Посібник по промисловим мережам
Промислові мережі та інтеграційні технології в автоматизованих системах. 2. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМИСЛОВИХ МЕРЕЖ
У своєму розвитку промислові мережі пройшли декілька ключових етапів. В 70-х роках 20-го століття появилися перші промислові мережі (MODBUS-Modicon), а пізніше почали з’являтися нові технології (DataHighWay-AllenBradley, TiWay-Texas Instruments). У середині 80-х років на світовому ринку вже існувало маса різноманітних пропозицій у цій області, що заважало нормальній інтеграції обладнання різних виробників. Внаслідок цього, для багатьох мереж були видані доступні специфікації, що дало можливість з одного боку, багатьом виробникам обладнання вибирати найбільш вдалі рішення, а з іншого – зробити ці рішення стандартами де-факто. Таким чином на ринку промислових мереж стали домінувати відкриті системи.
Призначенням перших відкритих стандартів на базі специфікацій була формалізація промислових мереж, забезпечення надійності та стабільності специфікацій, що виключало їх стрімку зміну та закріплювало довіру з боку виробників апаратного та програмного забезпечень. Пізніше багато із стандартів закріплювались на державному рівні і отримували юридичну силу, що обумовлювало витіснення закритих систем у цих країнах. Однак розширення ринку збуту приводило до необхідності стандартизації та уніфікації мережних протоколів на міжнародному рівні. Бажання найбільш великих компаній зробити основним саме свій стандарт привело до так званої “війни промислових мереж” (“fieldbus war”). Виділимо п’ять етапів розвитку стандартів промислових мереж:
1990-1994 рр. – німецько-французька війна стандартів (PROFIBUS, FIP);
1995-1998 рр. – стандартизація в тупиковому стані;
1999-2000 рр. – знаходження компромісу;
У 1984 році комітет ТС65С Міжнародної Електротехнічної Комісії МЕК (IEC) почав процес розробки єдиного універсального стандарту промислової мережі. Були визначені вимоги для відкритої промислової мережі, пристроїв віддаленого вводу-виводу, контролерів, узгоджуючих пристроїв та ін. Ставилась задача, щоб така універсальна мережа забезпечувала комунікаційні запити на всіх рівнях багаторівневої системи автоматизації. Найбільшої популярності тоді набули французький стандарт FIP та німецький – PROFIBUS, які були запропоновані в якості основи для універсальної промислової мережі. Однак різні принципи функціонування цих систем зробили їх кращими в конкретних областях, тому універсальним вони бути не могли. Єдиний стандарт повинен був увібрати у себе найбільш вдалі рішення, тому системи постійно дороблялися, що привело до появи стандартів WorldFIP та проекту ISP.
Паралельно розробкою базових концепцій стандарту займався комітет SP50 американської організації ISA, що привело до появи першої версії стандарту IEC 61158-2, основна структура якого до сьогодні залишилась без змін.
В результаті американська організація Fieldbus Foundation в рамках ISA, але без участі МЕК, розробила стандарт промислової мережі під назвою Foundation Fieldbus (FF). Організація Fieldbus Foundation створилась в результаті об’єднання двох груп InterOperable Systems Project (ISP) та WorldFIP North America, тому їх стандарт увібрав в себе елементи мереж WorldFIP та PROFIBUS.
В Європі закріплення єдиного стандарту, який витіснив всі інші промислові мережі, нікому не був вигідний, так як був несумісним з мережами які вже використовувались. У зв’язку з цим, у межах європейської організації CENELEC був знайдений компроміс: всі національні стандарти при розгляді компілювалися в єдиний стандарт в тій же редакції. Тобто кожна частина багатопрошаркового стандарту являлась копією відповідного національного стандарту і функціонувала як самостійна частина. Щоб зробити CENELEC більш легким у використанні, різні промислові мережі були пов’язані єдиною областю застосування: EN 50170 – загального призначення, EN 50254 – високошвидкісні системи обміну невеликими об’ємами даних, та EN 50325 – мережі, які базуються на CAN-технологіях. На більш пізніших етапах європейського процесу стандартизації національний комітет запропонував включити в цю групу стандартів американські мережі FF, DeviceNET та ControllNet. Існуючі стандарти EN наведені у табл.2.2.
Організація МЕК, під впливом Fieldbus Foundation у 1996 р. висунула на голосування проект промислової мережі на базі FF та WorldFIP. Однак країни з домінуючими інсталяціями PROFIBUS та інших “європейських” мереж, проголосували проти цього проекту. Зав’язались нові баталії з використанням юридичних та політичних прийомів, які закінчилися влітку 1999 року підписанням “Меморандуму про порозуміння” між основним гравцями ринку (Fieldbus Foundation, Fisher Rosemount, ControlNet International, Rockwell Automation, PROFIBUS user organization та Siemens). Внаслідок прийнятого меморандуму був створений всеохоплюючий стандарт IEC 61158, який був прийнятий у 2000 р. та включав найбільш відомі системи промислових мереж.
