Стандартизация в области промышленных сетей.

Автор: Галина Гайкович

Источник: периодическое издание "Электронные компоненты" №1 за 2009 год.

Особенности стандартизации промышленных сетей. Роль ISA и WCT

В настоящее время существует большое многообразие промышленных сетей, которые можно в зависимости от типов устройств и способа управления разделить на три основные категории: сенсорные (sensorbus: CAN, Seriplex, ASi, LonWorks и др.); сети с простыми полевыми устройствами (devicebus: Modbus, CAN, DeviceNet, Profibus DP, Lonworks, FIPIO, SDS, Interbus S и др.); полевые сети со сложными устройствами (fieldbus: Foundation FieldBus, Profibus РА, Hart и др.). Число проводных сетей промышленной автоматики непрерывно растет. Этот процесс сопровождается внедрением и беспроводных технологий в их сетевую архитектуру. Чтобы не создавать в мировом производственном секторе хаоса и неразберихи, все промышленные сети подлежат международной стандартизации.

Однако если современные системы управления предприятием — высшие уровни по модели CIM [1] — базируются на коммуникационных протоколах и стандартах, широко используя сети Ethernet и интернет-технологии, то в области систем управления промышленной автоматикой, которая идет своим особым путем, положение дел со стандартизацией гораздо хуже. Каково же оно в отношении промышленных сетей АСУ ТП?

Известно, что основными организациями по международной стандартизации являются ISO (International Organization for Standardization — Международная организация по стандартизации, МОС), IEC (International Electrotechnical Commission — Международная электротехническая комиссия, МЭК), ITU (International Telecommunication Union — Международный союз электросвязи, МСЭ). Между ними осуществляется тесное сотрудничество в рамках альянса WSC (World Standard Cooperation — Всемирное сотрудничество по стандартам).

Сфера деятельности ISO касается стандартизации практически во всех областях, кроме электротехники и электроники, которые, в свою очередь, закреплены за IEC.

В подчинении ISO и IEC находятся национальные комитеты по стандартизации, представляющие все страны мира, например ANSI (American National Standards Institute — Американский национальный институт стандартов, США); DIN (Deutsche Institute für Normung — Институт национальных стандартов, Германия); GOST R (ГОСТ, Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, Россия) и т.д.

Мировая практика показывает, что в основном через национальные комитеты или с их непосредственным участием ведется подготовка будущих проектов мировых стандартов ISO и IEC.

Утверждением международных стан­дартов для промышленных сетей предприятия (в т.ч. АСУ ТП ) занимается подсекция SC65C секции TC65 Industrial Process Measurement, Control and Automation («Управление процессами производства и его автоматизация») IEC.

В секции TC 65 IEC работают эксперты — представители от разных стран, включая Россию.

За вопросы частотного регулирования и распределения частот для беспроводных сетей в мировом масштабе отвечает отдел ITU-R.

Отдел ITU-R опирается, в свою очередь, на национальные министерства и ведомства, например FCC (Federal Communication Commission — Федеральная комиссия США по связи) и CFR47 стран Америки, ФГУП «ГКРЧ» России, а также на такие организации и комитеты Европы как ETSI (European Telecommunication Standardization Insti­tute — Европейский Институт по Стан­дартизации), комитет ECC (Electronic Communications Committee — Комитет по Электронным Средствам Связи), руководителем которого является представитель из России.

Так, в разделах 5.138, 5.150 и 5.280 регулирования частот ITU-R по регионам мира была выделена единая (за некоторым исключением) безлицензионная радиочастотная полоса ISM (Industrial, Scientific and Medical) — 6,765 МГц...246 ГГц. Следует отметить, что по Регламенту РФ таблица распределения частот для промышленных, научных и медицинских целей в настоящее время максимально приближена к радиочастотному диапазону ISM/ETSI (см. рис. 1). Однако при распределении частот национальными комитетами внутри стран могут быть и некоторые отличия, которые следует учитывать при разработке или применении радиооборудования в сетях промышленной автоматики разных регионов.

