PROFInet прекращает войну промышленных шин

Бернд Манглер (Bernd Mangler), PROFIBUS Interface Center

Блок автомобильного двигателя готов для транспортировки на следующую позицию конвейера. Контроллер посылает конвейеру команду запуска и… ничего не происходит. Из-за обрыва кабеля на выходе контроллера связь потеряна. Локальное управляющее устройство тут же по Ethernet отсылает электронное письмо с полным описанием места и типа случившейся неисправности. Дежурный механик получает это сообщение на свой сотовый телефон и устраняет неисправность.

Фантастика? Галлюцинации? Сцена из будущего? А это просто Ethernet настойчиво стучится в дверь производственного цеха. Использование Ethernet для решения задач автоматизации идея отнюдь не новая. Еще в середине 80-х годов прошлого столетия с ее помощью обеспечивалась связь между различными устройствами автоматизированных систем, как правило, между ПЛК и/или ПК.

Новость в том, что теперь Ethernet рассматривается как основной метод подключения устройств автоматики, то есть устройств ввода/вывода, электроприводов, вентилей, человеко-машинных интерфейсов и т.д. Интересно, что заставило Ethernet превратиться в столь универсальный инструмент решения всех задач связи? Посмотрим, что же изменилось с тех пор.

Сначала объединение устройств в сети автоматизированных систем осуществлялось при помощи Ethernet-кабеля 10Base5 (коаксиального). Поскольку канал передачи был один для всех, а в основе Ethernet лежит метод доступа к среде передачи CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и определением столкновений), гарантировать доставку данных через предсказуемый интервал времени из-за достаточно высокой вероятности возникновения конфликтов передачи было нельзя. В результате технология Ethernet рассматривалась как недетерминированная и, следовательно, неприменимая для решения задач реального времени на нижнем уровне автоматизации. Однако системы, весьма большие и работающие уже давно и очень надежно, существуют. В качестве примера можно привести производственные системы на заводах концерна Даймлер-Крайслер, в которых в одну сеть объединено около 400 ПЛК и ПК, причем максимальная нагрузка на практике никогда не превышала 25%.

Так что же изменилось?

Один из ключевых факторов, правда, не относящийся к технической стороне дела, это распространение по всему миру сети Internet. Данное обстоятельство, а также все возрастающая потребность в вертикальном сообщении (обмене информацией между производственным участком и административными системами планирования/управления производством) заставило задуматься, почему испытанный стандарт для офисных систем нельзя использовать и в производстве, как это, например, случилось с другим стандартом Windows?

С технической же стороны, устранению недетерминированности Ethernet (недостаток, препятствующий применению Ethernet в качестве средства подключения низовых устройств автоматики, для которого надежность и предсказуемость обязательные характеристики, а не приятная возможность), способствовали следующие три основных технологических достижения.

1. Появление Fast Ethernet со скоростью передачи не 10, а 100 Мбод (вот-вот появится и Gigabit Ethernet с 1000 Мбод). Даже если для передачи видео- и речевой информации требуется более высокая скорость, уже то, что есть, вполне в состоянии снять некоторые из возражений против Ethernet. Однако здесь необходимо иметь в виду следующее: при существующих промышленных шинах со скоростью передачи до 12 Мбод быстрота передачи по сети уже практически не проблема. На скорости 12 Мбод только небольшая часть общего времени тратится на передачу собственно данных.

2. Другой момент появление таких устройств, как коммутаторы. Если концентратор (тоже компонент сети Ethernet) функционирует только на физическом уровне (вследствие чего принятые телеграммы дублируются во все выходные порты устройства), то коммутатор способен осуществлять фильтрацию входного потока в соответствии с адресами Ethernet (МАС) .е. коммутатор пересылает телеграмму только в тот порт, к которому подключена станция назначения). Кроме того, коммутатор в каждый момент времени может обрабатывать несколько телеграмм, в то время как концентратор только одну.

3. Третье достижение применение дуплексных линий связи вместо полудуплексных. Дуплексный режим означает, что станция на одном конце может одновременно передавать и принимать информацию от станции на другом конце. При этом необходимо, чтобы и станции, и линия связи поддерживали эту характеристику. Линии старого типа (желтый кабель) не могут работать в дуплексном режиме, поскольку для передачи данных в них используется только один проводник. Сеть на базе коммутаторов имеет звездообразную топологию с линиями связи на основе витой пары, так что дуплексный режим в них реализуется безо всяких проблем. Связной кабель таких систем состоит из двух отдельных скрученных пар проводников, по одной паре для каждого направления передачи (туда и обратно).

