книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации
.pdfВажнейшим фактором является то, что Ethernet является международным стандартом. Все экономические преимущества, полученные за счет использования аппаратуры и ПО Ethernet в других областях промышленности, следует использовать и в области управления технологическими процессами.
6.2. ПОДДЕРЖКА FOUNDATION FIELDBUS
Fieldbus Foundation является независимой некоммерческой организацией, деятельность которой основана на следующих принципах:
♦технология FF является открытой и доступной для всех участников;
♦технология FF базируется на работах МЭК (Международной электротехнической комиссии) и ISА (Тhe International Society of Measurement and Соntгоl);
♦члены организации Fieldbus Foundation поддерживают комитеты по стандартизации и сотрудничают с ними.
Структура организации Fieldbus Foundation представлена на рис. 6.3. В ее состав входят свыше 130 компаний, являющихся мировыми лидерами в области поставки, производства и эксплуатации оборудования для систем управления процессами и управления производством. Благодаря совместным усилиям этих компаний создан и поддерживается протокол FF, используемым во многих странах мира, а также был разработан стандарт IEC/ISA Fieldbus.
Приборы, зарегистрированные Foundation Fieldbus, проходят
испытания на соответствие шине FF. Заключительная стадия испытаний представляет собой более 300 различных тестов, в которых проверяются возможности совместного согласованного функционирования в системе FF. Испытания по совместному использованию оборудования дополняют тесты пакетов ПО, которое требуется при направлении прибора для регистрации. Такие тесты требуются для
271
Рис. 6.3. Структура организации Fieldbus Foundation
подтверждения соответствия прибора техническим характеристикам FF, которые даны в международном стандарте IEC 61158 и одобрены
ISA/ANSS-50.
6.3.ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ FOUNDATION FIELDBUS
FF представляет собой двухуровневый сетевой протокол, сочетающий черты мощной информационной магистрали для интеграции компьютеров верхнего уровня и управляющей сети нижнего уровня, объединяющей контроллеры, датчики и исполнительные механизмы.
Максимальное число узлов составляет 240 на сегмент (поддерживается до 65 000 сегментов), длина соединения – до 1900 м. На этом уровне сеть FF может быть использована в качестве полной замены аналогового стандарта токовой петли 4–20 мА.
На верхнем уровне (протокол Н2) в настоящее время исполь-
зуется Foundation Fieldbus HSE, основанный на сети Fast Ethernet со
скоростью передачи 100 Мбит/с.
Отсюда вытекает основная область применения сети FF – самый нижний уровень распределенной системы автоматического
272
управления с обвязкой устройств, работающих во взрывоопасных средах. Такие сети обеспечивают безопасность с точки зрения их внутренней структуры, что означает их пригодность для работы в потенциально опасных условиях. В безопасной зоне к одному кабелю может быть подключено до 32 устройств. Число устройств, которые могут подключаться к одному кабелю в потенциально опасной зоне эксплуатации, зависит от потребляемой мощности, электроемкости устройств и кабеля, а также от правил и ограничений, действующих в опасной зоне.
Во многих странах ограничения, определяемые местными регулирующими органами, ограничивают число устройств, которые могут подключаться к одному кабелю при работе в потенциально опасной зоне, четырьмя устройствами, хотя в других странах допустимо подключать большее число устройств.
Пользовательский уровень. Технология FF начала свое развитие с семиуровневой модели ISO/OSI. FF несколько изменила эту модель, включив в нее принятый ISA/IEC-стандарт физического уровня, создав уровень согласования данных (уровень 2) и исключив уровни 3–6, в основном из соображений качества функционирования.
Однако FF имеет восьмой уровень, названный пользовательским. Пользовательский уровень включает функциональные блоки (ФБ) и описание устройств DD. Этот дополнительный уровень (User Level) позволяет, применяя определенные ФБ, представляющие собой стандартные функции задач автоматизации, таких как, например, аналоговый ввод (А1), аналоговый вывод (А0) и ПИД-регулирование, селектор сигналов, операторский ввод, блок «отношение – смещение», блок «отношение» и др., строить промышленные сети с распределенным интеллектом. ФБ встроены в полевые устройства, за счет чего обеспечивается необходимый уровень функциональных возможностей устройства.
