Введение

Семейство промышленных компьютерных сетевых протоколов.
Полевая шина – это один из представителей семейства промышленных цифровых сетей связи, используемых для распределенного управления в реальном времени. Профили полевых шин стандартизированы Международной электротехнической комиссией (IEC) как IEC 61784/61158. Сложная автоматизированная промышленная система обычно имеет иерархическую структуру, представляющую собой распределенную систему управления (DCS). В этой иерархии верхние уровни управления производством связаны с уровнем непосредственного управления программируемыми логическими контроллерами (PLC) посредством системы связи, не критичной ко времени (например, Ethernet). Полевая шина соединяет ПЛК уровня непосредственного управления с компонентами на уровне поля, такими как датчики, исполнительные механизмы, электродвигатели, контрольные лампы, переключатели, клапаны и контакторы, заменяя прямые соединения через токовые петли или цифровые сигналы ввода-вывода. Таким образом, к полевым шинам предъявляются требования по критичности времени и стоимости. С начала нового тысячелетия появилось несколько полевых шин на основе Ethernet реального времени, которые потенциально могут заменить традиционные полевые шины в долгосрочной перспективе.

Описание

Полевая шина – это промышленная сетевая система для распределенного управления в реальном времени. Она предназначена для соединения приборов на производственных предприятиях. Полевая шина работает по сетевой структуре, которая обычно поддерживает топологии «ромашка», звезда, кольцо, ветвь и дерево. Ранее компьютеры соединялись посредством RS 232 (последовательных соединений), что позволяло обмениваться данными только двум устройствам. Это сопоставимо с современной схемой связи 4–20 мА, требующей отдельной точки подключения для каждого устройства на уровне контроллера. В то время как полевая шина аналогична современным подключениям типа LAN, которым достаточно одной точки подключения на уровне контроллера для одновременного подключения сотен аналоговых и цифровых каналов. Это позволяет сократить как общую длину кабеля, так и его количество. Более того, поскольку устройства, взаимодействующие через полевую шину, оснащены микропроцессорами, одно устройство обычно обеспечивает несколько точек подключения. Некоторые устройства полевых шин теперь поддерживают схемы управления, такие как PID-регулирование, непосредственно на устройстве, избавляя контроллер от необходимости выполнять эти вычисления.

История

Наиболее важной мотивацией для использования полевой шины в распределенной системе управления является снижение затрат на монтаж и обслуживание установки, при этом сохраняя высокую доступность и надежность системы автоматизации. Цель состоит в использовании двухпроводного кабеля и простой конфигурации для полевых устройств различных производителей. В зависимости от области применения, количество датчиков и исполнительных механизмов может варьироваться от сотен в одном устройстве до нескольких тысяч, распределенных по всему большому предприятию. История развития полевых шин демонстрирует, как можно достичь этих целей.

Автобус интерфейса общего назначения (GPIB)

Возможно, предшественником технологии полевой шины является HP IB, описанная в стандарте IEEE 488 в 1975 году. "Она получила название интерфейс общего назначения (GPIB) и стала де-факто стандартом для автоматизированного управления и контроля измерительных приборов в промышленности". GPIB находит основное применение в автоматизированных измерениях с использованием приборов разных производителей. Это параллельная шина с кабелем и разъемом, содержащими 24 провода, при этом максимальная длина кабеля ограничена 20 метрами.

Битбус

Самая старая широко используемая технология полевой шины – Bitbus. Bitbus был разработан корпорацией Intel для повышения эффективности использования систем Multibus в промышленных системах путем разделения медленных функций ввода-вывода от более быстрого доступа к памяти. В 1983 году Intel создала микроконтроллер 8044 Bitbus, добавив функциональность полевой шины к существующему микроконтроллеру 8051. Bitbus использует EIA 485 на физическом уровне, с двумя витыми парами – одна для данных, а другая для тактирования и сигналов. Использование SDLC на канальном уровне позволяет подключить до 250 узлов в одном сегменте на общей дистанции 13,2 км. В Bitbus предусмотрен один главный узел и несколько ведомых, при этом ведомые узлы отвечают только на запросы от главного узла. Bitbus не определяет маршрутизацию на сетевом уровне. 8044 поддерживает относительно небольшой размер пакета данных (13 байт), но включает в себя эффективный набор задач RAC (удаленный доступ и управление) и возможность разработки пользовательских задач RAC. В 1990 году IEEE стандартизовал Bitbus как последовательную шину управления микроконтроллерными системами (IEEE 1118). В настоящее время BITBUS поддерживается BEUG – Европейской группой пользователей Bitbus.

