Спорные преимущества Fieldbus


PDF версия

Известные преимущества промышленных сетей рассмотрены с критической точки зрения. Автор приводит ситуации, в которых использование промышленных стандартов связи выгодно или наоборот нежелательно.

Об экономической выгоде применения промышленных сетей Fieldbus сказано немало. Чаще всего отмечают значительно меньшее количество проводов, быстрый ввод в эксплуатацию, а также преимущества, связанные с переносом части функций управления узлами сети на сами узлы. Под Fieldbus будем понимать цифровые промышленные сети. В рамках этой статьи ограничимся стандартами с низкой скоростью передачи: Profibus-PA, Foundation fieldbus, AS-i и DeviceNet.

Реальная экономия?

Fieldbus не всегда позволяет уменьшить затраты на приобретение и установку проводов, несмотря на то, что в среднем в сети Fieldbus используется в 4 раза меньше проводов. Одна специализированная карта управления Fieldbus заменяет несколько стандартных, однако стоит она дороже. При переходе на Fieldbus упрощаются и уменьшаются операторские панели, отпадает необходимость в использовании распределительных коробок. Однако за счет других факторов затраты в некоторых случаях превышают стоимость традиционной сети.
Есть ряд причин, препятствующих повсеместному использованию Fieldbus. Во-первых, оборудование для промышленных сетей достаточно дорогостоящее. Блок управления для одного порта AS-i стоит в среднем столько же, сколько карты DI и DO для 20–25 устройств. Поэтому если к порту AS-i подключено меньшее количество исполнительных устройств, а для карты AS-i требуется источник питания, регулятор мощности и повторитель сигнала, то с экономической точки зрения использование Fielbus не оправдано.
Ценовое сравнение в случае Profibus-PA проводить сложно, поскольку основной вклад в стоимость сегмента вносится соединителями DP/PA и сетевыми картами. Кабель для Fieldbus (см. рис. 1) примерно в 3–5 раз дороже, чем стандартный провод 4–20 мА (см. рис. 2). Плюс стоимость специализированных разъемов и прочих элементов может увеличить разницу в разы.

 

Рис. 1. Кабель Fieldbus

Рис. 2. Стандартный кабель 4–20 мА

В сетях Foundation Fieldbus и Profibus-PA можно обойтись без соединительных коробок, однако вместо них часто используются специальные соединители сегментов или модули (см. рис. 3), которые устанавливаются на территории предприятия для предоставления доступа к сети удаленным узлам. Кроме того, необходимо учитывать затраты, связанные с приобретением лицензий на использование программного обеспечения.

 

Рис. 3. Соединительный модуль Fieldbus

В архитектуре Fieldbus реализована возможность распределенного управления на уровне полевых устройств, что позволяет максимально эффективно использовать вычислительные мощности микропроцессорных устройств: параллельную обработку, реализацию функций управления, вычислений и выбора на уровне полевых устройств. Данная возможность позволяет уменьшить количество плат управления и, следовательно, снизить стоимость и сложность системы.

Несложная диагностика

В классической сети, где используется стандартный кабель 4–20 мА, неисправный участок кабеля легко обнаружить с помощью недорогого мультиметра. В случае использования специализированного кабеля сделать это сложнее. До недавнего времени существовало всего лишь несколько устройств для диагностики сети Fieldbus.
Успех применения промышленной сети во многом зависит от квалификации ее разработчиков и специалистов, устанавливающих оборудование. Прокладку проводов должны осуществлять инженеры, обслуживающие сеть, поскольку при неумелом обращении окончания проводов легко повредить.

Меньше затрат на  обслуживание

Существует мнение, что Fieldbus характеризуется более низкой стоимостью эксплуатации, поскольку продвинутые методы диагностики позволяют выявить неисправность без вызова технического специалиста из службы поддержки. Однако данное утверждение редко подкрепляется конкретными цифрами.
Устройства Fieldbus действительно предоставляют большое количество данных о состоянии сети. Однако даже опытные специалисты редко могут использовать их, поскольку не имеют доступа для перепрограммирования распределенной системы управления. Когда в передатчике Fieldbus возникает сбой, для доступа к нему требуется специальный контроллер доступа или компьютер. Для замены приемопередатчика необходима копия файла конфигурации исходного приемопередатчика. Если какие-либо настройки будут изменены, система может не распознать устройство и запросить обновленный файл конфигурации. Если проблема обнаружена в самой сети, для устранения неисправности требуется специализированное сетевое оборудование (анализатор сети) и определенные навыки, поэтому придется вызывать специалиста из службы поддержки. Чаще всего проблемы связаны с кабелем, поэтому продвинутые возможности Fieldbus используются редко.
Вторая проблема касается устаревания оборудования. При замене элементов сети на более современные может оказаться, что новые устройства не совместимы со старыми. Рассмотрим ситуации, в которых сеть Fieldbus оказывается более выгодной и наоборот.

Интерфейс для датчиков и исполнительных механизмов AS-i

Сеть AS-i является одной из самых простых в установке. Как правило, она используется для передачи данных между цифровыми устройствами (соленоиды, кнопки, клапаны и т.д.), которые могут передавать и аналоговые сигналы, однако эта возможность практически не используется. Скорость передачи данных достаточно высока — 167 кбит/с. Длительность цикла не превышает 5 мс. Устройства AS-i не чувствительны к электрическим помехам (см. рис. 4).