Блочно-ориентированная структура ФБ позволяет бесшовно стыковать полевые устройства от разных производителей без потери функциональности или степени интеграции с системой управления хоста. Функциональная совместимость устройств позволяет
273
пользователю выбрать аппаратуру, наиболее соответствующую типу используемого приложения, независимо от поставщика хостсистемы или поставщиков других устройств в сети. Это дает пользователям возможность использовать запасные детали и оборудование от различных поставщиков.
Передача функций управления полевым устройствам позволяет сократить количество необходимого оборудования управления
иввода-вывода, включая конструктивы для установки плат, шкафы
иисточники питания.
Другие протоколы СА не предусматривают существование полностью определенных стандартных ФБ. Некоторые протоколы используют «профили» для определения ФБ, главным образом выполняющих функции ввода и вывода. Управление осуществляется через специально сконфигурированные хосты. Протокол FF, напротив, создавался с целью не только реализовать цифровой обмен данными между хост-системой и полевым оборудованием, но и обеспечить поддержку распределенного управления, а также возможность автоматического конфигурирования оборудования, известного как технология Plug and Play, что существенно расширяет границы совместимости оборудования.
Исполнение блока управляется посредством передачи данных, поскольку каждое устройство поддерживает синхронизируемый таймер. Таким образом, управляющий контур, распределенный между несколькими устройствами, может завершить операцию в самое короткое время. Это, в свою очередь, приводит к увеличению быстродействия и повышению стабильности контура.
Кроме того, для каждого типа устройства определены блоки датчиков, учитывающие функциональные особенности аппаратуры этих устройств. В результате для каждого устройства имеется единый блок ресурсов для управления.
Представители разных фирм-изготовителей разработали ФБ так, чтобы они отвечали требованиям широкой группы систем управления и фирм-изготовителей контрольно-измерительных приборов, а не какому-либо одному типу оборудования.
274
Изготовители приборов могут быть уверены, что их изделия будут совместно функционировать с оборудованием, изготавливаемым другими фирмами, если они просто сконфигурируют их, используя стандартные ФБ. С целью дальнейшего упрощения процесса был определен стандартный набор профилей устройств общего назначения типа расходомеров, датчиков температуры, клапанов и др.
Описание устройств (DD) на языке описания устройств
DDL. Если бы изготовители должны были ограничиться только стандартными функциями выпускаемых приборов, то все приборы были бы одинаковы. Однако FF позволяет изготовителям встраивать в свои приборы различные функциональные возможности, которые отличают их от аналогичных изделий конкурирующих фирм. Эти устройства могут передавать свои уникальные данные в систему, используя программное описание устройства (Device Description, DD), которое должно быть написано на языке описаний устройств (DDL). Язык описания устройств DDL является ключевым элементом, с помощью которого изготовители контрольно-измерительных приборов могут обеспечить требование совместного функционирования различных приборов и при этом иметь возможность использовать новые разработки и «изюминки» в своих изделиях.
Поставщики полевых приборов и устройств обеспечивают пользователей описанием устройств DD (можно считать, драйверами приборов). После загрузки описания устройства в главную систему (хост-систему) эта система и все другие устройства в сети знают о всех функциональных возможностях нового оборудования, способны поддерживать весь спектр функциональных возможностей устройства. Благодаря этому появляется возможность постоянного пополнения поддерживаемых функций. Производители оборудования могут продолжать изобретать новые и расширять уже существующие возможности системы, применяемые независимо от хост-системы.
Другие протоколы СА не предусматривают наличия компонентов, аналогичных описаниям устройств DD. Некоторые протоколы поддерживают «профили» устройств, которые содержат ос-
275
новной набор параметров. Однако данные профили имеют жесткую структуру и не расширяются. Из этого следует, что подобные протоколы имеют только основной набор общих параметров на уровне устройств. Чтобы получить возможность доступа к дополнительным, или расширенным, параметрам или возможностям конкретного устройства, необходимо написать прикладную пользовательскую программу.
