Fieldbus - Fieldbus
Fieldbus je název rodiny průmyslových počítačových sítí používaných pro distribuované řízení v reálném čase. Profily průmyslové sběrnice jsou standardizovány Mezinárodní elektrotechnickou komisí (IEC) jako IEC 61784/61158.
Složitý automatizovaný průmyslový systém je obvykle hierarchicky strukturován jako distribuovaný řídicí systém (DCS). V této hierarchii jsou vyšší úrovně pro řízení výroby propojeny s úrovní přímého řízení programovatelných automatů (PLC) prostřednictvím komunikačního systému, který není časově kritický (např. Ethernet ). Fieldbus propojuje PLC přímé řídicí úrovně se součástmi v závodě na úrovni pole, jako jsou senzory , akční členy , elektromotory , světla konzoly, spínače , ventily a stykače, a nahrazuje přímé připojení pomocí proudových smyček nebo digitálních I/O signály. Požadavek na průmyslovou sběrnici je proto časově kritický a nákladově citlivý. Od nového tisíciletí byla zřízena řada průmyslových sběrnic založených na ethernetu v reálném čase . Ty mají potenciál v dlouhodobém horizontu nahradit tradiční průmyslové sběrnice.
Popis
Fieldbus je systém průmyslové sítě pro distribuované řízení v reálném čase. Je to způsob, jak propojit přístroje ve výrobním závodě. Fieldbus pracuje na síťové struktuře, která obvykle umožňuje topologie řetězových , hvězdicových, kruhových, větvových a stromových sítí . Dříve byly počítače připojeny pomocí RS-232 ( sériová připojení ), pomocí kterého mohla komunikovat pouze dvě zařízení. To by bylo ekvivalentem aktuálně používaného komunikačního schématu 4–20 mA, které vyžaduje, aby každé zařízení mělo svůj vlastní komunikační bod na úrovni řadiče, zatímco průmyslová sběrnice je ekvivalentem současných připojení typu LAN , která vyžadují pouze jeden komunikační bod na úrovni regulátoru a umožňují připojení více (stovek) analogových a digitálních bodů současně. Tím se snižuje jak délka požadovaného kabelu, tak počet potřebných kabelů. Kromě toho, protože zařízení, která komunikují prostřednictvím průmyslové sběrnice, vyžadují mikroprocesor , stejné zařízení obvykle poskytuje více bodů. Některá zařízení průmyslové sběrnice nyní podporují řídicí schémata, jako je řízení PID na straně zařízení, místo aby nutily správce provádět zpracování.
Dějiny
Nejdůležitější motivací pro použití průmyslové sběrnice v distribuovaném řídicím systému je snížení nákladů na instalaci a údržbu instalace bez ztráty vysoké dostupnosti a spolehlivosti automatizačního systému. Cílem je použít dvouvodičový kabel a jednoduchou konfiguraci pro zařízení v terénu od různých výrobců. V závislosti na aplikaci se počet senzorů a akčních členů liší od stovek v jednom stroji až po několik tisíc rozmístěných ve velkém závodě. Historie průmyslové sběrnice ukazuje, jak k těmto cílům přistupovat.
Předchůdce průmyslové sběrnice
Univerzální sběrnice rozhraní (GPIB)
Pravděpodobně je prekurzorovou technologií sběrnice HP-IB, jak je popsáno v IEEE 488 v roce 1975. „Stala se známá jako General Purpose Interface Bus (GPIB) a stala se de facto standardem pro automatizované a průmyslové řízení přístrojů“.
GPIB má svou hlavní aplikaci v automatizovaných měřeních s přístroji od různých výrobců. Je to však paralelní sběrnice s kabelem a konektorem s 24 vodiči a je omezena maximální délkou kabelu 20 metrů.
Bitbus
Nejstarší běžně používanou technologií polní sběrnice je Bitbus. Bitbus byl vytvořen společností Intel Corporation, aby zlepšil používání systémů Multibus v průmyslových systémech oddělením pomalých I/O funkcí od rychlejšího přístupu do paměti. V roce 1983 Intel vytvořil mikrokontrolér 8044 Bitbus přidáním firmwaru sběrnice do svého stávajícího mikrokontroléru 8051 . Bitbus používá na fyzické vrstvě EIA -485 se dvěma kroucenými páry - jeden pro data a druhý pro taktování a signály. Použití SDLC ve vrstvě datového spojení umožňuje 250 uzlů na jednom segmentu s celkovou vzdáleností 13,2 km. Bitbus má jeden hlavní uzel a více podřízených uzlů, přičemž podřízené zařízení reagují pouze na požadavky od hlavního serveru. Bitbus nedefinuje směrování na síťové vrstvě . 8044 umožňuje pouze relativně malý datový paket (13 bajtů), ale obsahuje efektivní sadu úloh RAC (vzdálený přístup a ovládání) a schopnost vyvíjet vlastní úlohy RAC. V roce 1990 IEEE přijalo Bitbus jako sériovou řídicí sběrnici systému mikrokontroléru (IEEE-1118).