Рис. 1. Сравнение ISM-диапазонов ITU-R по странам и регионам

Так, для беспроводных сетей промышленной автоматики (см. рис. 1) могут использоваться следующие частотные диапазоны: 2,4...2,5 ГГц; 902...928 МГц и 868,0...868,6 МГц.

Однако при использовании безлицензионных полос частот ISM-диапазона для АСУ ТП предприятий придется также разрабатывать специальные рекомендации по размещению однотипных беспроводных систем (в виде частотного планирования). В таком случае должна быть учтена как специфика используемых частот разных регионов, так и решена проблема сосуществования радиосистем в одном частотном диапазоне.

Дело в том, что наряду с радиооборудованием для АСУ ТП, которое должно быть достаточно надежным, к примеру, в диапазоне 2400...2483,5 ГГц, могут одновременно работать беспроводные персональные сети (Bluetooth, ZigBee, WiBree), беспроводные локальные сети WLAN (IEEE802.11b,g), а также системы позиционирования объектов RTLS (Real Time Location System — система местонахождения объекта в реальном времени): RFID (Radio Frequency Identification — радиочастотная идентификация) или RSSI (Received Signal Strength Indication — индикация уровня принимаемого сигнала).

Развитием профессиональных стандартов занимаются также независимые общества и альянсы, которые могут сотрудничать с МЭК напрямую или работать под руководством национальных комитетов. Так, в секции TC65 МЭК имеются представители от таких независимых промышленных организаций как HCF (Hart Communication Foundation), FF (Fieldbus Foundation), PNO (Profibus & Profinet Organization), ODVА (Open Device Vendor Association — Ассоциация изготовителей устройств для открытых систем), группа EPSG (Ethernet PowerLink Specification Group), IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance — Альянс промышленной автоматизации на базе открытых сетей). Особого внимания заслуживает WCT (Wireless Cooperation Team — Cоюз промышленников по беспроводным технологиям) и ISA (International Society of Automation — Международное общество по автоматике).

WCT — это совсем новый союз из обществ HCF, FF, PNO и ОРСF, который был образован в сентябре 2007 г. с целью создания беспроводной инфраструктуры на полевом уровне АСУ ТП. Первым запоминающимся шагом их совместной деятельности явилось создание общего электронного языка EDDL (Electronic Device Description Language — язык описания электронных устройств). Этот уникальный метод позволил решить вопрос о совместимости датчиков (исполнительных механизмов, клапанов и др.) разных производителей. Информация о полевых устройствах (независимо от их производителей) посредством EDDL-интерпретатора может быть представлена на прикладном уровне любому хосту АСУ ТП, который, в свою очередь, также не зависит от производителя. Позднее EDDL-технология была доработана и оформлена в виде международного стандарта IEC 61804 [2].

Этот стандарт был принят на вооружение ISA (International Society of Automation — Международное общество по автоматике), которое адаптировало его в виде национального стандарта США под названиями ANSI/ISA-61804-3 Function Blocks (FB) for Process Control — Part 3: Electronic Device Description Language (EDDL) и ANSI/ISA-61804-4 Function Blocks (FB) for Process Control — Part 4 EDD Interoperability.

На международной выставке ISA EXPO 2008 г. в Хьюстоне (США) Комитет ISA 104 представил системы управления производством разных компаний (ABB, Emerson, Invensys и Siemens), к каждой из которых через станцию полевых шин была подключена промышленная шина FF с полевыми устройствами от различных производителей — Emerson, Endress+Hauser, Foxboro Eckardt, Metso, MTL, Samson и Siemens.

