Полевая шина

является Полевая шина членом семейства промышленных цифровых сетей связи. используется для распределенного управления в реальном времени. Профили полевой шины стандартизированы Международная электротехническая комиссия (МЭК) как IEC 61784/61158.

Сложная автоматизированная промышленная система обычно имеет иерархическую структуру в виде распределенной системы управления (РСУ). В этой иерархии верхние уровни управления производством связаны с уровнем прямого управления программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) через некритическую ко времени систему связи (например, Ethernet ). Полевая шина связывает ПЛК уровня прямого управления с компонентами установки полевого уровня, такими как датчики , исполнительные механизмы , электродвигатели , консольные светильники, переключатели , клапаны и контакторы , и заменяет прямые соединения через токовые петли или цифровые сигналы ввода-вывода . Таким образом, требования к полевой шине критичны ко времени и затратам. ряд полевых шин на основе Ethernet реального времени С нового тысячелетия был создан . В долгосрочной перспективе они могут заменить традиционные полевые шины.

Описание

Полевая шина — это промышленная сетевая система для распределенного управления в реальном времени. Это способ соединения инструментов на производственном предприятии. Полевая шина работает в сетевой структуре, которая обычно допускает шлейфовую , звездообразную, кольцевую, ветвящуюся и древовидную топологии сети . Раньше компьютеры соединялись с помощью RS-232 ( последовательные соединения ), с помощью которого могли взаимодействовать только два устройства. Это было бы эквивалентом используемой в настоящее время схемы связи 4–20 мА , которая требует, чтобы каждое устройство имело собственную точку связи на уровне контроллера, в то время как полевая шина является эквивалентом текущих соединений типа LAN , для которых требуется только одна точка связи. на уровне контроллера и позволяют несколько (сотни) аналоговых и цифровых одновременно подключать точек. Это уменьшает как длину кабеля, так и количество необходимых кабелей. Более того, поскольку устройствам, которые обмениваются данными через полевую шину, требуется микропроцессор , одно и то же устройство обычно обеспечивает несколько точек. Некоторые устройства полевой шины теперь поддерживают такие схемы управления, как ПИД-управление на стороне устройства вместо того, чтобы заставлять контроллер выполнять обработку.

История

Наиболее важной мотивацией использования полевой шины в распределенной системе управления является снижение затрат на установку и обслуживание установки без потери высокой доступности и надежности системы автоматизации. Цель состоит в том, чтобы использовать двухжильный кабель и простую конфигурацию для полевых устройств разных производителей. В зависимости от применения количество датчиков и исполнительных механизмов варьируется от сотен в одной машине до нескольких тысяч, распределенных по крупному заводу. История полевых шин показывает, как достичь этих целей.

Предшественники полевых шин

Интерфейсная шина общего назначения (GPIB)

Возможно, предшественником технологии полевой шины является HP-IB, как описано в IEEE 488. в 1975 году. «Она стала известна как интерфейсная шина общего назначения (GPIB) и стала фактическим стандартом для автоматизированного и промышленного управления приборами».

GPIB имеет основное применение в автоматизированных измерениях с использованием приборов разных производителей. Это параллельная шина с кабелем и разъемом с 24 проводами, максимальная длина кабеля ограничена 20 метрами.

Bitbus

Карта контроллера Bitbus с Intel 8044

Старейшей широко используемой технологией полевой шины является Bitbus. Bitbus был создан корпорацией Intel для расширения использования систем Multibus в промышленных системах путем отделения медленных функций ввода-вывода от более быстрого доступа к памяти. В 1983 году компания Intel создала микроконтроллер 8044 Bitbus, добавив прошивку полевой шины к существующему микроконтроллеру 8051 . Bitbus использует EIA-485 на физическом уровне с двумя витыми парами — одна для данных, другая для тактирования и сигналов. Использование SDLC на уровне канала передачи данных позволяет использовать 250 узлов на одном сегменте с общим расстоянием 13,2 км. Bitbus имеет один главный узел и несколько подчиненных узлов, причем подчиненные устройства отвечают только на запросы главного узла. Bitbus не определяет маршрутизацию на сетевом уровне . 8044 допускает только относительно небольшой пакет данных (13 байт), но включает в себя эффективный набор задач RAC (удаленный доступ и управление) и возможность разработки пользовательских задач RAC. В 1990 году IEEE принял Bitbus в качестве последовательной шины управления системой микроконтроллера (IEEE-1118).

Сегодня BITBUS поддерживается BEUG — Европейской группой пользователей BITBUS.

Компьютерные сети для автоматизации

Офисные сети на самом деле не подходят для приложений автоматизации, поскольку в них отсутствует верхняя граница задержки передачи. ARCNET , которая была задумана еще в 1975 году для офисных подключений, использует механизм токенов и поэтому позже нашла применение в промышленности.

Протокол автоматизации производства (MAP)

Протокол автоматизации производства (MAP) представлял собой реализацию OSI-совместимых протоколов в технологии автоматизации, инициированную General Motors в 1984 году. MAP стал предложением по стандартизации локальных сетей, поддержанным многими производителями, и в основном использовался в автоматизации производства. В качестве среды передачи MAP использовала токен-шину IEEE 802.4 со скоростью 10 Мбит/с.