Dnes BITBUS spravuje BEUG - BITBUS European Users Group.
Počítačové sítě pro automatizaci
Kancelářské sítě nejsou pro automatizační aplikace příliš vhodné, protože postrádají horní hranice přenosového zpoždění. ARCNET , který byl koncipován již v roce 1975 pro kancelářskou konektivitu, využívá tokenový mechanismus, a proto našel pozdější využití v průmyslu,
Manufacturing Automation Protocol (MAP)
Manufacturing Automation Protocol (MAP) byl implementace protokolů OSI vyhovujících v automatizační technice iniciované General Motors v roce 1984. MAP staly standardizace LAN návrh podporován mnoha výrobci a byl používán hlavně v průmyslové automatizaci. MAP použil jako přenosové médium sběrnici tokenů IEEE 802.4 10 Mbit/s.
Kvůli svému rozsahu a složitosti se MAP nepodařilo udělat velký průlom. Aby se snížila složitost a dosáhlo rychlejšího zpracování se sníženými zdroji, byla v roce 1988 vyvinuta EPA (Enhanced Performance Architecture). Tato MiniMap obsahuje pouze úrovně 1,2 a 7 základního referenčního modelu Open Systems Interconnection (OSI). Tuto zkratku převzaly pozdější definice polní sběrnice.
Nejdůležitějším úspěchem MAP je Manufacturing Message Specification (MMS), aplikační vrstva MAP.
Specifikace výrobních zpráv (MMS)
Manufacturing Specifikace zpráv (MMS) je mezinárodní standard ISO 9506 do činění s protokolem aplikací a služeb pro přenos procesních dat v reálném čase a informací dohledu řídící mezi síťovými zařízeními nebo počítačových aplikací publikovaných v první verzi v roce 1986.
Byl to model pro mnoho dalšího vývoje v jiných standardizacích průmyslové komunikace, jako jsou FMS pro Profibus nebo SDO pro CANopen . Stále se používá jako možná aplikační vrstva, např. Pro automatizaci energetických služeb ve standardech IEC 61850 .
Fieldbusy pro automatizaci výroby
V oblasti automatizace výroby jsou požadavky na průmyslovou sběrnici na podporu krátkých reakčních časů s přenosem pouze několika bitů nebo bytů na více než několik stovek metrů.
MODBUS
V roce 1979 definoval Modicon (nyní Schneider Electric ) sériovou sběrnici pro připojení jejich programovatelných logických řadičů (PLC) s názvem Modbus . Ve své první verzi používal Modbus dvouvodičový kabel se signály EIA 485 UART . Samotný protokol je s protokolem master/slave velmi jednoduchý a počet datových typů je omezen na ty, kterým v té době rozuměly PLC. Přesto je Modbus (s verzí Modbus-TCP) stále jednou z nejpoužívanějších průmyslových sítí, zejména v oblasti automatizace budov.
PROFIBUS
Výzkumný projekt s finanční podporou německé vlády definoval v roce 1987 fieldbus PROFIBUS na základě Fieldbus Message Specification (FMS). V praktických aplikacích se ukázalo, že je příliš komplikované zvládnout to v terénu. V roce 1994 Siemens navrhl upravenou aplikační vrstvu s názvem Decentralized Periphery (DP), která dosáhla dobrého přijetí ve zpracovatelském průmyslu. 2016 je Profibus jedním z nejvíce instalovaných průmyslových sběrnic na světě a v roce 2018 dosáhl 60 milionů nainstalovaných uzlů.
INTERBUS
V roce 1987 společnost Phoenix Contact vyvinula sériovou sběrnici pro připojení prostorově distribuovaných vstupů a výstupů k centralizovanému řadiči. Řadič odesílá jeden rámec přes fyzický prsten, který obsahuje všechna vstupní a výstupní data. Kabel má 5 vodičů: vedle zemního signálu dva vodiče pro odchozí rám a dva vodiče pro vracející se rámeček. S tímto kabelem je možné mít celou instalaci ve stromové topologii .
INTERBUS byl velmi úspěšný ve zpracovatelském průmyslu s více než 22,9 miliony zařízení nainstalovaných v této oblasti. Interbus se připojil k technologii Profinet pro ethernetovou průmyslovou sběrnici Profinet a sběrnici INTERBUS nyní spravuje Profibus Nutzerorganisation eV
UMĚT
V osmdesátých letech minulého století vyvinula německá společnost Robert Bosch GmbH , aby vyřešila problémy s komunikací mezi různými řídicími systémy v automobilech, Controller Area Network (CAN). Koncept CAN spočíval v tom, že každé zařízení lze připojit pomocí jediné sady vodičů a každé připojené zařízení si může libovolně vyměňovat data s jakýmkoli jiným zařízením. CAN brzy přešel na trh automatizace výroby (s mnoha dalšími).