Комплексируемость в рамках систем, использующих профили, на самом деле означает лишь совместимость на сетевом уровне и не предоставляет реальной возможности автоматического конфигурирования оборудования, известного как технология Plug and Play. Возможности пользователя ограничиваются набором основных функций, например: задание параметров, предоставление пользователю данных о температуре и т.д.
Однако для выполнения специальных операций с устройством (например, для его калибровки) потребуется написать особую прикладную программу. В то же время пользователь, работающий с FF, может просто подключить устройство к системе, загрузить его описание и работать с ним безо всяких ограничений. Технология FF обеспечивает полный доступ ко всем данным, в том числе к параметрам, специфичным для данного устройства, для любого из совместимых с FF устройств.
Без стандартных блоков, параметров и описаний устройств свобода выбора поставщика аппаратного обеспечения весьма ограничивается, поскольку для замены устройства или аппаратуры одного изготовителя устройством или аппаратуры другого изготовителя требуется дополнительное программирование для поддержки полного спектра возможностей.
ФБ и описания устройств представляют собой главные особенности FF, которые делают подключение новых приборов к шине, вне зависимости от изготовителя, относительно простым упраж-
нением типа Plug and Play.
Одноранговая связь между полевыми устройствами. Это от-
личительная черта технологии FF, т.е. обеспечивается технология
276
распределенных коммуникаций. При одноранговой связи каждое устройство, подключенное к шине, может обмениваться информацией с другими устройствами на шине непосредственно (иными словами, без необходимости передачи сигналов через систему управления). Поскольку данные одних полевых устройств могут служить входными параметрами для других полевых устройств, а в микропроцессорах интеллектуальных устройств могут быть записаны программы управления, задачи управления могут быть переданы приборам, подключенным к полевой шине, без участия РСУ или других систем управления. Даже в том случае, если некоторые блоки системы управления внезапно прекратят функционирование, независимые сегменты Fieldbus могут продолжать свои собственные программы управления.
Делегированный маркер. Передача данных от узла к узлу FF основывается на модели делегированного маркера, позволяющего передать функции управления на уровень полевых устройств. FF не только обеспечивает цифровую связь полевого оборудования с системой управления, но и дает возможность приборам взаимодействовать друг с другом без участия устройств верхнего уровня. При этом общий стандарт FF позволяет приборам от разных производителей работать совместно без какого-либо дополнительного ПО.
Если СА опираются на централизованную архитектуру управления, то весь обмен данными между устройствами осуществляется через хост (главное устройство опрашивает подчиненные). Время синхронизации контура управления является программируемой функцией главной станции, которая выполняет все вычисления, необходимые для осуществления управления. При такой архитектуре управление на уровне полевых устройств невозможно реализовать, что не удовлетворяет требованиям распределенного управления процессом.
Устройство FF позволяет использовать несколько хостов в сети, причем хосты можно добавлять во время цикла просмотра без его прерывания. Управление процессом можно осуществлять из любого места: с хоста, узла, расположенного в полевых условиях,
277
либо с хоста и полевого узла одновременно. Пользователи имеют возможность применять на практике все преимущества современного оборудования.
Методы обмена сообщениями. Возможны различные мето-
ды обмена сообщениями по протоколу FF, расширяющие его возможности:
♦клиент – сервер (client – server);
♦издатель – подписчик (publisher – subscriber);
♦уведомление о событиях (event notification).
Модель «публикация и подписка». Централизованно планируе-
мая передача данных между ФБ гарантирует возможность передачи данных от одного устройства к другим в одно действие и в строго запланированное время. Эти возможности служат для улучшения управления системой – минимизации задержек и гарантии того, что используются неустаревшие данные, а также для гарантии одновременного обновления информации на всех узлах.
