Всё о сети PROFIBUS и о том, как использовать её совместно с сервисами IIoT

PROFIBUS — это цифровая сеть, предназначенная для обеспечения связи между полевыми датчиками и системой управления или контроллерами. Изначально при разработке предполагалось внедрение решений PROFIBUS прежде всего в промышленной автоматизации дискретных производств, а затем — в процессной промышленности, машиностроении и других отраслях.

На самом раннем этапе рабочая группа разработала протокол PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification — спецификация сообщений полевой шины). Это был сложный протокол, который в настоящее время уже не используется. Затем была начата разработка протокола PROFIBUS DP (Decentralised Peripherals — децентрализованные периферийные устройства), а в 1998 году был запущен PROFIBUS PA (Process Automation — автоматизация технологических процессов).

Сегодня, говоря о PROFIBUS, обычно имеют в виду PROFIBUS DP и PROFIBUS PA. Кроме того, был разработан PROFINET — протокол на основе Ethernet-коммуникации, который уже широко внедрён в различных областях и приложениях.

Как уже упоминалось, на рынке представлены PROFIBUS DP и PROFIBUS PA. Рассмотрим, как работают PROFIBUS DP и PROFIBUS PA и в каких приложениях они используются наиболее часто.

Сеть PROFIBUS DP была решение на основе физического уровня RS-485 и европейского стандарта EN-50170. Физическая среда передачи данных не обязательно должна быть медной — также могут использоваться беспроводные каналы связи или оптоволокно. PROFIBUS DP расшифровывается как Decentralised Peripherals — децентрализованные периферийные устройства. Название отражает принцип подключения входов и выходов, при котором используется полностью децентрализованная высокоскоростная последовательная связь с центральным контроллером.

Также важно отметить, что протокол PROFIBUS DP основан на эталонной модели взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI) в соответствии со стандартом ISO 7498, при этом каждому уровню протокольной модели назначены чётко определённые функции и задачи. Сеть PROFIBUS DP представляет собой сеть с несколькими ведущими устройствами и маркерным механизмом доступа к среде передачи. Это означает, что при наличии в системе двух или более ведущих устройств маркер доступа — служебное сообщение, предоставляющее право обмена данными с полевыми устройствами, — поочерёдно передаётся от одного ведущего устройства к другому. Таким образом, каждое ведущее устройство получает свою долю времени связи.

Ведущее устройство класса 1 осуществляет циклический обмен данными для управления технологическим процессом. Ведущее устройство класса 2 (опционально) выполняет ациклический обмен данными и используется для диагностики, сигнализации и конфигурирования приборов. С точки зрения скорости передачи данных сеть работает в диапазоне от 9,6 кбит/с до 12 Мбит/с при длине сегмента от 100 до 1000 метров. Что касается топологии, сети PROFIBUS DP имеют линейную структуру, при этом используются шлюзы, повторители и оконечные резисторы. Кроме того, сети PROFIBUS DP могут поддерживать профиль функциональной безопасности ProfiSafe и применяться в системах безопасности до уровня SIL 3.

Изначально протокол PROFIBUS PA был разработан как развитие коммуникации HART. Он предназначен для полевых применений, в которых требуется обмен данными между измерительными приборами и системой управления. PROFIBUS PA использует экранированную витую пару одновременно для питания и передачи данных. Физическая структура сети соответствует стандарту IEC-61158-2, а скорость передачи данных составляет 31,25 кбит/с. По своей сути этот протокол во многом аналогичен FOUNDATION Fieldbus H1, поскольку оба основаны на одном и том же стандарте.

На момент разработки скорость 31,25 кбит/с была более чем достаточной (и остаётся таковой) для объёма информации, передаваемой полевыми приборами. Устройства PROFIBUS PA не подключаются напрямую к контроллеру. Контроллер работает в более быстрой сети PROFIBUS DP, а доступ к сегменту PA осуществляется через соединительное устройство или связующий модуль. Соединительное устройство или связующий модуль выполняет функцию сетевого интерфейса и одновременно обеспечивает питание шины. Важным преимуществом сетей PA является возможность их проектирования во взрывозащищённом исполнении. Это означает, что подключённые к ним приборы могут эксплуатироваться во взрывоопасных зонах.

Как правило, на взрывозащищённой шине используется меньшее количество устройств по сравнению с обычной сетью, однако это зависит от ряда факторов, определяющих оптимальное число приборов в каждом конкретном случае. К таким факторам относятся, например, потребляемый ток прибора, длина шины, тип кабеля и другие параметры.