DeviceNet byl vyvinut americkou společností Allen-Bradley (nyní ve vlastnictví Rockwell Automation ) a ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) jako otevřený standard průmyslové sběrnice založený na protokolu CAN. DeviceNet je standardizován v evropské normě EN 50325. Za specifikaci a údržbu standardu DeviceNet odpovídá společnost ODVA. Stejně jako ControlNet a EtherNet/IP patří DeviceNet do rodiny sítí založených na CIP. CIP ( Common Industrial Protocol ) tvoří společnou aplikační vrstvu těchto tří průmyslových sítí. DeviceNet, ControlNet a Ethernet/IP jsou proto dobře sladěny a poskytují uživateli odstupňovaný komunikační systém pro úroveň správy (EtherNet/IP), úroveň buněk (ControlNet) a úroveň pole (DeviceNet). DeviceNet je objektově orientovaný sběrnicový systém a pracuje podle metody výrobce/spotřebitele. Zařízení DeviceNet mohou být klientská (hlavní) nebo serverová (podřízená) nebo obojí. Klienti a servery mohou být Producent, Spotřebitel nebo obojí.
CANopen byl vyvinut společností CiA ( CAN in Automation ), asociací uživatelů a výrobců pro CANopen, a je od konce roku 2002 standardizován jako evropská norma EN 50325-4. CANopen používá vrstvy 1 a 2 standardu CAN (ISO 11898 -2) a rozšíření s ohledem na přiřazení pinů, přenosové rychlosti a aplikační vrstvu.
Fieldbus pro automatizaci procesů
V automatizaci procesů je tradičně většina polních vysílačů připojena přes proudovou smyčku s 4-20 mA k řídicímu zařízení. To umožňuje nejen přenášet naměřenou hodnotu s úrovní proudu, ale také poskytnout potřebnou elektrickou energii polnímu zařízení pouze jedním dvouvodičovým kabelem o délce více než tisíc metrů. Tyto systémy jsou také instalovány v nebezpečných oblastech. Podle NAMUR musí průmyslová sběrnice v těchto aplikacích tyto požadavky splňovat. Speciální norma pro přístrojové vybavení IEC/EN 60079-27 popisuje požadavky na koncepci jiskrově bezpečné průmyslové sběrnice (FISCO) pro instalace v zóně 0, 1 nebo 2.
WorldFIP
Standard FIP je založen na francouzské iniciativě z roku 1982 s cílem vytvořit analýzu požadavků na budoucí standard průmyslové sběrnice. Studie vedla v červnu 1986 k evropské iniciativě Eureka pro standard polního autobusu, která zahrnovala 13 partnerů. Vývojová skupina (réseaux locaux industriels) vytvořila první návrh na standardizaci ve Francii. Název sběrnice FIP byl původně uveden jako zkratka francouzského „Flux d'Information vers le Processus“, později odkazoval na FIP s anglickým názvem „Factory Instrumentation Protocol“.
FIP ztratilo půdu pod nohama u Profibusu, který se v následujícím desetiletí prosadil na evropském trhu - na domovské stránce WorldFIP se od roku 2002 neobjevila žádná tisková zpráva. Nejbližšího bratrance rodiny FIP najdete dnes v Wire Train Bus pro autokary. Konkrétní podmnožinu WorldFIP - známou jako protokol FIPIO - lze však široce nalézt v součástech strojů.
Foundation Fieldbus (FF)
Foundation Fieldbus byla vyvíjena po mnoho let Mezinárodní společností pro automatizaci (ISA) jako SP50. Foundation Fieldbus se dnes těší rostoucí instalované základně v mnoha náročných procesních aplikacích, jako je rafinace, petrochemie, výroba elektřiny a dokonce i v potravinářských a nápojových, farmaceutických a jaderných aplikacích.
S účinností od 1. ledna 2015 se Fieldbus Foundation stala součástí nové skupiny FieldComm.
PROFIBUS-PA
Profibus PA (automatizace procesů) se používá pro komunikaci mezi měřicími a procesními přístroji, akčními členy a systémem řízení procesů nebo PLC / DCS v procesním inženýrství. Profibus PA je verze Profibus s fyzickou vrstvou vhodnou pro automatizaci procesů, ve které lze k Profibus DP připojit několik segmentů (PA segmenty) s polními nástroji pomocí takzvaných vazebních členů. Dvouvodičový sběrnicový kabel těchto segmentů přebírá nejen komunikaci, ale i napájení účastníků ( přenosová technologie MBP ). Další speciální vlastností Profibus PA je široce používaný profil zařízení „PA Devices“ (PA profil), ve kterém jsou nejdůležitější funkce průmyslových zařízení standardizovány napříč výrobci.