Из-за своего масштаба и сложности MAP не удалось добиться большого прорыва. Чтобы уменьшить сложность и добиться более быстрой обработки с меньшими ресурсами, в 1988 году была разработана MAP с улучшенной производительной архитектурой (EPA). Эта мини-карта содержит только уровни 1,2 и 7 базовой эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI). Это сокращение было использовано в более поздних определениях полевой шины.

Самым важным достижением MAP является Спецификация производственных сообщений (MMS), прикладной уровень MAP.

Спецификация производственного сообщения (MMS)

Спецификация производственного сообщения (MMS) представляет собой международный стандарт ISO 9506. дело с прикладным протоколом и службами для передачи данных процесса в реальном времени и информации диспетчерского управления между сетевыми устройствами или компьютерными приложениями, опубликованными в качестве первой версии в 1986 году.

Он послужил образцом для многих дальнейших разработок в других стандартизациях промышленной связи, таких как FMS для Profibus или SDO для CANopen . Он до сих пор используется в качестве возможного прикладного уровня, например, для автоматизации энергосистемы в соответствии со стандартами IEC 61850 .

Полевые шины для автоматизации производства

В области автоматизации производства требования к полевой шине заключаются в обеспечении короткого времени реакции, при этом всего лишь несколько битов или байтов должны передаваться на расстояние не более нескольких сотен метров.

МОДБУС

Основная статья: Модбус

В 1979 году компания Modicon (ныне Schneider Electric ) определила последовательную шину для подключения своих программируемых логических контроллеров (ПЛК) под названием Modbus . В своей первой версии Modbus использовал двухпроводной кабель с сигналами EIA 485 UART . Сам протокол очень прост и состоит из протокола «главный/подчиненный» , а количество типов данных ограничено теми, которые понимаются ПЛК в данный момент. Тем не менее, Modbus (с его версией Modbus-TCP) по-прежнему остается одной из наиболее часто используемых промышленных сетей, в основном в области автоматизации зданий.

ПРОФИБУС

Основная статья: ПРОФИБУС

В 1987 году в результате исследовательского проекта при финансовой поддержке правительства Германии была определена полевая шина PROFIBUS на основе спецификации сообщений полевой шины (FMS). Практические применения показали, что с ним слишком сложно справиться в полевых условиях. В 1994 году компания Siemens предложила модифицированный прикладной уровень под названием «Децентрализованная периферия» (DP), который получил хорошее признание в обрабатывающей промышленности. 2016 г. Profibus — одна из самых распространенных полевых шин в мире. и достигает 60 миллионов установленных узлов в 2018 году.

ИНТЕРБУС

Основная статья: ИНТЕРБУС

В 1987 году компания Phoenix Contact разработала последовательную шину для подключения пространственно распределенных входов и выходов к централизованному контроллеру. Контроллер отправляет один кадр по физическому кольцу, который содержит все входные и выходные данные. Кабель имеет 5 проводов: помимо сигнала земли два провода для исходящего кадра и два провода для возвратного кадра. С помощью этого кабеля можно организовать всю установку в древовидной топологии .

INTERBUS имел большой успех в обрабатывающей промышленности: на местах было установлено более 22,9 миллионов устройств. Interbus присоединился к технологии Profinet для полевой шины Profinet на базе Ethernet, и теперь INTERBUS обслуживается Profibus Nutzerorganisation eV.

МОЖЕТ

Основная статья: CAN-шина

В 1980-х годах для решения проблем связи между различными системами управления автомобилями немецкая компания Robert Bosch GmbH впервые разработала сеть контроллеров (CAN). Концепция CAN заключалась в том, что каждое устройство может быть подключено одним набором проводов, и каждое подключенное устройство может свободно обмениваться данными с любым другим устройством. CAN вскоре мигрировал на рынок промышленной автоматизации (вместе со многими другими).

DeviceNet был разработан американской компанией Allen-Bradley (сейчас принадлежит Rockwell Automation ) и ODVA (Ассоциация поставщиков Open DeviceNet) как открытый стандарт полевой шины, основанный на протоколе CAN. DeviceNet стандартизирован в соответствии с европейским стандартом EN 50325. За спецификацию и поддержку стандарта DeviceNet отвечает ODVA. Подобно ControlNet и EtherNet/IP, DeviceNet принадлежит к семейству сетей на базе CIP. CIP ( Common Industrial Protocol ) образует общий прикладной уровень этих трех промышленных сетей. Таким образом, DeviceNet, ControlNet и Ethernet/IP хорошо скоординированы и предоставляют пользователю дифференцированную систему связи для уровня управления (EtherNet/IP), уровня ячейки (ControlNet) и полевого уровня (DeviceNet). DeviceNet представляет собой объектно-ориентированную шинную систему, работающую по методу производитель/потребитель. Устройства DeviceNet могут быть клиентскими (главными), серверными (подчиненными) или и тем, и другим. Клиенты и серверы могут быть производителями, потребителями или обоими.

CANopen был разработан CiA ( CAN in Automation ), ассоциацией пользователей и производителей CANopen, и с конца 2002 года стандартизирован как европейский стандарт EN 50325-4. CANopen использует уровни 1 и 2 стандарта CAN (ISO 11898). -2) и расширения в отношении назначения контактов, скорости передачи и прикладного уровня.

