Magistrala - Fieldbus

Fieldbus to nazwa rodziny przemysłowych sieci komputerowych używanych do sterowania rozproszonego w czasie rzeczywistym. Profile Fieldbus są standaryzowane przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC) jako IEC 61784/61158.

Złożony zautomatyzowany system przemysłowy ma zazwyczaj strukturę hierarchiczną jako rozproszony system sterowania (DCS). W tej hierarchii wyższe poziomy zarządzania produkcją są połączone z poziomem bezpośredniego sterowania programowalnymi sterownikami logicznymi (PLC) za pośrednictwem systemu komunikacji, który nie jest krytyczny czasowo (np. Ethernet ). Magistrala polowa łączy sterowniki PLC z poziomu bezpośredniego sterowania z komponentami w instalacji na poziomie pola, takimi jak czujniki , siłowniki , silniki elektryczne , oświetlenie konsoli, przełączniki , zawory i styczniki oraz zastępuje bezpośrednie połączenia za pośrednictwem pętli prądowych lub cyfrowych we/wy sygnały. Wymagania dotyczące magistrali polowej są zatem krytyczne pod względem czasu i kosztów. Od nowego tysiąclecia powstało wiele sieci fieldbus opartych na sieci Ethernet w czasie rzeczywistym . Mają one potencjał, by w dłuższej perspektywie zastąpić tradycyjne magistrale fieldbus.

Opis

Fieldbus to przemysłowy system sieciowy do sterowania rozproszonego w czasie rzeczywistym. Jest to sposób na połączenie instrumentów w zakładzie produkcyjnym. Fieldbus działa w strukturze sieciowej, która zazwyczaj pozwala na topologie łańcuchowe , gwiazdowe, pierścieniowe, rozgałęzione i drzewiaste . Wcześniej komputery łączyły się za pomocą RS-232 ( połączenia szeregowe ), za pomocą którego mogły się komunikować tylko dwa urządzenia. Byłby to odpowiednik obecnie stosowanego schematu komunikacyjnego 4–20 mA, który wymaga, aby każde urządzenie miało swój własny punkt komunikacyjny na poziomie sterownika, podczas gdy magistrala polowa jest odpowiednikiem obecnych połączeń typu LAN , które wymagają tylko jednego punktu komunikacyjnego na poziomie sterownika i umożliwia jednoczesne podłączenie wielu (setek) punktów analogowych i cyfrowych . Zmniejsza to zarówno długość wymaganego kabla, jak i liczbę wymaganych kabli. Ponadto, ponieważ urządzenia, które komunikują się przez magistralę polową, wymagają mikroprocesora , wiele punktów jest zwykle dostarczanych przez to samo urządzenie. Niektóre urządzenia fieldbus obsługują teraz schematy sterowania, takie jak sterowanie PID po stronie urządzenia, zamiast zmuszać sterownik do wykonania przetwarzania.

Historia

Najważniejszą motywacją do zastosowania magistrali obiektowej w rozproszonym systemie sterowania jest zmniejszenie kosztów instalacji i konserwacji instalacji bez utraty wysokiej dostępności i niezawodności systemu automatyki. Celem jest użycie kabla dwużyłowego i prostej konfiguracji dla urządzeń polowych różnych producentów. W zależności od zastosowania liczba czujników i elementów wykonawczych waha się od setek w jednej maszynie do kilku tysięcy rozmieszczonych w dużym zakładzie. Historia fieldbus pokazuje, jak podejść do tych celów.

Prekursor fieldbus

Magistrala interfejsu ogólnego przeznaczenia (GPIB)

Prawdopodobnie prekursorem technologii magistrali polowej jest HP-IB, jak opisano w IEEE 488 w 1975 roku. „Stała się znana jako magistrala interfejsu ogólnego przeznaczenia (GPIB) i stała się de facto standardem dla zautomatyzowanego i przemysłowego sterowania przyrządami”.

GPIB ma swoje główne zastosowanie w pomiarach automatycznych przyrządami różnych producentów. Ale jest to magistrala równoległa z kablem i złączem z 24 przewodami i jest ograniczona do maksymalnej długości kabla 20 metrów.

Bitbus

Najstarszą powszechnie stosowaną technologią magistrali polowej jest Bitbus. Bitbus został stworzony przez Intel Corporation w celu zwiększenia wykorzystania systemów Multibus w systemach przemysłowych poprzez oddzielenie wolnych funkcji we / wy od szybszego dostępu do pamięci. W 1983 r. firma Intel stworzyła mikrokontroler 8044 Bitbus, dodając oprogramowanie układowe magistrali polowej do istniejącego mikrokontrolera 8051 . Bitbus wykorzystuje EIA-485 w warstwie fizycznej , z dwiema skrętkami - jedną dla danych, a drugą dla taktowania i sygnałów. Użycie SDLC w warstwie łącza danych pozwala na 250 węzłów w jednym segmencie o łącznej odległości 13,2 km. Bitbus ma jeden węzeł główny i wiele urządzeń podrzędnych, przy czym urządzenia podrzędne odpowiadają tylko na żądania od urządzenia nadrzędnego. Bitbus nie definiuje routingu w warstwie sieci . 8044 pozwala tylko na stosunkowo mały pakiet danych (13 bajtów), ale zawiera wydajny zestaw zadań RAC (zdalnego dostępu i kontroli) oraz możliwość tworzenia niestandardowych zadań RAC. W 1990 roku IEEE przyjął Bitbus jako magistralę sterowania szeregowego systemu mikrokontrolerów (IEEE-1118).

Obecnie BITBUS jest utrzymywany przez BEUG - BITBUS European Users Group.