Fieldbus pro automatizaci budov
Trh automatizace budov má také různé požadavky na použití průmyslové sběrnice:
- instalační sběrnice se spoustou jednoduchých I/O rozmístěných po velkém prostoru.
- automatizační průmyslová sběrnice pro řízení vytápění, větrání a klimatizace (HVAC)
- síť pro správu zařízení
BatiBUS definován v roce 1989 a používá hlavně ve Francii, Instabus rozšířena na evropskou instalační Bus (EIB) a Evropská Home Systems Protocol (EHS) se spojil v roce 1999 na Konnex ) (KNX) norma EN 50090 (ISO / IEC 14543 -3). V roce 2020 nabízí 495 členských společností 8 000 produktů s rozhraním KNX ve 190 zemích světa.
LonWorks
Když se vrátíme do 80. let, na rozdíl od jiných sítí je LonWorks výsledkem práce počítačových vědců z Echelon Corporation . V roce 1999 byl komunikační protokol (tehdy známý jako LonTalk) předložen ANSI a přijat jako standard pro řídicí sítě (ANSI/CEA-709.1-B), v roce 2005 jako EN 14908 (evropský standard automatizace budov). Protokol je také jednou z několika vrstev datových spojení/fyzických vrstev standardu BACnet ASHRAE/ANSI pro automatizaci budov.
BACnet
Standard BACnet byl původně vyvinut a nyní je udržován Americkou společností pro vytápění, chlazení a klimatizaci ( ASHRAE ) od roku 1987. BACnet je americká národní norma ( ANSI ) 135 od roku 1995, evropská norma, národní norma v mnoha zemích a globální norma ISO 16484 od roku 2003. BACnet má v roce 2017 60% podíl na trhu automatizace budov.
Standardizace
Přestože technologie fieldbus existuje již od roku 1988, s dokončením standardu ISA S50.02 trval vývoj mezinárodního standardu mnoho let. V roce 1999 se sešla komise pro standardy IEC SC65C/WG6, aby vyřešila rozdíl v návrhu normy IEC pro průmyslové sběrnice. Výsledkem tohoto setkání byla původní podoba normy IEC 61158 s osmi různými sadami protokolů s názvem „Typy“.
Tato forma standardu byla poprvé vyvinuta pro evropský společný trh , méně se soustředí na shodnost a dosahuje svého primárního účelu - odstranění omezování obchodu mezi národy. Otázky shodnosti jsou nyní ponechány mezinárodním konsorciím, která podporují každý ze standardních typů průmyslové sběrnice. Téměř ihned po schválení byly práce na vývoji norem IEC ukončeny a výbor byl rozpuštěn. Byla vytvořena nová komise IEC SC65C/MT-9, která má vyřešit formální a obsahové konflikty na více než 4000 stranách normy IEC 61158. Práce na výše uvedených typech protokolů je v podstatě dokončena. Nové protokoly, například pro bezpečnostní průmyslové sběrnice nebo ethernetové průmyslové sběrnice v reálném čase, jsou přijímány do definice mezinárodního standardu průmyslové sběrnice během typického 5letého cyklu údržby. Ve verzi standardu z roku 2008 jsou typy průmyslových sběrnic reorganizovány na rodiny profilových profilů (CPF).
Struktura standardů průmyslové sběrnice
Pro průmyslovou sběrnici existovalo mnoho konkurenčních technologií a původní naděje na jeden jednotný mechanismus jednotné komunikace nebyla realizována. To by nemělo být neočekávané, protože technologie fieldbus musí být v různých aplikacích implementována odlišně; automobilová průmyslová sběrnice se funkčně liší od řízení výrobního závodu.
IEC 61158: Průmyslové komunikační sítě - Specifikace průmyslové sběrnice
V červnu 1999 se Akční výbor IEC (CA) rozhodl převzít novou strukturu pro standardy průmyslové sběrnice počínaje prvním vydáním platným k 1. lednu 2000, včas pro nové tisíciletí: Existuje velká norma IEC 61158, kde všechny průmyslové sběrnice najdou své místo. Experti rozhodli, že struktura IEC 61158 je udržována podle různých vrstev, rozdělených na služby a protokoly. Jednotlivé průmyslové sběrnice jsou do této struktury začleněny jako různé typy.
Standard IEC 61158 Průmyslové komunikační sítě - Specifikace průmyslové sběrnice je rozdělen do následujících částí:
- IEC 61158-1 Část 1: Přehled a pokyny pro řadu IEC 61158 a IEC 61784
- IEC 61158-2 PhL: Část 2: Specifikace fyzické vrstvy a definice služby
- IEC 61158-3-x DLL: Část 3-x: Definice služby vrstvy datového spoje-prvky typu x
- IEC 61158-4-x DLL: Část 4-x: Specifikace protokolu vrstvy datového spoje-prvky typu x
- IEC 61158-5-x AL: Část 5-x: Definice služby aplikační vrstvy-Typ x prvky
- IEC 61158-6-x AL: Část 6-x: Specifikace protokolu aplikační vrstvy-Typ x prvky
Každá část stále obsahuje několik tisíc stran. Proto byly tyto části dále rozděleny na dílčí části. Jednotlivé protokoly byly jednoduše očíslovány typem. Každý typ protokolu má tedy v případě potřeby svou vlastní část.
