Андрей Любашин

Проникновение компьютеров и микропроцессоров в нашу жизнь становится всеобъемлющим. Само название “интеллектуальное устройство” однозначно говорит о присутствии в нем микропроцессора. Сегодня уже вполне реально строить системы автоматизации с участием некогда абсолютно пассивных, а ныне способных к “общению” разнообразных механических клапанов и задвижек.

Открытие межгосударственных, и прежде всего экономических границ дало возможность отечественным специалистам не только познакомиться с самыми современными технологиями в области построения систем комплексной автоматизации, но и активно их использовать. Сам по себе интересен тот факт, что сейчас в среде специалистов от автоматизации ведутся споры не о том, на каких микросхемах построена память или какая использована элементная база, нет. Споры идут прежде всего о том, использование каких технологий сегодня даст хороший результат завтра.

Основная цель построения распределенных систем автоматизации - удешевление и упрощение технологий производства и эксплуатации системы автоматизации за счет, в частности, обеспечения сквозного сетевого доступа: от мощных супервизорных компьютеров и многофункциональных контроллеров до интеллектуальных пассивных элементов (датчики, регуляторы и т. п.). При этом такая связь должна удовлетворять всем современным требованиям по функциональности, надежности и открытости.

На Западе коммуникационная технология построения единой информационной сети, объединяющей интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы, определяется одним термином fieldbus (полевая шина, или промышленная сеть).

Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств (например, RS485 или оптоволокно) и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия. Причем “весовой коэффициент” программно-логических протоколов по отношению к физической среде, в общем понимании такого термина, как fieldbus, составляет не менее 95%. Очень часто на нашем внутреннем рынке, даже в среде профессионалов, к сожалению, можно встретить “специалистов”, трактующих понятие fieldbus только как некую физическую RS485-среду. Это глубочайшее заблуждение и непонимание сути вопроса.

Из-за насыщенности рынка предложениями в этой области чрезвычайно актуальной можно считать саму проблему выбора некоторого fieldbus-решения. Действительно, когда на рынке предложений вращаются около 50 fieldbus-систем, то без четко сформулированных критериев сложно отдать предпочтение какой-либо из них. Первый и, может быть, главный вопрос, на который необходимо получить ответ: что лучше использовать - частнофирменное решение от одной компании или решение, опирающееся на стандарты, поддерживаемые большим числом фирм? Ответ здесь далеко не так однозначен, как кажется.

Стандартные и частные решения

Объединение в одну цифровую сеть нескольких устройств - это только начальный шаг к организации их эффективного и надежного взаимодействия. Там, где коммуникационные системы гомогенны, т. е. все устройства от одного производителя, аппаратно-программные проблемы, как правило, решены. Но когда речь идет о построении систем с использованием устройств различных производителей, то неизбежно возникают проблемы их совместимости.

Уникальные системы (одна компания производит и поддерживает), работающие по уникальным протоколам связи, получили название закрытых систем. Большинство таких систем зародилось во времена, когда проблема интеграции изделий разных производителей не считалась актуальной.

Однако только использование принципов открытых систем позволяет успешно решать проблемы, связанные с интеграцией изделий различных производителей в единую систему.

Применительно к промышленным сетям частные решения являются интеллектуальной собственностью отдельных компаний и использование таких технологий ограничивается необходимостью получения лицензии на право пользования. Другое дело - открытые системы, открытые технологии, открытые сети.

Открытые сети, как минимум, характеризуются такими параметрами:

- наличием опубликованных полных спецификаций и возможностью их приобретения за разумные деньги;

- наличием критического минимума доступных компонентов (интерфейсные кристаллы и готовые изделия) ряда независимых поставщиков;

- организацией хорошо определенного процесса ратификации возможных дополнений к стандартам и спецификациям.

Короче это можно сформулировать так: каждый желающий имеет возможность использовать то, что уже наработано, или делать собственные разработки, в том числе такие, которые могут быть применены другими.

