Ethernet в системах промышленной автоматизации

Попытки разработать стандарт в области компьютерных коммуникаций для автоматизации производства с целью создания более открытых решений предпринимаются уже достаточно давно. В этой связи использование Ethernet и TCP/IP в средствах промышленной автоматизации выглядит весьма перспективным.

В последние три года наблюдается оживление рынка систем промышленной автоматизации как в России, так и за рубежом. Основные производственные фонды российских предприятий требуют серьезной модернизации, что стимулирует развитие рынка АСУ ТП и встроенных систем.

В промышленных сетях применяются десятки коммуникационных технологий и протоколов. Они позволяют создавать распределенные системы, объединяющие различные датчики, контроллеры и исполнительные устройства. Подключение перечисленных устройств к сетям обычно осуществляется с помощью сложных специализированных протоколов: Profibus, FIP, ControlNet, Interbus-S, DeviceNet, P-NET, WorldFIP, LongWork или Modbus Plus. Протоколы разработаны с учетом особенностей производства и технических систем, обеспечивают надежные соединения и высокую точность управления. Оборудование, для которого они предназначены, должно устойчиво работать при высоких температурах или влажности, в условиях сильной вибрации или химически активной среды. Между тем кроме надежности функционирования все более важными требованиями в системах АСУ ТП становятся функциональные возможности, простота инсталляции и обслуживания, адаптируемость к специфическим условиям, соответствие общепринятым стандартам.

Несмотря на попытки стандартизации, производители продолжают развивать разные технологии, шинные интерфейсы, архитектуры контроллеров, операционные системы реального времени, протоколы, языки программирования и продвигать собственные сетевые решения для связи оборудования контроля и управления производственными процессами.

ПРОБЛЕМЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ СВЯЗИ

Развитие микропроцессорной технологии способствовало переходу к архитектуре распределенных систем: функции автоматизации все чаще стали реализовываться вне блока центрального процессора — в датчиках, агрегатах и исполнительных механизмах. Простые сенсоры и датчики стали превращаться в коммуникационные устройства. «Интеллектуализация» периферийного технологического оборудования и появление цифровых интерфейсов породили потребность в новых видах коммуникаций — они поставили на повестку дня создание локальной сети, функционирующей на нижнем уровне автоматизации, в зоне технологических процессов (см. Рисунок 1). Сети промышленного применения (fieldbus) отличаются детерминированностью поведения, поддержкой функций реального времени, повышенной надежностью передачи данных в среде с высоким уровнем электромагнитных помех, наличием защищенных от воздействия среды разъемов. Как отмечают специалисты компании «РТСофт», в числе типичных требований, предъявляемых к таким сетям, — простая среда передачи (например, двухпроводная линия), различная топология (шинная, звездообразная, древовидная), разные расстояния (до нескольких километров) и скорости передачи данных, электропитание через шину, защита передаваемой информации, простота использования. Промышленные сети различаются также способами мультиплексирования, методами коммуникаций (синхронные или асинхронные) и доступа к среде передачи данных, особенностями управления (централизованное или децентрализованное).

Включение в сеть промышленных устройств — процесс во многом более сложный, чем объединение в сети ПК и телекоммуникационных устройств. Наличие многочисленных несовместимых реализаций в области промышленных сетей затрудняет интеграцию в единую систему компонентов разных производителей и препятствует широкому распространению интеллектуальных устройств. Уже почти два десятка лет предпринимаются попытки разработать стандарт в области цифровых коммуникаций для систем автоматизации, дабы уйти от закрытых решений.

Столь большие сроки вызваны особенностями данной отрасли. Сфера технологий промышленной связи в значительной степени фрагментирована, прежде всего, вследствие разнообразия областей применения. Это автоматизация в разных отраслях промышленности, интеллектуальные здания, различные технические системы (например, автомобильная и авиакосмическая отрасли) — везде необходим некий физический способ объединения промышленных или бортовых компьютеров, контроллеров, датчиков, исполнительных механизмов, оборудования ввода/вывода, согласующих и других устройств.

Какое решение могло бы отвечать столь различным требованиям и реально ли унифицировать протоколы взаимодействия устройств? Какой должна быть коммуникационная технология построения единой информационной сети, объединяющей различные интеллектуальные устройства? Идея стандартизации технологий цифровой промышленной связи давно привлекает специалистов, ведь единый международный стандарт на протокол промышленной сети гарантировал бы взаимозаменяемость и совместимость продуктов разных производителей.