 

Рис. 4. Оборудование сети AS-i для конвейерной линии

Главный недостаток данного стандарта — значительные ограничения по длине кабеля. Общая протяженность кабеля не должна превышать 100 м. В то же время с помощью недорогих повторителей и стабилизаторов напряжения это ограничение можно обойти. Кроме того, можно использовать один источник питания для нескольких сегментов по 100 м внутри одной сети.
Стандарт AS-i удобно использовать на малых по площади объектах с большим количеством исполнительных механизмов и датчиков. Наиболее яркий пример — реактор периодического действия. В нем имеется множество клапанов, контролирующих заряд корпуса и элементов, находящихся в непосредственной близости с реактором. Поскольку в каждом клапане имеется соленоид и два ограничивающих переключателя, количество проводов можно значительно уменьшить.
В подсистеме управления AS-i рекомендуется использовать встраиваемые карты. Они могут устанавливаться в удаленные стойки сторонних производителей и подключаться через Profibus-DP, DeviceNet и другие промышленные протоколы. С другой стороны, это сложная задача с инженерной точки зрения. Время отклика узла увеличивается.
Сравнительно недавно появились сетевые устройства, позволяющие увеличить максимальную длину сети. Они автоматически оптимизируют емкость сети и согласуют сопротивление на концах. К кабелю не предъявляется особых требований, поэтому при необходимости можно делать разветвления.
Файлы профиля AS-i обновляются редко, поэтому в большинстве случаев оборудование более новых версий совместимо с устаревшим. При добавлении устройств в сеть не возникает сложностей с настройкой. Достаточно присвоить новому узлу номер.
Сеть AS-i не рассчитана на применение аналоговых устройств. Если исполнительные устройства и датчики разбросаны по всей территории предприятия, длина 100 м может быть слишком строгим ограничением даже при использовании повторителей. Кроме того, необходимо заранее планировать расположение клапанов, а при их перемещении может потребоваться перепроектирование сети.
Головки клапанов AS-i стоят дороже, чем стандартные головки с ограничивающими переключателями. В головках часто используются маломощные соленоиды, поэтому необходимо обеспечивать достаточно интенсивное проветривание, чтобы не возникало неполадок.

DeviceNet

Данный стандарт используется для передачи данных с цифровых устройств и двигателей. В основе DeviceNet лежит протокол CIP. Передача данных детерминирована и производится на скоростях 500, 250 или 125 кбит/с. Сеть DeviceNet устанавливать сложнее, чем AS-i, однако в ней производится обработка большего количества данных. Максимальная длина сегмента определяется скоростью передачи. Наиболее подходящее приложение для DeviceNet — управление двигателем или отдельными производственными линиями, по которым по всей системе проходит одиночная шина. Поскольку по длине кабеля не предусмотрено жестких ограничений, необязательно заранее знать точное расположение узлов. Функция автоматического восстановления позволяет перемещать устройства, не заботясь о настройке связи. Сдерживающим фактором широкого распространения данного стандарта является небольшой ассортимент устройств, пригодных для работы в экстремальных условиях.
Для добавления устройства необходимо, как правило, отключить сеть. Это не вызывает проблем на отдельной производственной линии, однако нереально в масштабах всего предприятия. Чтобы не допустить простоев, необходимо иметь несколько резервных модулей управления. При проектировании сети следует разделять ее на сегменты. Для установки сети требуется специальное программное обеспечение. Файл данных использует нестандартный формат EDS. Рекомендуется настраивать параметры передачи до начала работы, чтобы избежать задержек, связанных с вводом в эксплуатацию.
Файлы EDS постоянно обновляются, поэтому при замене узла новое устройство может быть не распознано, пока не будут установлены нужные файлы. Следовательно, может потребоваться помощь специалистов службы поддержки.
DeviceNet имеет линейную топологию с ответвлениями не более 6 м для подключения клапанов и других механизмов. Разветвления запрещены. Однако, учитывая большую длину магистральной шины, это не представляет проблемы. Устранение неполадок является сложной задачей. Доступно мало средств диагностики, поэтому необходимо обращаться к специалистам.

Foundation Fieldbus (H1) и Profibus-PA

Foundation Fieldbus (FF) и Profibus-PA являются протоколами с самой низкой скоростью передачи — 31 кбит/с. Этого достаточно для управления аналоговыми устройствами. Соперничество между FF и Profibus-PA продолжается уже не один год. Недавно эти два стандарта были объединены.
На физическом уровне стандарты одинаковы. В FF предусмотрена поддержка передачи данных между устройствами и функции управления на полевом устройстве, хотя это редко используется. В отличие от FF в Profibus-PA используется протокол Master/Slave. Profibus-PA является разновидностью Profibus-DP с низкой скоростью передачи и обычно используется как подсеть в сети Profibus-DP.
На одной линии Foundation Fieldbus и Profibus-PA может быть подключено большое количество приемопередатчиков или управляющих клапанов. Если устройства сгруппированы на небольшом пространстве и удалены от центра управления, можно сэкономить за счет меньшей длины кабеля.
В числе недостатков FF и Profibus-PA стоит отметить, во-первых, высокую стоимость оборудования и программного обеспечения. Стоимость установки также может оказаться выше, чем для традиционной сети 4–20 мА. Необходимо тщательно продумывать резервные схемы, чтобы избежать потери работоспособности целого сегмента из-за сбоя в одном узле. Для установки нового устройства потребуется отключение сетевых устройств. Максимальное количество устройств равно 32, однако на практике их еще меньше.
При установке нового устройства в FF следует скачивать для него файл. Определения для устройств Profibus-PA изменяются гораздо чаще, поэтому при введении новых узлов может потребоваться перепроектирование сети.

 

Ссылки

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *