности и при высоких температурах. Большинство используемых промышленных коммутаторов имеет степень защиты от IP20 до IP40, но по мере их применения в более жестких производственных условиях, степень защиты повысится до уровней IP67 и IP68.

В рассмотренных сферах применения Industrial Ethernet, низкая надежность или выход из строя управляющего компонента сети грозит как дальнейшими большими материальными затратами на восстановление, так и возможными последствиями экологического, техногенного и др. характеров. Для обеспечения более высокой надежности функционирования системы используют кольцевую топологию сети (для обслуживания устройства через альтернативный путь), обеспечивают дублированное питание узлов сети, применение устройств с пассивным охлаждением, плановую генерацию отчетов о состоянии узлов сети, автоматическую идентификацию места неисправности и оповещение о ней администратора. К тому же аппаратные средства должны быть достаточно гибкими, чтобы обеспечивать высокоскоростную передачу данных в реальном времени и возможность управления программируемыми логическими контроллерами, в том числе и на уровне приложений в распределенных системах, а также поддерживать модули I/O разных производителей. При инсталляции системы и выборе оборудования промышленные сети переконфигурируются достаточно редко, что обусловливает необходимость использования надежных физических линий связи.