Международная электротехническая комиссия (МЭК), определив требования для устройств разного типа, приступила к разработке универсального стандарта открытой промышленной сети еще в 1984 г. Тем временем в 1991 г. в Германии принимают спецификацию открытой промышленной сети Profibus (DIN19245) на базе модели межсетевого взаимодействия ISO/OSI. В 1994 г. создается ассоциация Fieldbus Foundation, куда вошли североамериканские группы WorldFIP и ISP-Foundation. Европейские производители промышленных систем пошли по пути создания своего единого стандарта промышленной сети European Fieldbus Standard (EN50170), проект которого был принят в 1996 г. и объединил национальные стандарты Profibus (Германия), FIP (Франция) и P-NET (Дания).

МЭК завершила подготовку первой спецификации в 1998 г. Столь долго разрабатывавшееся решение успело устареть и не соответствовало тенденциям рынка промышленной автоматизации. Кроме того, данное предложение отражало интересы групп компаний, работающих в отдельных отраслях. Принять его сразу не удалось, однако в конце 1999 г. большинство национальных комитетов МЭК все же одобрило окончательный проект стандарта, объединяющего восемь коммуникационных технологий (Technical Specification TS61158, P-NET, Profibus, ControlNet, Foundation Fieldbus High Speed Ethernet, WorldIP, SwiftNet и Interbus). Этот многофункциональный стандарт, включающий спецификации канального и прикладного уровня, получил название IEC61158. Он ориентирован на различные области применения, и, как полагают специалисты, в случае удачного завершения работы над ним удастся получить не только комплект отдельных коммуникационных технологий, но и возможность их объединения в рамках одного проекта. Стандарт получил одобрение организации Fieldbus Foundation. Теперь МЭК должна упорядочить и внести все изменения в спецификацию, прежде чем она станет международным стандартом.

Между тем стандарт IEC61158 вызывает у многих специалистов целый ряд вопросов. Зачем под одним названием собраны столь разные технологии? Почему вместо единого стандарта с описанием одной коммуникационной технологии предложен набор решений? Из-за сложившегося в данной сфере разнообразия протоколов и требований к промышленным сетям, широкой области их применения непредвзято выбрать какое-то одно решение довольно трудно, так что говорить о действительно едином международном стандарте пока не приходится.

ОБЪЕДИНЯЮЩАЯ СИЛА ETHERNET

Хотя идея международной стандартизации в области промышленных коммуникаций и объединения десятков независимых технологий «полевых шин» не потеряла своей привлекательности, мир промышленной автоматизации и, прежде всего, поставщики оборудования для управления производственными процессами давно обратили внимание на Ethernet, Internet и технологии Web. Интерес к унификации промышленных сетей и созданию неоднородных сетевых сред на основе продуктов разных производителей весьма велик, а идея построения единой информационной инфраструктуры промышленных предприятий, обеспечивающей совместную работу программных и аппаратных средств систем АСУП и АСУ ТП, выглядит очень привлекательной. Это позволило бы объединить разные виды коммуникаций, включить производственное оборудование и управляющие ими компьютеры в единую среду. Как отмечают специалисты компании SWD Software, при наличии открытого стандарта, поддержанного многими производителями, пользователи могут не опасаться, что применяемое ими решение окажется несовместимо с новыми версиями, его выпуск прекратится, либо производитель просто уйдет с рынка.

Тенденция комплексной автоматизации опирается и на растущую потребность в использовании производственных данных в бизнес-процессах, бухгалтерском учете, системах планирования и управления ресурсами предприятий (ERP) и взаимодействия с заказчиками (CRM), программах инвентаризации. Современные АСУП используют для коммуникаций сети Ethernet и протоколы TCP/IP, а информационные системы — технологии Internet. Не удивительно, что в последние пять лет 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.

В частности, внедрение Ethernet на уровне промышленных систем позволяет предприятиям передавать собираемую информацию на уровень АСУП для применения в различных приложениях. К тому же Ethernet — самая популярная сетевая технология. С ее помощью разработчики надеются создать единую коммуникационную инфраструктуру предприятия, распространить на системы промышленной автоматизации такие преимущества Ethernet, как простота интеграции с Internet, возможность включения в сеть самых разнообразных устройств и централизованного управления ими. Большой рынок поддерживающих Ethernet устройств и компонентов, массовое производство подобных продуктов гарантирует их достаточно низкую стоимость. Унификация Ethernet как единой сетевой технологии ведет к сокращению расходов, в том числе на обучение специалистов и обслуживание систем.

