Внедрение Ethernet в системы автоматизации промышленного назначения можно было осуществлять с применением обычной офисной кабельной проводки или на основе промышленной кабельной проводки систем полевой шины. Достаточно быстро стало ясно, что в данной области успех достижим только в случае дифференцированного подхода к проблеме.

Широкое обсуждение возможностей использования решений Ethernet в области промышленной автоматики началось в июле 2000 г. Профессиональные организации пользователей систем полевой шины приступили к разработке собственных версий Ethernet для промышленного применения, большую активность проявили и органы по стандартизации. Появившийся независимый профессиональный альянс промышленной автоматизации на базе открытых сетей (Industrial Automation Open Networking Alliance, IAONA) получил широкое признание и оказывает поддержку международным организациям по стандартизации в разработке соответствующей нормативной базы.

Результатом деятельности организации пользователей Profibus (Profibus Nutzer Organization, PNO) и открытой ассоциации вендоров Devicenet (Open Devicenet Vendor Association, ODVA) — исследовательских групп в рамках профессиональных организаций специалистов в области полевой шины — стало появление разработок Profinet и Ethernetip с собственными оригинальными решениями на уровне протоколов и кабельной части физического уровня. Альянс IAONA придерживался принципов открытости и, наряду с расширенной топологией, специфицировал требования к элементной базе кабельной проводки. В дальнейшем проектировщики и монтажники получили от него набор технических условий системного уровня.

Рисунок
В офисе и в цеху. Различия между кабельной проводкой офисного и промышленного назначения, согласно спецификации IAONA.

На ганноверской ярмарке 2003 г. IAONA анонсировал третью версию своего «Руководства по проектированию и монтажу». В этом документе определены классы окружающей среды Light Duty для коммутационных шкафов и Heavy Duty для производственных помещений, а также сформулированы требования к штекерным соединителям и кабелю для медно-жильной и волоконно-оптической кабельной проводки. Кроме того, определенные в стандартах EN 50173 и IEC 11801 принципы построения структурированной кабельной системы были распространены на промышленную кабельную систему (см. Рисунок).

Вместо этажных распределителей в заводских цехах должен применяться так называемый аппаратурный распределитель для обслуживания примерно 3000 м2 производственной площади. К нему подключаются управляющие контроллеры нескольких станков, или же он обслуживает один большой станок, контролер которого управляет работой нескольких меньших. В руководстве содержатся рекомендации пользователю относительно планирования сложных структур с резервными соединениями, их реализации и запуска в эксплуатацию.

Во всех вариантах исполнения система управления использует принципы построения сети Ethernet в соответствии со стандартом IEEE 802.3, а также структурированную кабельную проводку (о различиях между офисной и промышленной проводками см. Таблицу 1). Закрытые решения отдельных компаний или групп пользователей применять не рекомендуется. На основе разработок IAONA организации, занимающиеся продвижением решений на базе полевых шин, создавали собственные системы. При этом в процессе работы они широко пользовались понятиями классов окружающей среды, а также требованиями на кабель и штекерный соединитель.

ODVA И PNO

Известная американская открытая ассоциация вендоров Devicenet (Open Devicenet Vendor Assotiation, ODVA) в качестве высшего уровня для своей полевой шины Devicenet предложила использовать базирующуюся на Ethernet систему Ethernetip. Требования на кабельную проводку основываются на трактах Класса D согласно ISO/IEC 11801. В качестве разъемного соединителя рекомендуется применять разъем IEC 61076-3-106, вариант 1 на уровне медно-жильной подсистемы, а также разъемы SC и ST для волоконно-оптической подсистемы. В стадии обсуждения находится штекерный разъем М12 в четырехполюсном и восьмиконтактном вариантах. Уточненная спецификация на кабель содержит повышенные требования к его механической прочности.

PNO действует практически по идентичной схеме. Ее система называется Profinet, а функции соединителя возложены на разъем IEC 71076-3-106. В качестве штекерного разъема М12 определено его четырехполюсное исполнение с вариантом кодирования D. В отличие от ISO/IEC 11801, предусматривается использование двухпарного медно-жильного кабеля. Жесткий и гибкий кабели реализуются на основе проводников калибра AWG 22.

