Магистральные шины: на стадии мирового роста

Магистральные шины: на стадии мирового роста

Опубликовано в номере:
Не смотря на то, что магистральная шина считается самой современной технологией, до ее повсеместного использования пока далеко. В целом картина получается положительной, но с множеством недоработок. Замена работающих систем аналоговой диагностики вроде HART на магистральные шины пока не оправдана, но на новых предприятиях эта технология преобладает.

Война магистральных шин 90-х годов осталась в прошлом, но оказалось, что внедрение fieldbus осталось практически на прежнем уровне, особенно в Европе и Северной Америке. С другой стороны, в Азии и на Ближнем Востоке трудно найти смету, в которой не предусмотрена полномасштабная платформа fieldbus. Если углубиться в детали этого противоречия, выясняется, что при правильном использовании технология полностью оправдывает ожидания, но говорить об ее универсальности не приходится. Каковы же преимущества и перспективы архитектуры с магистральной шиной для производственных процессов?

 

Введение в технологию магистральных шин

Экономия при прокладке проводов – основной аргумент, который называют пользователи. Большинство соглашается, что за увеличенную производительность, совместимость и возможности управления нужно платить

Рис. Экономия при прокладке проводов – основной аргумент, который называют пользователи. Большинство соглашается, что за увеличенную производительность, совместимость и возможности управления нужно платить

Эра систем с пневматическим управлением ушла в прошлое и сменилась линиями аналоговых сигналов. Практически сразу потребовалась технология, позволяющая передавать данные от приборов и клапанов и не требующая отдельного кабеля для каждого сигнала. В конце концов, две технологии вырвались в лидеры в области промышленного управления: Foundation Fieldbus (FF) и Profibus PA (PEA). И та и другая технология позволяют передавать комплексные данные, связанные с технологическим процессом вместе с силовыми линиями. Кабели и приборы можно соединить в цепочку с помощью передатчиков, одно звено называется сегментом. Контроллеры передают как данные технологического процесса, так и служебную, например, диагностическую информацию. Сначала технология представлялась, как возможность сэкономить на прокладке проводов. На самом деле, кабелей требуется меньше, но все сэкономленные средства расходуются на более дорогие передатчики, терминаторы и другие соединительные приборы. За исключением тех ситуаций, где затраты на прокладку кабелей очень высокие, экономические преимущества этой технологии не заметны.

В более традиционных, не распределенных производственных условиях лучшую экономию обеспечивают простые протоколы магистральных шин, такие как Interbus, DeviceNet, CC-Link и Profibus DP. С их появлением сложные производственные предприятия с гораздо более комплексными запросами начали отставать во внедрении магистральных шин. По данным Profibus Trade Organization (PTO), среди всех технологий магистральных шин узлов FF и PPA всего 5%. Тем не менее, еще на ранних стадиях развития оказалось, что у магистральных шин есть преимущества, из-за которых развитие этой архитектуры не останавливается.

 

Реальные преимущества

Основными причинами, препятствующими внедрению магистральных шин, называют осведомленность, личное отношение и человеческий фактор

Рис. Основными причинами, препятствующими внедрению магистральных шин, называют осведомленность, личное отношение и человеческий фактор

Компания ARC Advisory Group детально исследовала использование магистральных шин, результаты приведены на графике. К основным преимуществам, оправдывающим внедрение архитектуры, относятся две области: управление ресурсами и функциональная совместимость. «Каковы преимущества архитектуры с цифровой шиной? – спрашивает Гарри Кузик (Garry Cusick), менеджер по продажам отдела магистральных шин Invensys Process Systems.- Сначала покупались на экономию при установке – нужно проложить не 100 проводов, а всего 10.Устанавливали, все работало, но появлялись сомнения: приходилось покупать стабилизаторы напряжения, защиту сегментов и все сопутствующие приборы. Да, проводов получилось меньше, но как же много оборудования для этих проводов. Но когда покупатели начали в полной мере пользоваться интеллектуальными возможностями этих дорогих приборов, только тогда стало понятно, на что потрачены деньги». Объединенные в сеть шины позволяют проводить диагностику и поиск неполадок, эти функции значительно облегчают поддержку существующих и установку новых систем. Технический персонал и инженеры полностью согласны с тем, что средства диагностики существенно облегчают их работу и повышают ее эффективность.