Рис. 2. Проводной Hart и Wireless Hart в составе АСУ ТП SIMATIC PCS 7, Международная выставка EXPO 2008 (США)

Технология EDDL уже находит свое применение и в беспроводных сетях. На рисунке 2 в качестве примера показан действующий фрагмент АСУ ТП c подключенной беспроводной сетью Wireless Hart системы управления производственным процессом SIMATIC PCS7. На рисунке 2 отображены устройства проводного Hart, подключенные, с одной стороны, к полевой шине Profibus через станцию ввода/вывода ET2000, а с другой (минуя беспроводные адаптеры и шлюз беспроводной сети Wireless Hart) через беспроводные радиомосты Scalance — к промышленной сети Ethernet. Эти полевые устройства интегрированы в автоматизированную систему управления технологическим процессом с использованием EDDL-файлов, представляющих собой текстовые файлы (типа html).

Но если WCT — союз промышленников, решающий профессиональные задачи внутри узкого круга крупных компаний, то ISA — это Международное Общество, работающее совместно с национальным комитетом по стандартизации ANSI, c МЭК и другими организациями [3].

ISA сотрудничестве с институтом ANSI, который хорошо известен пользователям промышленных сетей всего мира по таким стандартам как ANSI/ISA88 Batch Control («Управление оборудованием, безопасностью и производственными рисками для процессного (непрерывного) производства»); ANSI/ISA-95 Enterprise Control System Integration («Управление дискретным производством»), который, в свою очередь, является продолжением ANSI/ISA88. Именно эти документы легли в основу международного стандарта IEC 62264-1, 2.

Стандарт ANSI/ISA-50.02 Fieldbus Standard for Use in Industrial Control Systems («Полевые шины в системах управления промышленным процессом») можно попросту назвать бестселлером сотрудничества института ANSI и общества ISA. Именно он стал базовым при разработке проекта международного стандарта IEC 611158, который наконец-то позволил создать единый стандарт, описывающий физический и канальный уровни всех существующих и разрабатываемых проводных промышленных сетей автоматики.

ISA — спонсор Общества федерации по автоматике (The Automation Federation), а также партнер группы пользователей различных компаний промышленности — OMAC (Organization for Machine Automation and Control — Организация по управлению и автоматизации производства); WBF (World Bus Foundation — Мировое сообщество профессионалов по автоматике и системам управления), Альянса обществ и различных институтов, например IICА (Institute of Instrumentation Control and Automation — Институт по автоматизации и инструментальному контролю, Австралия); МНТО ПМ (Международное научно-техническое общество приборостроителей и метрологов, учредителем которого является НТО им. академика С.И. Вавилова, Россия); WINA (Wireless Industrial Networking Alliance — Альянс по беспроводным промышленным се­тям) [4].

В настоящее время в секции ТС65 IEC предметом обсуждения являются проекты по безопасности проводных и беспроводных промышленных сетей ISA SP99 & SP100 в качестве очередных международных стандартов.

Таким образом, далеко не случайно, что IEC возлагает большие надежды на ISA в области международной стандартизации будущих беспроводных решений. Так, в результате совместной встречи ISA 100 и подсекции SC 65C/TC65и в Оттаве в июле 2008 г. было принято следующее решение о новых направлениях в международной стандартизации беспроводных сетей для промышленной автоматики:

– Сосуществование беспроводных сетей и систем на предприятии в одном пространстве. Как было уже сказано, промышленные сенсорные сети могут подвергаться влиянию других беспроводных сетей, работающих в одном и том же частотном диапазоне ISM. Поэтому важной задачей является разработка общих рекомендаций по координации радиооборудования на предприятии.

– Беспроводные сети для заводской автоматики. При стандартизации таких сетей необходимо учесть более жесткие требования к радиооборудованию. На сегодняшний день отсутствует спецификация, которая могла бы порекомендовать беспроводную технологию, удовлетворяющую классу 0 [5].

– Конвергенция разнообразных беспроводных сетей для промышленной автоматики (класс 1) [5], технологического производства с целью выработки общей стратегии по их управлению в рамках предприятия и крупных производственных комплексов.

На текущий момент на рассмотрении подсекции SC65C находится первый проект беспроводного стандарта Wireless Hart, который был предложен в IEC союзом WCT.

