Ethernet в промышленности

На пути резко возрастающих информационных потоков стоят технологические барьеры между различными уровнями автоматизации, возникшими в результате независимого развития АСУП и АСУТП. По оценкам экспертов, только сбор данных в реальном масштабе времени о различных аспектах производственных процессов приведет в ближайшие годы почти к тридцатикратному увеличению трафика в распределенных системах промышленного управления, причем значительно возрастут потоки информации между датчиками и программируемыми контроллерами. Поэтому одной из задач комплексной автоматизации является организация межсетевого обмена в масштабах всего предприятия на основе стандартной масштабируемой высокопроизводительной технологии.

Современные системы АСУП, базирующиеся на стандартах, используют в коммуникационных инфраструктурах сети Ethernet и протоколы TCP/IP. В информационных комплексах предприятий широко применяются Internet-технологии. В области АСУТП со стандартизацией дело обстоит намного хуже. Существует более полусотни коммуникационных технологий, относящихся к классу промышленных сетей или полевых шин, предоставляющих возможность создания распределенных систем, в состав которых входят программируемые логические контроллеры, датчики и исполнительные устройства. Значительная часть этих технологий основана на собственных протоколах и аппаратных средствах компаний-производителей. Естественно, интерес к унификации промышленных сетей, предоставляющих возможность построения мультивендорных систем, весьма велик, хотя этому и препятствует достаточно узкая сегментация рынка по отраслям промышленности, а также коммерческие интересы крупнейших производителей (Fisher-Rosemount, Honeywell, Rockwell Automation, Siemens и ряда других), долгое время выпускающих собственные коммуникационные продукты. В последние годы поставщики оборудования для автоматизации производственных процессов обратили внимание на Ethernet. Однако до сих пор вопрос о масштабах проникновения Ethernet в комплексы управления производственными процессами и возможности замены таких распространенных технологий, как Foundation Fieldbus, Profibus или DeviceNet, остается открытым.

Полевые шины

Более 30 лет компании, занимающиеся промышленной автоматизацией, создавали собственные «нишевые» полевые шины для связи оборудования контроля и управления производственными процессами. Это требовало значительных финансовых и временных затрат на проектирование конфигураций и протоколов промышленных сетей, их кабельных систем, специализированных микросхем, интерфейсных блоков и программного обеспечения. В середине 80-х в Международной электротехнической комиссии (МЭК) началась разработка стандарта промышленной сети IEC61158, который не утвержден до сих пор. В начале 90-х приобрела статус национального стандарта спецификация Profibus, созданная группой специалистов ряда компаний и исследовательских институтов Германии. В середине 90-х американская ассоциация Fieldbus Foundation завершила разработку промышленной сети Foundation Fieldbus, а в Европе появился European Fieldbus Standard, основанный на национальных стандартах Германии (Profibus), Дании (P-Net) и Франции (FIP). Это лишь небольшая часть подобных спецификаций. Следует отметить, что многие производители продают или выпускают вместе с партнерами оборудование для сетей различных стандартов.

Идея международной стандартизации в области коммуникации в различных отраслях промышленности не потеряла своей привлекательности как для производителей, так и для многочисленных системных интеграторов. В конце 1999 года большинство национальных комитетов МЭК одобрили создание на основе IEC61158 проекта стандарта Final Draft International Standard for Data Link Layer and Application Layer, включающего около десятка независимых технологий полевых шин.

Возможности Ethernet

Ethernet — самая распространенная стандартная сетевая технология, насчитывающая, по оценкам экспертов, более 100 млн. пользователей. Поэтому кажется вполне логичным распространить Ethernet в системы промышленной автоматизации (тем более что большинство специалистов, работающих в этой области, в той или иной степени знакомы с особенностями Ethernet) и попытаться на ее базе «навести порядок» в исторически сложившемся многообразии промышленных сетей. Однако прежде необходимо обеспечить возможность применения Ethernet в системах реального времени, высокий уровень надежности созданной на ее основе технологии промышленной сети, а также приемлемые стоимостные параметры.