Сеть магистральных шин позволяет увеличить эффективность совместной работы разнородных устройств и, иногда, перейти от управления отдельными подсистемами на целые производственные цеха. «Два подхода часто смешиваются, – говорит Брайан Оултон, бизнес-директор Rockwell Automation.- Мы встречались с задачами, в которых распределенное приложение – это только часть производства, а нижележащие уровни занимают дискретные подсистемы. На таких предприятиях развитие сильно тормозится. Десять лет назад на управляющей части фабрики был отдельный персонал: рабочие, инженеры, обслуга, они не имели отношения к производству. Сейчас ситуация кардинально изменилась: от управления до упаковки занимаются одни и те же работники, их стремление к интеграции весьма естественно». У некоторых сетевых платформ, всегда относившихся к дискретным, появились возможности для работы с приборами. Например, у Profibus DP есть возможность обрабатывать диагностические и производственные данные, которые передают приборы. Но, в отличие от сетей PPA, силовых линий у платформы нет. Некоторые функции платформ с магистральными шинами могут быть полезными, например, приборы FF оснащены средствами для ПИД регулирования. Разумеется, один из основных недостатков – расположение всех устройств сегмента на одном кабеле. При его повреждении, теряются все приборы. Однако этот недостаток частично компенсируется средствами отладки и поиска неисправностей, которые позволяют локализовать повреждение быстрее, чем при использовании традиционных сетей. Более того, для повышения надежности, некоторые устройства можно соединить дублирующими линиями.

 

Обоснование необходимости

Компания ARC провела опрос с целью изучить причину, тормозящую внедрение магистральных сетей (см. график). Кроме стоимости, респонденты к таким причинам отнесли обученность персонала, взаимную совместимость и необходимость пересечения линий производителей. Влияние всех этих факторов трудно оценить количественно, за исключением стоимости. Не все гладко с переоборудованием существующего производства. Если система хорошо налажена, работают все аналоговые соединения и диагностика HART, то, скорее всего, никто менять ее не будет. Возможность расширить HART средствами диагностики еще больше увеличит срок службы системы. Например, когда ExxonMobil хотела оснастить несколько приложений нижнего уровня магистральными сетями, объем работ был небольшим.«Экономические барьеры пока слишком высоки, чтобы оправдать обновление магистральной шины производственных элементов просто так, – заявил Майкл Сарли (Michael Sarli), руководитель программы автоматизации производства компании ExxonMobil Research & Engineering.- Тем не менее, мы воспользуемся этой технологией при расширении или в других, экономически обоснованных ситуациях». Тодд Стауфер (Todd Stauffer), менеджер по маркетингу управляющей платформы Siemens PCS7 подтвердил необходимость экономического обоснования. «Инерционность пользователей слишком велика, их сложно убедить в необходимости инвестиций такого рода в существующую систему, – говорит он.- Руководители склоняются к установке магистральной шины только при расширении системы управления. Это может быть причиной положительного решения: устанавливается новое оборудование, оно на базе шины, может быть, стоит отказаться от устаревшей технологии. Альтернативный вариант связан с ценным оборудованием, например, с большими моторами или центрами управления моторами (МСС). Поддержка и диагностика в этом случае очень важна, окупаемость при повышении ее качества оценить гораздо легче, поэтому обосновать замену старой сети магистральной шины не сложно. Если мотор стоит $250000, и нет возможности непрерывно контролировать его работу, заявление об установке магистральной шины для повышения контроля будет обоснованным».

 

Диагностика лучше?

магистральные шины

Рис. Очевидно: более чем у двух третей опрошенных снижение эксплуатационных расходов окупило проект менее чем за один год

К основным преимуществам магистральной шины ее сторонники относят улучшенные средства диагностики и поиска неисправностей. Их реализация зависит от аппаратного воплощения, оборудования и, в не меньшей мере, от различных технологических факторов. Действительно ли средства диагностики магистральных шин лучше стандартных соединений и HART? «В FF диагностика более активная, – утверждает Билл Татум (Bill Tatum), директор по маркетингу Fieldbus Foundation.- Контрольные данные добавляются к информационным пакетам, которые передает прибор, их свежесть гарантирована. В HART приборы необходимо опрашивать». Заместитель директора торговой организации Profibus Trade Organization Карл Хеннинг (Carl Henning) отмечает: «Обмен контрольными данными в Profibus организован быстро. HART – медленный протокол, к тому же пассивный. Информация бывает циклической и непериодической. Циклическая – это стандартная информация ввода/ вывода, передающаяся с определенной частотой. Прибор может выставить флаг, означающий: «Есть контрольная информация», ее считают на следующем шаге. Разумеется, длительность одного шага не превышает несколько миллисекунд. Таким образом, обнаруживаются нештатные ситуации, такой подход называется управлением по отклонениям. Вы получаете информацию о том, что что-то случилось и полное описание произошедшего.

