Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Průmyslové komunikační sítě mění svět řídicí techniky

Automa 11/2001

(sk)

Průmyslové komunikační sítě mění svět řídicí techniky

Digitální komunikační sítě jsou v současné průmyslové řídicí technice všední realitou. K dispozici je široká paleta otevřených standardů i firemních řešení, uplatňujících se v nejrůznějších aplikacích. Samotné jejich technické parametry ovšem zájemce uspokojit již nestačí. Rostoucí zájem uživatelů je doprovázen dotazy na mj. naplnění dosavadních očekávání, na doporučené postupy implementace, očekávaný další vývoj apod. Článek, doplněný tabulkou základních technických údajů nejznámějších průmyslových sítí, ve stručnosti odpovídá na otázku, jak budou naplněna zmíněná očekávání, a závěrem navrhuje témata vhodná k další diskusi.

Široká nabídka komunikačních řešení pro průmysl
Počet nejrůznějších digitálních komunikačních sítí a protokolů nabízených pro použití v průmyslu jde v současné době do mnoha desítek. Požadavky kladené na tyto sítě a protokoly bývají často protichůdné, a tak jsou výsledná řešení vždy kompromisní. Volba vhodné sítě a její implementace v konkrétní aplikaci je v každém případě úkolem pro specialisty.

Pro zájemce je na této dvojstraně zařazena tabulka s přehledem základních parametrů nejznámějších z nich. Byla sestavena s použitím [1] a údajů uváděných původcem té které metody komunikace. Kromě zmíněných informací zahrnuje odkazy na webové stránky, na kterých je možné najít podrobný technický popis příslušného řešení a zpravidla ještě další údaje.

Rozsah tabulky je nutně omezený. Za současného stavu, kdy se v oblasti průmyslových komunikačních sítí zatím nedospělo k rozumné míře mezinárodní standardizace, však není reálné sestavit byť jen výčet všech řešení nabízených na trhu. Lze však říci, že tabulka obsahuje v současné době komerčně významné sítě pro všechny základní typy aplikací, a to:

  • informační úroveň řízení podniku (síť Ethernet TCP/IP);
  • řídicí úroveň výroby (např. ARCNet, ControlNet);
  • výměnu dat na úrovni zařízení s přenosy:
    • paketů dat (např. Fieldbus Foundation, LonWorks, Profibus-PA),
    • bytů (např. DeviceNet, LonWorks, Profibus-DP, Interbus),
    • bitů (např. AS-i, Seriplex).

Nově vznikající oblast bezdrátových průmyslových řídicích sítí není v tabulce zahrnuta. Současné první instalace se opírají o internetový standard WAP (Wireless Access Protocol) a standard Bluetooth. Původci standardu WAP jsou společnosti Phone.com, Ericsson a Nokia (www.wapforum.org). Bluetooth vyvinuly a dále rozvíjejí firmy 3Com, Ericsson, Intel, IBM, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia a Toshiba (www.bluetooth.com).

Označení sběrnice Původce metody Rok uvedení Otevřenost, popř. podpora
ARCNet Datapoint 1975 čipy, desky, dokumenty ANSI1)
AS-i AS-i Consortium 1993 více než 800 produktů, 150 dodavatelů
CANopen CAN In Automation (CIA), Phillips 1995 17 dodavatelů čipů, 300 dodavatelů produktů, otevřená specifikace na bázi CAN
ControlNet Allen-Bradley (Rockwell Automation) 1996 otevřená specifikace, dva dodavatelé čipů
DeviceNet Allen-Bradley (Rockwell Automation) 1994 17 dodavatelů čipů, více než 300 dodavatelů produktů (na bázi CAN)
Ethernet Digital Equipment Corporation (DEC), Intel, Xerox 1976 mnoho dodavatelů čipů a produktů
Foundation fieldbus high-speed Ethernet Fieldbus Foundation spec. je zkomplet. mnoho dodavatelů komponent
Foundation fieldbus H1 Fieldbus Foundation 1995 několik dodavatelů
HART Rosemount 1989 otevřený standard, 500 produktů,130 dodavatelů
Interbus Phoenix Contact, Interbus Club 1984 produkty od více než 1 000 dodavatelů
LonWorks Echelon 1991 veřejně dostupná dokumentace
Modbus Plus Modicon 1978 proprietární, vyžaduje licenci/ASICs2)
Modbus RTU/ASCII Modicon 1999 otevřená specifikace
Profibus-DP/-PA/-FMS německá vláda – DP: 1994,
– PA: 1995,
– FMS: 1991
asi 1 900 produktů od více než 300 dodavatelů
SERCOS německé konsorcium 1989 IEC 61491, EN 61491
Seriplex APC 1990 nabídka čipů s několika rozhraními
Smart Distributed System (SMS) Honeywell 1994 17 dodavatelů čipů, více než 100 produktů
Time-Triggered Protocol (TTP/A/TTP/C) Herman Kopetz, TTTech AG 1998 standardizace probíhá
Universal Serial Bus (USB) Compaq, Intel, HP, Lucent, Microsoft, NEC, Phillips 1996 bez licenčního poplatku
WorldFIP WorldFIP 1988 několik dodavatelů čipů

Označení sběrnice Topologie sítě Přenosové médium Maximální počet zařízení
ARCNet hvězda, sběrnice, distribuovaná hvězda koaxiál, kroucený pár, optické vlákno 255 uzlů
AS-i sběrnice, kruh, strom, hvězda dvouvodičový kabel 62 řízených zařízení
CANopen páteřní vedení, přípojka kroucený pár (popř. pro signál i napájení) 127 uzlů
ControlNet linie, strom, hvězda nebo kombinace koaxiál, optické vlákno 99 uzlů
DeviceNet páteřní vedení, přípojka s větvením kroucený pár pro signál i napájení 64 uzlů
Ethernet sběrnice, hvězda, sériové zřetězení (daisy chain) tenký koaxiál, tlustý koaxiál, kroucený pár, optické vlákno 1 024 uzlů, rozšiřitelný pomocí směrovačů
Foundation fieldbus high-speed Ethernet hvězda kroucený pár, optické vlákno IP adresace podporuje neomezený počet uzlů
Foundation fieldbus H1 hvězda, sběrnice kroucený pár, optické vlákno 240 uzlů v segmentu
HART bod-bod, digitální multipřípojka kroucený pár typicky 3 (2 master, 1 slave)5); 17 v multipřípojce (2 masters, 15 slaves)
Interbus linie, sběrnice, strom kroucený pár, optické vlákno, kontaktní kroužky, elektrorozvodná síť 512 uzlů
LonWorks sběrnice, kruh, smyčka, hvězda kroucený pár, optické vlákno 32 000 uzlů v doméně
Modbus Plus linie kroucený pár 32 uzlů v segmentu, celkem do 64 uzlů
Modbus RTU/ASCII linie, hvězda, strom se segmenty kroucený pár 250 uzlů v segmentu
Profibus-DP/-PA/-FMS linie, hvězda, kruh kroucený pár, optické vlákno 126 uzlů
SERCOS kruh, několikanás. kruhy plastové i skleněné optické vlákno 254 uzlů v kruhu
Seriplex strom, smyčka, kruh, multipřipojka, hvězda čtyřvodičový stíněný kabel více než 500 uzlů
Smart Distributed System (SMS) páteřní vedení, přípojka kroucený pár pro signál i napájení 64 uzlů, 126 adres
Time-Triggered Protocol (TTP/A/TTP/C) sběrnice, hvězda, kruh kroucený pár, optické vlákno 64 uzlů na cluster, neomezené použití bran
Universal Serial Bus (USB) bod-bod s rozbočovači kovový vodič 127 uzlů na sběrnici
WorldFIP sběrnice kroucený pár, optické vlákno 256 uzlů

Označení sběrnice Dosah Způsob komunikace Přenosové vlastnosti
ARCNet koaxiál 660 m, kroucený pár 130 m, optické vlákno 2 000 m peer to peer 19,53 kb/s až 10 Mb/s
AS-i 100 m, s opakovačem 300 m Master-slave s cyklickým dotazováním odolná elektromagnetickému rušení
CANopen 25 až 1 000 m podle přenosové rychlosti Master-slave, peer to peer, multicast, multimaster 10, 20, 50, 125, 250, 500 a 800 kb/s, 1 Mb/s
ControlNet 1 000 m po koaxiálu při dvou uzlech, 250 m při 48 uzlech, po vláknu 3 až 30 km Producent-konzument, objektový model zařízení 5 Mb/s
DeviceNet 500 m, s opakovači 6 000 m master/-slave, multimaster, peer to peer 125, 250, 500 kb/s
Ethernet tenký koaxiál 185 m, 10Base-T (kroucený pár) 100 m, vlákno 400 m s možností 50 km peer to peer 10, 100 Mb/s
Foundation fieldbus high-speed Ethernet 100 m při 100 Mb/s po krouceném páru, 2 000 m při 100 Mb/s po vlákně Klient-server, producent-konzument, zachycení události 100 Mb/s
Foundation fieldbus H1 1 900 m při 31,25 kb/s Klient-server, producent-konzument, zachycení události 31,25 kb/s
HART 3 000 m master-slave, broadcast, multimaster 2 až 4 aktualizace za sekundu, analogová smyčka 4 až 20 mA
Interbus segment 400 m, celkem 12,8 km master-slave s přenosem celého rámce 500 kb/s, 2 Mb/s
LonWorks 2 000 m při 78 kb/s master-slave, peer to peer 1,25 Mb/s; úplný duplex
Modbus Plus segment 500 m peer to peer 1 Mb/s
Modbus RTU/ASCII 350 m master-slave 300 b/s až 38,4 kb/s
Profibus-DP/-PA/-FMS DP: 100 až 1 200 m v segmentu
PA: 1 900 m v segmentu
master-slave s cyklickým dotazováním, master-master s předáváním pověření, hybridní přístup DP: 9,6; 19,2; 93,75; 187,5; 500 kb/s a 1,5; 3; 6; 12 Mb/s;
PA: 31,25 kb/s
SERCOS 800 m od uzlu k uzlu, celkem více než 200 km master-slave, peer to peer 2, 4, 8, 16 Mb/s
Seriplex více než 160 m master-slave, peer to peer 200 Mb/s
Smart Distributed System (SMS) 500 m master-slave, peer to peer, multicast, multimaster 1 Mb/s, 125, 250 a 500 kb/s
Time-Triggered Protocol (TTP/A/TTP/C) 20 až 100 m TDMA3), bez kolizí, bez arbitráže, plně deterministický 2 Mb/s, RS-485 do 5 Mb/s, po vlákně 25 Mb/s, řízená uzlem master
Universal Serial Bus (USB) 5 m mezi uzly packet protocol diferenční sériový přenos s kódováním NRZI4)
WorldFIP až 40 km peer to peer 31,25 kb/s; 1 a 2,5 Mb/s; po vlákně 6 Mb/s

Označení sběrnice Velikost bloku dat Adresy webových stránek s technickými informacemi
ARCNet 0 až 507 bytů www.arcnet.com, www.arcnet.de, www.ccontrols.com/extension.htm, www.ccontrols.com/tutoriala.htm
AS-i 4 bity www.as-interface.com, www.siemens.de/siriusnet, www.infoside.de/infida/asi/asi000.htm
CANopen 8bytová proměnná zpráva www.can-cia.de, ftp://ftp.estec.esa.nl/pub/ws/wsd/CAN/can.htm
ControlNet 0 až 510 bytů, proměnná www.controlnet.org, www.ab.com/networks
DeviceNet 8 bytů peer to peer www.odva.org, www.warwick.ac.uk/devicenet
Ethernet 46 až 1 500 bytů www.ots.utexas.edu/ethernet, www.industrialethernet.com, ethernet.industrial-networking.com, www.industrial-ethernet.com, www.ethernet.for-industry.com, www.ethernetio.com
Foundation fieldbus high-speed Ethernet proměnná, používá standard TCP/IP www.fieldbus.org, www.analogservices.com/papers.htm, www.fint.no, www.frco.com/fr/solutions/fieldbus/techover/index.html
Foundation fieldbus H1 128 oktetů www.fieldbus.org, www.analogservices.com/papers.htm
HART bytová struktura dat s 11 bity, 15 až-50 bytů www.hartcomm.org, www.analogservices.com, www.romilly.co.uk
Interbus 0 až 246 bytů www.phoenixcon.com, www.ibsclub.com, www.interbusclub.com
LonWorks 228 bytů www.echelon.com, www.lonmark.org, www.lno.de
Modbus Plus Proměnná www.modbus.org, www.modicon.com/techpubs/toc7.html
Modbus RTU/ASCII 0 až254 bytů www.modicon.com/techpubs/toc7.html, www.modicon.com/openmbus/
Profibus-DP/-PA/-FMS 0 až 244 bytů www.profibus.com, www.ifak-md.de/kommunik/deutsch/DpV1.htm, www.aut.sea.siemens.com/pic, www.profichip.com
SERCOS 8 až 64 bitů www.sercos.com, www.sercos.org
Seriplex 1 až 255 bitů www.seriplex.org
Smart Distributed System (SMS) 8bytová proměnná zpráva www.honeywell.com/sensing/prodinfo/sds/
Time-Triggered Protocol (TTP/A/TTP/C) 1 až 240 bytů na přenos www.ttpforum.org/ttpa/spec, http://www.ttpforum.org/ttpc/
Universal Serial Bus (USB) 1 až 1 000 bytů www.usb.org, www.flexiusb.com, www.catc.com, www.semtech.com/developer/usb.html
WorldFIP neomezená, proměnná, po 128 bytech www.worldfip.org

Pozn.: 1) American National Standard Institute – standardizační orgán USA; 2) Application Specific Integrated Circuits – zákaznické obvody; 3) Time Division Medium Access – přístup k médiu na principu časového multiplexu; 4) Non Return to Zero Impulse – kódování impulsní metodou bez návratu k nule; 5) Master-slave – řídicí a řízené zařízení

Potvrzená očekávání
Zkušenosti z realizovaných aplikací ukazují, že hlavní očekávání spojená se zaváděním techniky digitální komunikace do řízení technologických procesů, pozorovatelným asi od poloviny 80. let minulého století – menší náklady na kabelové rozvody, snazší a rychlejší projektování a uvádění automatizovaných systémů do provozu, interoperabilita zařízení řešená způsobem plug and play, zdokonalení a současně zlevnění údržby díky pokroku ve vnitřní diagnostice přístrojů i systémů apod. – se v široké míře potvrdila. Průmyslové komunikační sítě uspěly, jako jejich nepominutelná součást, i v komplexních řídicích systémech založených na vertikální integraci výrobních a ekonomických dat uvnitř podniku [3].

Velké petrochemické podniky uvádějí, že např. digitální komunikace umožňující v praxi vykonávat údržbu podle skutečného stavu zařízení snižuje náklady na údržbu přístrojů a zařízení ve výrobních provozech až o 75 %. Technici nejenže se zabývají jen těmi zařízeními, která jejich zásah bezprostředně potřebují, ale někdy mohou zasáhnout i na dálku (např. zkontrolovat kalibraci nebo změnit měřicí rozsah). Oceňována je také větší integrita jednotlivých řídicích smyček, jsou-li instalovány přímo v provozu, a vestavěná redundance, jak obojí nabízí např. Foundation Fieldbus. Digitální sítě v praxi také prokázaly větší odolnost proti elektromagnetickému rušení než tradiční systémy s proudovou smyčkou 4 až 20 mA.

Zajímavým zjištěním z oblasti nikoliv ryze technické je, že operátoři vybavení údaji o stavu zařízení a jím poskytovaných signálů mají k řídicímu systému větší důvěru a řídí proces blíže jeho mezních hodnot, tj. bez dříve obvyklé větší či menší rezervy ponechávané pro případ selhání zařízení.