Полевые шины для автоматизации процессов

При автоматизации технологических процессов большинство полевых преобразователей традиционно подключаются через токовую петлю 4–20 мА к управляющему устройству. Это позволяет не только передавать измеренную величину с уровнем тока, но и обеспечивать необходимое электрическое питание полевого прибора всего по одному двухпроводному кабелю длиной более тысячи метров. Эти системы также устанавливаются во взрывоопасных зонах. Согласно NAMUR, полевая шина в этих приложениях должна соответствовать этим требованиям. Специальный стандарт для приборов IEC/EN 60079-27 описывает требования к концепции искробезопасности полевой шины (FISCO) для установок в зоне 0, 1 или 2.

МирFIP

Стандарт FIP основан на французской инициативе 1982 года по созданию анализа требований для будущего стандарта полевой шины. Исследование привело к появлению в июне 1986 года европейской инициативы Eureka по стандарту полевой шины, в которой приняли участие 13 партнеров. Группа разработчиков (réseaux locaux industriels) подготовила первое предложение по стандартизации во Франции. Название полевой шины FIP первоначально было дано как аббревиатура французского «Flux d'Information vers le Processus», а позже FIP назывался английским названием «Factory Instrumentation Protocol».

FIP уступил позиции Profibus, который в следующее десятилетие стал доминировать на рынке Европы - на домашней странице WorldFIP не было пресс-релизов с 2002 года. Ближайшего родственника семейства FIP сегодня можно найти в Wire Train Bus для вагонов. Однако определенное подмножество WorldFIP, известное как протокол FIPIO, широко распространено в компонентах машин.

Foundation Fieldbus (FF)

Foundation Fieldbus разрабатывался в течение многих лет Международным обществом автоматизации (ISA) как SP50. Сегодня Foundation Fieldbus имеет растущую базу установленных устройств во многих тяжелых технологических процессах, таких как нефтепереработка, нефтехимия, производство электроэнергии и даже производство продуктов питания и напитков, фармацевтика и ядерная промышленность.

С 1 января 2015 года Fieldbus Foundation стала частью новой группы FieldComm.

ПРОФИБУС-ПА

Profibus PA (автоматизация процессов) используется для связи между измерительными и технологическими приборами, приводами и системой управления процессом или ПЛК / РСУ в технологическом процессе. Profibus PA — это версия Profibus с физическим уровнем, подходящая для автоматизации процессов, в которой несколько сегментов (сегментов PA) с полевыми приборами могут быть подключены к Profibus DP через так называемые соединители. Двухпроводной шинный кабель этих сегментов берет на себя не только связь, но и электропитание участников ( технология передачи MBP ). Еще одной особенностью Profibus PA является широко используемый профиль устройства «PA Devices» (Профиль PA), в котором наиболее важные функции полевых устройств стандартизированы между производителями.

Полевые шины для автоматизации зданий

Рынок автоматизации зданий также предъявляет различные требования к применению полевой шины:

• установочная шина с множеством простых операций ввода-вывода, распределенных по большому пространству.
• полевая шина автоматизации для управления отоплением, вентиляцией и кондиционированием воздуха (HVAC)
• сеть управления для управления объектом

BatiBUS . создан в 1989 году и используется в основном во Франции Instabus и расширен до Европейской установочной шины (EIB) Европейский протокол домашних систем (EHS) был объединен в 1999 году со стандартом Konnex (KNX) EN 50090 (ISO/IEC 14543-3). В 2020 году 495 компаний-членов предлагают 8000 продуктов с интерфейсами KNX в 190 странах мира.

ЛонВоркс

Возвращаясь к 1980-м годам, в отличие от других сетей, LonWorks является результатом работы ученых-компьютерщиков из Echelon Corporation . В 1999 году протокол связи (тогда известный как LonTalk) был представлен ANSI и принят в качестве стандарта для сетей управления (ANSI/CEA-709.1-B), в 2005 году как EN 14908 (европейский стандарт автоматизации зданий). Протокол также является одним из нескольких канальных/физических уровней стандарта BACnet ASHRAE/ANSI для автоматизации зданий.

BACnet

Стандарт BACnet был первоначально разработан и в настоящее время поддерживается Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха ( ASHRAE ), начиная с 1987 года. BACnet является американским национальным стандартом ( ANSI ) 135 с 1995 года, европейским стандартом, национальным стандартом. во многих странах и глобальный стандарт ISO 16484 с 2003 года. В 2017 году доля BACnet на рынке автоматизации зданий составила 60%.

Стандартизация

Хотя технология полевой шины существует с 1988 года, после завершения разработки стандарта ISA S50.02 разработка международного стандарта заняла много лет. В 1999 году комитет по стандартам IEC SC65C/WG6 собрался, чтобы разрешить разногласия в проекте стандарта полевой шины IEC. Результатом этой встречи стала первоначальная форма стандарта IEC 61158 с восемью различными наборами протоколов, называемыми «Типы».

Эта форма стандарта была впервые разработана для Европейского общего рынка , меньше концентрируется на общности и достигает своей основной цели — устранения ограничений торговли между странами. Вопросы унификации теперь оставлены на усмотрение международных консорциумов, которые поддерживают каждый из типов стандартов полевой шины. Практически сразу после его утверждения работа по разработке стандартов МЭК была прекращена, а комитет распущен. Новый комитет IEC SC65C/MT-9 был сформирован для разрешения конфликтов по форме и содержанию в пределах более чем 4000 страниц стандарта IEC 61158. Работа над вышеуказанными типами протоколов практически завершена. Новые протоколы, например, для полевых шин безопасности или полевых шин Ethernet реального времени, принимаются в определение международного стандарта полевых шин в течение типичного 5-летнего цикла технического обслуживания. В версии стандарта 2008 года типы полевых шин реорганизованы в семейства коммуникационных профилей (CPF).

