Profibus a Foundation Fieldbus:

Profibus a Foundation Fieldbus:
konkurenti v oblasti průmyslových sběrnic

Ve světě průmyslové automatizace existuje mnoho typů sběrnic, které se liší podle účelu, pro nějž jsou používány. V oblasti sítí FAN (Field Area Network) na úrovni komunikace systémů patří k nejvýznamnějším sběrnice Profibus a Foundation Fieldbus.

Profibus (PROcess FIeld BUS) vlastně není jediná sběrnice. Jednotlivé varianty této sběrnice se liší podle svého určení, přenosové rychlosti a dalších detailů.

Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification) je sběrnice, která je určena pro komunikaci na vyšších úrovních automatizace. To znamená, že je vhodná k přenosu vyšších objemů dat pro aplikace s menšími nároky na řízení v reálném čase.

Profibus-DP (Dezentrale Peripherie) je sběrnice určená pro práci v reálném čase. Má vyšší přenosovou rychlost než FMS. Je vhodná především pro komunikaci mezi programovatelnými automaty, snímači a akčními členy.

Profibus-PA (Prozessautomatisierung) rozšiřuje možnosti sběrnice DP pro práci v prostředí s nebezpečím výbuchu. Jinak jsou vlastnosti obdobné jako u předchozí sběrnice.

Sběrnice Profibus je podporována především firmou Siemens. Je populární hlavně v německy mluvících zemích. I v České republice je to jedna z nejrozšířenějších sběrnic s mnoha aplikacemi.

Sběrnice Foundation Fieldbus vznikla v roce 1994. Má dvě varianty: vysokorychlostní (high-speed) pro komunikaci na vyšší úrovni a nízkorychlostní (low-speed) pro přenos dat na nižší úrovni. Členem podpůrné organizace Foundation Fieldbus jsou mnohé významné firmy především z oblasti Severní Ameriky.

Obě sběrnice obsazují podobný segment trhu a vzájemně si konkurují. Obě mají své zastánce i odpůrce.

Položili jsme několik otázek Dr. Hanzálkovi z organizace Profibus CZ a Ing. Broncovi z firmy Fisher-Rosemount (tato firma patří k zakládajícím členům Foundation Fieldbus):

1. Pro kterou oblast automatizace je sběrnice určena (procesní výroba, kusová výroba, distribuční sítě, automatizace budov apod.)?
2. Jakou má sběrnice topologii? Jaká může být délka sítě? Kolik účastníků může být na sběrnici připojeno?
3. Jaké médium se používá pro přenos dat? Lze po něm přenášet i napájení pro snímače? Jaká je specifikace přenosu v první, fyzické vrstvě ISO/OSI?
4. Jaká je přenosová rychlost? Jaká je doba reakce systému?
5. Jak je definována druhá, linková vrstva ISO/OSI? Jak je řízena komunikace na sběrnici? Jakým způsobem jsou data zabezpečena? Jaká je hodnota Hammingovy vzdálenosti?
6. Co může sběrnice nabídnout v sedmé, aplikační vrstvě ISO/OSI? Jak se účastníci připojení v síti konfigurují – je možné je konfigurovat po síti nebo se konfigurují lokálně? Lze jednotlivé účastníky měnit za provozu sítě?
7. Lze snadno zabezpečit redundanci sítě?
8. Lze sběrnici použít v prostředí s nebezpečím výbuchu?
9. Jak je to s podporou sběrnice ze strany dodavatelů zařízení? Jaký je počet aplikací v praxi? Kolik aplikací je v České republice? Můžete některé z nich jmenovat?
10. Můžete nabídnout literaturu, školení, pomoc při projektových pracích? Jsou k dispozici nástroje pro simulaci sítě a diagnostiku?
11. Jaký je stav v oblasti normalizace?

Oba autoři na základě těchto otázek napsali krátké příspěvky. Čtenáři mohou podle informací uvedených v těchto příspěvcích srovnat oba systémy přenosu dat a předložený článek pro ně může být prvním vodítkem při výběru sběrnice vhodné pro jejich aplikaci.

Příspěvky jsou uvedeny v pořadí, v jakém do redakce přišly.