На відміну від стандартів CENELEC, де специфікації повністю влились у стандарт, МЕК зберіг оригінальну структуру вихідного проекту. Архітектура промислових мереж представлена аналогічно OSI-моделі, на яку посилається базова специфікація МЕК 61158. На початку у ньому було визначено вісім різних типів мереж, які відображали вісім технологій промислових мереж: FOUNDATION Fieldbus H1, FOUNDATION Fieldbus HSE, ControlNet, PROFIBUS DP, P-Net, Interbus, SwiftNet, WorldFIP.
Таблиця 2.2 Європейські стандарти промислових мереж.
| стандарт CENELEC | Мережа |
|---|---|
| EN 50170-1 | P-Net |
| EN 50170-2 | PROFIBUS |
| EN 50170-3 | WorldFIP |
| EN 50170-A1 | Foundation Fieldbus |
| EN 50170-A2 | PROFIBUS-PA |
| EN 50170-A3 | ControlNet |
| EN 50254-2 | INTERBUS |
| EN 50254-3 | PROFIBUS-DP |
| EN 50254-4 | WorldFIP (FIPIO) |
| EN 50325-2 | DeviceNet |
| EN 50325-3 | SDS |
| EN 50325-4 | CANOpen |
| EN 50295-2 | AS-Interface |
На сьогоднішній день до стандарту включено ще ряд рішень. Кожна з мереж представлена своїм профілем (CP), який відноситься до сімейства профілів (CPF). Представлені наступні технології CPF (в дужках вказані назви профілів CP):
CPF1. Foundation Fieldbus (FF H1, FF HSE, FF H2);
CPF2. CIP (ControlNet, Ethernet/IP, DeviceNet);
CPF3. PROFIBUS & PROFINET (PROFIBUS DP, PROFIBUS PA, PROFINET CBA, PROFINET IO CC-A, PROFINET IO CC-B, PROFINET IO CC-C);
CPF4. P-NET (P-NET RS-485, P-NET RS-232, P-NET on IP);
CPF5. WorldFIP (WorldFIP, WorldFIP with subMMS, WorldFIP mimimal for TCP/IP);
CPF6. INTERBUS (INTERBUS, INTERBUS TCP/IP, INTERBUS minimum subset)
CPF7. Видалений в сьогоднішній редакції;
CPF8. CC-Link (CC-Link/V1, CC-Link/V2, CC-Link/LT);
CPF9. HART;
CPF10. Vnet/IP;
CPF11.TCnet (TCnet-star, TCnet-loop);
CPF12.EtherCAT;
CPF13.ETHERNET Powerlink (EPL);
CPF14.EPA (NRT, RT, FRT);
CPF15.MODBUS-RTPS (MODBUS TCP, RTPS);
CPF16.SERCOS (SERCOS I, SERCOS II, SERCOS III);
CPF17.RAPIEnet;
CPF18.SafetyNet p (RTFL, RTFN)
У теперішній час кількість стандартів МЕК, присвячених промисловим мережам значно збільшилась. Всі вони об’єднані у єдину групу під назвою “Industrial communication networks”, після розгляду структури якої можна зробити такі висновки:
Стандарти IEC 61158 охоплюють практично всю область необхідних вимог для розробки пристроїв, стосовно заявлених в них типів промислових мереж, що вирішує проблему сумісності.
Стандарти IEC 61784-1 та IEC 61784-2 систематизують IEC 61158, що полегшує їх використання не тільки розробникам апаратного та програмного забезпечення, а і проектантам.
В стандарті IEC 61784-2 додатково до комунікаційних профілів наведені вимоги до RealTime Ethernet, що обумовлює надійність використання Ethernet в промислових комунікаціях та полегшує його інтегрування в загальну мережу підприємства (див. розділ 10).
Для функціонально небезпечних систем існують стандарти IEC 61784-3, в яких описуються вимоги до використання промислових мереж окремих профілів та необхідних для цього рішень.
Методика планування, монтажу, перевірки правильної роботи та адміністрування промислових мереж наводяться у стандартах IEC 61918 та IEC 61784-5.
Таким чином, на сьогоднішній час стандарт охоплює всі аспекти розробки, впровадження та експлуатації промислових мереж. Наявність добре продуманої нормативної документації дає можливість уникнути помилок як при розробці апаратного та програмного забезпечення, так і при проектуванні інтегрованих автоматизованих систем з використанням промислових мереж.
Стрімка поява нових специфікацій показує зацікавленість світової спільноти у цих стандартах, а отже і закріплення його в якості базового на державних рівнях. Очевидно, що у найближчому майбутньому очікується наповнення стандартів новими мережними технологіями.
<– 2.1. Властивості промислових мереж.