На сегодняшний день элементы архитектуры на большинстве производственных предприятий включают систему управления, контроллеры, распределенные системы управления, системы безопасности при наличии опасных технологических процессов, разнообразные контрольно-измерительные приборы и программные приложения над уровнем систем автоматизации. Программные приложения обычно функционируют на базе операционной системы Windows, а система управления, которая, безусловно, есть на производственном объекте, сопряжена с контрольно-измерительными приборами с помощью целого ряда протоколов.
Рассмотрим три технологии, которые существенно преобразуют архитектуру производственного предприятия в последующие несколько лет (рисунок 1).
Первая инновационная технология – расширенный физический уровень, Ethernet APL. Расширенный физический уровень позволит организовать Ethernet-соединение для всех полевых приборов, которые будут связаны с системой управления технологическими процессами гораздо более надежным способом, при этом появится возможность получать огромное количество ранее недоступных данных с полевого уровня.
Вторая технология – облачные вычисления. Облачные решения сегодня активно применяются специалистами по информационным технологиям на большинстве предприятий наших заказчиков. Они стремительно развивались и стали чрезвычайно популярны как в промышленном мире, так и в мире работы с данными. Как правило, облачные решения используются в рамках корпоративных информационных систем и сопрягаются с системами автоматизации или центрами обработки данных на предприятии заказчика с помощью специально разработанных интерфейсов. Однако новой тенденцией является то, что облачные сервисы получают все большее распространение в области автоматизации производственных процессов. Также набирает обороты модель SaaS («Программное обеспечение как услуга»). Пользователь SaaS-системы не занимается технической стороной работы программных приложений, этим занимается поставщик, то есть мы, Эмерсон, а он только оплачивает подписку. Или же вы можете воспользоваться услугой «Дистанционный сервис», в рамках которой мы проанализируем ваши данные и опишем текущую ситуацию на вашем предприятии.
Третья перспективная технология – это скорее отдельный тип архитектуры, так называемая производственная информационная система. Традиционно центральным пунктом для сбора данных с полевых устройств считалась автоматизированная система управления. Однако в процессе цифровой трансформации, которая происходит сегодня, выстраивается совершенно новая архитектура, которая включает новые контрольно-измерительные приборы и периферийные устройства, которые передают данные дальше на уровень предприятия для последующих аналитических операций. К тому же появляются новые технологии агрегирования информации, такие как Озера производственных данных (Data Lake), которые позволяют сконцентрировать сведения о производственных процессах и все имеющиеся данные из систем автоматизации в облачной среде.
Сегодня подробнее остановимся на первой технологии.
Расширенный физический уровень Ethernet APL
На промышленных предприятиях традиционным интерфейсом между контрольно-измерительными приборами и системами автоматизации являляется токовая петля 4-20 мА, зачастую в сочетании с протоколом HART для передачи цифровых данных. Технология Ethernet имеет огромные преимущества: быстрая передача данных, высокая пропускная способность, популярность, а также простота интеграции данных корпоративных информационных систем и производственных информационных систем. Однако при использовании на промышленном предприятии Ethernet имеет существенные ограничения. Во-первых, Ethernet не поддерживает обмен данными по простому двухпроводному соединению, для этого нужен отдельный Ethernet-кабель, во-вторых, передача данных осуществляется на ограниченное расстояние, и в большинстве случаев требуется отдельный источник питания для полевых приборов. Таким образом, по простоте установке Ethernet-соединение значительно уступает двухпроводной токовой петле 4-20 мА или другому аналоговому интерфейсу, а также Ethernet-соединение не имеет искробезопасного исполнения, а это важное требование на многих производственных предприятиях. Решением таких проблем становится расширенный физический уровень Ethernet APL.
Что такое Ethernet APL?
Ethernet APL – это новый физический уровень, который поддерживает все существующие протоколы Ethernet, но обеспечивает их работу в рамках такой физической инфраструктуры, которая соответствует требованиям к работе во взрывоопасных зонах. Скорость обмена данными по Ethernet APL гораздо выше, чем по протоколам HART и Foundation Fieldbus и составляет 10 мегабит в секунду. Ethernet APL будет поддерживать обмен данными по простому двухпроводному соединению, обеспечивать подачу питания по двум проводам, при этом длина ответвления к полевым приборам составит 200 м от ближайшей распределительной коробки с установленным коммутатором Ethernet APL. Таким образом, Ethernet APL позволяет включить полевые измерительные приборы в единую архитектуру и промышленную сеть Ethernet с соблюдением требований искробезопасности, обеспечивая при этом подачу электропитания. Предполагаемая схему распределения соединений Ethernet и Ethernet APL представлена на рисунке 2.