Foundation Fieldbus
Ing. Pavel Bronec,CSc.,
Fisher-Rosemount

Především: Foundation Fieldbus (FF) není jen sběrnice. Je to také nástroj pro řízení a správu aplikací. K tomuto účelu je v FF specifikována uživatelská vrstva: speciální komunikační vrstva, která není součástí standardního modelu ISI/OSI.

FF byla navržena jako komunikační standard pro řešení komplexních úloh v procesní i sériové výrobě. Z toho vyplývá, že se používá v podobných oblastech aplikací jako Profibus PA. Není tedy konkurencí pro Profibus jako takový, má-li s ním být srovnávána, připadá v úvahu srovnání pouze se sběrnicí Profibus PA. FF je vybavena rozhraním na jiné sběrnice, mj. i na Profibus DP, např. pro komunikaci s diskrétními motorovými jednotkami, váhami, chromatrografy, měniči atd. Tyto sběrnice mají své výhody a jejich použití pro některé dílčí aplikace je plně opodstatněné.

FF není systém určený jen ke komunikaci. Součástí FF je také jazyk DDL (Device Descriptor Language), jenž umožňuje připojené přístroje snadno konfigurovat a sledovat jejich činnost. Díky tomu se připojené přístroje stávají součástí řídicího systému, fungují jako datové servery, vykonávají běžné regulační funkce a informují o stavu procesu řídicí systém i operátora. Mohou si vyměňovat informace i mezi sebou a předávat do sítě diagnostické informace o svém stavu. FF je tak cestou ke skutečnému distribuovanému řízení.

Topologie sběrnice je libovolná. Maximální délka segmentu je 1 900 m, na jeden segment lze připojit až šestnáct přístrojů. Přístroje i celé segmenty je možné na sběrnici připojovat i za provozu.

Přenosovým médiem pro pomalý přenos (low-speed) v segmentech H1 je stíněná kroucená dvojlinka. Přístroje mohou být po této lince současně i napájeny. Přenosová rychlost v H1 je 31,25 kb/s. Vysokorychlostní přenos H2 je realizován na bázi rychlého Ethernetu. Popis je uveden v normě IEC 802.3. Přenosová rychlost je 100 Mb/s.

Jako řadič sběrnice slouží LAS (Link Active Scheduler). Komunikace na sběrnici je řízena na principu bitové arbitráže kombinací metod token-passing a CSMA/CA. CSMA//CA je stochastické řízení s respektováním priority. Při kolizi na sběrnici ten účastník, který má nižší prioritu, přeruší vysílání a počká, až svoji zprávu vyšle účastník s vyšší prioritou. Řízení komunikace touto metodou se sice označuje stochastické, ale díky respektování priority je doba odezvy u účastníků s vysokou prioritou velmi krátká. LAS zajišťuje, aby přednost při komunikaci dostali účastníci s nejvyšší prioritou. Ti jsou ke komunikaci vyzýváni v pravidelně stanovených intervalech. Ostatní, neplánovaná komunikace se uskutečňuje v době mezi plánovanými přenosy prioritních dat.

Sedmá vrstva OSI je u FF realizována pomocí FMS (Fieldbuss Message Service). FMS vychází z amerického standardu MAP. Sedmá vrstva nabízí tyto typy služeb:

• acyklický přenos,
• broadcast/multicast,
• distributed data transfer.

Specifikem FF je uživatelská vrstva. Ta je nad aplikační vrstvou a je určena k řízení sítě, řízení systému a správě uživatelských aplikací. Funkce uživatelské vrstvy podporují práci LAS, zajišťují předávání časového údaje všem účastníkům a synchronizaci vykonávání funkčních bloků. V této vrstvě je také zajišťováno automatické přidělování adres všem účastníkům.

Největším přínosem uživatelské vrstvy je ovšem vytváření funkčních bloků. Jsou to právě tyto funkční bloky, které opodstatňují tvrzení, že FF není jen sběrnice, ale také nástroj řízení. Díky funkčním blokům mohou jednotlivá zařízení na sběrnici vykonávat delegované funkce samostatně, nezávisle na ostatních účastnících. Například regulační ventil může obsahovat funkční blok PID regulátoru a analogového výstupu. Vstupem PID regulátoru může být analogový výstup vysílače ovládané veličiny, např. průtokoměru.

Co se týče redundance sítě, FF lze realizovat redundantně, ovšem zatím se toto řešení nepoužívá. Použití v prostředí s nebezpečím výbuchu je možné, neboť sběrnice FF byla od počátku navrhována jako sběrnice, kterou bude možné používat i v prostředí s nebezpečím výbuchu.