Насколько велики сегодня масштабы проникновения Ethernet в комплексы управления производственными процессами? Специалисты отмечают растущее влияние Ethernet в области промышленной автоматизации, где реализован целый ряд успешных проектов с применением Ethernet (см. статью Алексея Чернобровцева «Ethernet в промышленности», ComputerWorld, №32/2000). Решения на базе Ethernet предлагают Echelon, Phoenix Contact, Schneider Electric, Siemens. Несколько промышленных ассоциаций продвигает Industrial Ethernet. Одновременно промышленные протоколы переписываются с учетом особенностей Ethernet и TCP/IP.

С другой стороны, эту область не оставляют без внимания крупные производители сетевого и компьютерного оборудования. Так, в 2000 г. компания Cisco учредила совместное предприятие с General Electric под названием GE Cisco Industrial Networks, а Siemens выдвинула инициативу Profinet (Profibus + Ethernet). Расширения для работы через Ethernet созданы для многих промышленных сетей. Хотя в производственных системах управления Ethernet и Internet (TCP/IP) появились относительно недавно, промышленные протоколы адаптируются к особенностям Ethernet и TCP/IP, а продукты, удовлетворяющие требованиям новых стандартов, приобретают на рынке все бо/льшую популярность. Ethernet и TCP/IP начинают вытеснять сложные «индустриальные» протоколы, постепенно уступающие место более открытым решениям.

Другое направление развития — IndustrialSNMP. Поддержка протокола SNMP позволяет администраторам сети читать и записывать информацию на удаленное управляемое сетевое устройство. Использование данных SNMP способствует продвижению Ethernet в сфере средств управления производственными процессами, усиливает позиции Ethernet как коммуникационной магистрали управляющих систем. В IndustrialSNMP реализовано несколько баз параметров распространенных управляемых сетевых устройств, что позволяет разработчикам быстрее подбирать подходящие переменные MIB.

Ряд производителей выпускает контроллеры с поддержкой SNMP. Например, контроллеры eScape от российской компании «Стинс Коман» поддерживают протокол SNMP на программно-аппаратном уровне и позволяют включить в сеть Ethernet самые разнообразные устройства, сопрячь унаследованное и новое оборудование, получить единую картину всех происходящих процессов, управляя комплексными объектами (см. статью автора «Без пыли и шума» в майском номере «Журнала сетевых решений/LAN»). Достоинства такого решения — открытость, простота и масштабируемость.

Внедрение технологий Ethernet в сфере промышленной автоматизации облегчит создание однородных сетей и сведет к минимуму (а может быть, и исключит) применение дополнительных протоколов. Продукты, удовлетворяющие требованиям широко распространенных сетевых стандартов, приобретают все большую популярность.

ETHERNET В РОЛИ ПРОМЫШЛЕННОЙ СЕТИ

Оборудование Ethernet относительно недорого и доступно, а протоколы TCP/IP выглядят очень привлекательным решением по сравнению с запутанными и многочисленными стандартами дорогих и сложных промышленных сетей. Согласно исследованию трех крупнейших автомобильных компаний США, потенциально Ethernet способен обслуживать до 70% их производственных приложений.

Как стандартная технология в области построения промышленных сетей и распределенных систем управления, Ethernet проникает и на уровень программируемых контроллеров, устройств сопряжения с датчиками и исполнительными механизмами. В последнее время все больше говорят об архитектуре Ethernet промышленного применения — Industrial Ethernet, поддерживаемой рядом ведущих производителей оборудования автоматизации. Будучи универсальным средством организации коммуникационных интерфейсов в системах автоматизации, Industrial Ethernet предлагает широкие возможности реализации различных топологий с разнообразными подключаемыми устройствами при невысокой стоимости в расчете на устройство, хорошо интегрируется с технологией Internet со всеми ее достоинствами, включая высокую масштабируемость и возможности удаленного управления.

Между тем Industrial Ethernet представляет скорее общую концепцию. Как отмечают специалисты «РТСофт», эта технология имеет множество реализаций, различные физические среды передачи, транспортные и прикладные протоколы, а понятие Industrial Ethernet часто интерпретируется по-разному.