Abychom našli odpovídající část jednotlivých částí normy IEC 61158, musíme znát odpovídající typ protokolu pro konkrétní rodinu.
Ve vydání IEC 61158 pro rok 2019 je uvedeno až 26 různých typů protokolů. V normalizaci IEC 61158 je používání značek vyloučeno a nahrazeno suchými technickými termíny a zkratkami. Například ethernet je nahrazen technicky správným CSMA/CD nebo odkazem na odpovídající normu ISO 8802.3. To je také případ názvů sběrnic, všechny jsou nahrazeny čísly typů. Čtečka proto v celém standardu průmyslové sběrnice IEC 61158 nikdy nenajde označení jako PROFIBUS nebo DeviceNet. V části Shoda s IEC 61784 je uvedena kompletní referenční tabulka.
IEC 61784: Průmyslové komunikační sítě - Profily
Je jasné, že tato kolekce standardů průmyslové sběrnice v IEC 61158 není vhodná k implementaci. Musí být doplněn návodem k použití. Tyto pokyny ukazují, jak a které části IEC 61158 lze sestavit do funkčního systému. Tato montážní instrukce byla následně sestavena jako profily průmyslové sběrnice IEC 61784.
Podle IEC 61158-1 je norma IEC 61784 rozdělena do následujících částí:
- Sady profilů IEC 61784-1 pro kontinuální a diskrétní výrobu ve vztahu k použití průmyslové sběrnice v průmyslových řídicích systémech
- IEC 61784-2 Další profily pro komunikační sítě založené na ISO/IEC 8802 3 v aplikacích v reálném čase
- Fieldbusy IEC 61784-3 Funkční bezpečnost-Obecná pravidla a definice profilů
- Průmyslové sběrnice IEC 61784-3-n pro funkční bezpečnost-Dodatečné specifikace pro CPF č
- IEC 61784-5-n Instalace průmyslových sběrnic-Instalační profily pro CPF č
IEC 61784-1: Profily průmyslové sběrnice
Norma IEC 61784 Část 1 s názvem Sady profilů pro kontinuální a diskrétní výrobu ve vztahu k použití průmyslové sběrnice v průmyslových řídicích systémech uvádí všechny průmyslové sběrnice, které jsou navrženy národními normalizačními orgány. V prvním vydání v roce 2003 je představeno 7 různých komunikačních profilových rodin (CPF):
- Fieldbus CPM 1 FOUNDATION FOUNDATION
- CPF 2 ControlNet
- PROFIBUS CPF 3
- CPF 4 P-NET
- CPF 5 WorldFIP
- INTERBUS CPF 6
- CPF 7 SwiftNet
Swiftnet, který je široce používán v konstrukci letadel (Boeing), byl zařazen do prvního vydání normy. To se později ukázalo jako chyba a v edici 2007 2 byl tento protokol ze standardu odstraněn. Současně jsou přidány CPF 8 CC-Link , protokol CPF 9 HART a CPF 16 SERCOS . Ve verzi 4 v roce 2014 byl do standardu zařazen poslední fieldbus CPF 19 MECHATROLINK . Edice 5 v roce 2019 byla pouze revizí údržby bez přidání nového profilu.
Viz Seznam automatizačních protokolů pro fieldbus, které nejsou zahrnuty v této normě.
IEC 61784-2: Ethernet v reálném čase
Již v edici 2 profilu průmyslové sběrnice jsou zahrnuty první profily založené na ethernetu jako fyzické vrstvě. Všechny tyto nově vyvinuté protokoly RTE (Real-time Ethernet) jsou kompilovány v IEC 61784 část 2 jako doplňkové profily pro komunikační sítě založené na ISO/IEC 8802 3 v aplikacích v reálném čase . Zde najdeme řešení Ethernet/IP , tři verze PROFINET IO - třídy A, B a C - a řešení P -NET, Vnet/IP TCnet, EtherCAT , Ethernet POWERLINK , Ethernet pro automatizaci zařízení (EPA), a také MODBUS s novým Real-Time Publish-Subscribe MODBUS-RTPS a starším profilem MODBUS-TCP.
V této souvislosti je zajímavé řešení SERCOS . Tato síť z oblasti řízení os měla svůj vlastní standard IEC 61491. Se zavedením ethernetového řešení SERCOS III byl tento standard rozebrán a komunikační část je integrována do IEC 61158/61784. Část aplikace byla integrována společně s dalšími řešeními pohonu do speciálního standardu pohonu IEC 61800-7.