Клиент-серверная архитектура. Уровень приложений в FF
обеспечивает полностью подтверждаемую модель обмена данными «клиент – сервер». Эта модель может использоваться для изменения операторами значений уставки и других параметров, а также для разгрузки, загрузки и конфигурирования в режиме онлайн, без отключения других контуров управления. Обеспечивается полная поддержка распределения и подтверждения алармов, а также функциональность FMS (спецификация сообщений Fieldbus). Возможности удаленного конфигурирования, чтения и записи для протоколов, использующих нестандартные FMS для приложений, существенно ограничены.
Управление системой и администрирование сети. Стандарт
FF предусматривает ряд средств управления системой и администрирования сети, гарантирующих исполнение ФБ в строго определенные временные интервалы в строго заданной последовательности. Данное требование необходимо для возможности управления замкнутыми контурами на уровне полевых устройств.
278
Уровень управления системой и уровень канала связи FF имеют следующие важнейшие функции:
–автоматическое назначение сетевых адресов при установке нового устройства в систему, что обеспечивает автоконфигурирование системы, известное как технология Plug and Play;
–недопустимость возникновения повторяющихся адресов в системе и назначение единственного адреса каждому устройству упрощаетконфигурированиеустройств;
–благодаря временной синхронизации (текущее значение времени суток передается по сети всем устройствам) обеспечиваются синхронизация всех устройств в сети и работа таких функций, как сигналы оповещения;
–благодаря поиску тэгов (поиск имени тэга в сети не зависим от места его расположения там) исчезает необходимость репликации системной базы данных, где содержится информация об устройстве;
–при изменении диапазона датчика параметры рабочей станции оператора обновляются соответствующим образом, этот уникальный механизм также гарантирует согласованность данных на всех операторскихиинженерныхрабочихстанцияхи наполевыхустройствах.
Средства оповещения (алармы), события, окна просмотра
итренды. Технология FF позволяет передавать множество переменных из каждого прибора в управляющую систему с целью архивирования, анализа трендов, оптимизации производственного процесса
игенерации отчетов. Высокое разрешение и отсутствие искажений, достигаемые при обмене цифровой информацией, обеспечивают улучшенные возможности управления, которые могут увеличить производительность предприятия.
Полевые устройства также получают алармы, генерируемые переменными процесса, и отправляют соответствующие сообщения операторам. Данные события автоматически обрабатываются механизмом регистрации и подтверждения предупреждающего сигнала, встроенным в полевую шину FF.
Устройства FF реализуют также возможность отбора трендов. Несомненное преимущество распределенной системы регистрации
279
алармов и трендов заключается в существенном снижении объема обмена данными, что повышает эффективность системы коммуникаций. Это, в свою очередь, повышает эффективность системы управления (сокращается время цикла) и позволяет повысить частоту обновления экрана. Полевая шина также содержит объекты окон просмотра, которые представляют собой логически сгруппированные параметры, как правило, отображаемые совместно. Эта возможность позволяет получить доступ к группе параметров при однократном обращении. Таким образом, устраняется необходимость несколькихобращенийккаждомуизпараметровдляполученияихзначений.
Возможность самодиагностики и коммуникационные возможности устройств FF, реализованных на базе микропроцессоров, позволяют уменьшить время незапланированных простоев и повысить стабильность работы предприятия.
При обнаружении нештатных ситуаций или при необходимости проведения профилактического технического обслуживания могут быть переданы соответствующие сообщения оперативнотехнологическому и обслуживающему персоналу. Это позволяет быстро и безопасно устранить возникшую неисправность.
Благодаря широкому набору явно заданных параметров, в число которых входят несколько видов данных диагностики и калибровки, реализуется возможность передачи данных самодиагностики аппаратуры в стандартном формате на рабочие станции операторов, благодаря чему операторы получают оперативную информацию о состоянии прибора и уведомление о его неисправности. Без явно задаваемых параметров, а также без возможности описания устройств возможности оперативного отображения информации о состоянии системы на хосте были бы весьма ограничены.
Технология FF предусматривает информацию о статусе, связанную с измерениями, и управляемые переменные, значения которых основываются на самодиагностике. Информация о статусе включает в себя сведения о качестве измерения, а также о возможных ограничениях качества.
280