FF je moderní komunikační systém. Počet aplikací v celém světě neustále roste (především v chemii, petrochemii a farmacii). Jen aplikací, které realizovala firma Fisher-Rosemount, je více než 400. Jedna z největších aplikací funguje v Egyptě a je v ní zapojeno přibližně 700 přístrojů. Celosvětově je na FF připojeno odhadem více než 10 000 přístrojů. Počet aplikací narůstá v Evropě i ve vlasti Profibusu, v Německu. V České republice jsou zatím tři velké projekty, které předpokládají připojení celkem 700 zařízení. První zkušební aplikace byla realizována ve Spolchemii, další velké aplikace se připravují v Chemopetrolu a Chemických závodech Sokolov, kde se předpokládá připojení až 700 přístrojů.

V oblasti normalizace odpovídá FF ve fyzické vrstvě normám IEC a ISA. Velkou předností je použití standardního Ethernetu pro vysokorychlostní přenos dat v průmyslové automatizaci.

Uživatelé FF jsou sdruženi v organizaci Fieldbus Foundation. Seznam členů a kompletní informace o činnosti této organizace lze získat na internetu (http://www.fieldbus.org). Samozřejmostí je také plná technická podpora a možnost absolvovat školení, neboť to je nutnou podmínkou úspěšné realizace aplikace.

Shrňme na závěr v několika bodech hlavní přednosti systému FF:

• úspora nákladů při instalaci – používá se dvojlinka, pro vysokorychlostní přenos optický kabel,
• plug and play – zařízení i celé segmenty lze na sběrnici připojovat za chodu systému,
• automatická adresace – připojenému zařízení je automaticky přidělena adresa, sběrnice se sama postará o vyloučení duplicit,
• možnost řízení – funkční bloky umožňují realizovat jednoduché distribuované řídicí funkce,
• DDL – k tvorbě uživatelských profilů a funkčních bloků lze použít standardní jazyk DDL,
• informace o čase události – v celém systému je zajištěna distribuce jednotného času,
• konfigurace on-line – zapojené přístroje lze konfigurovat on-line po síti, není nutné je obcházet a ručně nastavovat přepínače,
• možnost přenášet informace o stavu zařízení – lze využít např. systém AMS firmy Fisher-Rosemount.

Profibus
Dr. Zdeněk Hanzálek,
FEL ČVUT Praha

Průmyslová sběrnice Profibus je určena pro automatizaci výrobních linek (výroba automobilů, plnicí linky, skladové systémy), pro domovní automatizaci (klimatizace, vytápění), pro procesní automatizaci (chemický, petrochemický a papírenský průmysl, čističky odpadních vod) a pro řízení výroby a distribuce energie. Případy typických aplikací mohou čtenáři nalézt na www.profibus.com v sekci electronic product guide – case studies.

Profibus podporuje čtyři topologie – sběrnice, strom, hvězda a kruh. Preferovanou topologií je sběrnice. Maximální délka sítě Profibus DP/FMS pro RS-485 v závislosti na přenosové rychlosti je uvedena v tab. 1. Síť může být prodloužena pomocí opakovačů. Na segmentu mezi dvěma opakovači může být až 32 stanic, celkový počet stanic na síti je maximálně 127.

Profibus může využívat tři přenosové technologie. Jejich volba je závislá na prostředí, v němž je sběrnice provozována (rušení, nebezpečí výbuchu):

1. RS-485 (high speed – H2) – Profibus DP/FMS
   asynchronní kódování NRZ,
   přenosová rychlost od 9,6 kb/s do 12 Mb/s,
   stíněná kroucená dvojlinka,
   32 stanic v segmentu, celkem maximálně 127 stanic,
   možnost prodloužit síť pomocí opakovačů do 10 km,
   připojení devítipinovým D-Sub konektorem;

2. optické vlákno – Profibus DP/FMS
   maximální délka sběrnice závislá na typu optického vlákna (do 80 km),
   topologie segmentu – kruh nebo hvězda,
   možnost použít převodník mezi RS-485 a optickým vláknem.