Изменения, внесенные в стандарт Ethernet в последние годы, сделали эту технологию достаточно привлекательной для решения задач промышленной автоматизации. Речь идет о дополнениях, не только обеспечивающих возможность повышения быстродействия (скорость передачи данных — 10, 100 Мбит/с или 1 Гбит/с — превосходит показатели полевых шин: быстродействие большинства из них не превышает 1-2 Мбит/с, а наиболее производительная сеть, Profibus, имеет пропускную способность 12 Мбит/с), но и позволяющих применять Ethernet в системах реального времени.

Традиционным недостатком использования Ethernet в системах управления долгое время считался вероятностный характер доступа устройств к сети, не позволявший гарантировать передачу информации в заданные интервалы времени. Считалось, что при загрузке сети, превышающей 40%, задержка передачи данных возрастала экспоненциально. Однако исследования, проведенные в конце 80-х, показали, что при повышении уровня трафика задержки увеличиваются линейно и варьируются в пределах от 2 до 30 мс, что приемлемо для ряда промышленных применений. Однако для дополнительного уменьшения задержки потребовалось бы разбить сеть на сегменты и значительно снизить трафик в каждом из них.

Проблему решили внесенные в спецификацию Ethernet дополнения. Появились коммутаторы, способные предоставить любому абоненту полную полосу пропускания сети, и полнодуплексные каналы, исключающие характерные для Ethernet коллизии за счет разделения линий приема и передачи данных абонентов. Реализация требований стандартов IEEE 802.1p и IEEE 802.1Q предоставила возможность снабжать различные потоки данных приоритетами, определяемыми правилами управления сетью, и формировать виртуальные локальные сети, разделяя суммарный трафик и выделяя домены, поддерживающие режим реального времени.

Отсутствие временного детерминизма было предложено также компенсировать посредством учета необходимых временных соотношений взаимодействия различных устройств в протоколе, используемом «поверх» Ethernet. На конференции ISA Expo ?98 представители Hewlett-Packard продемонстрировали подобный метод, обеспечивающий временное разрешение в пределах 200 нс.

Надежность сетей Ethernet обеспечивается введением избыточных компонентов в коммуникационные устройства, использованием резервных линий связи в соответствии со стандартом IEEE 802.1d, применением современных методов управления сетями.

Огромный рынок продуктов и компонентов, поддерживающих Ethernet, гарантирует достаточно низкую их стоимость. Так, адаптеры Ethernet для ПК можно приобрести приблизительно за 30 долл., в то время как цена их аналогов для современных промышленных сетей колеблется в пределах от 500 до 1500 долл. Ряд производителей освоили массовое производство встраиваемых микросхем Ethernet TCP/IP, открывающее возможность использования этих технологий на инструментальном уровне. Последнему применению способствует также разработка стандарта IEEE 802.3af, определяющего способ подачи напряжения питания для IP-телефонов по кабельной проводке Категории 5. Это соответствует методам, традиционно используемым в полевых шинах в целях снижения стоимости кабельных систем, а также требованиям специальных производственных условий.

Таким образом, налицо предпосылки создания на базе Ethernet стандартной сетевой инфраструктуры, отвечающей потребностям передачи данных не только между промышленными контроллерами и SCADA-системами, но и на уровне датчиков и исполнительных устройств.

Очередная стандартизация

Стандарт IEEE 802.3 определяет протоколы и параметры только физического и канального уровней модели взаимодействия открытых систем ISO. К транспортному и сетевому уровням относятся протоколы TCP и IP, которые не «вникают» в содержимое передаваемых пакетов. Они обычно работают в совокупности с такими прикладными протоколами, как FTP, SMTP и SNMP. Некоторые производители систем промышленной автоматизации поддерживают протоколы прикладного уровня (в частности SNMP) в своем оборудовании, но большая часть таких протоколов не предназначена для промышленной автоматизации. Поэтому появляются реализации с протоколами традиционных промышленных сетей поверх TCP/IP. Так, компания Schneider Automation предложила для этой цели прикладной протокол MBAP (Modbus Application Protocol), представив два года назад спецификацию Open Modbus/TCP Specification. Еще один пример — применение протокола прикладного уровня CIP сетей ControlNet и DeviceNet.