К тому же, при всех преимуществах применения в промышленных системах, Ethernet имеет и ряд недостатков. Он позволяет передавать информацию с высокой скоростью и обслуживать крупные инсталляции, но для передачи небольших объемов данных и объединения простых устройств больше подходят другие сетевые технологии, поскольку в Ethernet в этом случае достаточно велики непроизводительные потери, ведь протоколы TCP/IP и сети Ethernet характеризуются значительным уровнем накладных расходов. При подключении большого числа устройств сеть Ethernet будет функционировать медленнее специализированных промышленных сетей наподобие Profibus.

Как считает начальник отдела системной интеграции компании «Ниеншанц» Сергей Власов, стандартный вариант Ethernet обычно не подходит для АСУ ТП из-за отсутствия гарантированного времени доставки. Эту проблему можно свести к минимуму, но в критичных системах, где требуется гарантированное время реакции, использование Ethernet будет «косвенным», т. е. с его помощью можно объединять отдельные подсистемы, отвечающие за жизненно важные узлы, но внутри них, вероятно, будут применяться иные технологии. Таким образом, Ethernet ждет успех в многоуровневых системах для мониторинга каких-либо параметров или, например, в интеллектуальных зданиях, когда время реакции не столь критично. Подобных систем появляется все больше — контроллеры с поддержкой Ethernet выпускают как зарубежные, так и российские производители. По мнению Сергея Власова, технология получит более широкое распространение в промышленных системах, но наверняка не в качестве единственной шины. Скорее, Ethernet будет играть роль некоей интегрирующей среды.

Действительно, Ethernet подходит не для всех случаев автоматизации. В некоторых ситуациях, если требуется точное управление устройствами в реальном времени, задача окажется невыполнимой из-за недостаточной детерминированности. Поскольку доступ к среде передачи основан на разрешении конфликтов, предсказуемость передачи не гарантируется. Для решения данной проблемы потребуется применение коммутаторов Ethernet, разделение трафика с помощью виртуальных локальных сетей и приоритетов потоков данных или использование специальных, комбинированных протоколов. Между тем, как считают специалисты компании SWD Software, такой недостаток, как непредсказуемое время доставки данных в Ethernet вследствие самого принципа CSMA/CD, лежащего в основе Ethernet, сказывается лишь при большом числе станций, и на цеховом уровне им можно пренебречь. При увеличении числа станций проблема легко решается локализацией широковещательного трафика (в частности, с помощью коммутаторов). Так что необходимо лишь правильно организовать среду передачи. По мнению Сергея Суханова, ведущего инженера компании ICOS, для широкого круга задач (например, сбор информации с датчиков) проблема детерминированности не имеет существенного значения. Он отметил, что в последнее время промышленные решения на базе Ethernet пользуются все более высоким спросом, хотя все зависит от характера задачи и методов ее решения.

Рисунок 2. Разъемы и кабели Ethernet в специальном исполнении.

Для промышленных сетей повышенная надежность — одно из обязательных условий, так как любые отказы и сбои чреваты очень серьезными последствиями. Стандартные кабели и разъемы RJ-45 обычно имеют неадекватные физические и электрические характеристики: они слишком уязвимы для производственного применения и более подвержены электромагнитным помехам, чем большинство разъемов промышленного типа, а заводское оборудование нередко становится источником сильных электрических помех. В заводских условиях, как правило, требуются разъемы специального исполнения (см. Рисунок 2). Однако выход есть — разнообразные адаптеры позволяют превратить разъемы RJ-45 в пылеводонепроницаемые. Производители выпускают также бронированные кабели Fast Ethernet и разъемы RJ-45 в исполнении IP67. Надежность Ethernet обеспечивается резервированием линий и введением избыточных компонентов.

Еще одну потенциальную опасность при внедрении Ethernet на промышленном уровне специалисты видят в менее надежной защите. Трехуровневые производственные системы с раздельными уровнями — информационным, управления и устройств — обеспечивают более сильную защиту и физическое разделение трафика. По мнению экспертов, их объединение в единую магистраль Ethernet, удешевляя решение, создает определенный риск. Для повышения защиты системы управления магистральную сеть Industrial Ethernet и офисную систему автоматизации разделяют брандмауэрами. Иногда из этих соображений к Ethernet обращаются только для сбора информации от датчиков, но не для управления исполнительными механизмами.