Sieci komputerowe do automatyzacji

Sieci biurowe nie są tak naprawdę przystosowane do zastosowań automatyki, ponieważ nie mają górnego ograniczenia opóźnienia transmisji. ARCNET , który został stworzony już w 1975 roku do łączności biurowej, wykorzystuje mechanizm tokenów i dlatego znalazł późniejsze zastosowania w przemyśle,

Protokół automatyzacji produkcji (MAP)

Manufacturing Automation Protocol (MAP) była implementacja protokołów OSI zgodnych z technologią automatyki zainicjowanego przez General Motors w 1984 roku MAP stała się propozycja standaryzacji LAN wspierane przez wielu producentów i był używany głównie w automatyce przemysłowej. Jako medium transmisyjne firma MAP wykorzystała magistralę tokenów 10 Mbit/s IEEE 802.4.

Ze względu na swój zakres i złożoność MAP nie udało się dokonać wielkiego przełomu. Aby zmniejszyć złożoność i osiągnąć szybsze przetwarzanie przy zmniejszonych zasobach, w 1988 r. opracowano MAP MAP o ulepszonej architekturze wydajności. Ta MiniMapa zawiera tylko poziomy 1,2 i 7 podstawowego modelu referencyjnego Open Systems Interconnection (OSI). Ten skrót został przejęty przez późniejsze definicje magistrali polowych.

Najważniejszym osiągnięciem MAP jest Manufacturing Message Specification (MMS), warstwa aplikacji MAP.

Specyfikacja komunikatu produkcyjnego (MMS)

Manufacturing Message Specyfikacja (MMS) jest międzynarodowym standardem ISO 9506 czynienia z protokołem i usług aplikacji do przesyłania danych procesowych w czasie rzeczywistym oraz informacje Supervisory Control pomiędzy urządzeniami sieciowymi lub aplikacji komputerowych opublikowanych w pierwszej wersji w 1986 roku.

Był wzorem dla wielu dalszych prac rozwojowych w innych standardach komunikacji przemysłowej, takich jak FMS dla Profibus lub SDO dla CANopen . Jest nadal używany jako możliwa warstwa aplikacji, np. do automatyzacji zakładów energetycznych w standardzie IEC 61850 .

Fieldbusy do automatyzacji produkcji

W dziedzinie automatyzacji produkcji wymagania dla magistrali obiektowej to obsługa krótkich czasów reakcji, przy czym tylko kilka bitów lub bajtów jest przesyłanych na odległość nie większą niż kilkaset metrów.

MODBUS

W 1979 roku Modicon (obecnie Schneider Electric ) zdefiniował magistralę szeregową do łączenia ich programowalnych sterowników logicznych (PLC) o nazwie Modbus . W swojej pierwszej wersji Modbus używał dwużyłowego kabla z sygnałami EIA 485 UART . Sam protokół jest bardzo prosty z protokołem master/slave , a liczba typów danych jest ograniczona do tych rozumianych przez sterowniki PLC w danym czasie. Niemniej jednak Modbus jest (wraz ze swoją wersją Modbus-TCP) nadal jedną z najczęściej wykorzystywanych sieci przemysłowych, głównie w dziedzinie automatyki budynkowej.

PROFIBUS

Projekt badawczy przy wsparciu finansowym rządu niemieckiego zdefiniował w 1987 r. magistralę PROFIBUS opartą na specyfikacji komunikatów magistrali (FMS). Pokazał w praktycznych zastosowaniach, że jest zbyt skomplikowany do obsługi w terenie. W 1994 roku Siemens zaproponował zmodyfikowaną warstwę aplikacji o nazwie Decentralized Periphery (DP), która zyskała dobrą akceptację w branży produkcyjnej. 2016 Profibus jest jedną z najczęściej instalowanych magistral polowych na świecie i osiąga 60 milionów zainstalowanych węzłów w 2018 roku.

INTERBUS

W 1987 roku firma Phoenix Contact opracowała magistralę szeregową do łączenia rozproszonych przestrzennie wejść i wyjść ze scentralizowanym sterownikiem. Kontroler wysyła jedną ramkę przez fizyczny pierścień, który zawiera wszystkie dane wejściowe i wyjściowe. Kabel ma 5 przewodów: obok sygnału masy dwa przewody dla ramy wychodzącej i dwa przewody dla ramy powrotnej. Dzięki temu kablowi można mieć całą instalację w topologii drzewa .

INTERBUS odniósł duży sukces w branży produkcyjnej z ponad 22,9 milionami urządzeń zainstalowanych w terenie. Interbus dołączył do technologii Profinet dla opartej na sieci Ethernet magistrali Profinet, a INTERBUS jest teraz utrzymywany przez Profibus Nutzerorganisation eV

MÓC

W latach 80. XX wieku, aby rozwiązać problemy komunikacyjne między różnymi systemami sterowania w samochodach, niemiecka firma Robert Bosch GmbH jako pierwsza opracowała sieć Controller Area Network (CAN). Koncepcja CAN polegała na tym, że każde urządzenie można podłączyć za pomocą jednego zestawu przewodów, a każde podłączone urządzenie może swobodnie wymieniać dane z dowolnym innym urządzeniem. CAN wkrótce przeniósł się na rynek automatyki przemysłowej (wraz z wieloma innymi).

DeviceNet został opracowany przez amerykańską firmę Allen-Bradley (obecnie należącą do Rockwell Automation ) oraz ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) jako otwarty standard magistrali polowej oparty na protokole CAN. DeviceNet jest znormalizowany zgodnie z europejską normą EN 50325. Za specyfikację i utrzymanie standardu DeviceNet odpowiada ODVA. Podobnie jak ControlNet i EtherNet/IP, DeviceNet należy do rodziny sieci opartych na CIP. CIP ( Common Industrial Protocol ) stanowi wspólną warstwę aplikacji tych trzech sieci przemysłowych. DeviceNet, ControlNet i Ethernet/IP są zatem dobrze skoordynowane i zapewniają użytkownikowi stopniowany system komunikacji na poziomie zarządzania (EtherNet/IP), na poziomie komórki (ControlNet) i na poziomie pola (DeviceNet). DeviceNet jest zorientowanym obiektowo systemem magistrali i działa zgodnie z metodą producent/odbiorca. Urządzenia DeviceNet mogą być klientami (master) lub serwerem (slave) lub obydwoma. Klientami i serwerami mogą być Producent, Konsument lub oba.