Структура стандартов полевой шины

Существовало множество конкурирующих технологий для полевых шин, и первоначальная надежда на единый механизм унифицированных коммуникаций не оправдалась. Это не должно быть неожиданным, поскольку технологию полевой шины необходимо реализовывать по-разному в разных приложениях; Автомобильные полевые шины функционально отличаются от полевых шин управления технологическим предприятием.

МЭК 61158: Промышленные сети связи. Спецификация полевой шины.

В июне 1999 года Комитет действий IEC (CA) решил принять новую структуру стандартов полевой шины, начиная с первого издания, действующего с 1 января 2000 года, то есть к новому тысячелетию: существует большой стандарт IEC 61158, в котором все полевые шины находят свое место. Эксперты решили, что структура IEC 61158 поддерживается по разным уровням, разделенным на сервисы и протоколы. Отдельные полевые шины включены в эту структуру как разные типы.

Стандарт IEC 61158 «Промышленные сети связи. Спецификации Fieldbus» разделен на следующие части:

• МЭК 61158-1, часть 1: Обзор и рекомендации для серий МЭК 61158 и МЭК 61784.
• IEC 61158-2 PhL: Часть 2: Спецификация физического уровня и определение услуги
• IEC 61158-3-x DLL: Часть 3-x: Определение службы канального уровня. Элементы типа x.
• IEC 61158-4-x DLL: Часть 4-x: Спецификация протокола канального уровня. Элементы типа x.
• IEC 61158-5-x AL: Часть 5-x: Определение службы прикладного уровня. Элементы типа x.
• IEC 61158-6-x AL: Часть 6-x: Спецификация протокола прикладного уровня. Элементы типа x.

Каждая часть по-прежнему содержит несколько тысяч страниц. Поэтому эти части были дополнительно разделены на подчасти. Отдельные протоколы просто пронумерованы с указанием типа. Таким образом, каждый тип протокола при необходимости имеет свою собственную подчасть.

Чтобы найти соответствующий подраздел отдельных частей стандарта МЭК 61158, необходимо знать соответствующий тип протокола для конкретного семейства.

В редакции IEC 61158 2019 года указано до 26 различных типов протоколов. В стандартизации IEC 61158 использование торговых марок избегается и заменяется сухими техническими терминами и сокращениями. Например, Ethernet заменяется технически правильным CSMA/CD или ссылкой на соответствующий стандарт ISO 8802.3. То же самое относится и к именам полевых шин: все они заменяются номерами типов. Поэтому читатель никогда не встретит таких обозначений, как PROFIBUS или DeviceNet, во всем стандарте полевой шины IEC 61158. В разделе «Соответствие IEC 61784» представлена ​​полная справочная таблица.

МЭК 61784: Промышленные сети связи. Профили

Понятно, что этот набор стандартов полевой шины в IEC 61158 не подходит для внедрения. Его необходимо дополнить инструкцией по применению. В этих инструкциях показано, как и какие части IEC 61158 можно собрать в работоспособную систему. Эта инструкция по сборке впоследствии была скомпилирована как профили полевой шины IEC 61784.

Согласно МЭК 61158-1 Стандарт IEC 61784 разделен на следующие части:

• Наборы профилей IEC 61784-1 для непрерывного и дискретного производства относительно использования полевой шины в промышленных системах управления.
• IEC 61784-2 Дополнительные профили для сетей связи на основе ISO/IEC 8802 3 в приложениях реального времени
• МЭК 61784-3 Полевые шины функциональной безопасности. Общие правила и определения профилей.
• IEC 61784-3-n Полевые шины функциональной безопасности – Дополнительные характеристики для CPF n
• МЭК 61784-5-n Установка полевых шин. Профили установки для CPF n

МЭК 61784-1: Профили полевой шины

МЭК 61784, часть 1. Стандарт с названием « Наборы профилей для непрерывного и дискретного производства относительно использования полевой шины в системах промышленного управления» перечисляет все полевые шины, предложенные национальными органами по стандартизации. В первом издании 2003 г. представлены 7 различных семейств коммуникационных профилей (CPF):

• CPF 1 FOUNDATION Fieldbus
• CPF 2 ControlNet
• CPF 3 ПРОФИБУС
• CPF 4 P-NET
• CPF 5 WorldFIP
• CPF 6 ИНТЕРБУС
• CPF 7 SwiftNet

Swiftnet, широко используемый в авиастроении (Boeing), был включен в первую редакцию стандарта. Позже это оказывается ошибкой, и во второй редакции 2007 года этот протокол был удален из стандарта. протокол CPF 8 CC-Link , протокол CPF 9 HART и CPF 16 SERCOS В то же время добавляются последняя полевая шина CPF 19 MECHATROLINK . В 4-м издании 2014 года в стандарт была включена . Издание 5 в 2019 году представляло собой лишь поддерживающую версию без добавления какого-либо нового профиля.

См. Список протоколов автоматизации для полевых шин, которые не включены в этот стандарт.