Если речь идет о модернизации промышленной системы, то важное значение приобретают также такие моменты, как наличие более старых интерфейсов и инфраструктуры. Насколько оправдана замена существующей кабельной проводки линиями Ethernet? Кабельная инфраструктура может функционировать на протяжении десятков лет, а средства в нее вкладывались в течение многих лет. Интерфейсы же к унаследованным сетям и промышленным шинам нередко достаточно дороги.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОТОКОЛЫ «ПОВЕРХ IP» И INDUSTRIAL ETHERNET

Ethernet или TCP/IP еще не гарантирует взаимодействия устройств. Ethernet, как и RS-232, лишь обеспечивает возможность передачи сообщений. Сами сообщения передаются с помощью транспортных протоколов. В случае Ethernet — это практически повсеместно TCP и UDP. Однако нужны протоколы и более высокого уровня. Данные датчиков и сенсоров можно упаковывать в существующий формат промышленной сети и передавать средствами TCP/IP. Такое направление активно развивается в отрасли. Многие специалисты полагают, что применяемые в сетях Ethernet протоколы прикладного уровня недостаточно хорошо определены и не реализуют всех необходимых для систем автоматизации функций. Проблему пытаются решить переносом в среду Ethernet и TCP/IP существующих протоколов автоматизации. Часто для этого прибегают к инкапсуляции: данные промышленных протоколов вставляются в кадры TCP или UDP. Подобный подход характерен для протокола EtherNet/IP (разработанного Rockwell Automation и ODVA), HSE (High Speed Ethernet) от Fieldbus Foundation и Modbus/TCP от компании Schneider Electric. Известны также такие реализации, как ProfiNet (Profibus в Ethernet), Interbus-TCP/IP и др. Над созданием прикладных протоколов для Industrial Ethernet работают несколько производителей, предлагающих разные решения. Это упрощает обеспечение совместимости Ethernet с протоколами промышленных сетей: он может заменить существующие промышленные сети или дополнить их. С другой стороны, эффективность протокола при инкапсуляции достаточно низка, а накладные расходы — большие, поэтому, по мнению специалистов «РТСофт», инкапсуляция более подходит для передач данных большими блоками.

Важное преимущество подобных решений в том, что профили многих устройств уже хорошо определены и достаточно просто переносятся в среду Ethernet. Передача данных между «верхним» и «нижнем» уровнями сети также не представляет особых проблем (хотя при больших потоках данных возможно появление «узких мест»). Например, Profibus может использоваться как сеть нижнего уровня (ввод/вывод), а ProfiNet — как управляющий уровень. Взаимодействие между ними достаточно прозрачно. Протокол ProfiNet разработан Profibus International на базе Ethernet как совместимый с протоколом Profibus, поддерживаемым компанией Siemens. На рынке имеется более 2 тыс. видов продуктов Profibus, а количество разновидностей инсталлированных устройств достигает 5 тыс. И тот и другой конкурируют с протоколами Fieldbus Foundation (некоммерческой организации, объединяющей 140 компаний, работающих в сфере промышленной автоматизации).

Технология Fieldbus Foundation стала одной из наиболее популярных в сфере управления процессами. Она достаточно широко применяется в энергетике, нефтеперерабатывающей отрасли, на фармацевтических предприятиях и включает два уровня: H1 со скоростью 31,25 Кбит/с для обмена информацией с измерительными устройствами/датчиками, исполнительными механизмами и High-Speed Ethernet (HSE) со скоростью 100 Мбит/с. Эта технология конкурирует с протоколами Modbus, HART и Profibus PA.

Продвигаемый Open Devicenet Vendor Assosiation (ODVA) Ethernet Industrial Protocol (EtherNet/IP) позволяет создавать информационные и управляющие системы и ориентирован на такие отрасли, как автомобильная и аэрокосмическая промышленность, производство электроники и др. EtherNet/IP совместим с предложенным компанией Rockwell Automation протоколом DeviceNet, применяемым для коммуникаций на уровне устройств. Ассоциации Industrial Automation Open Network Alliance (IAONA), ODVA и Interface for Distributed Automation (IDA) договорились в декабре 2000 г. о совместном распространении технологий на базе EtherNet/IP. Протокол EtherNet/IP поддерживают также организации ControlNet International (CI) и Industrial Ethernet Association (IEA).

Единый стандарт обмена данными и межсерверных коммуникаций для Industrial Ethernet и унаследованных промышленных протоколов под названием OPC Data Exchange Standard for Ethernet разрабатывается ассоциацией OPC Foundation. Он обеспечивает взаимодействие разных сетей Industrial Ethernet и поддерживается ассоциациями Open DeviceNet Vendor Association, ControlNet International и Profibus International. Как ожидается, его спецификация появится в ближайшее время.