CANopen został opracowany przez CiA ( CAN in Automation ), stowarzyszenie użytkowników i producentów CANopen i został ustandaryzowany jako norma europejska EN 50325-4 od końca 2002 roku. CANopen wykorzystuje warstwy 1 i 2 standardu CAN (ISO 11898 -2) oraz rozszerzenia w zakresie przypisania pinów, szybkości transmisji i warstwy aplikacji.

Fieldbus do automatyzacji procesów

W automatyzacji procesów tradycyjnie większość nadajników polowych jest podłączona do urządzenia sterującego poprzez pętlę prądową o natężeniu 4-20 mA. Pozwala to nie tylko na przesyłanie zmierzonej wartości z poziomem prądu, ale również dostarczanie wymaganej mocy elektrycznej do urządzenia polowego za pomocą tylko jednego dwużyłowego kabla o długości ponad tysiąca metrów. Systemy te są również instalowane w obszarach niebezpiecznych. Według NAMUR magistrala polowa w tych aplikacjach musi spełniać te wymagania. Specjalna norma dotycząca oprzyrządowania IEC/EN 60079-27 opisuje wymagania dla koncepcji iskrobezpiecznej magistrali Fieldbus (FISCO) dla instalacji w strefie 0, 1 lub 2.

ŚwiatFIP

Standard FIP opiera się na francuskiej inicjatywie z 1982 r. mającej na celu stworzenie analizy wymagań dla przyszłego standardu magistrali polowej. Badanie to doprowadziło do powstania europejskiej inicjatywy Eureka na rzecz standardu magistrali polowej w czerwcu 1986 r., która obejmowała 13 partnerów. Grupa ds. rozwoju (réseaux locaux industriels) stworzyła pierwszą propozycję, która ma zostać ujednolicona we Francji. Nazwa magistrali polowej FIP została pierwotnie podana jako skrót od francuskiego „Flux d'Information vers le Processus”, a później odnosząc się do FIP z angielską nazwą „Factory Instrumentation Protocol”.

FIP straciła grunt na rzecz Profibus, który zdominował rynek w Europie w następnej dekadzie – strona internetowa WorldFIP nie zawierała żadnych komunikatów prasowych od 2002 roku. Najbliższego kuzyna rodziny FIP można dziś znaleźć w Wire Train Bus dla wagonów kolejowych. Jednak określony podzbiór WorldFIP - znany protokół FIPIO - można znaleźć szeroko w komponentach maszyn.

Foundation Fieldbus (FF)

Foundation Fieldbus była rozwijana przez wiele lat przez Międzynarodowe Towarzystwo Automatyki (ISA) jako SP50. Obecnie Foundation Fieldbus cieszy się rosnącą bazą zainstalowaną w wielu ciężkich zastosowaniach procesowych, takich jak rafinacja, petrochemia, wytwarzanie energii, a nawet żywność i napoje, farmaceutyki i zastosowania nuklearne.

Z dniem 1 stycznia 2015 roku Fundacja Fieldbus stała się częścią nowej grupy FieldComm.

PROFIBUS-PA

Profibus PA (automatyzacja procesu) służy do komunikacji pomiędzy urządzeniami pomiarowymi i procesowymi, siłownikami i systemem sterowania procesem lub PLC / DCS w inżynierii procesowej. Profibus PA to wersja Profibus z warstwą fizyczną odpowiednią do automatyzacji procesów, w której kilka segmentów (segmentów PA) z urządzeniami obiektowymi można podłączyć do Profibus DP za pomocą tak zwanych łączników. Dwużyłowy kabel magistralowy tych segmentów przejmuje nie tylko komunikację, ale także zasilanie uczestników ( technologia transmisji MBP ). Inną szczególną cechą Profibus PA jest szeroko stosowany profil urządzeń „PA Devices” (profil PA), w którym najważniejsze funkcje urządzeń obiektowych są standaryzowane przez producentów.

Fieldbus do automatyki budynkowej

Rynek automatyki budynkowej ma również inne wymagania dotyczące zastosowania magistrali obiektowej:

BatiBUS zdefiniowany w 1989 roku i używany głównie we Francji, Instabus rozszerzony na Europejski instalacji magistrali (EBI) i Europejski Home Systems Protocol (EHS) połączyła się w 1999 roku do Konnex ) (KNX) norma EN 50090 (ISO / IEC 14543 -3). W 2020 roku 495 firm członkowskich oferuje 8000 produktów z interfejsami KNX w 190 krajach na całym świecie.

LonWorks

Wracając do lat 80., w przeciwieństwie do innych sieci, LonWorks jest wynikiem pracy informatyków z Echelon Corporation . W 1999 r. protokół komunikacyjny (wtedy znany jako LonTalk) został przedłożony ANSI i zaakceptowany jako standard sieci sterowania (ANSI/CEA-709.1-B), w 2005 r. jako EN 14908 (europejski standard automatyki budynkowej). Protokół jest również jedną z kilku warstw łącza danych/fizycznych standardu BACnet ASHRAE/ANSI dla automatyki budynkowej.

BACnet

Standard BACnet został początkowo opracowany i jest obecnie utrzymywany przez Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa, Chłodnictwa i Klimatyzacji ( ASHRAE ) począwszy od 1987 roku. BACnet to amerykańska norma krajowa ( ANSI ) 135 od 1995 roku, norma europejska, norma krajowa w wielu krajach, a od 2003 r. globalny standard ISO 16484. BACnet ma w 2017 r. 60% udział w rynku automatyki budynkowej.

Normalizacja

Chociaż technologia fieldbus istnieje od 1988 roku, wraz z ukończeniem standardu ISA S50.02, opracowanie międzynarodowego standardu zajęło wiele lat. W 1999 r. komitet normalizacyjny IEC SC65C/WG6 spotkał się, aby rozwiązać różnice w projekcie normy IEC dla magistrali obiektowych. Rezultatem tego spotkania była początkowa forma normy IEC 61158 z ośmioma różnymi zestawami protokołów zwanych „Typami”.