Все вместе эти факторы обеспечивают применимость Ethernet на уровне устройств автоматики. Конфликты передачи более не являются проблемой, поскольку каждое устройство автоматики отныне может быть подключено к отдельному порту коммутатора, а в дуплексном режиме конфликты вообще отсутствуют. На рис. 1 показана типовая структура сети Ethernet, построенная на базе коммутаторов.

Рис. 1. Структура сети Ethernet на базе коммутаторов

А что есть сегодня?

Читая сегодняшние технические брошюры и журналы, невольно вспоминаешь старые добрые времена начала войны промышленных шин. Сейчас, как и тогда, каждый говорит только о своем решении, хвалит его как единственную панацею от всех бед, упирает на открытость и не забывает про буквы TCP/IP.


Прежде чем продолжить разговор, коснёмся слегка TCP/IP. Аббревиатура IP означает Internet Protocol и соответствует третьему уровню (сетевому уровню) знаменитой семиуровневой модели ISO/OSI. Часть IP ответственна за передачу пакетов данных по корректным сетевым адресам. В случаях, когда до пункта назначения возможна передача по нескольким трассам, сетевой уровень осуществляет выбор одной из них. Здесь чрезвычайно важно заметить, что IP абсолютно не следит за корректностью передачи пакетов данных в пункт назначения. Это задача транспортного уровня, на котором оперирует протокол TCP (Transmission Control Protocol протокол управления передачей). Протокол ТСР осуществляет контроль ошибок и сборку пакетов в требуемом порядке.

Рис.2. Соответствие набора протоколов TCP/IP семиуровневой модели ISO/OSI

Как видно из рис. 2, в TCP/IP входит еще один набор протоколов уровня 4 (который не включен в общее название) UDP (User Datagram Protocol протокол дейтаграмм пользователя). Если TCP ориентирован на соединения, то UDP нет. Если TCP выполняет контроль ошибок, следит за правильной последовательностью пакетов, в случае необходимости повторно пересылает пакеты, то UDP не делает ничего из перечисленного он просто пересылает данные и все.

Важно помнить, что в приложении могут применяться и TCP, и UDP.

Вместе с тем, при использовании эти терминов вы как пользователь ожидаете несколько больше, чем просто пересылку данных туда обратно. С TCP/IP обычно связываются такие полезные вещи, как загрузка файлов с сетевого сервера, рассылка и прием электронной корреспонденции, применение браузера для просмотра Web-страниц и т.д. Для этого вы пользуетесь протоколами типа FTP (File Transfer Protocol протокол передачи файлов), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol простой протокол рассылки почтовых сообщений) или HTTP (HyperText Transfer Protocol протокол передачи гипертекста) протоколами так называемого прикладного уровня. Все они обращаются к функциям, предоставляемым протоколами TCP/UDP, почему TCP/IP и приобрел такую огромную популярность, и каждый только и говорит о нем. Для прикладного уровня TCP и UDP всего лишь механизмы передачи информации по используемым линиям связи независимо от их типа.

1. Замена физического и канального уровней существующей системы на Ethernet и впрессовывание TCP/IP в/между существующий ) протокол (ом) и Ethernet. Для PROFIBUS, например, это означало бы нахождение способа встраивания данных PROFIBUS в кадры TCP/UDP (невидимые пользователю). Достоинства подобного подхода очевидны: нового ничего не требуется, а соответствующие продукты должны вот-вот появиться. Однако в результате вы получили бы переход войны промышленных шин на новый уровень. Почему? Да потому что даже если пользоваться термином EtherNet/IP, это по-прежнему ControlNet. Так что вместо PROFIBUS против ControlNet против и т.д. и т.д. мы бы получили EtherNet/IP против PROFIBUS на базе Ethernet против Modbus TCP против и т.д. и. т.п.

2. Второй, более предпочтительный способ заключается в нахождении решения, аналогичного OPC (OLE for Process Control) для приложений на базе ПК. Четко определенный протокол обеспечивал бы обращение к технологическим параметрам безотносительно к базовой системе связи. Именно такой подход и выбрала ассоциация Profibus International, и с ее решением PROFInet мы и познакомимся поближе.

PROFInet

Разрабатываемая в PROFIBUS International (сообщество, поддерживающее одну из лидирующих во всем мире промышленных шин шину PROFIBUS) технология PROFInet должна обеспечить плавный переход от существующих систем к новому поколению устройств автоматики и обмену информацией на базе Ethernet. На рис. 3 показаны различные подходы вчерашнего (централизованное управление), сегодняшнего (распределенный ввод/вывод) и завтрашнего (распределенный интеллект) дня.

