Прозрачность вплоть до сенсора

Согласно исследованию, проведенному Союзом немецкого машино- и станкостроения, большинство опрошенных предприятий делают ставку не на один протокол данных, а сразу на два, к примеру, Ethernet и Profibus, и даже больше. С одной стороны, это обусловлено тем, что на разных участках предъявляются абсолютно разные требования к производительности каналов передачи данных. К примеру, в диспетчерской речь идет о больших объемах данных с охватом всего оборудования, а окружающая среда напоминает офисную, в то время как в случае компонентов, близких к производственным процессам, на первый план выходят надежность и передача данных в режиме реального времени в суровых производственных условиях.

Вместе с тем, в обрабатывающей промышленности не происходит технологических скачков, а идет постепенный переход на новые технологии. Главная причина, видимо, заключается в том, что жизненный цикл промышленного оборудования часто превышает 20 лет и его приходится защищать от производственных рисков. Это означает, что технические изменения здесь происходят медленнее, чем в других отраслях, но тенденции все-таки четко различимы: благодаря возможности вертикальной интеграции с дополнительной привязкой к сети Internet, Ethernet насквозь пронизывает автоматизацию процессов: от уровня центрального администрирования, через уровень системы управления и вплоть до уровня сенсоров (см. Рисунок 1).

Сегодня все известные производители управляющих станций снабжают свои устройства интерфейсами Ethernet, поскольку обмен данных в цехах осуществляется, как правило, уже через структурированные сети Ethernet. Избыточность часто реализуется с помощью кольцевых структур или дублирования сетей данных. Помимо этого, для того чтобы справиться с высокими объемами данных, в крупных цехах зачастую прокладывают магистрали Gigabit Ethernet, а кое-где даже магистральные кольца 10GbE.

Для коммуникации с нижележащими уровнями, т. е. с устройствами удаленного ввода/вывода уровня полевой шины, управляющая станция, как правило, использует полевые шины Profibus DP, ControlNet, Modbus или CAN. Во взрывоопасных зонах широко распространены Profibus PA и Fieldbus Foundation H1. Но установка других шин вдобавок к имеющейся в наличии сети Ethernet приводит к дополнительным затратам. В частности, придется обучать персонал или адаптировать соответствующие программные инструменты для обслуживания цеха.

При автоматизации фабрик сохраняются специфические требования к режиму реального времени, что затрудняет применение Ethernet. Однако после того, как IEEE ратифицировала стандарт протокола точного времени (Precision Time Protocol, IEEE 1588), соединение распределенных сенсоров и исполнительных элементов с помощью Ethernet оказалось возможным и на уровне полевой шины. Из этого примера становится понятно, насколько важна стандартизация для широкого признания технологий. Оборудование с продолжительным жизненным циклом нуждается в ней в еще большей степени.

ЗОНЫ ATEX

Аналогично поддержке реального времени при автоматизации заводов огромную роль играет эксплуатационная надежность оборудования. Особое место отводится защите от взрывов. Для территории Европейского Союза соответствующие законодательные нормы прописаны в директивах ATEX (ATEX: Atmosphere explosible — взрывоопасная среда), где определяются различные взрывоопасные зоны и требования к используемым в них устройствам. В газовых средах выделяют зоны 0, 1 и 2, в пылевых — 20, 21 и 22, причем 0 и 20 наиболее опасны (см. Таблицы 1, 2 и 3). Крупные производители сетевых компонентов уже предлагают коммутаторы, имеющие допуск для зоны ATEX 2 и соответствующие стандарту безопасности UL 1604 (Underwriters Laboratories Inc./США) или FM (FM Global Ltd.,США) для Class 1 Div. 2. Устройства отвечают требованиям, предъявляемым к защите, и имеют необходимую маркировку. Благодаря этому предприятия могут использовать Ethernet вплоть до зоны 2.

Однако если сеть Ethernet потребуется провести в зону 1, пока нет ни сенсоров, ни исполнительных элементов, ни коммутаторов с портами Ethernet, имеющих соответствующий допуск. От производителей ждут разработки самозащищенных компонентов Ethernet (прежде всего это касается штекеров и электроники интерфейсов), позволяющих получить требуемый допуск к эксплуатации. При этом следует учитывать, что отдельные компоненты устройств не могут получить полный допуск. Согласно директивам ATEX, для них существует неполный допуск «U», т. е. разрешение выдается не на все устройство, а лишь на отдельные его компоненты.