Если некоторая fieldbus-технология относится к открытым системам, то она должна обладать следующими принципиальными качествами:

- включаемостью (interconnectivity) - устройства от различных производителей должны без помех свободно включаться в общую сеть;

- взаимодействием (interoperability) - компоненты от различных поставщиков должны использовать одинаковые протоколы, чтобы “понимать” друг друга;

- взаимозаменяемостью (interchangeability) - возможностью заменять устройства аналогичными устройствами других производителей.

Очевидно, что конечной целью создания открытой промышленной сети является достижение именно взаимозаменяемости отдельных ее компонентов. Это возможно, если спецификации протоколов полные и существует отлаженная система тестирования и сертификации новых изделий. В общем смысле понятие “открытости/стандартности” промышленной сети полностью тождественно этим понятиям для, скажем, LAN-технологий.

Результаты исследований рынка промышленных сетей, предоставленные независимыми маркетинговыми компаниями, убедительно свидетельствуют о постоянном росте открытых fieldbus-систем: около 20% в год.

Что такое fieldbus?

Понятие fieldbus содержит в себе слово field, т. е. область, сфера, место приложения. Уровень применения промышленных сетей (fieldbuses) включает устройства, обслуживающие реальный процесс производства и переработки материалов. Выход в системы представления (визуализации) данных, коммерческие и административные системы организуется, как правило, с помощью стандартных офисных сетей типа Ethernet с протоколом TCP/IP.

Fieldbus - это общий термин, определяющий некоторую цифровую сеть, призванную заменить широко использовавшуюся ранее централизованную аналоговую 4-20mA - технологию. Такая сеть является цифровой, двунаправленной, многоточечной, последовательной коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от друга (по функциям) устройств, таких, как контроллеры, датчики, силовые приводы и т. п. Каждое field-устройство обладает самостоятельным вычислительным ресурсом, позволяющим относить его к разряду интеллектуальных (smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно самостоятельно выполнять ряд функций по самодиагностике, контролю и обслуживанию функций двунаправленной связи. Доступ к нему возможен не только со стороны инженерной станции, но и со стороны таких же, как и оно само, устройств. Поэтому технология fieldbus - это нечто большее, чем просто замена 4-20mA - технологии.

Fieldbus - это сеть для промышленного применения, логически очень похожая на LAN-сети, применяемые в офисных приложениях. Однако промышленные сети должны отвечать специфическому набору требований:

- жесткая детерминированность поведения;

- обеспечение функций реального времени;

- работа на длинных линиях с использованием недорогих физических сред (например, витая пара);

- повышенная надежность физического и канального уровней передачи данных для работы в промышленной среде (при высоком уровне электромагнитных помех);

- наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов.

Ключевое требование здесь - детерминированность поведения, предполагающая, что все возможные события в сети могут быть заранее четко определены, и повышенная надежность передачи данных.

Рис. 1. Общее снижение затрат при переходе на цифровые сети -до 40%

Переход на fieldbus-технологию обещает снижение затрат на разработку конечной системы и повышение ее качества и эффективности. Эти обещания основаны на том факте, что принимаемая или передаваемая информация кодируется в цифровом виде. Каждое устройство может выполнять функции управления, обслуживания и диагностики. В результате оно может сообщать о возникающих ошибках и обеспечивать функции самонастройки. Это существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровождению (рис. 1). Серьезный ценовой выигрыш получается за счет сокращения числа проводников и процесса монтажа: аналоговая технология связи требует, чтобы каждое устройство имело собственный набор проводов и собственную точку соединения. Fieldbus устраняет эту необходимость, так как использует всего одну витую пару проводников для объединения всех активных (контроллеры) и пассивных (датчики) устройств (рис. 2).

Рис. 2. Две технологии подключения устройств

Кроме того, общее уменьшение количества оборудования и числа соединений делает всю систему не только проще в эксплуатации, но и надежнее за счет уменьшения потенциальных аппаратных отказов.

Биография fieldbus

Хотя fieldbus-технологии появились уже более десяти лет назад, однако абсолютно доминирующими они еще не стали. Основная причина этого - отсутствие единого международного стандарта на протокол промышленной сети, который мог бы гарантировать полную (условно, конечно) взаимозаменяемость и совместимость изделий различных производителей.