По мнению специалистов, создание подобных стандартов упростит разработку совместимых технологий связи, единых спецификаций на сетевые компоненты и кабельную инфраструктуру.

ETHERNET КАК ВЕРХНИЙ УРОВЕНЬ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Ethernet все чаще оказывается востребован в сфере автоматизации совместно с другими промышленными шинами. В этом случае сетевая инфраструктура обычно состоит из двух уровней. На верхнем реализуется сеть Ethernet, которая может объединять ПК, серверы, устройства печати и хранения данных, коммутаторы и другие телекоммуникационные устройства. Через промышленные компьютеры или контроллеры она связывается с промышленной сетью (например, Profibus, DeviceNet или Lonworks), объединяющей агрегаты, датчики, исполнительные механизмы. Иногда создается еще и третий уровень: через шлюз к промышленной сети подключаются устройства, у которых имеются только порты RS-485 или RS-232 (см. Рисунок 3).

В качестве примера подобного подхода можно привести недавно реализованный компанией «ЭкоПрог» проект «интеллектуального здания» «Галс-Тауэр» на 1-й Тверской-Ямской улице в Москве. Верхним уровнем управления и контроля в данной системе стала сеть Ethernet с подключенным к ней сервером и ПК (рабочим местом оператора), а нижний представлен многофункциональной распределенной системой European Installation Bus (EIB) на базе RS-232, связывающей различные датчики и исполнительные устройства. В качестве интерфейса между этими уровнями выступает промышленный микрокомпьютер производства компании Tridium. В результате удалось интегрировать системы электроснабжения, отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения и канализации, лифтовые системы и системы телекоммуникаций, составляющие инженерную инфраструктуру бизнес-центра, и обеспечить единое управление целым комплексом оборудования.

Чтобы использовать существующие устройства систем автоматизации, несколько сегментов стандартных промышленных шин можно объединить в сегменты Industrial Ethernet с помощью шлюзов. Правда, при этом возникает опасность появления достаточно сложных неоднородных сетей, где не всегда достигаются требуемые параметры режима реального времени.

Как уже отмечалось выше, к важным преимуществам объединения Ethernet с промышленными сетями относится возможность интеграции систем АСУ ТП и АСУП. Получаемая из производственной системы нижнего уровня информация может передаваться на верхний и сохраняться в БД для использования в системах ERP или CRM. Для доступа к производственным данным и процессам можно задействовать корпоративную сеть Intranet. Для этого специалисту достаточно иметь в своем распоряжении обычный ПК со стандартным браузером. Данные для обработки или анализа могут передаваться на уровень АСУП из системы SCADA. Чтобы эффективно управлять производством, получать информацию о выходе готовой продукции, состоянии оборудования или параметрах производственных процессов, их доставка должна осуществляться в реальном (или близком к реальному) времени.

В решениях ряда производителей Industrial Ethernet совместим с другими стандартами промышленных сетей, например Profibus и ASI. Так, устройства предлагаемой компанией Siemens сетевой архитектуры Simatic NET обеспечивают интеграцию разных уровней системы автоматизации: уровня датчиков, «полевого» уровня (Profibus), уровня цеха и управления.

Функциональные возможности Intranet лежат и в основе концепции Transparent Factory, продвигаемой компанией Schneider Electric (см. врезку «Прозрачное предприятие»: концепция Transparent Factory»). В отличие от традиционного иерархического дерева, где с узлами нижнего уровня взаимодействует один узел верхнего (управляющий контроллер или мост), данная концепция позволяет строить сложные системы АСУ ТП с прямым доступом на все уровни, к каждому устройству (интеллектуальному датчику, исполнительному механизму и т. д.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на свойственные ей проблемы, шина Ethernet находит все большее распространение в системах управления производственным оборудованием. Поддержка Ethernet, протоколов TCP/IP и SNMP реализуется во встроенных устройствах и контроллерах, что позволяет включать их в сети Ethernet или обеспечивать взаимодействие с оборудованием различного класса. Постепенное внедрение технологий Ethernet поможет, по мнению производителей, сэкономить деньги и, исключив дополнительные протоколы, построить более однородные сети. Развитие технологии и улучшение характеристик во многих случаях позволяет эффективно использовать ее в качестве промышленной сети. Благодаря повышенной пропускной способности, высокопроизводительным устройствам коммутации и маршрутизации, решению проблемы детерминизма, эта открытая технология становится сильным конкурентом другим промышленным локальным сетям и шинам. Как показывают независимые исследования, архитектура Industrial Ethernet не уступает распространенным промышленным сетям по большинству характеристик, в том числе по гарантированному времени доставки сообщений.