Компьютерные сети для автоматизации

Офисные сети не очень подходят для приложений автоматизации, так как в них отсутствует гарантированная максимальная задержка передачи. ARCNET, разработанная еще в 1975 году для подключения офисов, использует механизм передачи маркера и поэтому впоследствии нашла применение в промышленности.

Протокол автоматизации производства (MAP)

Протокол автоматизации производства (MAP) был реализацией протоколов, соответствующих OSI, в технологиях автоматизации, инициированной компанией General Motors в 1984 году. MAP стал предложением по стандартизации локальных вычислительных сетей (LAN), поддержанным многими производителями, и в основном использовался в автоматизации производственных процессов. В качестве среды передачи MAP использовал токеновую шину IEEE 802.4 со скоростью 10 Мбит/с. Из-за широкого охвата и сложности MAP не достиг значительного распространения. Для снижения сложности и повышения скорости обработки при меньших затратах ресурсов в 1988 году была разработана архитектура повышенной производительности (EPA) MAP. Эта упрощенная версия MAP содержит только уровни 1, 2 и 7 базовой эталонной модели открытых систем (OSI). Этот подход был перенят в последующих определениях полевых шин. Наиболее важным результатом разработки MAP является спецификация Manufacturing Message Specification (MMS) – прикладной уровень протокола MAP.

Спецификация сообщений о производстве (MMS)

Спецификация Manufacturing Message Specification (MMS) — это международный стандарт ISO 9506, определяющий протокол прикладного уровня и сервисы для передачи данных технологических процессов в реальном времени и информации о диспетчерском управлении между сетевыми устройствами или компьютерными приложениями, впервые опубликованный в 1986 году. Он послужил основой для многих последующих разработок в других стандартах промышленной коммуникации, таких как FMS для Profibus или SDO для CANopen. Он до сих пор используется как возможный прикладной уровень, например, для автоматизации электроэнергетики в стандартах IEC 61850.

Полевые автобусы для автоматизации производства

В области автоматизации производства требования к полевой шине заключаются в обеспечении малых временных задержек при передаче всего нескольких бит или байтов на расстояние не более нескольких сотен метров.

Модуль

В 1979 году компания Modicon (ныне Schneider Electric) разработала последовательную шину для подключения своих программируемых логических контроллеров (ПЛК), получившую название Modbus. В первой версии Modbus использовался двухпроводный кабель с сигналами EIA 485 UART. Сам протокол очень прост, основан на архитектуре «ведущий-ведомый», и количество поддерживаемых типов данных ограничено возможностями ПЛК того времени. Тем не менее, Modbus (вместе с версией Modbus TCP) до сих пор является одной из наиболее распространенных промышленных сетей, особенно в сфере автоматизации зданий.

Профибус

Исследовательский проект при финансовой поддержке правительства Германии в 1987 году определил полевую шину PROFIBUS, основанную на спецификации сообщений полевой шины (FMS). Практическое применение показало, что она оказалась слишком сложной в использовании в полевых условиях. В 1994 году Siemens предложила модифицированный прикладной уровень под названием Decentralized Periphery (DP), который получил широкое распространение в промышленности. В 2016 году PROFIBUS является одной из наиболее распространенных полевых шин в мире, а к 2018 году количество установленных узлов достигло 60 миллионов.

Интербус

В 1987 году компания Phoenix Contact разработала последовательную шину для подключения пространственно распределенных входов и выходов к централизованному контроллеру. Контроллер передавал один кадр по физическому кольцу, содержащему все входные и выходные данные. Кабель состоит из 5 проводов: помимо провода заземления, два провода для передачи кадра и два провода для приема кадра. С помощью этого кабеля можно построить установку по топологии «звезда». INTERBUS добился большого успеха в машиностроении, где было установлено более 22,9 миллионов устройств. INTERBUS был интегрирован в технологию Profinet – полевую шину на основе Ethernet, а в настоящее время INTERBUS поддерживается организацией Profibus Nutzerorganisation e. V.