Этот проект рассматривается как дополнение к промышленным шинам стандарта IEC 611158.

В настоящее время WCT и ISA, несмотря на заключение договора о сотрудничестве WCT&ISA [6], являются серьезными конкурентами по отношению друг к другу. Поскольку союз WCT с его гениальными идеями по созданию беспроводных сетей для промышленной автоматики — закрытое общество, вполне объяснимо, что ведущая роль в части разворачивания следующих беспроводных проектов международных стандартов МЭК будет принадлежать международному профессиональному обществу ISA, a не WCT.

Наряду с ISA и WCT следует упомянуть такую независимую организацию как институт IEEE, которая имея большое признание в мире, также сотрудничает с IEC напрямую [7]. Институт IEEE в области телекоммуникаций хорошо известен серией коммуникационных стандартов IEEE802 (например, Ethernet — IEEE 802.3).

Появление промышленного стандарта Ethernet на базе IEEE802.3 вовсе не отменяет традиционную архитектуру построения систем автоматического управления в виде полевых шин, а является лишь дополнением к IEC 611158.

Промышленные сети имеют свои особенности форматирования данных при их обмене между исполнительным оборудованием, между самими датчиками полевого уровня и центром управления. На прикладном уровне хоста АСУ ТП вводится дополнительно такое понятие как UAP (user application process — приложение пользователя), применяемое для полевых шин FF.

Прикладной уровень хоста АСУ ТП имеет свою специфику, поэтому коммуникационных стандартов IEEE и стандартных интернет-протоколов прикладного уровня модели OSI явно недостаточно.

Новые беспроводные стандарты в сетях промышленной автоматики и проблема их совместимости

Ни для кого не секрет, что в условиях непрерывного развития сетей промышленной автоматики предприятиям требуются километры дорогостоящих кабелей и вспомогательного оборудования (кабельных каналов, клемм, шкафов и др.), связывающих различные датчики и исполнительные механизмы, что, в свою очередь, приводит к значительному удорожанию проектов АСУ ТП. По этой причине дальнейшее совершенствование уже сложившейся сетевой промышленной инфраструктуры АСУ ТП с учетом многообразия таких программно-аппаратных решений как Modbus, DeviceNet, Foundation FieldBus, Profibus, Hart, CanOpen и др. возможно путем внедрения беспроводных технологий на полевой уровень промышленных сетей.

Совсем недавно организация HCF разработала стандарт Wireless Hart, версия 7. А на международной выставке ISA EXPO 2008 в Хьюстоне фирма Siemens уже представила первую демо-версию проводной сети Hart, подключенной через удаленную модульную станцию ET200 к полевой шине Profibus, и к беспроводной сети на базе стандарта Wireless Hart, подключенной к шине Profinet (см. рис. 2).

Союз WCT предложил в 2008 г. проект этого стандарта в МЭК на рассмотрение в качестве базового беспроводного стандарта для полевых шин Hart, Fieldbus FF и Profibus.

Ясно, что беспроводного решения Wireless Hart недостаточно на случай использования других сетей промышленной автоматики.

В свою очередь, Комитет ISA100 предложил проект нового стандарта ISA 100.11a, предназначенного для создания единой беспроводной инфраструктуры на полевом уровне для различных промышленных сетей АСУ ТП. Этот проект беспроводного стандарта ISA 100.11a версии 2 пока находится на стадии подготовки для передачи на рассмотрение в МЭК. Тем не менее на Международной выставке EXPO 2008 в Хьюстоне уже появились первые отладочные комплекты для разработки беспроводных сетей на базе стандарта ISA100.

Рис. 3. Отладочный комплект от NIVIS для проектирования беспроводной сети промышленной автоматики на базе стандарта ISA 100.11а с поддержкой EDDL, Международная выставка EXPO 2008 (США)

На рис. 3 показан первый вариант такой беспроводной отладочной сети, разработанный фирмой NIVIS. Эта компания также продемонстрировала возможность подключения любого проводного оборудования (в частности, работающего по протоколу Hart) через специальные адаптеры к единой универсальной беспроводной сети проекта стандарта ISA 100.11a.