МЭК 61784-2: Ethernet в реальном времени

Уже во вторую редакцию профиля полевой шины включены первые профили, основанные на Ethernet в качестве физического уровня. Все эти новые разработанные протоколы Ethernet реального времени (RTE) скомпилированы в стандарте IEC 61784, часть 2. в качестве дополнительных профилей для сетей связи на основе ISO/IEC 8802 3 в приложениях реального времени . Здесь мы находим решения Ethernet/IP , три версии PROFINET IO — классов A, B и C — и решения P-NET, Огнеопасный/IP TCnet EtherCAT , Ethernet POWERLINK , Ethernet для автоматизации предприятий (EPA), а также MODBUS с новым протоколом публикации-подписки в реальном времени MODBUS-RTPS и устаревшим профилем MODBUS-TCP.

Решение SERCOS интересно в этом контексте. Эта сеть из области управления осями имела собственный стандарт IEC 61491. С появлением решения SERCOS III на базе Ethernet этот стандарт был разделен, а коммуникационная часть интегрирована в IEC 61158/61784. Прикладная часть была интегрирована вместе с другими приводными решениями в специальный стандарт приводов IEC 61800-7.

Итак, список RTE для первого издания 2007 года уже длинный:

• КПФ 2 СИП
• CPF 3 PROFIBUS И PROFINET
• CPF 4 P-NET
• CPF 6 ИНТЕРБУС
• CPF 10 Виртуальная сеть/IP
• CPF 11 TCnet
• CPF 12 EtherCAT
• CPF 13 ETHERNET Powerlink
• CPF 14 Ethernet для автоматизации предприятий (EPA)
• CPF 15 МОДБУС
• CPF 16 СЕРКОС

В 2010 году уже было опубликовано второе издание, включающее CPF 17 RAPIEnet и CPF 18 SafetyNET p . В третье издание 2014 года была добавлена ​​версия CC-Link Industrial Ethernet (IE) . Два семейства профилей CPF 20 ADS-net и CPF 21 FL-net добавлены к четвертому изданию в 2019 году.

Подробную информацию об этих RTE см. в статье Industrial Ethernet .

МЭК 61784-3: Безопасность

Для функциональной безопасности различные консорциумы разработали различные протоколы для приложений безопасности до уровня полноты безопасности 3 (SIL) в соответствии с IEC 61508 или уровня производительности «e» (PL) в соответствии с ISO 13849 . Общим для большинства решений является то, что они основаны на черном канале и, следовательно, могут передаваться через различные полевые шины и сети. В зависимости от фактического профиля протокол безопасности предоставляет такие меры, как счетчики, CRC , эхо, тайм-аут, уникальные идентификаторы отправителя и получателя или перекрестную проверку.

Первое издание стандарта IEC 61784, часть 3, выпущенное в 2007 году. поименованные сети промышленных коммуникаций – Профили – Полевые шины функциональной безопасности включают семейства коммуникационных профилей (CPF):

• CPF 1 FOUNDATION Fieldbus
• CPF 2 CIP с безопасностью CIP
• CPF 3 PROFIBUS и PROFINET с PROFIsafe
• CPF 6 ИНТЕРБУС

использует протокол безопасности CIP . SERCOS также Во втором издании, выпущенном в 2010 году, к стандарту добавлены дополнительные CPF:

• CPF 8 CC-Link
• CPF 12 EtherCAT с безопасностью через EtherCAT
• CPF 13 Ethernet POWERLINK с openSAFETY
• CPF 14 Агентство по охране окружающей среды

В третье издание 2016 года был добавлен последний профиль безопасности CPF 17 SafetyNET p . Ожидается, что новая редакция 4 будет опубликована в 2021 году. В настоящее время стандарт имеет 9 различных профилей безопасности. Все они включены и упоминаются в глобальной таблице соответствия в следующем разделе.

Соответствие МЭК 61784

Семейства протоколов каждой торговой марки называются семейством коммуникационных профилей и обозначаются сокращенно CPF с номером. Каждое семейство протоколов теперь может определять полевые шины, решения Ethernet реального времени, правила установки и протоколы функциональной безопасности. Эти возможные семейства профилей изложены в IEC 61784 и собраны в следующей таблице.