МОЖЕТ

В 1980-х годах, для решения проблем коммуникации между различными системами управления в автомобилях, немецкая компания Robert Bosch GmbH впервые разработала сеть CAN (Controller Area Network). Концепция CAN заключалась в том, что каждое устройство может быть подключено к одному набору проводов, и каждое подключенное устройство может свободно обмениваться данными с любым другим устройством. CAN вскоре распространилась на рынок автоматизации производства (вместе с многими другими). DeviceNet была разработана американской компанией Allen Bradley (в настоящее время принадлежащей Rockwell Automation) и ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) как открытый стандарт полевой шины, основанный на протоколе CAN. DeviceNet стандартизован в европейском стандарте EN 50325. Ответственность за спецификацию и поддержку стандарта DeviceNet лежит на ODVA. Как и ControlNet и EtherNet/IP, DeviceNet относится к семейству сетей, основанных на CIP. CIP (Common Industrial Protocol) формирует общий прикладной уровень этих трех промышленных сетей. DeviceNet, ControlNet и Ethernet/IP, таким образом, хорошо скоординированы и предоставляют пользователю иерархическую систему коммуникаций для уровня управления (EtherNet/IP), уровня ячеек (ControlNet) и полевого уровня (DeviceNet). DeviceNet – это объектно-ориентированная шинная система, работающая по принципу «производитель/потребитель». Устройства DeviceNet могут выступать в роли клиента (мастера) или сервера (ведомого) или и того, и другого. Клиенты и серверы могут быть производителями, потребителями или и теми, и другими. CANopen была разработана CiA (CAN in Automation), ассоциацией пользователей и производителей CANopen, и стандартизована как европейский стандарт EN 50325-4 с конца 2002 года. CANopen использует уровни 1 и 2 стандарта CAN (ISO 11898-2) и расширения, касающиеся назначения контактов, скорости передачи данных и прикладного уровня.

Полевые шины для автоматизации процессов

В автоматизации технологических процессов большинство полевых передатчиков традиционно подключаются к управляющему устройству по токовому контуру 4-20 мА. Это позволяет не только передавать измеряемое значение посредством уровня тока, но и обеспечивать необходимое электропитание полевому устройству всего одним двухпроводным кабелем длиной более тысячи метров. Эти системы также устанавливаются во взрывоопасных зонах. Согласно NAMUR, полевая шина в таких применениях должна соответствовать следующим требованиям. Специальный стандарт для измерительных приборов IEC/EN 60079-27 описывает требования к концепции искробезопасности полевой шины (FISCO) для установок в зонах 0, 1 или 2.

Всемирный ФИП

Стандарт FIP был разработан на основе французской инициативы 1982 года по проведению анализа требований к будущему стандарту полевой шины. Это исследование привело к европейской инициативе Eureka по созданию стандарта полевых шин в июне 1986 года, в которой участвовали 13 партнеров. Группа разработчиков (réseaux locaux industriels) создала первое предложение для стандартизации во Франции. Изначально название полевой шины FIP было аббревиатурой от французской фразы "Flux d'Information vers le Processus", а позднее FIP стали называть по-английски "Factory Instrumentation Protocol". FIP уступила позиции Profibus, который в последующее десятилетие стал доминировать на европейском рынке. На главной странице WorldFIP не публиковалось пресс-релизов с 2002 года. Наиболее близким "родственником" семейства FIP сегодня является шина Wire Train Bus, используемая в железнодорожных вагонах. Однако конкретный поднабор WorldFIP, известный как протокол FIPIO, широко применяется в компонентах машин.

Полевая шина Фонда (FF)

Фонд Fieldbus разрабатывался на протяжении многих лет Международным обществом автоматизации (ISA) под кодовым названием SP50. Сегодня Foundation Fieldbus имеет растущую базу установленных систем во многих сложных промышленных применениях, таких как нефтепереработка, нефтехимия, производство электроэнергии, а также в пищевой, фармацевтической промышленности и в атомной энергетике. С 1 января 2015 года Фонд Fieldbus вошел в состав новой организации FieldComm Group.

Профибус-ПА

Profibus PA (процессная автоматизация) используется для связи между измерительными и технологическими приборами, исполнительными механизмами и системой управления технологическим процессом или ПЛК/ДКС в области автоматизации технологических процессов. Profibus PA – это версия Profibus с физическим уровнем, предназначенным для автоматизации процессов, в которой несколько сегментов (PA-сегментов) с полевыми устройствами могут быть подключены к Profibus DP через специальные соединители ( couplers). Двухпроводный кабель этих сегментов обеспечивает не только передачу данных, но и электропитание подключенных устройств (технология MBP). Еще одной особенностью Profibus PA является широко используемый профиль устройства "PA Devices" (PA Profile), стандартизирующий основные функции полевых устройств у разных производителей.

LonWorks

Возвращаясь к 1980-м годам, в отличие от других сетей, LonWorks был разработан компьютерными учеными компании Echelon Corporation. В 1999 году протокол связи (тогда известный как LonTalk) был представлен в ANSI и принят как стандарт для сетевого управления (ANSI/CEA 709.1 B), а в 2005 году – как EN 14908 (европейский стандарт автоматизации зданий). Этот протокол также является одним из нескольких канальных и физических уровней стандарта BACnet ASHRAE/ANSI для автоматизации зданий.

Сеть BACnet

Стандарт BACnet был первоначально разработан и в настоящее время поддерживается Американским обществом инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха (ASHRAE), начиная с 1987 года. BACnet является американским национальным стандартом (ANSI) 135 с 1995 года, европейским стандартом, национальным стандартом во многих странах и глобальным стандартом ISO 16484 с 2003 года. В 2017 году доля BACnet на рынке автоматизации зданий составляла 60%.

Стандартизация

Хотя технология полевых шин существует с 1988 года, со завершением разработки стандарта ISA S50.02, создание международного стандарта заняло много лет. В 1999 году комитет по стандартам IEC SC65C/WG6 собрался для разрешения разногласий в проекте стандарта IEC fieldbus. Результатом этой встречи стала первоначальная версия стандарта IEC 61158, включающая восемь различных наборов протоколов, называемых "типами". Этот стандарт был изначально разработан для Европейского общего рынка, уделяя меньше внимания единообразию и достигая своей основной цели – устранения препятствий для торговли между странами. Вопросы единообразия теперь находятся в ведении международных консорциумов, поддерживающих каждый из типов стандартов полевых шин. Практически сразу после утверждения, разработка стандартов IEC была прекращена, а комитет расформирован. Для разрешения противоречий в форме и содержании более чем 4000-страничного стандарта IEC 61158 был создан новый комитет IEC SC65C/MT 9. Работа над вышеупомянутыми типами протоколов в значительной степени завершена. Новые протоколы, например, для безопасных полевых шин или полевых шин Ethernet в реальном времени, включаются в определение международного стандарта полевых шин в ходе типичного 5-летнего цикла технического обслуживания. В версии стандарта 2008 года типы полевых шин были реорганизованы в семейства профилей связи (CPF).

Структура стандартов полевых шинок

Существовало множество конкурирующих технологий для полевых шин, и изначальная надежда на единый унифицированный механизм связи не оправдалась. Это не должно удивлять, так как технология полевых шин должна реализовываться по-разному в различных областях применения; автомобильные полевые шины функционально отличаются от полевых шин управления технологическими процессами.