3. 3. IEC 1158-2 (Low Speed – H1) – Profibus PA
   synchronní kódování Manchester II s rychlostí 31,25 kb/s,
   volitelná jiskrová bezpečnost a volitelné napájení po sběrnici,
   stíněná nebo nestíněná kroucená dvojlinka,
   délka segmentu maximálně 1 900 m (ne pro EEx),
   možnost prodloužit síť pomocí čtyř opakovačů,
   10 až 32 stanic v segmentu (závisí na třídě EEx a proudové spotřebě),
   maximálně 127 stanic,
   podpora topologií sběrnice, stromu a nebo jejich kombinací.

Přenosová rychlost pro Profibus DP/FMS je uvedena v tab. 1, přenosová rychlost pro Profibus PA je konstantní 31,25 kb/s (dáno standardem IEC 1158-2). Doba reakce u Profibusu DP pro přenosové rychlosti 500 kb/s, 1,5 Mb/s a 12 Mb/s, znázorněná v grafu na obr. 1, je přijatelná pro klasické úlohy řízení v reálném čase (např. pro přenosovou rychlost 1,5 Mb/s, jeden master a deset slave je informace o vstupech a výstupech přenesena mezi zařízeními master a slave během 3 ms). Další výhodou pro řízení v reálném čase je skutečnost, že přístup na sběrnici je deterministický, tudíž lze garantovat cyklus sběrnice (dobu oběhu tokenu). Díky těmto vlastnostem se Profibus DP začíná používat i pro řízení servomechanismů v obráběcích strojích (ProfiDrive profil). Obecně lze říci, že komunikace po Profibusu DP neomezuje scan cyklus PLC, jenž je limitován mimo jiné dobou výpočtu řídícího algoritmu. Profibus FMS je vlivem své obecnosti pomalejší. Doba cyklu pro Profibus PA je závislá na typu převodníku PA/DP (např. Peppler&Fuchs uvádí, že dobu cyklu t lze spočítat podle vzorce

t = 20 . p + 110 (ms)

kde p je počet připojených zařízení. Doba odezvy u převodníků Siemens by měla být zhruba poloviční).

Linková vrstva je společná pro Profibus DP, FMS i PA. Přístup na sběrnici v konfiguraci s jedním masterem je realizován vztahem master/slave, kde master zařízení je aktivní a vyzývá pasivní zařízení typu slave. Je-li na sběrnici více aktivních zařízení (konfigurace multi-master), zařízení master si vyměňují pověření k přístupu na sběrnici v logickém kruhu (token-ring). Protokol je schopen detekovat nefunkční stanici, ztracený token, dva tokeny, přenosové chyby (Hammingova vzdálenost 4) a další druhy možných závad na síti. Zařízení master a slave mohou být kdykoli přidána nebo vyjmuta a linková vrstva automaticky překonfiguruje logický kruh, popř. master provede parametrizaci a konfiguraci zařízení slave.

Profibus umožňuje přenášet po síti nejen data, ale i programy, a tak poskytuje možnost programovat ostatní zařízení. Nezbytnou podmínkou však je, aby zmíněné zařízení tuto funkci podporovalo. Profibus DP umožňuje velmi jednoduchou konfiguraci vzdálených periferií pro více než 1 000 různých zařízení s využitím tzv. souborů GSD. Hodnoty vstupů a výstupů jsou periodicky čteny a zapisovány na straně PLC (Master Class 1). Rozšíření normy navíc umožňuje:

• acyklickou komunikaci mezi PLC (Master Class 1) a vzdálenou periferií (např. operátorským panelem, požárním hlásičem),
• acyklickou komunikaci mezi konfiguračním nástrojem (Master Class 2) a vzdálenou periferií (např. možnost kalibrace, změny jednotek, nastavení alarmů).

Zabezpečení redundance sítě je umožněno stavbou protokolu, jež s touto možností počítá. Daný produkt však samozřejmě musí tuto možnost podporovat (např. některé produkty ABB, CEAG, Siemens redundanci podporují, ZAT na vývoji redundantních zařízení pracuje).

Sběrnici Profibus PA lze používat v prostředí s nebezpečím výbuchu. Tab. 2 shrnuje jednotlivé třídy výbušného prostředí a odpovídající počty zařízení.