Nové obzory
Spolu s přínosy předvídanými na „prvoplánové“ úrovni přinášejí aplikace digitálních sítí v průmyslové praxi také nové zkušenosti a poznatky výrazně posouvající dosavadní představy o možnostech a roli řídicích systémů.

Například [2] cituje prameny, ze kterých překvapivě vyplývá, že přístroje, jako jsou snímače a převodníky tlaku, průtokoměry a ventily, používané ve velkém chemickém podniku, jsou nejméně o dva řády spolehlivější než jakékoliv tamtéž používané zařízení s rotujícími částmi. Dokonce i v porovnání s výměníky tepla je četnost poruch přístrojů třetinová. Výrobci převodníků, kteří udávají střední dobu do poruchy ve stovkách let, mají tedy asi pravdu. Praxe je ovšem dosud taková, že prvním podezřelým v případě nesprávné funkce je snímač. Údaje z petrochemického průmyslu ukazují, že téměř 20 % nákladů na údržbu je věnováno na inspekce snímačů (podle nejnovějších poznatků asi nejspolehlivější části řídicí smyčky). Rozbor záznamů o údržbě ve velké chemičce ukázal, že např. 35 % cest pracovníků údržby ke snímačům v provozu představovaly rutinní kontroly bez negativního nálezu. Dalších 28 % cest sice bylo reakcí na problém, ale jeho příčinou nebyl snímač. Při známém stavu snímačů, což při použití digitální komunikace není zásadním problémem, by tudíž stačilo udělat na snímačích o téměř dvě třetiny údržbářských zásahů méně. Takovýmto a podobným disproporcím se jistě vyplatí věnovat pozornost.

Jiná slibná možnost, i když již tušená, je ukryta ve stovkách signálů vycházejících z průmyslových přístrojů a zatím běžně odfiltrovávaných jako šum. Na tento „šum“ lze však stejně dobře nahlížet jako na data, jejichž vhodnou analýzou lze objevit problémy ve výrobním zařízení – netěsnosti, ucpaná nebo zanášející se potrubí apod. Při vhodném uspořádání pak mohou obousměrně komunikující přístroje informovat nejen o svém stavu, ale i o stavu technologického procesu anebo zařízení. Digitální komunikace může tímto způsobem přispět k posuvu prediktivní údržby na další vyšší úroveň.

Náměty k diskusi
Že digitální komunikace plní očekávání, s jakými jsou do řídicí techniky zaváděny, jistě v obecné rovině platí. Pravdou je i to, že jejich aplikace jsou v mnoha ohledech zdrojem překvapivých zjištění a zcela nových přístupů dále rozšiřujících aplikační možnosti automatizační techniky.

Zkušenosti v konkrétních případech však mohou být i negativní, a takovým postupům je třeba se v praxi napříště pokud možno vyhnout. Ale prostor pro omyly zůstává stále ještě velký. Je digitální komunikace skutečně pro všechny? Pohledy velké nadnárodní firmy a středního nebo dokonce malého domácího výrobce na tuto problematiku se jistě budou lišit. Jaká úskalí skrývá implementace nové techniky a jak se jim vyhnout? Existují nějaké již osvědčené postupy? Jaký bude další technický vývoj, na co vsadit do budoucna? Stane se univerzální řídicí sběrnicí Ethernet?

Máte-li představu, co byste chtěli o těchto i jiných tématech kolem průmyslových komunikačních sítí vědět anebo sdělit, napište nám.

Literatura:

[1] –: Industrial networking technologies: „You can’t tell the buses without a scorecard.“ World Bus Journal, April 2001, pp. 36-37, ISA 2001.

[2] BABB, M.: How fieldbus is reshaping control engineering. Control Engineering Europe, September 2001, p. 7.

[3] GLANZER, D. A. – VERHAPPEN, I.: Digital control systems: an open solution for plant-wide data integration – part 1. The Chemical Engineer, April 2001.