Соответствие стандарту IEC 61784

Семейства протоколов каждого бренда называются семействами профилей связи и обозначаются аббревиатурой CPF с номером. Каждая семья протоколов теперь может определять полевые шины, решения Real Time Ethernet, правила монтажа и протоколы для обеспечения функциональной безопасности. Эти возможные семейства профилей определены в IEC 61784 и представлены в следующей таблице. Семейства профилей связи (CPF) в IEC 61784 (под)часть IEC 61158 Сервисы и протоколы CPF Семья Профиль связи (CP) & торговое наименование 1 2 3 5 PhL DLL AL 1 Foundation Fieldbus (FF) CP 1/1 FF H1 X 1 1 Тип 1 Тип 1 Тип 9 CP 1/2 FF – HSE X 1 1 8802 3 Тип 1 Тип 1 FSCP 1/1 FF SIS 1 2 CIP CP 2/1 ControlNet X 2 Тип 2 Тип 2 Тип 2 CP 2/2 EtherNet/IP X X 2 2 8802 3 Тип 2 Тип 2 CP 3/3 DeviceNet X 2 2 Тип 2 Тип 2 Тип 2 FSCP 2/1 CIP Safety 2 3 PROFIBUS & PROFINET CP 3/1 PROFIBUS DP X 3 3 Тип 3 Тип 3 Тип 3 CP 3/2 PROFIBUS PA X 3 3 Тип 1 Тип 3 Тип 3 CP 3/3 PROFINET CBA (снят с 2014 г.) 8802 3 TCP/IP Тип 10 CP 3/4 PROFINET IO Class A X 3 3 8802 3 UDP/IP Тип 10 CP 3/5 PROFINET IO Class B X 3 3 8802 3 UDP/IP Тип 10 CP 3/6 PROFINET IO Class C X 3 3 8802 3 UDP/IP Тип 10 FSCP 3/1 PROFIsafe 3 4 P NET CP 4/1 P NET RS 485 X 4 Тип 4 Тип 4 Тип 4 CP 4/2 P NET RS 232 (снят) Тип 4 Тип 4 Тип 4 CP 4/3 P NET on IP X 4 8802.3 Тип 4 Тип 4 5 WorldFIP CP 5/1 WorldFIP (MPS, MCS) X Тип 1 Тип 7 Тип 7 CP 5/2 WorldFIP (MPS, MCS, SubMMS) X Тип 1 Тип 7 Тип 7 CP 5/3 WorldFIP (MPS) X Тип 1 Тип 7 Тип 7 6 INTERBUS CP 6/1 INTERBUS X 6 6 Тип 8 Тип 8 Тип 8 CP 6/2 INTERBUS TCP/IP X 6 6 Тип 8 Тип 8 Тип 8 CP 6/3 INTERBUS Subset X 6 6 Тип 8 Тип 8 Тип 8 CP 6/4 Link 3/4 to INTERBUS X 6 Тип 8 Тип 8 Тип 10 CP 6/5 Link 3/5 to INTERBUS X 6 Тип 8 Тип 8 Тип 10 CP 6/6 Link 3/6 to INTERBUS X 6 Тип 8 Тип 8 Тип 10 FSCP 6/7 INTERBUS Safety 6 7 Swiftnet Удален в связи с отсутствием рыночной актуальности Тип 6 8 CC Link CP 8/1 CC Link/V1 X 8 8 Тип 18 Тип 18 Тип 18 CP 8/2 CC Link/V2 X 8 Тип 18 Тип 18 Тип 18 CP 8/3 CC Link/LT (питание от шины, недорогой) X 8 Тип 18 Тип 18 Тип 18 CP 8/4 CC Link IE Controller X 8 8802 3 Тип 23 CP 8/5 CC Link IE Field Network X 8 8802 3 Тип 23 FSCP 8/1 CC Link Safety 8 9 HART CP 9/1 Universal Command (HART 6) X Тип 20 CP 9/2 Wireless HART (См. IEC 62591) Тип 20 10 Vnet/IP CP 10/1 Vnet/IP X 10 8802 3 Тип 17 Тип 17 11 TCnet CP 11/1 TCnet star X 11 8802 3 Тип 11 Тип 11 CP 11/2 TCnet loop 100 X 11 8802 3 Тип 11 Тип 11 CP 11/3 TCnet loop 1G X 11 8802 3 Тип 11 Тип 11 12 EtherCAT CP 12/1 Simple IO X 12 12 Тип 12 Тип 12 Тип 12 CP 12/2 Mailbox & time synchronization X 12 12 Тип 12 Тип 12 Тип 12 FSCP 12/1 Safety over EtherCAT 12 13 Ethernet POWERLINK CP 13/1 EPL X 13 13 8802 3 Тип 13 Тип 13 FSCP 13/1 openSAFETY 13 14 Ethernet for Plant Automation (EPA) CP 14/1 EPA NRT X 14 14 8802 3 Тип 14 Тип 14 CP 14/2 EPA RT X 14 14 8802 3 Тип 14 Тип 14 CP 14/3 EPA FRT X 8802 3 Тип 14 Тип 14 CP 14/4 EPA MRT X 14 14 8802 3 Тип 14 Тип 14 FSCP 14/1 EPA Safety 14 15 MODBUS RTPS CP 15/1 MODBUS TCP X 15 8802 3 TCP/IP Тип 15 CP 15/2 RTPS X 15 8802 3 TCP/IP Тип 15 16 SERCOS CP 16/1 SERCOS I X 16 Тип 16 Тип 16 Тип 16 CP 16/2 SERCOS II X 16 Тип 16 Тип 16 Тип 16 CP 16/3 SERCOS III X 2 16 8802 3 Тип 16 Тип 16 SFCP 2/1 CIP Safety 2 17 RAPIEnet CP 17/1 X 17 8802 3 Тип 21 Тип 21 18 SafetyNET p CP 18/1 RTFL (real time frame line) X 18 18 8802 3 Тип 22 Тип 22 CP 18/2 RTFN (real time frame network) X 18 18 8802 3 Тип 22 Тип 22 SFCP 18/1 SafetyNET p 18 19 MECHATROLINK CP 19/1 MECHATRILINK II X 19 Тип 24 Тип 24 Тип 24 CP 19/2 MECHATRILINK III X 19 Тип 24 Тип 24 Тип 24 20 ADS net CP 20/1 NETWORK 1000 X 20 8802 3 Тип 25 Тип 25 CP 20/2 NX X 20 8802 3 Тип 25 Тип 25 21 FL net CP 21/1 FL net X 21 8802 3 Тип 26 Тип 26

Преимущество в цене

Количество необходимой кабельной продукции в полевых шинах значительно меньше, чем в установках с током 4–20 мА. Это обусловлено тем, что многие устройства используют общий набор кабелей по принципу мультидропа, в отличие от необходимости выделенного кабеля для каждого устройства, как в случае с устройствами 4–20 мА. Более того, по сети полевой шины можно передавать несколько параметров от одного устройства, в то время как по каналу 4–20 мА – только один. Полевая шина также создает хорошую основу для разработки стратегии предиктивного и проактивного обслуживания. Диагностические данные, получаемые от устройств полевой шины, позволяют выявлять и устранять проблемы до того, как они приведут к серьезным сбоям.

Сетевые связи

Несмотря на то, что каждая технология носит общее название "полевая шина", различные полевые шины не являются легко взаимозаменяемыми. Различия между ними настолько существенны, что их сложно соединить друг с другом. Чтобы понять различия между стандартами полевых шин, необходимо понимать принципы проектирования сетей полевых шин. В соответствии с моделью OSI, стандарты полевых шин определяются физической средой кабельной сети, а также первыми, вторым и седьмым уровнями эталонной модели. Для каждой технологии стандарты физической среды и физического уровня полностью и подробно описывают реализацию синхронизации битов, кодирования/декодирования, скорости передачи данных, длины шины и физического подключения приемопередатчика к коммуникационным проводам. Стандарт канального уровня отвечает за полное определение того, как сообщения формируются для передачи физическим уровнем, обработки ошибок, фильтрации сообщений и арбитража шины, а также за то, как эти стандарты должны быть реализованы в аппаратном обеспечении. Стандарт прикладного уровня, как правило, определяет, как слои передачи данных взаимодействуют с приложением, желающим осуществлять связь. Он описывает спецификации сообщений, реализацию управления сетью и ответ на запросы приложения об услугах. Уровни с третьего по шестой в стандартах полевых шин не описываются.

Рынок

По состоянию на 2008 год на рынке систем управления технологическими процессами доминируют Foundation Fieldbus и Profibus PA. Обе технологии используют один и тот же физический уровень (модуляция тока с использованием манчестерского кодирования по двум проводам на частоте 31,25 кГц), но не являются взаимозаменяемыми. Как правило, приложения, управляемые и контролируемые программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), ориентированы на PROFIBUS, а приложения, управляемые и контролируемые цифровой/распределенной системой управления (РСУ), – на Foundation Fieldbus. Технология PROFIBUS поддерживается организацией Profibus International, штаб-квартира которой находится в Карлсруэ, Германия. Технология Foundation Fieldbus принадлежит и распространяется Фондом Fieldbus, расположенным в Остине, штат Техас.