В своем развитии fieldbus-технологии прошли несколько ключевых этапов.

Первый этап. В 1984 г. Международная электротехническая комиссия (МЭК, IEC) начала процесс разработки единого универсального стандарта промышленной сети. Были определены требования для открытой промышленной сети, устройств удаленного ввода-вывода, контроллеров, согласующих устройств и т. д. При этом данная универсальная сеть должна была обеспечить коммуникационные запросы на всех этажах многоуровневой системы автоматизации. Начиналось все замечательно. По ходу этой работы была выдвинута масса инициатив и предложений, создавались различные ассоциации и комитеты. А в итоге...

В итоге прошло 14 лет и только в нынешнем году IEC выпустила IEC61158 - черновую спецификацию, предложенную в качестве кандидата на универсальную сеть. Специалисты сразу отметили, что это решение уже сильно устарело и нет никакого смысла продолжать работу над ним. Голосование по этому проекту, законченное 30 сентября этого года, дало ожидаемый отрицательный результат. Что будет с этим проектом далее, пока неизвестно.

Второй этап. В 1987 г. Германское Федеральное Министерство по исследованиям и технологии инициировало проект под названием Field Bus. Группа из 13 компаний и 5 институтов совместно работала над спецификацией открытой промышленной сети, получившей название PROFIBUS (PROcess FIeld BUS), на основе описательной модели межсетевого взаимодействия ISO/OSI.

Значительный успех был достигнут в апреле 1991 г., когда PROFIBUS получила немецкую “прописку” и статус национального стандарта DIN19245. В этом же году на рынок вышел первый PROFIBUS-продукт.

Третий этап. Начиная с 1992 г. к работам по созданию единого стандарта независимо подключились две группы из Северной Америки: WorldFIP и ISP-Foundation. В 1994 г. они объединились и создали ассоциацию Fieldbus Foundation (FF), результатом работы которой стал выход на рынок промышленной сети Foundation Fieldbus (1996 г.). FF-протокол использует модификацию стандарта IEC1158-2 для физического уровня и концепцию проекта ISP/ PROFIBUS для прикладного уровня. Таким образом, FF протокол стал очень похож на PROFIBUS-PA.

Четвертый этап. К этому моменту МЭК уже 12 лет разрабатывала стандарт для промышленной сети. На этом фоне европейское сообщество потребителей и производителей fieldbus-систем пошло по пути создания единого европейского стандарта. По ряду критериев была определена группа “претендентов”, и 15 марта 1996 г. в Брюсселе были подведены итоги проведенного накануне голосования по одобрению проекта EN50170 в качестве европейского стандарта промышленной сети (European Fieldbus Standard).

EN50170 включил в себя (без изменений) три национальных стандарта в области промышленных сетей: PROFIBUS (Германия), FIP (Франция) и P-NET (Дания). Все эти решения подтверждены соответствующими национальными стандартами.

CAN, LON, PROFIBUS, Interbus-S, FIP, FF, DeviceNET, SDS, ASI, HART, ControlNet и еще несколько десятков протоколов - это сегодняшняя ситуация на рынке промышленных сетей. Все они имеют свои особенности и области применения (рис. 3), а единый международный стандарт промышленной сети отсутствует. Это приводит к тому, что каждая технология развивается самостоятельно в условиях неизбежной конкуренции. Вполне естественно, что со временем определится ведущая, например, пятерка технологий, на которой будет сосредоточено основное внимание пользователей и бизнес-независимых производителей. Таким центром кристаллизации де-факто можно считать сегодня европейский стандарт EN50170. Со стороны Европейского комитета по стандартизации CENELEC поступили предложения по расширению EN50170 за счет промышленных сетей Foundation Fieldbus и ControlNet. Если такое предложение будет принято, тогда EN50170 реально превратится в международный стандарт, каждая отдельная часть которого будет определять отдельную fieldbus-технологию.

Рис. 3. Иерархия промышленных сетей

С автором статьи можно связаться по телефону: (095) 742-6828.

Окончание следует