Несмотря на заключенный договор о сотрудничестве между WCT&ISA [6], комитету ISA 100 и группе WCT так и не удалось решить вопрос о совместимости этих стандартов для беспроводных сетей промышленной автоматики полевого уровня АСУ ТП. Хотя у них действительно много общего, что наглядно было описано в статье автора [5].

Следует упомянуть, что за основу этих двух беспроводных стандартов для АСУ ТП взят беспроводной стандарт IEEE802.15.4_2006 [8]. С целью повышения надежности беспроводных систем для предприятий в обоих случаях на физическом уровне используется технология FHSS, а на канальном уровне метод CDMA заменен на TDMA (см. рис. 4).

Рис. 4. Стек протоколов ISA 100.11а и Wireless Hart для сетей промышленной автоматики

Оба стандарта в последних версиях поддерживают EDDL для обеспечения совместимости полевых устройств от разного производителя. Однако имеются и следующие существенные отличия (см. рис. 4 и табл. 1).

– В ISA 100.11a используется сетевой уровень модели OSI на базе протокола 6 LoWPAN (RFC4944), т.е. предусмотрена 128-битная IPv6-адресация полевых устройств, которая в основном применяется на сетевом уровне магистральных маршрутизаторов или шлюзов. Внутри беспроводной сети используется укороченный — 16-битовый адрес EUI (без инкапсуляции и компрессии IP-заголовка в рамках одной беспроводной сети и с инкапсуляцией и компрессией IP-заголовка при наличии двух или более беспроводных сетей). В то же время внутри беспроводной сети WirelessHart вообще отсутствует IP-адресация оконечных устройств. Укороченная EUI-адресация и маршрутизация полевого беспроводного оборудования осуществляется на сетевом уровне в рамках одной беспроводной сети (не предусмотрена масштабируемость сетей, см. табл. 1).

Табл. 1. Основные отличия стандартов Wireless Hart и ISA100.11а

Стандарт Wireless Hart	Проект стандарта ISA100.11a
Управление осуществляется по командам протокола Hart	Универсальность управления независимо от протоколов полевых шин
Локальная беспроводная сеть, топология mesh, полевые устройства с функцией маршрутизатора, топология mesh, МАС-адресация	Множество локальных беспроводных сетей, полевые устройства с функцией маршрутизатора и с ограниченными возможностями, топология mesh+star, IP-адресация
Простая архитектура построения беспроводной сети, подключение к полевой шине через один шлюз	Масштабируемость в рамках предприятия и крупных производственных комплексов, подключение к полевой шине через магистральные шлюзы
Уже разработаны беспроводные устройства, которые используются на предприятиях	Проект на доработке, но имеются отладочные комплекты для разработки беспроводных полевых устройств

– На прикладном уровне модели OSI в проекте ISA100.11a для проектирования приложений используется концепция объектно-ориентированной модели, а Wireless Hart — командно-ориентированная; т.е. управление устройствами — объектно-ориентированное и c помощью Hart-команд, соответственно;

– В ISA 100.11a на прикладном уровне хоста АСУ ТП введен дополнительный подслой для управления UAP и между UAP, который по стандарту ISA SP50 для полевых шин IEC 61158 рассматривается отдельно от модели OSI. В Wireless Hart такое понятие отсутствует.

Таким образом, на очередной встрече комитета ISA в Ницце (Франция) в июле 2008 г. было принято решение о конвергенции Wireless Hart и ISA100.11а. Поскольку эти два стандарта могут применяться в одном цехе на предприятии, была также создана рабочая группа по разработке общих рекомендаций по частотному планированию, учитывающих одновременное размещение как однотипных беспроводных систем, так и любых других (например, ZigBee, RLTS, WLAN IEEE802.11), которые могут использоваться на предприятии.

