Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Zavádění průmyslových komunikačních sběrnic pod lupou

Zavádění průmyslových komunikačních sběrnic pod lupou

Zavádění pokročilé komunikační techniky zhusta přináší komplikace. Není však jiná cesta než se stále znovu pouštět do jejich rozplétání a nesetrvávat na starých osvědčených řešeních (obr. 1). Vždyť bezchybný a rychlý přenos dat je nutnou podmínkou fungování řídicích systémů v průmyslových provozech. Naším cílem nyní je podívat se na to, jak v praxi vypadá projektování a uvádění sběrnic do provozu. O zkušenostech se zaváděním sběrnice Foundation Fieldbus do praxe – do chemických výrobních provozů přednášel Niels Kiupel z firmy Degussa na akci Process Management Academy, pořádané agenturou ARC Advisory Group letos v lednu v německém Neussu. Hlavní myšlenky této přednášky je možné zobecnit i na jiné komunikační sběrnice, především Profibus, a proto jsme se rozhodli získat na ně odezvu českých odborníků, kteří se zabývají právě uváděním komunikačních sběrnic do provozu. Vzhledem k jejich velkému pracovnímu zatížení je potěšující, že tři z nich projevili zájem spolupracovat s námi na tomto projektu: Otto Havle z FCC Průmyslové systémy, s. r. o., Oto Sládek z firmy Kybertec a Zbyněk Bezchleba z Compas automatizace spol. s r. o. V článku jsou výroky pana Kiupela vytištěny tučně a za nimi následují reakce uvedených tří specialistů.

Projektování

Kiupel:
Zavedení průmyslové sběrnice vyžaduje oproti konvenčnímu přenosu dat signálem 4 až 20 mA zcela jiné postupy v projektování.

Bezchleba:
V začátcích využívání sběrnice Profibus se při projektování občas projevoval nedostatek podkladů pro návrh topologie. Od jiných dodavatelů než Siemens se obtížně získávaly konfigurační soubory (GSD) pro zařízení určená k zapojení na sběrnici Profibus. Dalším problémem je nejednotný způsob připojování, tedy různé typy konektorů, samostatné svorky a jejich značení. Toto vše postupně vyřešila práce standardizační skupiny PNO. Dále nás v této fázi omezovaly špatně dokumentované výkresy pro nasazení vizualizačních panelů a distribuovaných vstupních a výstupních jednotek na téže fyzické síti. Objevovaly se problémy s adresací, umístěním panelů v rámci topologie sítě či enormní datová zatížení sítě. Postupně se však naše projektová skupina prokousala těmito problémy a většinou dnes realizuje distribuované systémy, v nichž jsou všechny vstupní a výstupní signály distribuované na sběrnici Profibus a centrálně je umístěna pouze CPU s programem.

Uvádění do provozu

Kiupel:
Když se podle projektu všechny procesní přístroje a PLC propojí sběrnicí, mohou nastat dva případy: buď se komunikace ihned rozeběhne správně, nebo její uvedení do provozu trvá velmi dlouho. Dlužno říci, že ten první případ je velmi vzácný. Poprvé je to trik, podruhé již metoda.

Sládek:
Je pravda, že buď je situace se zprovozněním sběrnice velmi jednoduchá, nebo může jít o poměrně bolestný proces. Důvodem je, že do hry vstupuje mnoho „proměnných“, které celkový úspěch ovlivňují.

Havle:
Sběrnice a jejich standardy byly zavedeny proto, aby bylo možné systém snadno pospojovat a zapnout. Tuto ideální vizi prezentuje každý prodejce zařízení jako hotový fakt a největší výhodu. A je pravda, že pokud celé zařízení od řídicího systému po senzory a akční členy dodá jediný výrobce, může se tento sen všech systémových integrátorů i splnit. Problémy většinou nastávají, pokusíme- li se připojit na sběrnici přístroje různých dodavatelů.