Кем разработан Ethernet APL?
Впервые стандарты были определены Международным комитетом по стандартам, группой инженеров из Института инженеров электротехники и электроники (IEEE) и Международной электротехнической комиссией. Также существует объединение поставщиков, рабочая группа Ethernet APL(рисунок 1), в которую входит и корпорация Emerson, совместно продвигающая данную технологию на рынке, которая также работает над определением характеристик искробезопасности. Важный момент, что среди компаний-участников есть и организации, занимающиеся разработкой коммуникационных протоколов, так как Ethernet APL – это не протокол, а исключительно физический уровень, среда передачи данных, в которой функционируют все те же протоколы, что и в среде Ethernet.
Для чего предназначен Ethernet APL?
Одна из главных и наиболее привлекательных особенностей – возможность передачи больших массивов данных с высокой скоростью. Значение этих параметров будет значительно варьироваться в зависимости от типа полевого устройства, с которым устанавливается соединение, и типа данных, которые данное устройство передает.
Кориолисовые расходомеры или газовые хроматографы уже интегрированы в стандартную сеть Ethernet там, где это возможно, на тех производствах, где не требуется искробезопасное оборудование и есть возможность соблюсти ограничения по дальности передачи данных. Для КИП, таких как радарные уровнемеры, многопараметрические преобразователи и цифровые позиционеры клапанов, внедрение Ethernet APL существенно повысит эффективность их функционирования с точки зрения скорости передачи данных и соблюдения требований искробезопасности. При этом установка таких приборов останется такой же удобной, как и сегодня при наличии аналоговых соединений 4-20 мА.
Измерительные преобразователи давления и температуры имеют интеллектуальные функции и генерируют определенный набор параметров, однако, данных не так много, и протоколы HART довольно хорошо работают в рамках аналогового интерфейса 4-20 мА для этих устройств. Но поскольку мы активно внедряем расширенный физический уровень на промышленных объектах, целесообразно распространить его и на простые полевые устройства с целью построить единую сетевую архитектуру предприятия. Кроме того, мы всегда задумываемся о добавлении в наши средства измерения нового функционала, для реализации которого потребуется более высокая пропускная способность сети и улучшенные возможности подачи питания – как раз то, что привносит Ethernet APL. В результате мы сможем расширить набор функций и увеличить объем памяти полевых приборов. Распределение вероятности внедрения Ethernet APL для различных устройств представлено на рисунке 4.
Компания Emerson обдумывала разные варианты объединения APL с нашей системой управления технологическими процессами. Сегодня в рамках нашей распределенной системы управления ДельтаВ мы устанавливаем распределенные характеристические модули CHARM. Это установленная в полевых условиях распределительная коробка с несколькими модулями CHARM, при этом каждый модуль принимает и передает определенный тип сигнала, что позволяет собрать разные типы сигналов на одной панели. Мы посчитали целесообразным расширить данный тип архитектуры, добавив возможность обрабатывать APL-сигналы. Таким образом, нет необходимости устанавливать рядом с модулями CHARM отдельную распределительную коробку или полевой коммутатор для аналоговых устройств, которые по-прежнему есть на вашем предприятии.
Первая версия такой архитектуры будет поддерживать наиболее приоритетные протоколы, такие как PROFINET и HART IP, но, будучи поставщиками систем управления, мы планируем со временем обеспечить поддержку целого ряда других протоколов. На наш взгляд, на рынке еще какое-то время будут представлены разные протоколы.
Подводя итог, мы считаем, что для первоначального внедрения Ethernet APL лучше всего подходит протокол HART IP — это не единственный протокол, который будет поддерживаться, но он максимально удобен в работе. Устройства, функционирующие на уровне APL, отличаются более оперативным откликом с точки зрения скорости и объема передачи данных, а также являются более гибкими для добавления новых функций, чем приборы с аналоговым выходом 4-20 мА. В этом существенное преимущество уровня APL. Это новая перспективная технология, которая изменит архитектуру систем управления и полевых промышленных сетей.