В настоящее время ISA сообща с IEC продолжает работать над проектами новых беспроводных стандартов для промышленных сетей дискретного производства и заводской автоматики. Совсем недавно была организована рабочая группа по вопросам создания общего беспроводного интерфейса Wireless Hart & ISA100.11 и др., например UWB (IEEE 802.15.3) или WLAN (IEEE 802.11) для предприятий и крупных производственных комплексов (см. рис. 5).

Рис. 5. Этапы работы комитета ISA 100 по созданию универсального семейства беспроводных стандартов промышленной автоматики

Таким образом, комитет ISA делает первые шаги в сторону создания единой инфраструктуры беспроводных сетей промышленной автоматики и крупных производственных комплексов. Над такой задачей также работает ряд отечественных институтов, в т.ч. Институт проблем передачи информации им. Харкевича РАН, который является членом ISA и IEC; Институт системного программирования РАН; Центральный научно-исследовательский институт комплексной автоматизации. Целью такого совместного проекта является создание интегрированной технологической платформы для систем жизненно важной инфраструктуры на базе оборудования высокоскоростной транспортной беспроводной сети (ВТБС), работающего по стандарту IEEE 802.11s.

Следует также отметить, что создание общего интерфейса беспроводной транспортной сети для разнотипных беспроводных сетей на предприятии представляет собой достаточно сложную задачу. Если объединить только беспроводные персональные сети WPAN в общий беспроводной интерфейс с диапазоном скоростей от 250 Кбит/с (IEEE802.15.4) до 110...480 Мбит/с (IEEE802.15.3 (UWB)), а к ним еще добавить WLAN (IEEE 802.11 до 218 Мбит/с) и учесть разные требования пользователя по качеству сервиса QoS или одинаковые требования по приоритету сервиса PоS, то какую беспроводную среду взять за базу, чтобы это объединение было технически и экономически оправдано?

Для начала следует четко представить, какой набор сетей необходим пользователю на производстве. Очевидно, что этот набор в каждом конкретном случае может быть разным: кому-то потребуется объединить беспроводные сети WHart&ISA100.11a или использовать одну из них, добавив систему видеонаблюдения или RLTS и т.д.

Рис. 6. Единая беспроводная транспортная инфраструктура для предприятий и крупных производственных комплексов

Представляется, что идея с созданием общего интерфейса для разнотипных беспроводных сетей несколько абсурдна. Реальнее смотрится предложение WCT о создании общего беспроводного интерфейса для WHart&ISA100.11a и, добавлю, с возможностью организации дополнительных точек доступа (например, для передачи мультимедийной информации на базе проекта ВТБС ИППИ РАН (см. рис. 6).

Выводы

Подводя итоги, можно сделать вывод, что стандартизация сетей промышленной автоматики имеет свои особенности. Промышленные сети АСУ ТП имеют собственную архитектуру построения, которая в настоящее время представлена полевыми шинами и Industrial Ethernet.

Вопросами международной стандартизации промышленных сетей занимаются МЭК и национальные комитеты при поддержке независимых профессиональных обществ. Ведущая роль при разработке беспроводных стандартов для сетей промышленной автоматики принадлежит ISA и WCT. В настоящее время проекты ISA 100.11a и Wireless Hart находятся на согласовании с МЭК, и решается вопрос об их конвергенции.

В комитете ISA и WCT ведется дальнейшая работа по созданию целого семейства беспроводных стандартов для промышленной автоматики, а также в России и за рубежом решается задача по созданию единой беспроводной инфраструктуры для предприятий и крупных промышленных комплексов.

Литература

1. Гайкович Г.Ф. Беспроводная связь в сетях промышленной автоматики, Электронные компоненты, 2007, №10, с. 64.

2. IEC 61804-1:2003, Function blocks (FB) for process control, Part1: Overview of systems aspects.

3. ISA/ANSI. Standards and practices Department Procedure http://ieeexplore.ieee.org ieeexplore.ieee.org.