Kiupel:
Značným problémem je malá souhra dodavatelů senzorů a akčních členů a PLC. Nastane-li problém, tvrdí obě strany, že u nich je vše v pořádku.

Havle:
První obvyklá reakce dodavatele na problematické chování zařízení je zaslání certifikátu s prohlášením, že u něj chyba být nemůže. Následuje přesvědčování a dohady o úhradě nákladů na výjezd experta, který by situaci měl posoudit na místě. Situace s technickou podporou se často komplikuje i tím, že dodavatel již ani přístroj nevyrábí, ale nakupuje ho od někoho jiného, často i od přímé konkurence, jako výrobek opatřený vlastní značkou (brand labelled). Pak má i oddělení technické podpory dodavatele jen standardní informace o tom, jak přístroj funguje. Expert zastupující výrobce tak při první návštěvě jen znovu vyloučí elementární chyby instalace linky. Po neúspěchu první návštěvy teprve začnou dodavatelé komunikovat mezi sebou. Naneštěstí však o tom často neinformují integrátora, který je ze strany zákazníka pod rostoucím tlakem. Nakonec je chyba odhalena, problematické jednotky vyměněny a případ končí opět dohady o nákladech a osudu zařízení již nakoupených na sklad.

Sládek:
Jako zástupce aplikační firmy se také setkávám s různým přístupem dodavatelů. Aplikační firma se obrací na výrobce zařízení obvykle tehdy, ocitne-li se v situaci, kterou lze označit za zoufalou, nejlépe přímo z provozu, neboť co funguje „na stole“, nemusí fungovat zapojené v procesu. Výrobci jsou ochotni spolupracovat téměř všichni, ale v různé míře. Někteří pouze odkáží na manuál, jiní nabídnou prověření na místě. Podle mých zkušeností jsou domácí firmy schopnější pomoci zákazníkovi s řešením problémů. Při ověřování funkcí na místě někdy dochází k pikantním situacím, kdy dodavatel zařízení obviní aplikátora, integrátora a projektanta z nekompetentnosti, což bývá zvlášť „půvabné“, pokud tak učiní za přítomnosti konečného zákazníka. Ale to je problém komunikace se zákazníky, která se na vysokých technických školách neučí.

Kiupel:
Uvádění komunikace po sběrnici do provozu by usnadnily nové postupy pro plánování, montáž a uvádění do provozu.

Havle:
Osobně jsem skeptický k účelnosti vypracování technické metodiky hledání příčin závad na průmyslových sběrnicích a není mi ani jasné, pro koho by měla být určena. Jestliže funkce ztroskotá na nedodržení obecných zásad platných pro projektování a instalaci datových linek (zemnění, odrušení, ochrany, napájení apod.), musí být v kompetenci systémového integrátora tuto příčinu najít nebo prokázat, že je problém jinde. Metodiky pro tyto případy existují a každý si je modifikuje podle svých technických možností. Jestliže je pravděpodobné, že systém selhává v důsledku hardwarové nebo softwarové nekompatibility, měli by nastoupit výrobci a jejich testovací procedury. Systémový integrátor by už jen neefektivně mrhal časem, je specialistou na řízení procesů, ne na hledání nekompatibilit v komunikačních protokolech.

Konfigurace a programování

Kiupel:
Při nesprávné konfiguraci nejsou přístroje při připojení správně rozeznány a provoz nelze rozeběhnout. Nastane časově náročné hledání příčin.

Přístroje musí být možné konfigurovat z řídicího systému. Proto musí software přístrojů umožňovat v grafickém prostředí konfigurovat a kalibrovat i složité přístroje z velínu (EDD, FDT/DTM).

Sládek:
Špatná konfigurace je příčinou problémů především v počáteční fázi testování, jakmile se sběrnice „rozběhne“ a podaří se odladit komunikace se všemi zařízeními, problémy se špatnou konfigurací se obvykle omezí, i když tomu tak nemusí být vždy.