показывать Семейства коммуникационных профилей (CPF), услуги и типы протоколов

Communication Profile Families (CPF) in IEC 61784 (sub-)part IEC 61158 Services & Protocols CPF Family Communication Profile (CP) & trade name 1 2 3 5 PhL DLL AL 1 Foundation Fieldbus (FF) CP 1/1 FF - H1 X -1 -1 Type 1 Type 1 Type 9 CP 1/2 FF – HSE X -1 -1 8802-3 TCP/UDP/IP Type 5 CP 1/3 FF - H2 X -1 -1 Type 1 Type 1 Type 9 FSCP 1/1 FF-SIS -1 2 CIP CP 2/1 ControlNet X -2 Type 2 Type 2 Type 2 CP 2/2 EtherNet/IP X X -2 -2 8802-3 Type 2 Type 2 CP 3/3 DeviceNet X -2 -2 Type 2 Type 2 Type 2 FSCP 2/1 CIP Safety -2 3 PROFIBUS & PROFINET CP 3/1 PROFIBUS DP X -3 -3 Type 3 Type 3 Type 3 CP 3/2 PROFIBUS PA X -3 -3 Type 1 Type 3 Type 3 CP 3/3 PROFINET CBA (void since 2014) 8802-3 TCP/IP Type 10 CP 3/4 PROFINET IO Class A X -3 -3 8802-3 UDP/IP Type 10 CP 3/5 PROFINET IO Class B X -3 -3 8802-3 UDP/IP Type 10 CP 3/6 PROFINET IO Class C X -3 -3 8802-3 UDP/IP Type 10 FSCP 3/1 PROFIsafe -3 4 P-NET CP 4/1 P-NET RS-485 X -4 Type 4 Type 4 Type 4 CP 4/2 P-NET RS-232 (removed) Type 4 Type 4 Type 4 CP 4/3 P-NET on IP X -4 8802.3 Type 4 Type 4 5 WorldFIP CP 5/1 WorldFIP (MPS, MCS) X Type 1 Type 7 Type 7 CP 5/2 WorldFIP (MPS, MCS, SubMMS) X Type 1 Type 7 Type 7 CP 5/3 WorldFIP (MPS) X Type 1 Type 7 Type 7 6 INTERBUS CP 6/1 INTERBUS X -6 -6 Type 8 Type 8 Type 8 CP 6/2 INTERBUS TCP/IP X -6 -6 Type 8 Type 8 Type 8 CP 6/3 INTERBUS Subset X -6 -6 Type 8 Type 8 Type 8 CP 6/4 Link 3/4 to INTERBUS X -6 Type 8 Type 8 Type 10 CP 6/5 Link 3/5 to INTERBUS X -6 Type 8 Type 8 Type 10 CP 6/6 Link 3/6 to INTERBUS X -6 Type 8 Type 8 Type 10 FSCP 6/7 INTERBUS Safety -6 7 Swiftnet Deleted for lack of market relevance Type 6 8 CC-Link CP 8/1 CC-Link/V1 X -8 -8 Type 18 Type 18 Type 18 CP 8/2 CC-Link/V2 X -8 Type 18 Type 18 Type 18 CP 8/3 CC-Link/LT (Bus powered - low cost) X -8 Type 18 Type 18 Type 18 CP 8/4 CC-Link IE Controller X -8 8802-3 Type 23 CP 8/5 CC-Link IE Field Network X -8 8802-3 Type 23 FSCP 8/1 CC-Link Safety -8 9 HART CP 9/1 Universal Command (HART 6) X -- -- Type 20 CP 9/2 Wireless HART (See IEC 62591) -- -- Type 20 10 Vnet/IP CP 10/1 Vnet/IP X -10 8802-3 Type 17 Type 17 11 TCnet CP 11/1 TCnet-star X -11 8802-3 Type 11 Type 11 CP 11/2 TCnet-loop 100 X -11 8802-3 Type 11 Type 11 CP 11/3 TCnet-loop 1G X -11 8802-3 Type 11 Type 11 12 EtherCAT CP 12/1 Simple IO X -12 -12 Type 12 Type 12 Type 12 CP 12/2 Mailbox & time synchronization X -12 -12 Type 12 Type 12 Type 12 FSCP 12/1 Safety over EtherCAT -12 13 Ethernet POWERLINK CP 13/1 EPL X -13 -13 8802-3 Type 13 Type 13 FSCP 13/1 openSAFETY -13 14 Ethernet for Plant Automation (EPA) CP 14/1 EPA NRT X -14 -14 8802-3 Type 14 Type 14 CP 14/2 EPA RT X -14 -14 8802-3 Type 14 Type 14 CP 14/3 EPA FRT X 8802-3 Type 14 Type 14 CP 14/4 EPA MRT X -14 -14 8802-3 Type 14 Type 14 FSCP 14/1 EPA Safety -14 15 MODBUS-RTPS CP 15/1 MODBUS TCP X -15 8802-3 TCP/IP Type 15 CP 15/2 RTPS X -15 8802-3 TCP/IP Type 15 16 SERCOS CP 16/1 SERCOS I X -16 Type 16 Type 16 Type 16 CP 16/2 SERCOS II X -16 Type 16 Type 16 Type 16 CP 16/3 SERCOS III X -2 -16 8802-3 Type 16 Type 16 SFCP 2/1 CIP Safety -2 17 RAPIEnet CP 17/1 X -17 8802-3 Type 21 Type 21 18 SafetyNET p CP 18/1 RTFL (real time frame line) X -18 -18 8802-3 Type 22 Type 22 CP 18/2 RTFN (real time frame network) X -18 -18 8802-3 Type 22 Type 22 SFCP 18/1 SafetyNET p -18 19 MECHATROLINK CP 19/1 MECHATRILINK-II X -19 Type 24 Type 24 Type 24 CP 19/2 MECHATRILINK-III X -19 Type 24 Type 24 Type 24 20 ADS-net CP 20/1 NETWORK-1000 X -20 8802-3 Type 25 Type 25 CP 20/2 NX X -20 8802-3 Type 25 Type 25 21 FL-net CP 21/1 FL-net X -21 8802-3 Type 26 Type 26

В качестве примера будем искать стандарты PROFIBUS-DP. Он принадлежит к семейству CPF 3 и имеет профиль CP 3/1. В таблице 5 мы видим, что область действия его протокола определена в IEC 61784, часть 1. Он использует тип протокола 3, поэтому документы IEC 61158-3-3, 61158-4-3, 61158-5-3 и 61158-6-3 необходимы для определений протокола. Физический интерфейс определен в стандарте 61158-2 типа 3. Правила установки можно найти в IEC 61784-5-3 в Приложении A. Его можно комбинировать с FSCP3/1 как PROFIsafe, что определено в IEC. 61784-3-3 стандарт.