Впереди еще непростой путь к стандартизации и выработке типовых подходов, однако уже существует целый ряд интересных решений, основанных на достаточно стандартных и экономичных методах. Продукты для Industrial Ethernet выпускают N-Tron, Lantronix, Mitsubishi Electric Automation, HMS Fieldbus Systems AB, Fisher-Rosemount, Synergetic, Standard Microsystems и ряд других. Технологию Industrial Ethernet для управления производством применяют такие крупные компании, как General Motors, Grate Dane Tralers, Western Kentucky Energy, Syncrude Canada. Так, проект стоимостью 12 млн долларов по внедрению этой технологии на нефтеперерабатывающих заводах реализует компания Shell Oil. По оценкам ARC Advisory Group, к 2005 г. объем мировых поставок промышленных контроллеров с поддержкой Ethernet превысит 4,7 млн единиц, между тем как в 2000 г. их было выпущено всего 116 тыс.

По мнению специалистов компании SWD Software, в решениях некоторых производителей, в частности Siemens, Industrial Ethernet уже стал фактическим стандартом, хотя выбор протоколов более высокого уровня (а именно они превращают Ethernet в Industrial Ethernet) зависит от конкретной специфики. Например, если на цеховом уровне используются контроллеры S7-400 от Siemens, то таким протоколом будет Sinec H1. Применение виртуальных программируемых логических контроллеров (виртуальных ПЛК, soft-PLC), вместо классических, позволяет добиться гибкости систем управления и их независимости от производителей оборудования, уйти от закрытых конструкций ПЛК, что обуславливает все бо/льшую популярность подобных решений. В таких системах применяется протокол TCP/IP (как в случае использования системы Virgo 2000 компании AlterSys), специализированные сетевые протоколы реального времени (например, протоколы Fleet QNX4 и Qnet QNX6, характерные для ориентированной на ОС QNX архитектуры soft-PLC DACHS компании STEINHOFF) или реализации специализированных протоколов «поверх IP» (QoIP для тех же протоколов Fleet и Qnet).

Своеобразным барометром, показывающим тенденции в сфере промышленной автоматизации, служит промышленная выставка-ярмарка в Ганновере, проходившая 15-20 апреля текущего года. В числе представленных там решений и докладов — системы коммутации (Real-Time Ethernet Switching), распределенные интеллектуальные устройства Ethernet, реализация интерфейса Ethernet (HMS) и применение Ethernet на уровне устройств (компания Hirschmann), системные аспекты EtherNet/IP (Rockwell Automation), новые возможности технологий Ethernet и Web в автоматизации процессов (Wago) и практические примеры использования этих технологий (Jetter).

По прогнозам аналитиков, в области встраиваемых систем технология TCP/IP будет доминировать уже в ближайшем будущем — нас ждет бум Industrial Ethernet. Она не требует больших затрат и открывает широкие возможности унификации решений в самых разных отраслях. На основе TCP/IP выпускается большое число продуктов и устройств. Широкая доступность сетевых компонентов, тенденция объединения систем автоматизации производственных процессов и распространенных сетевых технологий открывают интересные возможности применения на производственных предприятиях привычных протоколов глобальных и локальных сетей, стандартных средств управления. Это упрощает решение задач объединения разнородных сред передачи данных и устройств, помогает обеспечить их взаимодействие и централизованное управление. Вместо множества закрытых протоколов разработчики выбирают открытые стандарты TCP/IP и Ethernet. Именно открытость и независимость от патентованных решений будут, по мнению специалистов SWD, способствовать переходу к Ethernet.

В то же время, как отмечается, Ethernet в большей степени необходим крупным предприятиям, а для отдельных инсталляций или небольших проектов подойдут решения попроще, например на базе RS-485. Тем не менее технология Ethernet постепенно расширяет свое влияние в области автоматизации промышленных процессов и, по сути, превращается в основу следующего поколения сетей промышленной автоматики, интегрированных с офисными информационными сетями. Четкое разделение информационных систем и систем промышленной автоматизации становится все более условным, а значительное внимание, уделяемое производителями Ethernet и стандартным сетевым протоколам, говорит о том, что информационные технологии начинают играть в области промышленной автоматизации определяющую роль.