Ta forma standardu została po raz pierwszy opracowana dla Wspólnego Rynku Europejskiego , mniej koncentruje się na wspólnocie i osiąga swój główny cel – eliminację ograniczeń w handlu między narodami. Kwestie wspólności są teraz pozostawione międzynarodowym konsorcjom, które wspierają każdy ze standardowych typów magistrali polowych. Niemal natychmiast po jego zatwierdzeniu prace nad rozwojem norm IEC ustały i komitet został rozwiązany. Utworzono nowy komitet IEC SC65C/MT-9 w celu rozwiązania konfliktów co do formy i treści na ponad 4000 stron normy IEC 61158. Prace nad powyższymi typami protokołów są zasadniczo zakończone. Nowe protokoły, takie jak bezpieczne sieci polowe lub sieci Ethernet w czasie rzeczywistym, są przyjmowane do definicji międzynarodowego standardu sieci polowych podczas typowego 5-letniego cyklu konserwacji. W wersji 2008 standardu typy magistrali polowej zostały zreorganizowane w rodziny profili komunikacyjnych (CPF).

Struktura standardów fieldbus

Było wiele konkurencyjnych technologii dla fieldbus, a pierwotna nadzieja na pojedynczy mechanizm zunifikowanej komunikacji nie została zrealizowana. Nie powinno to być nieoczekiwane, ponieważ technologia fieldbus musi być wdrażana w różny sposób w różnych aplikacjach; przemysłowa magistrala przemysłowa różni się funkcjonalnie od sterowania zakładem przetwórczym.

IEC 61158: Przemysłowe sieci komunikacyjne - Specyfikacja Fieldbus

W czerwcu 1999 r. Komitet Działania (CA) IEC zdecydował o przyjęciu nowej struktury norm fieldbus, począwszy od pierwszego wydania ważnego 1 stycznia 2000 r., na czas nowego tysiąclecia: Istnieje duża norma IEC 61158, w ​​której wszystkie fieldbusy znajdują swoje miejsce. Eksperci zdecydowali, że struktura IEC 61158 jest utrzymywana według różnych warstw, podzielonych na usługi i protokoły. Poszczególne magistrale polowe są włączone do tej struktury jako różne typy.

Norma IEC 61158 Przemysłowe sieci komunikacyjne — specyfikacje Fieldbus są podzielone na następujące części:

  • IEC 61158-1 Część 1: Przegląd i wytyczne dla serii IEC 61158 i IEC 61784
  • IEC 61158-2 PhL: Część 2: Specyfikacja warstwy fizycznej i definicja usługi
  • IEC 61158-3-x DLL: Część 3-x: Definicja usługi warstwy łącza danych — Typ x elementy
  • IEC 61158-4-x DLL: Część 4-x: Specyfikacja protokołu warstwy łącza danych — Typ x elementy
  • IEC 61158-5-x AL: Część 5-x: Definicja usługi warstwy aplikacji - Typ x elementy
  • IEC 61158-6-x AL: Część 6-x: Specyfikacja protokołu warstwy aplikacji - Typ x elementy

Każda część wciąż zawiera kilka tysięcy stron. Dlatego te części zostały dalej podzielone na podczęści. Poszczególne protokoły zostały po prostu ponumerowane za pomocą typu. Każdy typ protokołu ma zatem własną podczęść, jeśli jest to wymagane.

Aby znaleźć odpowiednią podczęść poszczególnych części normy IEC 61158, należy znać odpowiedni typ protokołu dla określonej rodziny.

W edycji 2019 normy IEC 61158 określono do 26 różnych typów protokołów. W normalizacji IEC 61158 unika się używania nazw marek i zastępuje je suchymi terminami technicznymi i skrótami. Na przykład Ethernet został zastąpiony przez technicznie poprawny CSMA/CD lub odniesienie do odpowiedniego standardu ISO 8802.3. Tak jest również w przypadku nazw magistrali, wszystkie są zastępowane numerami typu. Dlatego czytnik nigdy nie znajdzie oznaczenia takiego jak PROFIBUS lub DeviceNet w całym standardzie magistrali polowej IEC 61158. W sekcji Zgodność z normą IEC 61784 znajduje się kompletna tabela referencyjna.

IEC 61784: Przemysłowe sieci komunikacyjne - Profile

Oczywiste jest, że ten zbiór standardów magistrali obiektowych w IEC 61158 nie nadaje się do wdrożenia. Musi być uzupełniony o instrukcję użytkowania. Instrukcje te pokazują, jak i które części normy IEC 61158 można zmontować w działającym systemie. Niniejsza instrukcja montażu została opracowana później jako profile magistrali obiektowej IEC 61784.

Zgodnie z normą IEC 61158-1 norma IEC 61784 jest podzielona na następujące części:

  • IEC 61784-1 Zestawy profili do ciągłej i dyskretnej produkcji w odniesieniu do zastosowania magistrali obiektowej w przemysłowych systemach sterowania
  • IEC 61784-2 Dodatkowe profile dla sieci komunikacyjnych opartych na ISO/IEC 8802 3 w aplikacjach czasu rzeczywistego
  • IEC 61784-3 Funkcjonalne magistrale fieldbus – Ogólne zasady i definicje profili
  • IEC 61784-3-n Funkcjonalne magistrale fieldbus — Dodatkowe specyfikacje dla CPF n
  • IEC 61784-5-n Instalacja magistrali obiektowych — profile instalacyjne dla CPF n

IEC 61784-1: Profile magistrali polowej

Norma IEC 61784 część 1 pod nazwą Zestawy profili dla ciągłej i dyskretnej produkcji w odniesieniu do wykorzystania magistrali obiektowej w przemysłowych systemach sterowania zawiera listę wszystkich sieci obiektowych, które są proponowane przez krajowe organy normalizacyjne. W pierwszym wydaniu w 2003 r. wprowadzono 7 różnych rodzin profili komunikacyjnych (CPF):

Swiftnet, który jest szeroko stosowany w budowie samolotów (Boeing), został włączony do pierwszej edycji standardu. Później okazuje się to błędem iw wydaniu 2 z 2007 roku protokół ten został usunięty ze standardu. Jednocześnie dodano CPF 8 CC-Link , protokół CPF 9 HART i CPF 16 SERCOS . W edycji 4 w 2014 r. do standardu włączono ostatnią magistralę fieldbus CPF 19 MECHATROLINK . Edycja 5 w 2019 roku była tylko wersją konserwacyjną bez dodawania nowego profilu.

Zobacz Lista protokołów automatyzacji dla magistrali polowej, które nie są zawarte w tym standardzie.

IEC 61784-2: Ethernet w czasie rzeczywistym

Już w edycji 2 profilu fieldbus zawarte są pierwsze profile oparte o Ethernet jako warstwę fizyczną. Wszystkie te nowo opracowane protokoły Real-time Ethernet (RTE) są skompilowane w IEC 61784 część 2 jako dodatkowe profile dla sieci komunikacyjnych opartych na ISO/IEC 8802 3 w aplikacjach czasu rzeczywistego . Znajdziemy tutaj rozwiązania Ethernet/IP , trzy wersje PROFINET IO - klasy A, B i C - oraz rozwiązania P-NET, Vnet/IP TCnet, EtherCAT , Ethernet POWERLINK , Ethernet do automatyki przemysłowej (EPA), a także MODBUS z nowym publikacją-subskrypcją w czasie rzeczywistym MODBUS-RTPS i starszym profilem MODBUS-TCP.

W tym kontekście interesujące jest rozwiązanie SERCOS . Ta sieć z dziedziny sterowania osiami miała swój własny standard IEC 61491. Wraz z wprowadzeniem rozwiązania opartego na sieci Ethernet SERCOS III , standard ten został oddzielony, a część komunikacyjna została zintegrowana w IEC 61158/61784. Część aplikacyjna została zintegrowana wraz z innymi rozwiązaniami napędowymi w ramach specjalnego standardu napędów IEC 61800-7.

Tak więc lista RTE na pierwszą edycję w 2007 roku jest już długa:

W 2010 roku opublikowano już drugą edycję obejmującą CPF 17 RAPIEnet i CPF 18 SafetyNET p . W trzeciej edycji w 2014 roku dodano wersję CC-Link dla Ethernetu przemysłowego (IE) . Dwie rodziny profili CPF 20 ADS-net i CPF 21 FL-net zostały dodane do czwartej edycji w 2019 roku.

Szczegółowe informacje na temat tych urządzeń RTE można znaleźć w artykule dotyczącym Ethernetu przemysłowego .

IEC 61784-3: Bezpieczeństwo

W celu zapewnienia bezpieczeństwa funkcjonalnego różne konsorcja opracowały różne protokoły dla aplikacji bezpieczeństwa do poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa 3 (SIL) zgodnie z normą IEC 61508 lub poziomu zapewnienia bezpieczeństwa „e” (PL) zgodnie z normą ISO 13849 . Cechą wspólną większości rozwiązań jest to, że są one oparte na kanale Black Channel i dlatego mogą być przesyłane przez różne magistrale i sieci. W zależności od aktualnego profilu protokół bezpieczeństwa zapewnia środki, takie jak liczniki, CRC , echo, limit czasu, unikalne identyfikatory nadawcy i odbiorcy lub sprawdzanie krzyżowe.

Pierwsze wydanie wydane w 2007 roku normy IEC 61784 Część 3 zatytułowane Sieci komunikacji przemysłowej – Profile – Funkcjonalne magistrale bezpieczeństwa obejmuje rodziny profili komunikacyjnych (CPF):

SERCOS również korzysta z protokołu bezpieczeństwa CIP . W drugiej edycji wydanej w 2010 roku do normy dodano dodatkowe CPF:

W trzeciej edycji w 2016 roku dodano ostatni profil bezpieczeństwa CPF 17 SafetyNET p . Oczekuje się, że nowa edycja 4 zostanie opublikowana w 2021 r. Norma ma obecnie 9 różnych profili bezpieczeństwa. Wszystkie są uwzględnione i wymienione w globalnej tabeli zgodności w następnej sekcji.

Zgodność z IEC 61784

Rodziny protokołów każdej marki noszą nazwę Communication Profile Family i są skrócone jako CPF z numerem. Każda rodzina protokołów może teraz definiować magistrale obiektowe, rozwiązania Ethernet czasu rzeczywistego, zasady instalacji i protokoły bezpieczeństwa funkcjonalnego. Te możliwe rodziny profili zostały określone w normie IEC 61784 i zestawione w poniższej tabeli.