Чтобы изготовителю не приходилось подробно перечислять все эти стандарты, в стандарте указывается ссылка на профиль. Поэтому в случае нашего примера с PROFIBUS-DP необходимо указать соответствующие стандарты.

Соответствие IEC 61784-1 Ред.3:2019 CPF 3/1

IEC 62026: Интерфейсы контроллер-устройство (CDI).

Требования к сетям полевых шин для приложений автоматизации процессов (расходомеры, датчики давления и другие измерительные устройства и регулирующие клапаны в таких отраслях, как переработка углеводородов и производство электроэнергии) отличаются от требований к сетям полевых шин, встречающихся в дискретных производственных приложениях, таких как автомобилестроение, где используется большое количество дискретных датчиков, включая датчики движения, датчики положения и т. д. Дискретные сети полевых шин часто называют «сетями устройств».

Уже в 2000 году Международная электротехническая комиссия (МЭК) решила, что набор интерфейсов контроллер-устройство (CDI) будет определен Техническим комитетом TC 121 « Низковольтное коммутационное и управляющее оборудование» для покрытия сетей устройств. Этот набор стандартов под номером IEC 62026. включает в актуальное издание 2019 года следующие части:

• МЭК 62026-1: Часть 1: Общие правила.
• МЭК 62026-2: Часть 2: Интерфейс датчика привода (AS-i)
• МЭК 62026-3: Часть 3: DeviceNet
• МЭК 62026-7: Часть 7: CompoNet

Следующие детали были сняты с производства в 2006 году и больше не обслуживаются:

• МЭК 62026-5: Часть 5: Интеллектуальная распределенная система (SDS).
• МЭК 62026-6: Часть 6: Seriplex (последовательная мультиплексированная шина управления)

Преимущество в стоимости

Количество требуемых кабелей для полевой шины намного меньше, чем для установок 4–20 мА. Это связано с тем, что многие устройства используют один и тот же набор кабелей в нескольких точках, а не требуют специального набора кабелей для каждого устройства, как в случае устройств 4–20 мА. Более того, по сети Fieldbus на одно устройство можно передавать несколько параметров, тогда как по соединению 4–20 мА можно передавать только один параметр. Полевая шина также обеспечивает хорошую основу для создания стратегии прогнозного и упреждающего обслуживания. Диагностику, доступную от устройств полевой шины, можно использовать для устранения проблем с устройствами до того, как они станут критическими.

сеть

Несмотря на то, что каждая технология имеет общее название полевой шины, различные полевые шины не являются взаимозаменяемыми. Различия между ними настолько глубоки, что их нелегко связать друг с другом. Чтобы понять различия между стандартами полевых шин, необходимо понять, как устроены сети полевых шин. Что касается модели OSI , стандарты полевой шины определяются физической средой кабельной системы и первым, вторым и седьмым уровнями эталонной модели.

Для каждой технологии стандарты физической среды и физического уровня полностью описывают реализацию синхронизации битов, синхронизации, кодирования/декодирования, скорости полосы пропускания, длины шины и физического соединения приемопередатчика с проводами связи. Стандарт уровня канала передачи данных отвечает за полное определение того, как сообщения собираются для передачи на физическом уровне, обрабатывают ошибки, фильтруют сообщения и арбитраж шины, а также как эти стандарты должны быть реализованы на аппаратном уровне. Стандарт прикладного уровня в целом определяет, как уровни передачи данных взаимодействуют с приложением, которое желает взаимодействовать. В нем описываются спецификации сообщений, реализации управления сетью и ответ на запрос приложения сервисов. Уровни с третьего по шестой не описаны в стандартах полевой шины.

Функции

Различные полевые шины предлагают разные наборы функций и производительность. Трудно провести общее сравнение производительности полевой шины из-за фундаментальных различий в методологии передачи данных. В приведенной ниже сравнительной таблице просто указано, поддерживает ли рассматриваемая полевая шина циклы обновления данных длительностью 1 миллисекунду или быстрее.

Полевая шина	Мощность шины	Резервирование кабелей	Макс. устройства	Синхронизация	Субмиллисекундный цикл
АФДКС	Нет	Да	Почти неограниченно	Нет	Да
AS-интерфейс	Да	Нет	62	Нет	Нет
CANopen	Нет	Нет	127	Да	Нет
КомпоНет	Да	Нет	384	Нет	Да
Контрольная сеть	Нет	Да	99	Нет	Нет
CC-Link	Нет	Нет	64	Нет	Нет
Девайснет	Да	Нет	64	Нет	Нет
EtherCAT	Да	Да	65,536	Да	Да
Ethernet Powerlink	Нет	Необязательный	240	Да	Да
ЭтерНет/IP	Нет	Необязательный	Почти неограниченно	Да	Да
Интербус	Нет	Нет	511	Нет	Нет
ЛонВоркс	Нет	Нет	32,000	Нет	Нет
Модбус	Нет	Нет	246	Нет	Нет
ПРОФИБУС ДП	Нет	Необязательный	126	Да	Нет
ПРОФИБУС ПА	Да	Нет	126	Нет	Нет
ПРОФИНЕТ ИО	Нет	Необязательный	Почти неограниченно	Нет	Нет
ПРОФИНЕТ ИРТ	Нет	Необязательный	Почти неограниченно	Да	Да
СЕРКОС III	Нет	Да	511	Да	Да
Интерфейс СЕРКОС	Нет	Нет	254	Да	Да
Foundation Fieldbus H1	Да	Нет	240	Да	Нет
Фонд ВШЭ	Нет	Да	Почти неограниченно	Да	Нет
Он хватает	Нет	Да	256	В разработке	Условный
Полевая шина	Мощность шины	Резервирование кабелей	Макс. устройства	Синхронизация	Субмиллисекундный цикл