«Прозрачное предприятие»: концепция Transparent Factory

В 1998 г. крупный производитель систем промышленной автоматизации — компания Schneider Electric Automation Business (SEAB), входящая в Schneider Electric Group, заявил, что будущее автоматизации — за Ethernet и технологиями Web. Она получила патент на конструкцию программируемого логического контроллера с поддержкой протоколов TCP/IP и HTTP. Согласно концепции Schneider Electric, следующим поколением сетей промышленной автоматики, интегрированным с сетевой офисной инфраструктурой, станет Ethernet. Корпоративная сеть (Intranet) — это единая среда, обеспечивающая прозрачный доступ к данным в масштабах предприятия, от датчиков и исполнительных механизмов до систем планирования и управления. Такой доступ реализуется посредством стандартной интегрированной сети с несколькими сервисными уровнями. В качестве средств доступа предлагаются встроенные в устройства и контроллеры серверы Web и интерфейс OLE for Process Control (ОРС). Данные могут доставляться в реальном времени на любой уровень глобальной системы управления предприятием. Открытость контроллеров и систем позволяет решить проблемы, вызванные многообразием различных несовместимых контроллеров, сетей и ПО, устранить трудности их стыковки и передачи данных между ними и на другие уровни.

Концепция Schneider Electric оказалась успешной. Уже в 1999 г. было продано свыше тысячи программируемых логических контроллеров (Premium и Quantum) со встроенными серверами Web (WebPLC) и несколько тысяч других компонентов Transparent Factory, многие из которых получили признание в мире промышленной автоматизации.

Встраиваемые в устройства серверы Web упрощают реализацию пользовательского интерфейса средствами языка HTML. В качестве клиента можно применять любое устройство, имеющее браузер Web. Интеграция разнородных систем предельно упрощается (необходимые средства имеются в языке HTML и в протоколе HTTP). При этом основная область применения HTTP — интерфейс с оператором. Как показали исследования Transparent Factory Group, для управления и передачи информации эффективнее использовать SNMP. Наконец, серверы Web, встроенные в программируемые контроллеры, значительно повышают надежность системы. Одним из важных достоинств поддержки Web на уровне контроллеров являются расширенные возможности диагностики.

Transparent Factory не означает отказ от существующих систем управления. Контроллеры могут играть роль мостов и концентраторов, передавая на уровень Ethernet и TCP/IP данные от Modbus или из других промышленных сетей. Schneider Electric выпускает мост Modbus/Ethernet TCP/IP для соединения подключенных к Modbus устройств с сетью Ethernet TCP/IP. Подобные устройства позволяют интегрировать с сетями Ethernet имеющееся промышленное оборудование автоматизации. Таким образом, разработанная в компании Schneider концепция Transparent Factory дает возможность решать задачи межсетевого обмена в рамках всего предприятия, интегрировать системы АСУП и АСУ ТП.

По мнению специалистов, проникновение Internet в экономику и промышленность создает хорошую основу для успешного внедрения этой концепции. Она может оказаться эффективной и для российских предприятий с достаточно развитой инфраструктурой Ethernet TCP/IP.

Недавно компания Schneider представила набор сервисов Transparent Factory Real Time, где реализованы новые функции Ethernet для ее модулей Premium и Quantum, а также модернизировала коммуникационные адаптеры Momentum ENT, концентраторы, коммутаторы и трансиверы серии ConneXium. В дополнение к протоколу Modbus TCP/IP для обмена сообщениями в среде клиент/сервер Schneider предлагает протокол реального времени Real-Time Publisher Subscriber (RTPS), разработанный компанией Real Time Innovations. Этот открытый протокол реализует детерминированные коммуникации по принципу «многие ко многим», обеспечивает синхронизацию распределенных приложений, глобальную гарантированную доставку информации, оптимизацию трафика, автоматическое обнаружение и реконфигурацию устройств. В частности, в случае отказа оборудования реконфигурация сети осуществляется автоматически, что повышает надежность системы. Функции мониторинга пропускной способности помогают определить нагрузку на конкретные устройства для оптимальной настройки производительности. По протоколу SNMP каждое устройство Transparent Factory может обращаться к базе данных управляющей информации (Management Information Base, MIB). Это помогает не только контролировать производительность, но и выполнять диагностику операций. По мнению представителей Schneider, такие возможности еще более повышают привлекательность Industrial Ethernet.

назад