Сети магистральных шин поддерживают передачу контрольной информации, но ее обработка зависит только от управляющей платформы верхнего уровня, но не от используемого протокола передачи. «Интеллект приборов сам ничего не скажет, с ним нужно общаться, – говорит Мойн Шаbr[ (Moin Shaikh), консультант по маркетингу распределенных компьютерных систем Siemens Energy & Automation.- Сеть должна передать все контрольные данные обратно в управляющую систему, которая, в свою очередь, обязана их преобразовать и выдать оператору в наглядной форме. В старых системах ошибки обозначались числами в шестнадцатеричной системе, которые ничего не говорили обычному пользователю. Хорошая система получает информацию, преобразует ее и выводит в доступной оператору форме». Сети магистральных шин отлично справляются с передачей контрольной информации и дополнительных данных от «интеллектуальных» приборов. По некоторым мнениям у системы нет большого преимущества перед HART, передающей информацию по дополнительным проводам. Более того, протоколы магистральных шин поддерживают данные HART, передающиеся по сетям, если это нужно пользователю. Но последующее использование информации гораздо важнее способа ее передачи. Компании, устанавливающие сеть магистральных шин, чаще пользуются средствами диагностики и управления ресурсами, чем приверженцы традиционных подходов. Только в одном устройстве с HART из пяти задействованы все возможности, остальные пользователи игнорируют интеллектуальные возможности своих приборов. Для них нет причин устанавливать сеть магистральных шин.

 

Общепринятый подход

Архитектура магистральных сетей не дает полной картины. Необходимо представлять отличия каждой платформы, имеющегося для нее оборудования и всего, необходимого для выполнения основных целей проекта. Возможно, придется использовать несколько платформ, обязательно тщательно выбирать приборы, искать совместимое оборудование. Разные производители отдают предпочтение одной платформе перед другой, можно запутаться, пытаясь понять, почему одни приборы бывают с определенной возможностью, а другие – нет. Шины FF и PPA редко используются, за исключением управления приборами и клапанами. Для поддержки этих функций стандартным дискретным системам требуются другие протоколы. В результате получается комбинация FF или PPA с Profibus DP, DeviceNet или другой платформой управления оборудованием, например, контроллером мотора. Хакан Норд (H kan Nord) – технический руководитель шведской целлюлозно-бумажной компании Billerud, управляющей четырьмя предприятиями. Он провел внутреннее изучение возможности применения магистральных шин на предприятиях компании. В конце концов, было решено использовать смесь платформ, в зависимости от требований технологического процесса и доступности оборудования. «Целлюлозная и бумажная промышленность в Скандинавии достаточно консервативны, в отличие от химической, нефтяной и газовой отраслей, – рассказывает он.- Мы хотели узнать, сможем ли мы воспользоваться магистральными шинами. На шине Foundation мы остановились потому, что, в отличие от Profibus, в ней предусмотрено управление на месте установки приборов. На заводе очистки сточных вод мы развернули систему из 120 приборов FF и 40 электроприводов с частотной регуляцией на Profibus DP. Шина FF не поддерживала некоторые анализаторы, для них пришлось воспользоваться Profibus. Развернуть магистральную шину достаточно просто, мы сэкономили много времени, средства контроля также пригодились».

 

Новые предприятия

Наибольшие перспективы магистральных шин ожидаются на начинающихся «с нуля» проектах или там, где планируются капитальный ремонт. При планировании предприятия использование магистральной шины приводит к существенной экономии. Если к этим средствам добавить скорость установки и постоянную экономию на поддержке, то выгода получается весьма существенной. Производственный бум, в котором возникло множество предприятий Азии и Ближнего Востока, это подтвердил, в том числе и на очень масштабных проектах. Интегрированный нефтехимический и перерабатывающий комплекс Rabigh в Саудовской Аравии на побережье Красного моря – это огромный проект, по плану завершающийся в конце 2008 года. Не считая существующих очистительных производств, на новых будет производиться 1,3 млн. тонн этилена и 2,4 млн. тонн нефтепродуктов ежегодно. Сеть магистральных шин завода насчитывает 5700 сегментов с более чем 60000 приборов. Новый рекордный проект – экспортный очистительный завод в Индии Reliance Jamnagar. «При расширении планируется увеличить мощность на 580 тыс. баррелей в день (в дополнение к 650 тыс. баррелей в день в настоящее время), а также достичь производства пропилена 900 тыс. тонн в год. Для этого потребуется более 20000 приборов на 3500 сегментах. После завершения в декабре 2008 года на проекте Reliance будет самая большая в мире сеть FF», – утверждает менеджер проектов Invensys Рави Венкатрамана (Ravi Venkatramana). В Северной Америке более скромные проекты. Компания Siemens Energy & Automation поставит системы управления для новой полимерной фабрики BASF в Мичигане. По утверждению представителей компании, с 3000 полевых приборов это будет самая большая сеть PPA в США и одна из самых больших избыточных (redundant) сетей в мире.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.