Рынок

По состоянию на 2008 год На рынке систем управления технологическими процессами доминируют Foundation Fieldbus и Profibus PA. Обе технологии используют один и тот же физический уровень (2-проводная модуляция тока с манчестерским кодированием на частоте 31,25 кГц), но не являются взаимозаменяемыми. В общем, приложения, которые управляются и контролируются программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), склонны к использованию PROFIBUS, а приложения, которые управляются и контролируются цифровой/распределенной системой управления (DCS), склоняются к Foundation Fieldbus. Технология PROFIBUS доступна через компанию Profibus International со штаб-квартирой в Карлсруэ, Германия. Технология Foundation Fieldbus принадлежит и распространяется Fieldbus Foundation в Остине, штат Техас.

См. также

• Протокол параллельного резервирования
• Протокол резервирования среды передачи данных

Библиография

• Бэбб, Майкл (январь 1994 г.). «Научится ли техобслуживание любить Fieldbus?». Техника управления . п. 19.
• Бэбб, Майкл (июль 1994 г.). «Еще одна задержка полевой шины, DPV Шнайдера и открытые системы». Техника управления . п. 29.
• Гокорш, Стив (июнь 1994 г.). «Другой сценарий: техобслуживание научится любить Fieldbus». Техника управления . стр. 112–114.
• Ганнел, Джефф (март 1994 г.). «Ссылки на анализаторы могут использовать Fieldbus». Контроль и приборы . стр. 33–35.
• Ходжкинсон, Джефф (1994). «Мы слушаем сообщения?». Технологическое проектирование, Приложение к приборостроению, 1994 г. стр. с19–с21.
• Джонс, Джереми (август 1992 г.). «Может ли выжить Fieldbus?». Контроль и приборы . стр. 25–26.
• Керридж, Брайан (28 апреля 1994 г.). «Сетевые поставщики объединяются по стандарту Fieldbus». ЭДН . стр. 45–46.
• Ратье, Дж. (сентябрь 1994 г.). «Намюр говорит да технологии Fieldbus и обещает снижение затрат». Контроль и приборы . стр. 33–34.
• Рив, Алан (август 1993 г.). «Полевая шина — участвуют ли пользователи?». Контроль и приборы . стр. 25–26.
• Спир, Майк (апрель 1994 г.). «Взгляд на использование полевой шины с завода». Технологическая инженерия . стр. 38–39.
• Спир, Майк (апрель 1994 г.). «Полевой автобус готов начать последний круг?». Технологическая инженерия . п. 37.
• Чата, Эндрю (май 1994 г.). «Fieldbus: основа полевых систем управления». Техника управления . стр. 47–50.
• Фернесс, Гарри (январь 1994 г.). «Цифровая связь обеспечивает...». Техника управления . стр. 23–25.
• Фернесс, Гарри (март 1994 г.). «Полевая шина: различия начинаются снизу вверх». Техника управления . стр. 49–51.
• Фуи, Кен (сентябрь 1993 г.). «Полевой автобус отправляется в путь». Химическая инженерия . стр. 37–41.
• Джонсон, Дик (декабрь 1994 г.). «Будущее Fieldbus на Milestone 1995». Техника управления . стр. 49–52.
• Свободный, Грэм (май 1994 г.). «Когда перерабатывающая промышленность может использовать Fieldbus?». Контроль и приборы . стр. 63–65.
• Спир, Майк (март 1993 г.). «Fieldbus предстоит первые испытания». Технологическая инженерия . п. 36.
• Лэшер, Ричард Дж. (июль 1994 г.). «Достижения Fieldbus и их последствия». Техника управления . стр. 33–35.
• Пирсон, Линда Л. (ноябрь 1994 г.). «Более широкие стандарты полевой шины улучшат функциональность системы». Техника управления . стр. 38–39.
• Пауэлл, Джеймс; Ванделинде, Генри (2009). Catching the Process Fieldbus — введение в PROFIBUS для автоматизации процессов .
• Патель, Кирнеш (2013) Foundation Fieldbus Technology и ее приложения
• О'Нил, Майк (январь 2007 г.). «Достижения в области полевых шин». Информатор перерабатывающей промышленности . стр. 36–37.
• Махалик, НП; Мур, PR (1 августа 1997 г.). «Распределенное управление на основе технологии Fieldbus в перерабатывающих отраслях: пример использования технологии LonWorks». Интегрированные производственные системы . Том. 8, нет. 4. С. 231–243. дои : 10.1108/09576069710182054 . ISSN   0957-6061 .
• «Инструментальные функции безопасности FOUNDATION Fieldbus создают будущее безопасности технологических процессов» (PDF) . fieldbus.org . Консультативная группа АРК. 2008. Архивировано из оригинала (PDF) 31 июля 2020 г.