Rodziny profili komunikacyjnych (CPF) oraz usługi i typy protokołów
Rodziny profili komunikacyjnych (CPF) w IEC 61784 (pod)część Usługi i protokoły IEC 61158
CPF Rodzina Profil komunikacji (CP) i nazwa handlowa 1 2 3 5 PhL DLL glin
1 Foundation Fieldbus (FF) CP 1/1 FF - H1 x -1 -1 Typ 1 Typ 1 Wpisz 9
CP 1/2 FF – HSE x -1 -1 8802-3 TCP/UDP/IP Wpisz 5
CP 1/3 FF - H2 x -1 -1 Typ 1 Typ 1 Wpisz 9
FSCP 1/1 FF-SIS -1
2 CIP CP 2/1 Sieć kontrolna x -2 Wpisz 2 Wpisz 2 Wpisz 2
CP 2/2 EtherNet/IP x x -2 -2 8802-3 Wpisz 2 Wpisz 2
CP 3/3 DeviceNet x -2 -2 Wpisz 2 Wpisz 2 Wpisz 2
Bezpieczeństwo CIP FSCP 2/1 -2
3 PROFIBUS I PROFINET CP 3/1 PROFIBUS DP x -3 -3 Wpisz 3 Wpisz 3 Wpisz 3
CP 3/2 PROFIBUS PA x -3 -3 Typ 1 Wpisz 3 Wpisz 3
CP 3/3 PROFINET CBA (nieważny od 2014) 8802-3 TCP/IP Wpisz 10
CP 3/4 PROFINET IO klasa A x -3 -3 8802-3 UDP/IP Wpisz 10
CP 3/5 PROFINET IO klasa B x -3 -3 8802-3 UDP/IP Wpisz 10
CP 3/6 PROFINET IO klasy C x -3 -3 8802-3 UDP/IP Wpisz 10
FSCP 3/1 PROFIsafe -3
4 P-NET CP 4/1 P-NET RS-485 x -4 Wpisz 4 Wpisz 4 Wpisz 4
CP 4/2 P-NET RS-232 (usunięty) Wpisz 4 Wpisz 4 Wpisz 4
CP 4/3 P-NET na IP x -4 8802.3 Wpisz 4 Wpisz 4
5 ŚwiatFIP CP 5/1 WorldFIP (MPS,MCS) x Typ 1 Wpisz 7 Wpisz 7
CP 5/2 WorldFIP (MPS,MCS,SubMMS) x Typ 1 Wpisz 7 Wpisz 7
CP 5/3 WorldFIP (MPS) x Typ 1 Wpisz 7 Wpisz 7
6 INTERBUS CP 6/1 INTERBUS x -6 -6 Wpisz 8 Wpisz 8 Wpisz 8
CP 6/2 INTERBUS TCP/IP x -6 -6 Wpisz 8 Wpisz 8 Wpisz 8
Podzbiór INTERBUS CP 6/3 x -6 -6 Wpisz 8 Wpisz 8 Wpisz 8
CP 6/4 Łącze 3/4 do INTERBUS x -6 Wpisz 8 Wpisz 8 Wpisz 10
CP 6/5 Połączenie 3/5 z INTERBUS x -6 Wpisz 8 Wpisz 8 Wpisz 10
CP 6/6 Link 3/6 do INTERBUS x -6 Wpisz 8 Wpisz 8 Wpisz 10
Bezpieczeństwo INTERBUS FSCP 6/7 -6
7 Swiftnet Usunięto z powodu braku znaczenia rynkowego Wpisz 6
8 CC-Link CP 8/1 CC-Link/V1 x -8 -8 Wpisz 18 Wpisz 18 Wpisz 18
CP 8/2 CC-Link/V2 x -8 Wpisz 18 Wpisz 18 Wpisz 18
CP 8/3 CC-Link/LT (zasilanie z magistrali — niski koszt) x -8 Wpisz 18 Wpisz 18 Wpisz 18
Kontroler CP 8/4 CC-Link IE x -8 8802-3 Wpisz 23
CP 8/5 CC-Link IE Field Network x -8 8802-3 Wpisz 23
Bezpieczeństwo FSCP 8/1 CC-Link -8
9 JELEŃ Uniwersalne polecenie CP 9/1 (HART 6) x -- -- Wpisz 20
CP 9/2 Bezprzewodowy HART (Patrz IEC 62591) -- -- Wpisz 20
10 Sieć wirtualna/IP CP 10/1 Vnet/IP x -10 8802-3 Wpisz 17 Wpisz 17
11 TCnet CP 11/1 TCnet-gwiazda x -11 8802-3 Wpisz 11 Wpisz 11
CP 11/2 pętla TCnet 100 x -11 8802-3 Wpisz 11 Wpisz 11
CP 11/3 pętla TCnet 1G x -11 8802-3 Wpisz 11 Wpisz 11
12 EtherCAT CP 12/1 Proste we/wy x -12 -12 Wpisz 12 Wpisz 12 Wpisz 12
Skrzynka pocztowa CP 12/2 i synchronizacja czasu x -12 -12 Wpisz 12 Wpisz 12 Wpisz 12
FSCP 12/1 Bezpieczeństwo w sieci EtherCAT -12
13 Ethernet POWERLINK CP 13/1 EPL x -13 -13 8802-3 Wpisz 13 Wpisz 13
FSCP 13/1 openSAFETY -13
14 Ethernet dla automatyki przemysłowej (EPA) CP 14/1 EPA NRT x -14 -14 8802-3 Wpisz 14 Wpisz 14
CP 14/2 EPA RT x -14 -14 8802-3 Wpisz 14 Wpisz 14
CP 14/3 EPA FRT x 8802-3 Wpisz 14 Wpisz 14
CP 14/4 EPA MRT x -14 -14 8802-3 Wpisz 14 Wpisz 14
Bezpieczeństwo FSCP 14/1 EPA -14
15 MODBUS-RTPS CP 15/1 MODBUS TCP x -15 8802-3 TCP/IP Wpisz 15
CP 15/2 RTPS x -15 8802-3 TCP/IP Wpisz 15
16 SERCOS CP 16/1 SERCOS I x -16 Wpisz 16 Wpisz 16 Wpisz 16
CP 16/2 SERCOS II x -16 Wpisz 16 Wpisz 16 Wpisz 16
CP 16/3 SERCOS III x -2 -16 8802-3 Wpisz 16 Wpisz 16
SFCP 2/1 Bezpieczeństwo CIP -2
17 RAPIEnet PK 17/1 x -17 8802-3 Wpisz 21 Wpisz 21
18 SafetyNET p CP 18/1 RTFL (linia ramki czasu rzeczywistego) x -18 -18 8802-3 Wpisz 22 Wpisz 22
CP 18/2 RTFN (sieć w czasie rzeczywistym) x -18 -18 8802-3 Wpisz 22 Wpisz 22
SFCP 18/1 SafetyNET p -18
19 MECHATROLINK CP 19/1 MECHATRILINK-II x -19 Wpisz 24 Wpisz 24 Wpisz 24
CP 19/2 MECHATRILINK-III x -19 Wpisz 24 Wpisz 24 Wpisz 24
20 Sieć reklamowa CP 20/1 SIEĆ-1000 x -20 8802-3 Wpisz 25 Wpisz 25
CP 20/2 NX x -20 8802-3 Wpisz 25 Wpisz 25
21 FL-sieć CP 21/1 FL-net x -21 8802-3 Wpisz 26 Wpisz 26

