Jak Profinet over Ethernet-APL přináší hodnotu procesnímu průmyslu

OBRÁZEK 1: Klasická automatizační pyramida s mezerou vrstvy Ethernet na provozní úrovni. Obrázky poskytla společnost PI North America OBRÁZEK 1: Klasická automatizační pyramida s mezerou vrstvy Ethernet na provozní úrovni. Obrázky poskytla společnost PI North America

Umožněte vysoce efektivní komunikaci s přístroji v provozu pomocí správné kombinace technologií.

Technologie Profinet poskytují uživatelům digitalizační nástroje a infrastrukturu pro správu přístrojového parku při uvádění do provozu, spouštění a údržbě závodu. Tento článek poskytuje uživatelům informace o odolné fyzické vrstvě Ethernet pro procesní průmysl. Funkce sítě Profinet, jako je technologie proxy přemostění, profil PA, dynamická rekonfigurace a koncepce redundance, umožňují koordinaci přístrojů s úrovněmi automatizace, kterých v dnešních procesních závodech nebylo ještě dosaženo.

Výkonnost závodu a diagnostika po síti Ethernet

Procesní závody usilují o vyšší efektivitu a zvýšený výkon. Jednou z hlavních výzev v provozu závodu je výměna zařízení, protože k tomu jsou často zapotřebí odborníci na danou problematiku. Pracovníci údržby mají problémy s diagnostickými informacemi z provozních zařízení; protože jsou závislé na dodavateli, lze je obtížně dešifrovat a často neposkytují užitečné informace k nápravě. To vede k neefektivnosti provozu závodu.

V rámci doporučení NE 176 ohledně otevřené architektury NAMUR bylo definováno několik případů použití, které přinášejí přidanou hodnotu do životního cyklu procesního závodu. Příklady jsou „unikátní identifikace“, „dimenzování zařízení“, „čtení hodnot víceparametrového procesu“ a „monitorování a diagnostika technického stavu“.

Pro splnění požadavků takových případů použití je klíčové vysoce výkonné připojení na provozní úrovni, které zajistí dostupnost dat z chytrých přístrojů až po aplikace vyšší úrovně a digitální služby.

Omezení na provozní úrovni

Většina závodů dnes používá proudovou smyčku 4–20 mA jako komunikační technologii mezi senzory a akčními členy a systémem řízení procesu. Tato technologie se mnoha provozovatelům závodů jeví jako dostačující pro čisté řízení procesů, a proto se v posledních desetiletích osvědčila a etablovala. Analogová technologie 4–20 mA je podporována všemi důležitými procesními přístroji a je jednoduchá na instalaci a údržbu. Omezení technologie 4–20 mA se projevuje v souvislosti s rozšířeným přístupem k datům, ať už jde o více procesních hodnot nebo o čtení diagnostických informací či konfiguraci zařízení. Ke splnění požadavků těchto případů použití je zapotřebí rozsáhlejší přístup k datům chytrých provozních přístrojů. Ke zvýšení efektivity a výkonu je k dispozici mnoho nevyužitých informací.

Protokol HART poskytuje digitální komunikační signál nad proudovým signálem, jenž umožňuje získávat další informace. Protokol HART se používá především ke konfiguraci. Pokud jde o komplexní přístup k datům, rychlost přenosu dat protokolem HART je nižší než u jiných možností.

S technologiemi sběrnice fieldbus, jako je Profibus PA, jsou k dispozici technologie digitální komunikace. Ačkoli jsou technicky použitelné, míra rozšíření v procesním průmyslu zatím nedosáhla úrovně analogové technologie 4–20 mA. Jedním z důvodů může být relativní složitost sítí fieldbus ve srovnání s jednoduchými analogovými technologiemi. Dalším důvodem může být to, že i když jsou technologie fieldbus mnohem rychlejší než HART, tato rychlost stále nestačí pro přenos velkého množství dat.

Souhrnně lze říci, že tyto tradiční technologie mají mnoho omezení, pokud jde o digitalizaci a naplňování potřeb nových případů použití v efektivních procesních závodech.

Vzhledem k tomu, že technologie Ethernet je již rozšířena pro datovou komunikaci na vyšších vrstvách automatizační pyramidy, vyvstává otázka, proč by se Ethernet nemohl používat i na provozní úrovni. V mnoha jiných odvětvích je úspěch technologie Ethernet na provozní úrovni prokázán již mnoho let. Porovnáním vlastností průmyslového Ethernetu s požadavky procesních závodů je odpověď na tuto otázku poměrně jednoduchá: Současné standardy Ethernetu nesplňují náročné požadavky procesního průmyslu:

  • Procesní závody potřebují technologii, kterou lze nasadit v prostředí s nebezpečím výbuchu, včetně jiskrové bezpečnosti.
  • Procesní závody usilují o dvouvodičovou technologii podobnou 4–20 mA a Profibus PA s napájením a daty po stejném kabelu.
  • V procesních závodech je nutné pomocí kabelů překlenout vzdálenosti přesahující několik stovek metrů. 

Výhody pro procesní závody: Ethernet-APL

Pokročilá fyzická vrstva (APL) pro Ethernet umožňuje rozšířit síťové infrastruktury až k provozním přístrojům, včetně těch v prostředí s nebezpečím výbuchu. Ethernet-APL kombinuje výhody dvouvodičové technologie s vysokým výkonem technologie Ethernet.

Na vytvoření Ethernetu-APL spolupracovala v posledních čtyřech letech skupina dodavatelů v oblasti automatizace procesů s významnými standardizačními organizacemi, aby vytvořila řešení na bázi Ethernetu, které splňuje požadavky procesního průmyslu. Tuto jedinou síť může přijmout jakákoli jiná standardizační organizace pro jakýkoli protokol založený na průmyslovém Ethernetu. Pracovní balíčky projektu APL jdou daleko za rámec standardizace a testování shody; zahrnují poznatky o nejlepších znalostech ve své třídě:

  • Nejnovější specifikace IEEE 802.3 10BASET1L specifikuje řešení 10 Mb/s Ethernetu po kroucené dvojlince pro dlouhé vzdálenosti.
  • Profily standardizují úroveň přenosu energie pro dlouhý dosah kabelu. Výběr správného profilu pro danou aplikaci je snadný a zajišťuje interoperabilitu v různorodém prostředí.
  • Nová kapitola normy IEC TS 60079-47 normalizuje jiskrově bezpečnou ochranu jako integrální provedení; „2-WISE“, zkratka pro dvouvodičový, jiskrově bezpečný Ethernet, definuje jednoduché ověření ochrany bez jakýchkoli výpočtů. Elektrické parametry jsou odvozeny z koncepce jiskrově bezpečných sítí fieldbus (FISCO) a jsou dobře známy mnoha uživatelům sítí fieldbus.
  • Díky povinným testům shody APL mohou provozovatelé zajistit, že všechna rozhraní APL v přepínačích nebo přístrojích jsou certifikována podle specifikací a jsou interoperabilní.
  • Technická směrnice Ethernet-APL poskytuje nejlepší poznatky a řešení ve své třídě pro podporu koncových uživatelů během plánování, instalace a uvádění sítě APL do provozu. 

CTL2202 MAG2 F3 Ethernet PI Fig2 CommunicationOBRÁZEK 2: Ethernet‑APL eliminuje kabelové rozváděče a umožňuje flexibilní topologie se snadnou redundancí

Profinet a komunikace při řízení procesů

S technologií Ethernet-APL je k dispozici nová fyzická vrstva pro Ethernet, která splňuje požadavky procesních závodů. Profinet je dobře zavedený protokol průmyslového Ethernetu s desítkami milionů instalovaných zařízení po celém světě. Protokol a související normy jsou specifikovány organizací PI, která sdružuje více než 1 700 členských společností. Většina běžných distribuovaných řídicích systémů (DCS) je již schopna pracovat s tímto protokolem.

Profinet je standardizován v normách IEC 61158 a IEC 61784 a podporuje další standardní ethernetové protokoly, jako je protokol ARP (Address Resolution Protocol) pro identifikaci IP adres v síti, protokol DCP (Device Configuration Protocol) pro přiřazení názvů zařízení, protokol LLDP (Link Layer Discovery Protocol) pro detekci okolí nebo protokol SNMP (Simple Network Management Protocol) pro sledování síťových komponent. Kromě těchto standardních mechanismů jsou součástí protokolu Profinet i další funkce, které umožňují využití Ethernetu v průmyslovém prostředí. Díky různým koncepcím redundance je zajištěna vysoká dostupnost procesních závodů. Profinet nabízí vhodné řešení také pro případy poruch řídicích jednotek a přerušení kabelů, jež zaručí, že proces nebude přerušen. Dokonce i v případě specifických měřicích značek, které ještě nejsou kompatibilní se sítí Profinet, umožňují dostupné specializované proxy servery integraci starších přístrojů fieldbus do sítě Profinet. Tradiční technologie, jako je 4–20 mA, lze integrovat prostřednictvím vzdáleného vstupu/výstupu (I/O) podporujícího síť Profinet.

Profinet umožňuje rekonfiguraci zařízení za provozu závodu. To poskytuje otevřenost pro budoucí flexibilitu, jako je elektronické/virtuální ranžírování. 

Standardizovaná integrace zařízení a diagnostika

Pomocí profilu PA 4 lze implementovat pracovní postupy pro automatickou výměnu zařízení, a to i od různých dodavatelů. Proto je třeba na místo původního zařízení nainstalovat nové zařízení. Nové zařízení je rozpoznáno a nakonfigurováno a mohou být obnoveny základní funkce. Další konfiguraci za účelem zvýšení výkonu pak lze případně provést pomocí běžných nástrojů.

Odstraňování problémů je pro pracovníky údržby zjednodušeno pomocí profilu PA 4 prostřednictvím harmonizovaných diagnostických zpráv podle NE107. Zvyšuje to efektivitu provozu závodu a snižuje nároky na školení. Všechny případy použití popsané v NE176 budou podporovány profilem PA 4 standardním způsobem nezávislým na dodavateli se všemi daty požadovanými z provozních zařízení.

Budoucí závody procesního průmyslu vyžadují robustní technologii, která splní požadavky případů použití v oblasti digitalizace nebo zvyšování efektivity každodenní práce. Profinet a profil PA 4 jsou dokonalým řešením pro snadnou integraci a provoz. S technologií Ethernet-APL je fyzická vrstva připravena i pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu. Kombinací těchto technologií lze dosáhnout neomezených možností, pokud jde o digitální služby, zvyšování výkonnosti a hodnotovou optimalizaci.

Autor článku Michael Bowne je výkonný ředitel společnosti PI North America; napsáno ve spolupráci s pracovní skupinou Profibus & Profinet International (PI) Process Automation Working Group. PI North America je obsahovým partnerem vydavatelství CFE Media and Technology. Upravil Chris Vavra, ředitel pro webový obsah časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com