Данный список можно продолжить; это вновь ставит вопрос стандартизации. В марте 1999 года по инициативе шести компаний — Synergetic Micro Systems, Grayhill, HMS Fieldbus Systems, Hilscher, Contemporary Controls и Richard Hirschmann — была образована ассоциация Industrial Ethernet Association, в которую сегодня входят больше десятка организаций. Ассоциация направляет свои усилия на то, чтобы прийти к единому для всех пониманию понятия Industrial Ethernet и разработать спецификации стандартов, обеспечивающие совместимость продуктов различных производителей.

Обозначены три проблемы, требующие первоочередного решения: определение стандартного протокола верхнего уровня; разработка спецификаций на аппаратуру Ethernet в промышленном исполнении и выбор коннектора, более надежного, чем пластиковый RJ-45; создание архитектурных правил построения сетей Ethernet, отвечающих требованиям промышленной автоматизации.

Ethernet наступает

Но, как известно, разработка стандартов требует достаточно длительного времени, и производители предлагают собственные решения. Компания Schneider в рамках концепции Transparent Factory выбрала Ethernet и протоколы TCP/IP для сетей и полевых шин, а Web-технологии — для доступа к информации в настоящих и будущих разработках, не отказываясь в то же время от своих традиционных решений.

В Hirschmann создали на базе Ethernet собственную архитектуру Distributed Communication Architecture (DCA) и предложили трехфазную стратегию внедрения Ethernet в АСУТП. В основе DCA — интеллектуальный коммутатор, поддерживающий логическую кольцевую архитектуру с дублированными каналами связи. Hirschmann выпускает коммутаторы и концентраторы Ethernet, соответствующие требованиям механической монтажной шины DIN 35, с 24-вольтовым питанием постоянного тока, сохраняющие работоспособность при повышении температуры до 60?С.

В июне текущего года на рынок промышленных сетей вышла Cisco Systems, которая организовала совместно с GE Industrial Systems компанию GE Cisco Industrial Networks. Партнеры надеются создать единую коммуникационную инфраструктуру предприятия и распространить на сферу промышленной автоматизации такие преимущества Ethernet, как относительно низкая стоимость установки и технической поддержки, а также простота интеграции с Internet. Ожидается, что в течение трех-пяти лет продажи нового предприятия достигнут 100 млн. долл. Эксперты считают эту сумму вполне реальной, поскольку прогнозируют 3-миллиардный объем рынка Ethernet для промышленных применений в 2003 году.

Для сетевого гиганта Cisco несколько десятков миллионов долларов — незначительная добавка к многомиллиардному обороту. Однако тот факт, что компания, лидирующая в сетевой индустрии, проявила интерес к промышленным сетям, весьма примечателен. Правда, ее появление на этом рынке может увеличить количество частных решений, предлагаемых всеми крупными производителями. По-видимому ситуация будет развиваться по обычному сценарию: опережая разработку стандартов, начнут продвигаться продукты таких компаний, как Hilscher, Hirschmann, Siemens, а теперь еще и GE и Cisco.

На сегодняшний день известно о ряде успешных применений Ethernet на цеховом уровне систем управления производственными процессами, в которых предусмотрены методы ограничения уровня трафика. Так, в новой базовой сети выпускающего более миллиона печатных плат в год предприятия Fanuc Automation, которое входит в состав корпорации General Electric, для управления пятью поточными линиями используются протоколы TCP/IP «поверх» Ethernet. Это позволяет осуществлять Web-контроль состояния производственного оборудования и передавать информацию о выпуске продукции, прохождении заказов и наличии необходимых материалов в ERP-приложение. Один из последних примеров — начало реализации в июле этого года пилотного проекта компании General Motors, в рамках которого сеть ControlNet, объединяющая программирумые логические контроллеры, заменяется на основе стандартных устройств Ethernet.

Снизойдет ли Ethernet до инструментальных систем — покажет время. Некоторые аналитики отмечают избыточность протокола Ethernet, что усложняет и делает дороже передачу однобитовой информации. Другие полагают, что Ethernet — лишь одна из возможных технологий, которая будет сосуществовать с уже имеющимися полевыми шинами. Однако все сходятся в том, что огромные инвестиции в Ethernet стремительно меняют функциональность этой технологии. Действительно, сегодня Ethernet так же разительно отличается от своего предшественника, появившегося в начале 80-х, как современные ПК от компьютеров того времени.

Мнения

Андрей Баскаков, президент компании ИКОС