Seznam RTE pro první vydání v roce 2007 je tedy již dlouhý:
- CPF 2 CIP
- PROFIBUS & PROFINET CPF 3
- CPF 4 P-NET
- INTERBUS CPF 6
- CPF 10 Vnet/IP
- CPF 11 TCnet
- CPF 12 EtherCAT
- CPF 13 ETHERNET Powerlink
- CPF 14 Ethernet pro automatizaci zařízení (EPA)
- CPF 15 MODBUS
- CPF 16 SERCOS
V roce 2010 již vyšlo druhé vydání zahrnující CPF 17 RAPIEnet a CPF 18 SafetyNET p . Ve třetím vydání v roce 2014 byla přidána verze CC-Link Industrial Ethernet (IE) . Dvě rodiny profilů CPF 20 ADS-net a CPF 21 FL-net jsou přidány do čtvrté edice v roce 2019.
Podrobnosti o těchto RTE naleznete v článku o průmyslovém ethernetu .
IEC 61784-3: Bezpečnost
Pro funkční bezpečnost vyvinula různá konsorcia různé protokoly pro bezpečnostní aplikace až do úrovně integrity bezpečnosti 3 (SIL) podle IEC 61508 nebo úrovně výkonu „e“ (PL) podle ISO 13849 . Většina řešení má společné to, že jsou založeny na černém kanálu, a proto je lze přenášet prostřednictvím různých průmyslových sběrnic a sítí. V závislosti na skutečném profilu poskytuje bezpečnostní protokol opatření, jako jsou čítače, CRC , echo, časový limit, jedinečná ID odesílatele a příjemce nebo křížová kontrola.
První vydání normy IEC 61784 část 3 s názvem Průmyslové komunikační sítě - Profily - Fieldbusové sběrnice funkční bezpečnosti vydané v roce 2007, zahrnuje rodiny komunikačních profilů (CPF):
- Fieldbus CPM 1 FOUNDATION FOUNDATION
- CPF 2 CIP s bezpečností CIP
- CPF 3 PROFIBUS & PROFINET s PROFIsafe
- INTERBUS CPF 6
SERCOS také používá bezpečnostní protokol CIP . Ve druhém vydání vydaném v roce 2010 jsou ke standardu přidány další CPF:
- CPF 8 CC-Link
- CPF 12 EtherCAT s bezpečností nad EtherCAT
- CPF 13 Ethernet POWERLINK s otevřenou BEZPEČNOSTÍ
- CPF 14 EPA
Ve třetím vydání v roce 2016 byl přidán poslední bezpečnostní profil CPF 17 SafetyNET p . Očekává se, že nové vydání 4 bude vydáno v roce 2021. Standard má nyní 9 různých bezpečnostních profilů. Všechny jsou zahrnuty a jsou uvedeny v tabulce globální shody v další části.
Shoda s IEC 61784
Skupiny protokolů každé značky se nazývají Komunikační profilová rodina a jsou zkráceny jako CPF s číslem. Každá rodina protokolů nyní může definovat sběrnice, ethernetová řešení v reálném čase, pravidla instalace a protokoly pro funkční bezpečnost. Tyto možné rodiny profilů jsou stanoveny v IEC 61784 a jsou shrnuty v následující tabulce.
Skupiny komunikačních profilů (CPF) a typy služeb a protokolů
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Jako příklad budeme hledat standardy pro PROFIBUS-DP. Patří do rodiny CPF 3 a má profil CP 3/1. V tabulce 5 zjišťujeme, že její rozsah protokolu je definován v IEC 61784 část 1. Používá protokol typu 3, takže dokumenty IEC 61158-3-3, 61158-4-3, 61158-5-3 a 61158-6-3 jsou vyžadovány pro definice protokolů. Fyzické rozhraní je definováno ve společném 61158-2 pod typem 3. Instalační předpisy lze nalézt v IEC 61784-5-3 v dodatku A. Lze jej kombinovat s FSCP3/1 jako PROFIsafe, který je definován v IEC 61784-3-3 standard.
Aby se výrobce nemusel výslovně seznamovat se všemi těmito normami, je odkaz na profil uveden v normě. V případě našeho příkladu pro PROFIBUS-DP by tedy musela být specifikace příslušných norem
Shoda s IEC 61784-1 Ed.3: 2019 CPF 3/1
IEC 62026: Rozhraní řadič-zařízení (CDI)
Požadavky sítí průmyslových sběrnic na aplikace automatizace procesů (průtokoměry, převodníky tlaku a další měřicí zařízení a regulační ventily v průmyslových odvětvích, jako je zpracování uhlovodíků a výroba energie) se liší od požadavků na sítě průmyslových sběrnic, které se nacházejí v diskrétních výrobních aplikacích, jako je automobilová výroba, kde používá se velké množství diskrétních senzorů včetně pohybových, polohových atd. Diskrétní sítě průmyslové sběrnice se často označují jako „sítě zařízení“.