Bezchleba:
Skupina programátorů provádí vlastní konfiguraci sítě, její oživení a zpracování jak cyklických vstupních a výstupních signálů na uvedené sběrnici, tak acyklických událostí. V této fázi se potýkáme s platností souborů GSD a vyjasněním konfigurace datového rozhraní, především dodavatelů třetích stran.

Z pohledu programování je ještě zajímavý jeden rys, a to konzistence dat a omezení datového kanálu pro komunikaci mezi jednotkami master a slave. Konzistence přes datovou jednotku (byte, word apod.) či celý datový slot (n datových jednotek téhož typu) byla v prvních aplikacích častým zdrojem problémů. Data byla promíchaná a neplatná. Chybami se člověk učí, a tak je toto jedna z prvních věcí, které nyní vyjasňujeme a kontrolujeme. Omezení datového kanálu stanovené standardem na 240 bytů je limitující pro jednorázový datový přenos. Pokud je tedy třeba přenášet po sběrnici Profibus DP větší objemy dat, je nutné implementovat vlastní komunikační protokol nad tímto dostupným datovým prostorem.

Potíže s protokoly pro popis zařízení

Kiupel:
Nesprávnou komunikaci může způsobit také to, že protokol popisu zařízení neodpovídá plně danému zařízení – verze přístroje může být novější než verze popisu.

Při zavedení nové verze popisu zařízení je třeba vyzkoušet postupně mnoho připojených zařízení, což zabere spoustu času. Já se dokonce řídím zásadou Nepoužívej německou verzi řídicího systému. Německá verze protokolu popisu mnohdy není vůbec k dispozici, a když je popis převeden do němčiny, jeho integrace je velmi obtížná, někdy dokonce nemožná. „Klasickým“ problémem je, že evropské systémy používají desetinnou čárku a americké desetinou tečku, takže nejsou schopny se navzájem domluvit (pro takovou drobnost!).

Sládek:
S protokoly popisu zařízení jsou skutečně čas od času problémy. Ale nemáme tak špatné zkušenosti s českými řídicími systémy, a to z několika důvodů. Jednak je našich výrobců málo, dále obvykle nenabízejí špičkové komunikační možnosti jako celosvětoví výrobci, resp. nabízejí je až s časovým odstupem. Nicméně se nedomnívám, že je relevantní nacionální rozdělení, jak uvádí Niels Kiupel. Obecným problémem je obvykle koncernové „ohýbání” norem. Při výběrovém řízení na novou sběrnici v jedné nejmenované české firmě, kde bylo třeba zapojit stovky řídicích jednotek, přizvaní největší výrobci PLC tiše přiznávali potenciální problémy s komunikací s produkty konkurence, přestože šlo o velmi přesně normovanou sběrnici s validačními protokoly a dalšími nezbytnými atributy. Uvedené zkušenosti tedy naznačují i nutnost předběžného testování vzájemné interoperability uvažovaných zařízení na sběrnici.

Stínění a zemnění

Kiupel:
Vzhledem k tomu, že nejde o topologii bod-bod, má stínění a zemnění zásadní důležitost. Zapojení prostřednictvím sběrnice je totiž citlivější k rušení. Zvláštní pozornost je třeba věnovat použití vhodných kabelů a jejich správné instalaci (délka 200 až 1 900 m).

Sládek:
Problémy stínění a zemnění jsou někdy dokonce kombinovány s rušením. Řešení má v rukou projektant a montážní firma. Obtížná bývá především detekce původu problémů, které se začnou projevovat s časovým odstupem po zprovoznění.

Postup při montáži

Kiupel:
Výběru montážní firmy je třeba věnovat největší pozornost. Firmy, které mají sebevětší zkušenost se zaváděním klasické komunikace 0 až 20 mA, nemusí zvládnout zapojení po sběrnici. Se vzrůstajícími zkušenostmi montážních firem se závady vyskytují stále řidčeji a efektivita použití sběrnic roste. Nelze se spoléhat na prohlášení firmy, ale je třeba ověřit si její zkušenosti.

