Три технологии, которые изменят архитектуру предприятия

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.

Рисунок 1. Три основные технологии, которые преобразуют и расширят архитектуру производственных информационных систем.

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.

Рисунок 2. Распределение соединений Ethernet с внедрением Ethernet APL.

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.

Рисунок 3. Рабочая группа Ethernet APL.

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.

Рисунок 4. Распределение вероятности внедрения Ethernet APL для разных устройств.

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.