Как видим, компании и объединения пользователей не прекращают попыток применения собственных и частично даже уникальных технических решений в системах на основе полевой шины.

НОРМИРОВАНИЕ

Нормирование на международном уровне должно внести определенный порядок в разработки. В проекте стандарта IEC 61076-3-106, CD 2 предложено несколько вариантов промышленного штекерного разъема с той же конструкцией, что и у RJ45. Различия заключаются только в исполнении корпусов. Так, на рассмотрение представлены варианты с круглым и прямоугольным корпусом, резьбовым, байонетным и защелкивающимся (push-pull) фиксатором. Программа тестирования для всех вариантов разъема одинакова. Изделия должны иметь электромагнитные характеристики Категории 5, степень защиты от влияний окружающей среды на уровне IP67 и необходимую механическую прочность, причем в этой области ясно ощущается влияние IAONA.

Штекерный соединитель М12 со степенью защиты IP67 нормирован стандартом IEC 61076-2-101. Традиционно он использовался для подключения двоичных чувствительных элементов и исполнительных механизмов техники автоматизации, т. е. от него не требовались хорошие параметры как от элемента тракта передачи сигнала. Разрабатываемая сейчас поправка к стандарту описывает улучшенный вариант разъема с четырьмя контактами и кодированием типа D, передаточные характеристики которого соответствуют штекеру RJ45 Категории 5. Благодаря наличию кодирования типа D устраняется опасность ошибочного подключения кабельной проводки типа А между чувствительным элементом и исполнительным механизмом к кабельной проводке полевой шины типа В. До настоящего времени не удалось создать спецификацию восьмиконтактного исполнения разъема с соответствием его характеристик Категории 5е, поэтому рабочая группа остановила свой выбор на четырехконтактном варианте, достаточном для поддержки Fast Ethernet.

Наряду со стандартизацией компонентов особое внимание уделяется нормированию решения на системном уровне. В области офисной проводки доминирующее положение занимают стандарты EN 50173 и ISO/IEC 11801. Следующий естественный шаг в сложившейся ситуации — дополнить положения данных нормативных документов и включить в их зону влияния промышленную сферу. В настоящее время рабочие группы CENELEC и IEC занимаются подготовкой стандарта для реализации этой идеи. Проекты нового документа до сих пор не опубликованы, поэтому пока целесообразно пользоваться соответствующими нормами EN50173 или ISO/IEC 11801, например, при выборе способа передачи.

На нижнем уровне промышленной кабельной проводки (в той части, которую обслуживает этажный распределитель) находятся аппаратурный распределитель (apparatus distributor), линейные кабели и аппаратурная розетка (apparatus outlet). В отличие от компонентов более высоких уровней, тракт передачи указанного фрагмента кабельной системы монтируется рядом со станком или непосредственно на нем и потому должен быть рассчитан на функционирование в довольно жестких условиях окружающей среды. Пользователь не обязан реализовывать промышленную кабельную проводку на каждом уровне. В тех случаях, когда это целесообразно, отдельные элементы могут объединяться. Типичным примером подобного совмещения являются одноэтажные производственные корпуса, где этажный распределитель одновременно выполняет функции распределителя здания.

УСТОЙЧИВОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Для учета фактора окружающей среды в проекте стандарта выделено три класса (см. Таблицу 2). Класс 1 соответствует офисному помещению, Класс 2 описывает условия внутри коммутационного шкафа, а условия Класса 3 отвечают жестким требованиям производственного помещения.

Можно констатировать, что разработка нормативной базы еще далека от завершения. Тем не менее производители уже сегодня создают продукты, которые соответствуют отдельным стандартам. Пользователи в свою очередь должны иметь в виду, что производитель в состоянии предоставить функционально полную систему.

Бернд Хоррмейер работает в отделе маркетинга компании Phoenix Contact. С ним можно связаться по адресу: db@lanline.awi.de.

? AWi Verlag