В качестве линий передачи данных в зоне ATEX 1 лучше всего зарекомендовали себя оптические кабели. Во-первых, они невосприимчивы к электромагнитным помехам любого рода, поэтому их можно прокладывать и в особо энергоемких частях цеха без угрозы возникновения помех. Во-вторых, все они производятся из изолирующих материалов, т. е. в крупных цехах можно не бояться возникновения уравнительных токов в световодах. Но для автоматизации процессов наиболее важен тот факт, что даже при разрушении оптические кабели не образуют взрывоопасных искр. Правда, при переломе из открытого конца волокна может выходить свет, в связи с чем требуется ответить на вопрос: может ли этот свет привести к воспламенению взрывоопасной атмосферы?

МЕХАНИЗМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

Физико-техническое Федеральное ведомство Германии в Брауншвейге и другие организации провели исследования воспламеняющей способности оптического излучения, чтобы определить пороговые значения для его максимальной мощности и внести допустимые значения лучистой энергии в европейские и международные нормативные акты. Ученые рассмотрели четыре возможных механизма воспламенения: прямое впитывание излучения газовыми молекулами, когда длина световой волны соответствует полосе поглощения (измеренный волновой диапазон) газа; фотохимическое воспламенение в результате расщепления кислородных молекул ультрафиолетовым светом; образование плазмы в точке концентрации света с последующим распространением ударной волны и нагрев частиц выделяемым светом. Последний вариант наиболее вероятен. Так, например, грязевая частица может нагреться светом, выделяемым в месте перелома, в результате чего может происходить возгорание. По итогам проведенных исследований в документ DIN EN 60079-28, разработанный для группы производственного оборудования IIC при важнейшем классе температур Т4, вошло пороговое значение в 35 мВт. Для группы Т6, куда включен сернистый углерод, это значение равно 14 мВт.

Помимо прочего, необходимо принимать во внимание образование плазмы, поскольку в случае сбоев в оптических источниках света могут возникать короткие высокоэнергетические импульсы. Если световая энергия не превышает значение 9 мкДж, то световод оптически заведомо надежен (op-is), что соответствует понятию искробезопасности для электрических цепей.

При эксплуатации стандартных устройств генерируемая оптическая мощность на порядок ниже пороговых значений, а электрооптические преобразующие элементы могут быть спроектированы таким образом, что в случае ошибки и они не превысят безопасные значения. Кроме того, уже появились трансиверы для световодов с нормированными штекерными соединителями M12, имеющими допуск U, которые можно встраивать в устройства для зоны ATEX 1 (см. Рисунок 2). Теперь предприятия могут реализовать в этой зоне соединения Ethernet: конечное устройство оснащается трансивером Ethernet с неполным допуском и получает допуск ATEX для зоны 1. Из разъема M12 трансивера выходит оптический кабель, ведущий из зоны 1 к коммутатору в зоне 2, оптический интерфейс последнего должен иметь допуск op-is. В результате устройство в зоне 1 становится полноправным участником общей производственной сети Ethernet.

ETHERNET В ЗОНЕ 1

В будущем вероятно проникновение сетей Ethernet и в зону 1. Однако для этого необходимы коммутаторы с самозащищенными подключениями для классических медных кабелей и избыточные кольца, традиционные для безопасных зон. Кроме того, соединение с питанием по сети (Power over Ethernet) для сенсоров должны быть рассчитаны для применения в зоне 1. Тогда в сеть удастся интегрировать даже беспроводные соединения. Различные производители уже представили соответствующие продукты (см. Рисунок 3).

Однако, как уже подчеркивалось, для широкого распространения этих технологий особенно важно соответствие стандартам и нормам, ведь при большом сроке службы производственных установок, решения, ориентированные на конкретного производителя, являются фактором риска в плане снабжения запчастями. Это касается не только таких компонентов, как штекерные соединители и т.п., но также и электронных спецификаций устройств и диагностических инструментов. В данном направлении больших успехов добились Namur, VDI и IEC. Предполагается, что уже через пять лет Ethernet глубоко проникнет в обрабатывающую промышленность и обеспечит сквозную передачу данных, а также открытость процессов для технологий Web. Кроме того, новые подходы позволят сократить расходы в процессе эксплуатации производственного оборудования.

Рольф-Дитер Зоммер — менеджер по продукции компании Hirschmann Automation and Control.