Рис. 3. Архитектура автоматизированных систем управления

Что такое распределенный интеллект? Распределенный интеллект это когда каждый узел машины, транспортировочной или производственной линии оборудован собственными логическими средствами для выполнения свойственной ему задачи. Если эти части будут конфигурироваться и тестироваться отдельно, окончательная сборка на месте будет заключаться в объединении воедино готовых к работе компонентов. Выгода? Значительно больше внимания оптимизации самого технологического процесса.

Вместе с тем подобные архитектуры характеризуются чрезвычайно интенсивным обменом информацией между интеллектуальными компонентами. Так что нам нужен не только стандарт, которым могут воспользоваться все, но еще и инструментальные средства, которые помогут превратить конфигурирование подобной системы в приятное времяпрепровождение.

Таким образом, очевидное назначение PROFInet сокращение усилий и времени, требуемых для конфигурирования и запуска системы в работу, тем самым обеспечивая снижение затрат посредством отделения этого интерфейса от нижележащего метода его реализации.

Здесь важно заметить, что разработка данной концепции осуществляется рабочей группой PROFIBUS International в тесном взаимодействии с ОЕМ-производителями и пользователями. В будущем механические части этой системы (например, конвейер) будут объединяться с электрической и электронной аппаратурой (ПЛК, двигатели и т.д.) и программой в единый технологический узел так называемый компонент (рис. 4).

Рис. 4. Технологический компонент

Что дает PROFInet конечному пользователю и системному интегратору

PROFInet это средство, призванное существенно облегчить жизнь пользователя. Необходимые компоненты (как определено на. рис. 4). поставляют ваши производители. От вас только требуется объединить их в единое целое посредством специального графического инструментального средства (рис. 5).

Рис. 5. Графическое объединение компонентов


В процессе создания системной конфигурации все необходимые коммуникационные связи создаются и определяются автоматически. Вручную рисуются лишь соединительные линии между графическими объектами.

Данная процедура позволяет сэкономить значительный объем времени, которое может быть посвящено прикладной стороне дела (например, настройке производственной линии на окончательную сборку двигателей).

Внутри компонента его производитель может использовать средства управления на базе как ПЛК, так и ПК, приводы от разных поставщиков, системы промышленных шин или параллельные соединения. Интерфейс данного компонента и способ его соединения с другими компонентами от подобных технических деталей не зависит. Естественно, неотъемлемой характеристикой инструментария являются все необходимые средства тестирования и диагностики.

Что дает PROFInetОЕМ-производителю

Если вы, например, поставляете упаковочные машины производителю каких-либо напитков, то тип устройств управления внутри этих машин, возможно, будет определяться заказчиком и/или вашим собственным опытом и предпочтениями.

Что же изменится в результате применения PROFInet? Предположим, что имеющееся у вас в данный момент решение опирается на ПЛК и систему промышленных шин. Все это по-прежнему можно будет использовать вместе с PROFInet. Единственное, что потребуется добавить, это определение технологического интерфейса для компонента Упаковочная машина, чтобы посредством соответствующего инструментального средства (см. предыдущий раздел) можно было интегрировать это оборудование в линию разлива. Естественно, от поставщика ПЛК при этом требуется вставить в свое средство программирования кнопку создания данного компонента. Блок-схема процедуры создания компонента показана на рис. 6.

Рис. 6. Процедура создания компонентов

Технологический интерфейс с внешним миром от используемого метода реализации не зависит.

Следующий этап выполняет системный интегратор, вставляя ваш компонент в свой проект.

Что дает PROFInetразработчику и поставщику устройств

Тот, кто намеревается использовать ваши продукты, найдёт много сходства с технологиями COM и OLE.

На рис. 7 показана обобщенная программная архитектура типового PROFInet-устройства. В каждом PROFInet-устройстве должна быть установлена так называемая модель исполнения (Runtime Model). Извне обращение к компоненту может осуществляться только посредством уже упомянутого технологического интерфейса.


Рис. 7. Программная архитектура PROFInet-устройства

Как видно из рисунка, необходимы знания стандартных технологий Microsoft. В качестве объектного протокола взаимодействия компонентов используется технология DCOM (распределённая технология COM, в основе которой лежит метод запуска удаленных процедур RPC).

Одна из привлекательных черт технологии СОМ разделение интерфейса и метода реализации. Пусть у вас есть объект двигатель автомобиля, а один из доступных сервисов запуск. При обращении к этому сервису выполняется запуск автомобильного двигателя, причем, как это делается, знать совершенно не обязательно.