Jako przykład poszukamy standardów dla PROFIBUS-DP. Należy do rodziny CPF 3 i ma profil CP 3/1. W tabeli 5 stwierdzamy, że zakres protokołu jest zdefiniowany w IEC 61784 część 1. Używa on protokołu typu 3, więc dokumenty IEC 61158-3-3, 61158-4-3, 61158-5-3 i 61158-6-3 są wymagane dla definicji protokołów. Fizyczny interfejs jest zdefiniowany we wspólnym 61158-2 pod typem 3. Przepisy dotyczące instalacji można znaleźć w IEC 61784-5-3 w Załączniku A. Może być łączony z FSCP3/1 jako PROFIsafe, który jest zdefiniowany w IEC 61784-3-3 standard.

Aby uniknąć konieczności wyraźnego wymienienia przez producenta wszystkich tych norm, w normie określono odniesienie do profilu. W przypadku naszego przykładu dla PROFIBUS-DP, specyfikacja odpowiednich norm musiałaby zatem być:

Zgodność z IEC 61784-1 Ed.3:2019 CPF 3/1

IEC 62026: Interfejsy kontroler-urządzenie (CDI)

Wymagania sieci fieldbus dla aplikacji automatyzacji procesów (przepływomierze, przetworniki ciśnienia i inne urządzenia pomiarowe i zawory regulacyjne w branżach takich jak przetwarzanie węglowodorów i wytwarzanie energii) różnią się od wymagań sieci fieldbus występujących w zastosowaniach produkcji dyskretnej, takich jak produkcja samochodów, gdzie stosuje się dużą liczbę dyskretnych czujników, w tym czujniki ruchu, czujniki położenia i tak dalej. Dyskretne sieci fieldbus są często nazywane „sieciami urządzeń”.

Już w 2000 roku Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) zdecydowała, że ​​zestaw interfejsów sterownik-urządzenie (CDI) zostanie określony przez Komitet Techniczny TC 121 Aparatura rozdzielcza i sterownicza niskonapięciowa do pokrycia sieci urządzeń. Ten zestaw norm o numerze IEC 62026 zawiera w aktualnej edycji 2019 następujące części:

Następujące części zostały wycofane w 2006 roku i nie są już utrzymywane:

  • IEC 62026-5: Część 5: Inteligentny system rozproszony (SDS)
  • IEC 62026-6: Część 6: Seriplex (Serial Multiplexed Control Bus)

Przewaga kosztowa

Ilość wymaganego okablowania jest znacznie mniejsza w przypadku sieci fieldbus niż w instalacjach 4–20 mA. Dzieje się tak, ponieważ wiele urządzeń korzysta z tego samego zestawu kabli w sposób wielokrotny, a nie wymaga dedykowanego zestawu kabli na urządzenie, jak w przypadku urządzeń 4–20 mA. Co więcej, kilka parametrów może być przesyłanych przez urządzenie w sieci fieldbus, podczas gdy tylko jeden parametr może być przesyłany przez połączenie 4–20 mA. Fieldbus zapewnia również dobrą podstawę do tworzenia strategii predykcyjnej i proaktywnej konserwacji. Diagnostyka dostępna z urządzeń fieldbus może być wykorzystywana do rozwiązywania problemów z urządzeniami, zanim staną się problemami krytycznymi.

Sieć

Pomimo tego, że każda technologia ma wspólną nazwę generyczną fieldbus, różne fieldbusy nie są łatwo wymienne. Różnice między nimi są tak głębokie, że nie da się ich łatwo ze sobą połączyć. Aby zrozumieć różnice między standardami fieldbus, konieczne jest zrozumienie, w jaki sposób projektowane są sieci fieldbus. W odniesieniu do modelu OSI , standardy fieldbus są określane przez fizyczne media okablowania oraz warstwy pierwsza, druga i siódma modelu referencyjnego.

Dla każdej technologii nośnik fizyczny i standardy warstwy fizycznej w pełni opisują szczegółowo implementację taktowania bitów, synchronizacji, kodowania/dekodowania, szybkości pasma, długości magistrali i fizycznego połączenia nadajnika-odbiornika z przewodami komunikacyjnymi. Standard warstwy łącza danych jest odpowiedzialny za pełne określenie, w jaki sposób komunikaty są zestawiane gotowe do transmisji przez warstwę fizyczną, obsługę błędów, filtrowanie komunikatów i arbitraż magistrali oraz jak te standardy mają być implementowane sprzętowo. Standard warstwy aplikacji ogólnie określa, w jaki sposób warstwy komunikacji danych są połączone z aplikacją, która chce się komunikować. Opisuje specyfikacje komunikatów, implementacje zarządzania siecią i odpowiedzi na żądanie aplikacji usług. Warstwy od trzeciej do szóstej nie są opisane w standardach fieldbus.

Cechy

Różne magistrale sieciowe oferują różne zestawy funkcji i wydajności. Trudno jest dokonać ogólnego porównania wydajności magistrali ze względu na fundamentalne różnice w metodologii przesyłania danych. W poniższej tabeli porównawczej zaznaczono po prostu, czy dana magistrala zazwyczaj obsługuje cykle aktualizacji danych trwające 1 milisekundę lub szybsze.

Fieldbus Moc magistrali Redundancja okablowania Maksymalna liczba urządzeń Synchronizacja Cykl submilisekundowy
AFDX Nie tak Prawie nieograniczony Nie tak
AS-Interfejs tak Nie 62 Nie Nie
Mogę otworzyć Nie Nie 127 tak Nie
CompoNet tak Nie 384 Nie tak
Sieć kontrolna Nie tak 99 Nie Nie
CC-Link Nie Nie 64 Nie Nie
Sieć urządzeń tak Nie 64 Nie Nie
EtherCAT tak tak 65 536 tak tak
Łącze sieciowe Ethernet Nie Opcjonalny 240 tak tak
Sieć Ethernet/IP Nie Opcjonalny Prawie nieograniczony tak tak
Interbus Nie Nie 511 Nie Nie
LonWorks Nie Nie 32 000 Nie Nie
Modbus Nie Nie 246 Nie Nie
PROFIBUS DP Nie Opcjonalny 126 tak Nie
PROFIBUS PA tak Nie 126 Nie Nie
PROFINET IO Nie Opcjonalny Prawie nieograniczony Nie Nie
PROFINET IRT Nie Opcjonalny Prawie nieograniczony tak tak
SERCOS III Nie tak 511 tak tak
Interfejs SERCOS Nie Nie 254 tak tak
Foundation Fieldbus H1 tak Nie 240 tak Nie
Fundacja HSE Nie tak Prawie nieograniczony tak Nie
RAPIEnet Nie tak 256 W budowie Warunkowy
Fieldbus Moc magistrali Redundancja okablowania Maksymalna liczba urządzeń Synchronizacja Cykl submilisekundowy

Rynek

W systemach sterowania procesami rynek zdominowany jest przez Foundation Fieldbus i Profibus PA. Obie technologie wykorzystują tę samą warstwę fizyczną (modulacja prądu dwuprzewodowego z kodowaniem Manchester przy 31,25 kHz), ale nie można ich stosować zamiennie. Ogólnie mówiąc, aplikacje, które są sterowane i monitorowane przez PLC (programowalne sterowniki logiczne) mają tendencję do PROFIBUS, a aplikacje, które są sterowane i monitorowane przez DCS (cyfrowy/rozproszony system sterowania) skłaniają się do Foundation Fieldbus. Technologia PROFIBUS jest udostępniana przez Profibus International z siedzibą w Karlsruhe w Niemczech. Technologia Foundation Fieldbus jest własnością i jest dystrybuowana przez Fundację Fieldbus z Austin w Teksasie.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

  • Babb, Michael. (1994). Czy konserwacja nauczy się kochać Fieldbus? Control Engineering, 19 stycznia.
  • Babb, Michael. (1994). Lato 1994: Kolejne opóźnienie Fieldbus, DPV Schneidera i Open Systems Control Engineering, 29 lipca.
  • Gokorsch, Steve. (1994). Inny scenariusz: konserwacja pokocha inżynierię sterowania magistralą polową, czerwiec 112–114.
  • Gunnel, Jeff. (1994). Analyzer Links Can Use Fieldbus Control and Instrumentation, marzec, 33–35.
  • Hodgkinson, Geoff. (1994). Komunikacja Czy słuchamy? Inżynieria procesowa, dodatek do oprzyrządowania 1994, s19–s21.
  • Jones, Jeremy. (1992). Czy Fieldbus może przetrwać? Kontrola i oprzyrządowanie, 25-26 sierpnia.
  • Kerridge, Brian. (1994). Dostawcy sieci aganizują się w ramach standardu Fieldbus EDN, 28 kwietnia, 45–46.
  • Rathje, J. (1994). Namur mówi „tak” technologii Fieldbus i obietnicy obniżenia kosztów kontroli i oprzyrządowania, wrzesień, 33–34.
  • Reeve, Alanie. (1993). Fieldbus — czy zaangażowani są użytkownicy? Kontrola i oprzyrządowanie, 25-26 sierpnia.
  • Włócznia, Mike. (1994). A Plant View of Fieldbus In Use Process Engineering, kwiecień, 38–39.
  • Włócznia, Mike. (1994). Fieldbus gotowy do rozpoczęcia ostatniego okrążenia? Inżynieria procesowa, kwiecień 37.
  • Chata, Andrzeju. (1994). Fieldbus: The Foundation for Field Control Systems Control Engineering , maj, 47-50.
  • Furness, Harry. (1994). Komunikacja cyfrowa zapewnia... Control Engineering , 23-25 ​​stycznia.
  • Furness, Harry. (1994). Fieldbus: Różnice zaczynają się od dołu Control Engineering , marzec, 49-51.
  • Fouhy, Ken. (1993). Fieldbus trafia na drogową inżynierię chemiczną , wrzesień, 37-41.
  • Johnson, Dick. (1994). Przyszłość Fieldbus At Milestone 1995 Control Engineering , grudzień, 49-52.
  • Wyluzuj, Graham. (1994). Kiedy przemysł przetwórczy może korzystać z magistrali Fieldbus? Kontrola i oprzyrządowanie , maj, 63-65.
  • Włócznia, Mike. (1993). Fieldbus czeka na pierwsze próby Inżynieria procesowa , marzec, s.36.
  • Lasher, Richard J. (1994). Postępy Fieldbus i ich implikacje Control Engineering , lipiec, 33-35.
  • Pierson, Lynda L. (1994). Szersze standardy Fieldbus poprawią inżynierię sterowania funkcjonalnością systemu , listopad, 38-39.
  • Powell, James i Henry Vandelinde (2009), „Catching the Process Fieldbus – Wprowadzenie do PROFIBUS for Process Automation” www.measuremax.ca.
  • Patel, Kirnesh (2013) Technologia Foundation Fieldbus i jej zastosowania
  • O'Neill, Mike (2007). Postępy w Fieldbus , Process Industry Informer , styczeń, 36-37.
  • NP Mahalik; PR Moore (1997) Rozproszone sterowanie oparte na technologii Fieldbus w przemyśle przetwórczym: studium przypadku z technologią LonWorks
  • ARC Advisory Group (2008) Foundation Fieldbus Safety Instrumented Functions For the Future of Process Safety