Podpora ze strany dodavatelů zařízení zpravidla závisí na jejich technické zdatnosti a ochotě seznamovat se s novými technologiemi, které jejich mateřská společnost podporuje. Velmi uspokojivě se rozrůstá i skupina českých výrobců podporujících tuto přenosovou technologii. Profibus má za sebou už relativně dlouhou cestu a v současné době existuje řada efektivně fungujících aktivit, jejichž seznam včetně seznamu produktů lze nejsnáze nalézt na www.profibus.com (electronic product guide na této adrese zahrnuje 1 900 produktů, včetně 200 produktů pro PA, dále je zde možné najít knihovny GSD, dokumentaci atd.). Počet zařízení využívajících Profibus v aplikacích přesahuje dva milióny. Profibus je dominující průmyslovou sběrnicí v Evropě (40 % trhu průmyslových komunikací) a jednou z mála masově využívaných průmyslových sběrnic v České republice (počet fungujících aplikací v České republice se pohybuje okolo jednoho sta, počet zařízení přesáhl jeden tisíc). Příklady některých aplikací v České republice:

• ZAT, a. s.
  odsíření elektrárny Opatovice,
  řídicí a monitorovací systém komorové sušárny v cihelně Kryry,

• WAGO
  teplárenská úprava výtopny Frýdek-Místek,

• WAGO a Compas
  potrubní doprava čokoládových hmot v Zoře Olomouc,

• SIDAT, s. r. o.
  sběr dat pro TQM – MILO Nelahozeves (výroba tuků),
  centrální řídicí systém čističky odpadních vod Praha,
  řízení polárního jeřábu – Jaderná elektrárna Temelín,

• Endress+Hauser
  výpočet hustoty leteckých pohonných hmot s užitím Profibus PA.

V roce 1997 vzniklo sdružení Profibus CZ (www.profibus.cz), jež zastupuje organizaci Profibus v České republice. Úkolem sdružení je šířit informace o standardu Profibus a sdružovat společnosti, které vyvíjejí, prodávají a integrují zařízení využívající tuto sběrnici. Za účelem osvěty poskytuje sdružení technické informace, zajišťuje technickou literaturu (kompletní technická dokumentace je pro členy zdarma), organizuje školení (od roku 1997 prošlo našimi školeními 150 účastníků, nepočítaje studenty ČVUT). Dále poskytuje pomoc při vývojových pracích (Amit, ZAT, Intronix, Gamet, Datapartner, ELO, JSP, LTC atd.), při analýze provozu sítě (Sidat, Cetos atd.). Pro efektivní vývoj, integraci a výuku funguje na ČVUT laboratoř otevřená i pro technickou veřejnost (sedm zařízení master, dvacet zařízení slave, dva analyzátory, tři specializovaná diagnostická a monitorovací zařízení a další vybavení).

V dubnu roku 1996 byly Profibus, P-Net a FIP přijaty za evropskou normu EN 50170. Velmi dobrou zprávou pro milovníky otevřených systémů je přijetí normy IEC 61158 (2. ledna 2000 v Ženevě), do níž byly zahrnuty nejen Profibus a FF, ale i ostatní moderní provozní sítě (podrobnosti na www.iec.ch).

Vzhledem k titulku tohoto článku je třeba upřesnit, že bezprostřední srovnání Profibusu a FF je možné především mezi Profibusem PA a FF H1 (low-speed), jež jsou založeny na totožné přenosové technologii IEC 1158-2. Mnoho nezávislých výrobců distribuovaných periferií na tuto skutečnost zareagovalo tak, že vyrábějí totožný hardware a pouze firmware rozlišuje to, zda jde o komponent pro Profibus PA nebo FF H1.

Řada výrobců přicházejících s průmyslovými sběrnicemi se zajímá o srovnání s Profibusem. Je vcelku pochopitelné, že je jejich zájmem vymezit se vůči technologii, která má na trhu vedoucí pozici. Tou technologií je momentálně Profibus, a podle americké společnosti zabývající se průzkumem trhu (Venture Development Corporation) tento stav vydrží nejméně do roku 2003. Zde je snad na místě parafrázovat Járu Cimrmana: „Můžete se o tom přít, můžete s tím nesouhlasit, ale to je asi vše, co s tím můžete dělat“.

Tab. 1. Závislost přenosové rychlosti na délce segmentu u Profibusu DP/FMS

Tab. 2. Použitelnost sběrnice Profibus v prostředí s nebezpečím výbuchu