Важно отметить, что в данном разделе не рассматриваются PROFINET в подробностях, поскольку, хотя этот протокол также поддерживается профильной организацией PROFIBUS, он является отдельным протоколом.

PROFINET можно рассматривать как эволюционное развитие протокола PROFIBUS. В современной промышленности широко применяются протоколы, основанные на Ethernet (IEEE 802.3) и эталонной модели OSI. PROFINET может использоваться как для управления, так и для полевого уровня связи, обеспечивая единую вертикально интегрированную сеть и позволяя применять все преимущества ИТ-технологий в производственных зонах предприятия.

Уже сегодня многие производители предлагают полевые приборы с поддержкой нативных протоколов на базе Ethernet. Ещё одним преимуществом внедрения такого типа протоколов является простота реализации, поскольку они основаны на хорошо известной модели и требуют сравнительно низких затрат на инфраструктуру. PROFINET не следует рассматривать как «PROFIBUS поверх Ethernet»! PROFINET представляет собой открытый стандарт на базе Ethernet и является дальнейшим развитием концепции PROFIBUS.

Существенным преимуществом PROFINET является его нативная совместная работа с TCP/IP, что обеспечивает значительные дополнительные возможности. Все устройства подключаются к единой сети, в рамках которой выполняются управление, диагностика и другие функции. Использование шлюзов, как правило, не требуется. Стандарт допускает построение сети с различными топологиями, например кольцевой, линейной, древовидной или звездообразной. PROFINET работает на скоростях до 1000 Мбит/с, при этом длина кабельного сегмента может достигать 100 метров. Благодаря высокой скорости передачи данных время отклика составляет менее 1 миллисекунды.

Говоря о PROFIBUS, мы имеем в виду традиционный и хорошо известный протокол цифровой связи, который был внедрён в различных отраслях промышленности и приложениях. Этот протокол основан на последовательной передаче данных и принёс промышленности множество преимуществ.

PROFINET, в свою очередь, является протоколом на базе промышленного Ethernet. PROFINET поддерживает более высокие скорости обмена данными и обеспечивает большую пропускную способность. Это означает, что сообщение, передаваемое по сети PROFINET, может содержать значительно больший объём информации по сравнению с сообщением в сети PROFIBUS.

Ниже приведена таблица от PROFIBUS International, в которой сравниваются оба варианта.

В конечном итоге оба решения относятся к числу лучших доступных на рынке. Однако по-прежнему крайне важно учитывать требования конкретного применения, чтобы выбрать и внедрить наиболее подходящий коммуникационный протокол на вашем предприятии.

PROFIBUS and PROFINET International — это крупное международное сообщество в области автоматизации, представленное в различных регионах мира. Организация отвечает за развитие и поддержку PROFIBUS и PROFINET — двух наиболее значимых коммуникационных протоколов на рынке. Её цель — сократить разрыв в знаниях о полевых протоколах в различных отраслях промышленности. Для этого организация проводит мероприятия, посвящённые технологиям, и способствует распространению знаний среди конечных пользователей.

Некоторые пользователи PROFIBUS внедряют сеть, используя подход, аналогичный системе 4–20 мА. Однако данные, передаваемые по сети, можно использовать для более глубокого понимания происходящих процессов и принятия упреждающих мер до возникновения проблем.

Традиционный мониторинг состояния оборудования в ряде случаев может быть достаточно сложным. В то же время современные сервисы IIoT обеспечивают простое и наглядное отслеживание состояния приборов, а также быстрый доступ к базам данных и документации — в том числе в удалённом режиме.

Для сбора диагностической и статусной информации с полевого уровня требуется так называемый полевой шлюз. Хорошим примером такого устройства является Fieldgate SFG500. Он работает как ведущее устройство класса 2 PROFIBUS DP, собирая все данные с полевых приборов. Далее полевой шлюз подключается к пограничному устройству, например FieldEdge SGC500.

Вся информация от приборов передаётся в облако по защищённому каналу связи. На этом этапе можно использовать различные сервисы IIoT. Например, Netilion Health позволяет контролировать техническое состояние полевых приборов.

Одновременно сервис Netilion Library можно использовать для упорядочивания всей документации, относящейся к полевым приборам, такой как технические руководства, отчёты о калибровке и другие документы.

Кроме того, появляется возможность более эффективно управлять установленной базой оборудования. Сервис Netilion Analytics в сочетании с пограничным устройством формирует цифровой двойник оборудования и предоставляет полную информацию об установленной базе, включая типы приборов, производителей, критичность, степень устаревания и многое другое.