Для облегчения реализации пользовательских проектов PROFIBUS International планирует осуществлять поставку базового программного обеспечения с открытыми исходными текстами всем заинтересованным организациям. В пакет войдут следующее программное обеспечение (ПО):

базовое ПО модели исполнения,
определения для интерфейса пользователя, средств системной интеграции и конфигурирования,
средства обеспечения независимости от типа операционной системы (облегчающие адаптацию к различным условиям эксплуатации).

Например, в состав пакета открытых исходных текстов будет входить объект ACCO (Active Control Connection Object объект активного управления соединением). В задачи этого объекта будет входить обслуживание сконфигурированных каналов связи (установление соединения, обмен данными, контроль состояния канала, обработка ошибочных ситуаций).

Надежную работу в режиме реального времени обеспечит поддержка запасных коммуникационных каналов. В процессе установления соединения PROFInet-устройства смогут выбрать наилучшие протоколы и для этих запасных каналов.

Поставщику программируемых устройств (типа ПЛК) желательно усовершенствовать свои средства программирования, для того чтобы пользователь имел возможность создания компонента и после завершения работы над программой.

Гарантия сохранностиинвестиций

Системы промышленных шин существуют уже более десятка лет. За это время пользователи и поставщики вложили в существующие решения огромные средства. И тратят на совершенствование этих систем (например, с целью повышения безопасности) дополнительные деньги. Что же делать со всеми этими, уже используемыми системами? А также продолжающими появляться сейчас, поскольку технология Ethernet пока еще не в состоянии предложить решение для систем обеспечения безопасности или управления перемещением?

По замыслу её идеологов, стандарт PROFInet является стратегией перехода к новой технологии интеграции автоматизированных систем. В одну общую PROFInet-архитектуру могут интегрироваться как существующие, так и будущие сети промышленных шин (типа PROFIBUS). Единственное, что требуется добавить, это специальный шлюз, называемый шлюзом-посредником (Proxy). Обобщенная архитектура PROFInet-системы с двумя примерами совершенствования электрического оборудования показана на рис. 8.

Рис. 8. Архитектура PROFInet-системы

Подобная стратегия перехода к новой технологии интеграции систем обеспечивает не только продолжение использования существующих систем и решений. Она, помимо всего прочего, освобождает производителей от необходимости внедрения PROFInet в каждый свой продукт, благодаря чему простые устройства не будут обременяться громоздкими коммуникационными стеками.

А разработать для любой из существующих промышленных шин Proxy-шлюз можно без особого труда, поскольку PROFInet это не PROFIBUS на базе Ethernet.

Что же такое PROFInet? PROFInet это коммуникационная стратегия на основе Ethernet.

Кроме того, это модель обмена информацией, методов автоматизации и проектирования, которые не зависят поставщика системных компонентов.

А также это архитектура систем автоматизации, позволяющая компаниям концентрировать усилия на своей основной деятельности.

Чем PROFInet не является? PROFInet это не новое оружие в войне промышленных шин, поскольку это не средство передачи телеграмм PROFIBUS по линиям Ethernet.

И, безусловно, это нечто большее, чем просто оборудование устройств штепселем для подключения к Ethernet.

Основные преимущества

Архитектура PROFInet предоставляет возможность улучшить характеристики производственных процессов, благодаря размещению интеллекта именно там, где он требуется.

Компоненты и модули могут быть полностью протестированы до запуска общей системы, что позволяет тратить больше времени на оптимизацию процесса.

PROFInet обеспечивает создание многократно используемых технологических компонентов.

PROFInet обеспечивает плавную модернизацию существующих и будущих систем независимо от типа используемой промышленной шины.

PROFInet отличается высочайшей степенью гибкости: вы внедряете PROFInet-системы только там, где это оправдано, не трогая существующие системы промышленных шин на других участках, так что PROFInet это не улица с односторонним движением!

Все вышеперечисленное поможет вам сэкономить деньги и выделить больше времени на основную деятельность, будь это производство автомобилей, бутылирование, упаковка пищевых продуктов и вообще все что угодно.

Со своей стороны ассоциация PROFIBUS International приложит все усилия, чтобы разработать все необходимые процедуры, гарантирующие самое высокое качество.

Образцы первых PROFInet-устройств были продемонстрированы на Ганноверской выставке Hannover Fair 2001. За дополнительной информацией обращайтесь в местное отделение организации производителей и пользователей PROFIBUS России это PNO Россия, тел. (095) 742-68-28 прим. Ред. МКА).

Источник: Connection, June 2001 (Profibus Interface Centre)

21.04.2014