Sládek:
Určitě nelze spoléhat na prohlášení montážní firmy. Vždy je lepší, má-li montážní tým již zkušenosti se zapojováním konkrétní sběrnice. Obtížnost nespočívá ve vlastním zapojování, ale v tom, že na rozdíl od ostatních typů signálů dochází u sběrnic k řetězení potenciální vnesené chyby. Ne vždy lze také správnost ověřovat u výrobce rozváděče, často je to možné až na místě při oživování v procesu. Záleží samozřejmě na typu konkrétní sběrnice a mnoha dalších aspektech. Humorných vzpomínek na jeden špatně nastavený parametr, originální kabel od výrobce, který byl špatně zapojen, má každý aplikátor velké množství.

Bezchleba:
Při montáži jsme se dříve potýkali s nespolehlivými šroubovými konektory na jednotlivých vodičích Profibus. Tuto nespolehlivost odstranila firma Siemens zavedením prořezávaných spojů Fast Connect. Další problém byly špatně označené svorky v konektorech, a tím pádem velice často prohozené vodiče v jednotlivých konektorech. Zde pomohlo to, že firma Siemens zavedla barevné označení svorek, ale přesto k výměně vodičů dochází... Hlavním nešvarem je, že některé montážní firmy stočí i několik metrů kabelu Profibus a natlačí jej do koryt. To vede velmi často k poškození kabelu a potížím, které se velice špatně diagnostikují.

Dalším zlozvykem je umísťování signálních kabelů, a tedy i Profibusu, do společných koryt se silovými vodiči. Zde pomůže pouze důsledná kontrola provedení, protože případné příčiny problémů s komunikací se většinou hledají velmi špatně. Proto dnes montážní práce, prováděné většinou externě, pečlivě kontrolujeme přístrojem BT200, který odhalí jak prokřížené kabely, tak propojení na stínění, měří délku a útlumy kabeláže a dále adresy jednotlivých připojených prvků na segmentu sítě, která je oživována. Jedinou výhradou je, že přistroj neumí pracovat s aktivními stanicemi na síti a je nutné jej používat pouze při vypnuté jednotce master v síti.

Diagnostika

Kiupel:
V době, kdy nebyly k dispozici diagnostické nástroje, hledaly se chyby metodou pokus-omyl. Nyní již existují prostředky, jimiž lze cíleně analyzovat, zda jde o chyby montážní, chyby zařízení, nebo problémy se zemněním nebo stíněním.

Sládek:
Diagnostické nástroje v různé formě samozřejmě existují dlouhá léta. Problémem je spíše to, že se v naprosté většině jedná o externí softwarové či hardwarové diagnostické nástroje. Komplikace vzniká tím, že nejsou integrovány s vývojovými nástroji.

Bezchleba:
Diagnostika prvků v síti Profibus, které vyrobil Siemens, je v této době dostatečná a dobře propracovaná. Z pohledu softwaru bych vytkl pouze to, že dočasné vypnutí některého ostrůvku na sběrnici Profibus vede ke zvýšenému toku dat toku na sběrnici, což ji zatěžuje a zpomaluje výměnu dat. To sice lze programově ošetřit, ale není to příliš komfortní. Pak zase narážíme na některá omezení daná menší rychlostí, asynchronní komunikací nebo pomalejším zpracováním algoritmu programu, který s daty pracuje. Je ale nutné dodat, že je tato vlastnost podstatou sériové sběrnice a implementace v rámci řídicích systémů.

Příklad z praxe

Kiupel:
V jednom z našich projektů byla komunikace po sběrnici Foundation Fieldbus sporadicky přerušována. Příčinou byl špatný zdroj napětí (obr. 2) členu upravujícího napájení napětí Foundation Fieldbus.