Již v roce 2000 rozhodla Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC), že Technická komise TC 121 Nízkonapěťové rozváděče a řídicí zařízení bude pokrývat sítě zařízení řadou rozhraní řadič-zařízení (CDI) . Tento soubor norem s číslem IEC 62026 obsahuje ve skutečném vydání roku 2019 následující části:
- IEC 62026-1: Část 1: Obecná pravidla
- IEC 62026-2: Část 2: Rozhraní snímače akčního členu (AS-i)
- IEC 62026-3: Část 3: DeviceNet
- IEC 62026-7: Část 7: CompoNet
Následující části byly staženy v roce 2006 a již nejsou udržovány:
- IEC 62026-5: Část 5: Inteligentní distribuovaný systém (SDS)
- IEC 62026-6: Část 6: Seriplex (sériová multiplexovaná řídicí sběrnice)
Cenová výhoda
Požadované množství kabeláže je v průmyslové sběrnici mnohem nižší než v instalacích 4–20 mA. Důvodem je, že mnoho zařízení sdílí stejnou sadu kabelů způsobem s více vývody, než aby vyžadovalo vyhrazenou sadu kabelů na zařízení, jako v případě zařízení 4–20 mA. Kromě toho lze na zařízení v síti průmyslové sběrnice sdělit několik parametrů, zatímco na připojení 4–20 mA lze přenášet pouze jeden parametr. Fieldbus také poskytuje dobrý základ pro vytvoření prediktivní a proaktivní strategie údržby. Diagnostiku dostupnou ze zařízení Fieldbus lze použít k řešení problémů se zařízeními, než se stanou kritickými problémy.
Sítě
Navzdory tomu, že každá technologie sdílí obecný název průmyslové sběrnice, nejsou různé průmyslové sběrnice snadno zaměnitelné. Rozdíly mezi nimi jsou tak hluboké, že je nelze navzájem snadno spojovat. Abychom porozuměli rozdílům mezi standardy průmyslové sběrnice, je nutné pochopit, jak jsou sítě průmyslové sběrnice navrženy. S odkazem na model OSI jsou standardy průmyslové sběrnice určeny fyzickým médiem kabeláže a vrstvami jedna, dvě a sedm referenčního modelu.
Pro každou technologii standardy fyzického média a fyzické vrstvy podrobně podrobně popisují implementaci bitového časování, synchronizaci, kódování/dekódování, rychlost pásma, délku sběrnice a fyzické připojení transceiveru ke komunikačním drátům. Standard vrstvy datových spojů je zodpovědný za úplnou specifikaci toho, jak jsou zprávy sestaveny připravené k přenosu fyzickou vrstvou, zpracování chyb, filtrování zpráv a arbitráž sběrnice a jak mají být tyto standardy implementovány v hardwaru. Standard aplikační vrstvy obecně definuje, jak jsou vrstvy datové komunikace propojeny s aplikací, která chce komunikovat. Popisuje specifikace zpráv, implementace správy sítě a odpověď na požadavek z aplikace služeb. Vrstvy tři až šest nejsou ve standardech průmyslové sběrnice popsány.
Funkce
Různé průmyslové sběrnice nabízejí různé sady funkcí a výkonu. Je obtížné provést obecné srovnání výkonu průmyslové sběrnice, protože existují zásadní rozdíly v metodice přenosu dat. V níže uvedené srovnávací tabulce je jednoduše uvedeno, zda příslušná průmyslová sběrnice obvykle podporuje cykly aktualizace dat 1 milisekundu nebo rychlejší.
Fieldbus | Napájení sběrnice | Redundance kabeláže | Maximální počet zařízení | Synchronizace | Sub milisekundový cyklus |
---|---|---|---|---|---|
AFDX | Ne | Ano | Téměř neomezené | Ne | Ano |
Rozhraní AS | Ano | Ne | 62 | Ne | Ne |
CANopen | Ne | Ne | 127 | Ano | Ne |
CompoNet | Ano | Ne | 384 | Ne | Ano |
ControlNet | Ne | Ano | 99 | Ne | Ne |
CC-Link | Ne | Ne | 64 | Ne | Ne |
DeviceNet | Ano | Ne | 64 | Ne | Ne |
EtherCAT | Ano | Ano | 65 536 | Ano | Ano |
Ethernet Powerlink | Ne | Volitelný | 240 | Ano | Ano |
EtherNet/IP | Ne | Volitelný | Téměř neomezené | Ano | Ano |
Interbus | Ne | Ne | 511 | Ne | Ne |
LonWorks | Ne | Ne | 32 000 | Ne | Ne |
Modbus | Ne | Ne | 246 | Ne | Ne |
PROFIBUS DP | Ne | Volitelný | 126 | Ano | Ne |
PROFIBUS PA | Ano | Ne | 126 | Ne | Ne |
PROFINET IO | Ne | Volitelný | Téměř neomezené | Ne | Ne |
PROFINET IRT | Ne | Volitelný | Téměř neomezené | Ano | Ano |
SERCOS III | Ne | Ano | 511 | Ano | Ano |
Rozhraní SERCOS | Ne | Ne | 254 | Ano | Ano |
Foundation Fieldbus H1 | Ano | Ne | 240 | Ano | Ne |
Nadace HSE | Ne | Ano | Téměř neomezené | Ano | Ne |
RAPIEnet | Ne | Ano | 256 | Ve vývoji | Podmiňovací způsob |
Fieldbus | Napájení sběrnice | Redundance kabeláže | Maximální počet zařízení | Synchronizace | Sub milisekundový cyklus |
Trh
V systémech řízení procesů na trhu dominují Foundation Fieldbus a Profibus PA. Obě technologie používají stejnou fyzickou vrstvu (2vodičová modulace proudu kódovaná v Manchesteru při 31,25 kHz), ale nejsou zaměnitelné. Obecně platí, že aplikace, které jsou řízeny a monitorovány pomocí PLC (programovatelné logické automaty), směřují k PROFIBUS a aplikace, které jsou řízeny a monitorovány pomocí DCS (digitální/distribuovaný řídicí systém), směřují k Foundation Fieldbus. Technologie PROFIBUS je k dispozici prostřednictvím společnosti Profibus International se sídlem v německém Karlsruhe. Foundation Technologie Fieldbus je vlastněna a distribuována Fieldbus Foundation v Austinu v Texasu.
Viz také
Reference
Bibliografie
- Babb, Michael. (1994). Naučí se údržba milovat Fieldbus? Control Engineering, 19. ledna.
- Babb, Michael. (1994). Léto 1994: Další zpoždění průmyslové sběrnice, Schneiderův DPV a Open Systems Control Engineering, 29. července.
- Gokorsch, Steve. (1994). Další scénář: Údržba se naučí milovat Fieldbus Control Engineering, červen 112–114.
- Gunnel, Jeff. (1994). Odkazy analyzátoru mohou používat řízení a přístrojovou sběrnici, březen 33–35.
- Hodgkinson, Geoff. (1994). Komunikace posloucháme? Process Engineering, Instrumentation Supplement 1994, s19 – s21.
- Jones, Jeremy. (1992). Může Fieldbus přežít? Řízení a přístrojové vybavení, srpen, 25. – 26.
- Kerridge, Briane. (1994). Síťoví prodejci organizují přes Fieldbus StandardEDN, 28. dubna, 45–46.
- Rathje, J. (1994). Namur říká ano technologii Fieldbus a příslibu snížení nákladů Řízení a přístrojové vybavení, září 33–34.
- Reeve, Alane. (1993). Fieldbus - účastní se uživatelé? Řízení a přístrojové vybavení, srpen, 25. – 26.
- Kopí, Mike. (1994). Pohled na provoz procesního inženýrství používaného Fieldbus, duben, 38–39.
- Kopí, Mike. (1994). Jste připraveni zahájit poslední kolo? Process Engineering, duben, 37.
- Chatha, Andrew. (1994). Fieldbus: The Foundation for Field Control Systems Control Engineering , květen, 47–50.
- Furness, Harry. (1994). Digitální komunikace poskytuje ... Control Engineering , leden, 23. – 25.
- Furness, Harry. (1994). Fieldbus: Rozdíly začínají od spodní části řídicí techniky , březen, 49–51.
- Fouhy, Kene. (1993). Fieldbus zasáhne silniční chemické inženýrství , září 37–41.
- Johnson, Dicku. (1994). The Future of Fieldbus At Milestone 1995 Control Engineering , December, 49–52.
- Uvolněný, Grahame. (1994). Kdy může procesní průmysl používat Fieldbus? Řízení a přístrojové vybavení , květen, 63–65.
- Kopí, Mike. (1993). Fieldbus čelí procesu prvního inženýrství Process Engineering , březen, s. 36.
- Lasher, Richard J. (1994). Pokroky průmyslové sběrnice a jejich důsledky Řídicí technika , červenec, 33–35.
- Pierson, Lynda L. (1994). Širší standardy průmyslové sběrnice zlepší inženýrství řízení funkčnosti systému , listopad 38–39.
- Powell, James a Henry Vandelinde (2009), „Catching the Process Fieldbus - Úvod do PROFIBUS pro automatizaci procesů“ www.measuremax.ca.
- Patel, Kirnesh (2013) Foundation Fieldbus Technology a její aplikace
- O'Neill, Mike (2007). Advances in Fieldbus , Process Industry Informer , leden, 36–37.
- NP Mahalik; PR Moore (1997) Technologie Fieldbus založená na distribuovaném řízení v procesním průmyslu: případová studie s LonWorks Technology
- ARC Advisory Group (2008) Foundation Fieldbus Safety Instrumented Functions Forge the Future of Process Safety