Havle:
Setkali jsme se s případem, kdy nebylo možné zvýšit komunikační rychlost na sběrnici Profibus nad určitou, poměrně nízkou hodnotu. Při zvýšení docházelo k výpadkům komunikace a řídicí systém hlásil několik chyb spojených s přenosem na sběrnici. Nakonec se zjistilo, že jeden z výrobců použil bit, jehož funkce nebyla v protokolu standardem specifikována, ke svým diagnostickým účelům. Výrobce jiné jednotky připojené ke sběrnici předpokládal, že se hodnota tohoto bitu nemění, a chování firmwaru pro tento případ neošetřil. Naštěstí bylo poměrně jednoduché vyloučit vliv špatné instalace, zařízení se chovalo stejně v provozu i na laboratorním stole. Ale zažili jsme i případy, na které je snad lepší nevzpomínat…

Compas automatizace se věnuje průmyslové automatizaci pro výrobní stroje i pro spojité výrobní procesy a soustřeďuje se hlavně na zavedení řídicích jednotek a řešení v oblasti distribuce řízení, která produkuje firma Siemens.

FCC Průmyslové systémy dodává průmyslovou výpočetní techniku na bázi PC a veškeré komponenty pro výstavbu datových komunikací v průmyslovém prostředí. Zabývá se rovněž dodávkami a integrací systémů strojového vidění.

Kybertec s. r. o. je dodavatelská a vývojová organizace pro informační systémy z oblasti průmyslu. Vyvíjí také speciální software. Ve spolupráci s vysokými školami se zabývá aplikacemi pokročilých metod identifikace systémů, modelování a umělé inteligence.

Bezchleba:
Po nasazení Profibusu u zákazníka se často setkáváme s tím, že pracovníci údržby nerespektují při výměně poškozené kabeláže nastavení koncových odporů nebo při výměně prvků na Profibus nenastaví shodné adresy s nahrazovaným prvkem. Stalo se, že pracovník údržby odbočil programovacím kabelem ze sítě Profibus tak nevhodně, že tento neukončený kabel vytvořil anténu. Ta narušila jak definované signálové úrovně, tak impedanční poměry na síti. Z pohledu údržby prvků a jejich diagnostiky je vhodné využít centrální správy např. pohonů či napojených přístrojů (Drive -ES resp. PDM).

Budoucnost patří Ethernetu

Bezchleba:
Vzhledem k inovačním cyklům dnes nastupuje integrace průmyslových sběrnic a IT sítí. Pomalu tedy, podle všeho, končí čas sběrnice Profibus a nastupuje Profinet, popř. průmyslový Ethernet. To je patrné také v nabídce nových průmyslových komunikací firem.

Sládek:
Kombinace kancelářských síťových technologií a přenosu technologických dat se dnes stává častým zdrojem problémů. Využití Ethernetu je nesporným trendem, existuje řada úspěšných úprav průmyslových protokolů, systémy konverze apod., nicméně celá oblast má mnoho úskalí a nevhodných řešení od kombinace kancelářských prvků s průmyslovými až po sdílenou infrastrukturu. V ČR jsou dnes často útvary zodpovědné za automatické systémy řízení ve výrobě podřízeny oddělením IT, která pak ze své nadřízené pozice vnutí i do této oblasti řešení, které se osvědčilo pouze v nevýrobních úsecích firmy. Takto může na první pohled nesouvisející organizační uspořádání ovlivnit i nasazování sběrnic a průmyslovou síťovou infrastrukturu.

anketu vedla Eva Vaculíková

Obr. 1. I takto může vypadat technické řešení (úvodní obrázek přednášky Nielse Kiupela na Process Management Academy 2007)
Obr. 2. Špatný zdroj napětí vede k přerušování komunikace po sběrnici

Příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde