Print

Může existovat jednotný bezdrátový protokol pro provozní zařízení?

-- 15.09.14

Pro procesní aplikace se jako hlavní řešení časem vyvinul jednotný protokol fieldbus a naše průmyslová odvětví z toho měla prospěch. Možná se totéž může přihodit i bezdrátovým provozním zařízením.

Procesní odvětví nepřijímají nové technologie okamžitě. Obvykle začínají postupně a metodicky s aplikacemi, kde technologie poskytuje dostatek přínosů, aby překonali riziko, že nebudou fungovat vůbec, nebo nedostatečně spolehlivě. Mnoho uživatelů testuje novou technologii na kriticky nevýznamných aplikacích a podle úspěšné funkčnosti a dostatečné ekonomické atraktivnosti je specifikují pro budování nového závodu v oblastech, kde je dostupná podpora výrobce.

http://www.controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Barca_Karchova/Casopis_zari_2014/site2.JPGPostupně bude nová technologie specifikována pro výstavbu nových závodů na zelené louce a projekty rozsáhlých modernizací, až se nakonec stane průmyslovou normou. Technologie foundation fieldbus (FF) postupovala přesně takto, když se základní technologie stala standardem v roce 1996; téměř po 20 letech je v současnosti průmyslovou normou pro nové závody a modernizaci v odvětvích s kontinuálními procesy (rafinování ropy, petrochemický průmysl a chemická výroba).

Následování příkladu technologie fieldbus

Jedním z problémů, který zdržuje širší přijetí bezdrátové provozní přístrojové techniky, je skutečnost, že většina instalací nových závodů a velkých modernizačních projektů nyní využívá Foundation fieldbus, kabelovou, celodigitální síť velmi inteligentních provozních přístrojů. Bezdrátový ekvivalent nebo verze FF H1 zatím nejsou dostupné, ačkoliv bezdrátové sítě WirelessHART a ISA100 si mohou vyměňovat jednoduchá data z obou bezdrátových sítí prostřednictvím brány ROM (Remote Operations Manager) specifikované organizací Fieldbus Foundation. Nicméně skutečná bezdrátová verze FF, se stejně inteligentními, ale bezdrátovými provozními přístroji, není k dispozici.

Testováním organizací Fieldbus Foundation dosud neprošla technologie FF HSE fungující na Wi-Fi, nebo tentýž protokol HSE fungující na síti ISA100 na bázi IP. Neexistuje bezdrátová verze FF HSE propojující zařízení, kterou by nabízel nebo registroval některý výrobce. Uživatelům se příliš nelíbí, že existují v podstatě dvě konkurenční normy bezdrátové sítě podporované velkými výrobci přístrojů. Ještě větší problém mají s tím, že jejich oblíbený dodavatel provozních přístrojů často nevyužívá stejný standard bezdrátové sítě, jako jejich oblíbený dodavatel systému DCS. Uživatelé chtějí po dodavatelích, aby problémy řešili a ne je zhoršovali.

Absence jednotné normy bezdrátové sítě nebo obecně přijímané průmyslové praxe brzdí přijímání bezdrátové přístrojové techniky uživateli, kromě několika oblastí, kde přínosy bezdrátové techniky jasně převažují a aplikace neslouží  pro rychlé řídicí smyčky.

Srovnání ISA100 a WirelessHART

Kterými prvky se ISA100 liší od WirelessHART? Jak říká HCF v popisu platformy: „Technologie WirelessHART umožňuje uživatelům přístup k obrovskému množství nepoužívaných informací vězících v těchto instalovaných chytrých  zařízeních HART.“

Technologie ISA100 byla navržena výslovně pro komunikaci s chytrou provozní přístrojovou technikou a pro snadné konfigurování podle specifických požadavků na vysoký výkon. V normě je specifikováno mnoho konfigurovatelných možností pro přípravu bezdrátového zařízení standardu ISA100. Sada výchozích hodnot pro tyto možnosti, která je uvedena v normě, se označuje jako profil routeru a byla optimalizována pro zabezpečené sítě typu mesh u provozní přístrojové techniky pro řízení procesů.

Proto uživatelé bezdrátové provozní přístrojové techniky pro řízení procesů nemusejí konfigurovat novou bezdrátovou přístrojovou techniku, aby splňovali kterýkoli z požadavků tohoto standardu. Výrobci jiných bezdrátových zařízení mohou mít specifické cenové, výkonové nebo bezpečnostní nároky, které mohou využívat I/O profil rovněž specifikovaný ve standardu pro nízkonákladová zařízení, nebo mohou vyžadovat úpravy některých jiných atributů ISA100 k přizpůsobení jejich potřebám. Přizpůsobené verze ISA100 mají zaručenou a testovanou kompatibilitu s provozními přístroji vyhovujícími profilu routeru, avšak úprava bezdrátového profilu ISA100 není nic, čeho by se uživatelé měli obávat.

Při navrhování normy ISA100 se použil stejný soubor základních požadavků, jako před mnoha lety při navrhování FF. Zásadním rysem architektury ISA100 i FF je přenos dat peer-to-peer bez nutnosti hostitelského počítače nebo relé brány. Zařízení ISA100 i FF mají synchronizované hodiny reálného času pro podporu plánování objektů rezidentních v inteligentních síťových zařízeních.

Zařízení ISA100 mají synchronizované hodiny reálného času s přesností ± 1,0 ms. Taková přesnost hodin je nezbytná také pro splnění požadavku uživatelů z oblasti elektrorozvodných závodů na analýzu sekvence vypnutí po selhání.

Například frekvence vzorkování většiny provozní přístrojové techniky pro řízení procesů jednou za sekundu (1 Hz) je dostatečná pro monitorování a většinu řízení s uzavřenou smyčkou.

Protokol ISA100 dokáže dodávat data systému DCS provádějícímu řízení s časově synchronizovanou přesností. Protokol WirelessHART nemá schopnost časové synchronizace. Když se má konfigurovat regulace průtoku vyžadující aktualizace častěji než jednou za sekundu, jen protokol ISA100 dokáže dodávat data se synchronizovanou odezvou častěji než jednou za sekundu.

Typická regulace průtoku u destilační kolony vyžaduje skenování dat dvakrát až čtyřikrát za sekundu. Pro zajištění tohoto výkonu je nutno konfigurovat doby sběru dat z průtokoměrů s minimálním průchodem sítí („meshing“), aby se zaručily synchronní vzorkovací časy. Standard ISA100 výslovně podporuje maximální latenci 100 ms a provozní páteřní routery nutné k zajištění, aby se data dostala do řídicího prvku v rámci jednoho přeskoku („hop“) bez nedeterministických zpoždění sítě typu mesh.

U aplikací ještě náročnějších než je regulace průtoku o frekvenci 4 Hz může být nutné, aby uživatel nakonfiguroval linkovou vrstvu protokolu ISA100 tak, aby umožňovala zpracování až do frekvence 12 Hz, což je současný limit řešení. Protokol ISA100 má možnost dostupnou bez nutnosti změn protokolu nebo vytváření nových funkčních bloků, které nejsou podporovány podle testování organizací Fieldbus Foundation.

Opatření pro složitá zařízení

Aplikace, jako je analytická provozní přístrojová technika, mohou vyžadovat přenos dlouhých sad dat, které nelze vměstnat do krátkých zpráv nutných z důvodu 10ms časového slotu. Síťový segment obsahující bezdrátové analyzátory může využívat protokol ISA100, aby umožnil delší zprávy. Aplikace http://www.controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Barca_Karchova/Casopis_zari_2014/site1.JPGmůže segmentovat zprávu tak, aby datová oblast nepřesahovala 90 bytů a dala tak prostor pro obslužná data („overhead“) protokolu. ISA100 podporuje opětovné sestavování segmentovaných dlouhých zpráv. Protokol WirelessHART se svým fixním 10ms časovým slotem a jednoduchou síťovou vrstvou není vhodný pro efektivní přenos dlouhých zpráv a odpovědnost za segmentování a skládání zpráv je ponechána na aplikaci. Když se tyto procesy ponechají mimo standard a testování shody, je pro výrobce obtížnější vyvíjet kompatibilní produkty.

Jedním z prvků, unikátních pro protokol ISA100, je tunelové propojení. Dává schopnost přenášet jakýkoli datový tok po bezdrátové síti ISA100 mezi provozním zařízením a bránou, i když zařízení využívá digitální protokol poměrně odlišný od protokolu ISA100. Jakožto preferovaný alternativní přístup dovoluje objektově orientovaná aplikační vrstva protokolu ISA100 formovat jednoduché validní zprávy pomocí objektového modelu a služeb ISA100. Zařízení může mít zabudovaný protokol ISA100, nebo je možno použít adaptér pro komunikaci v nativním formátu zařízení, jako je Modbus, DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP, Profibus, HART apod. a zapouzdřit zprávu pro přenos po bezdrátové síti ISA100 do brány.

Většina aplikací dosud využívala pro přenos dat ve zmíněných nativních protokolech objektový model ISA100 a nepotřebovala využívat funkce tunelového propojení. Software v bráně pak může směrovat data obsažená v původní zprávě zamýšlenému příjemci. Protože adaptér ISA100 má IP adresu, externí systémy mohou směrovat zprávy do provozního zařízení na adresu v podstatě stejně, jako by komunikovaly s jakýmkoli jiným IP zařízením.

Chytré zařízení může provozovat FF HSE, které je rovněž založeno na UDP/IP a bezdrátová síť ISA100 bude schopna synchronně si vyměňovat zprávy a data s jakýmkoli jiným zařízením provozujícím tentýž protokol s využitím funkcí publikování/odběru („publish/subscribe“) protokolu ISA100, které jsou kompatibilní s funkcemi u protokolu FF.

Zabezpečení bezdrátové sítě

Uživatelé a dodavatelé mají obavy o zabezpečení, takže oba protokoly šifrují každou zprávu pomocí šifrování AES-128 zabudovaného v rádiovém čipu IEEE 802.15.4. Zabezpečení je v sítích ISA100 řešeno používáním rotujícího šifrovacího klíče pro pravidelnou plánovanou změnu klíče zabezpečení. Během doby, kterou by útočník potřeboval k prolomení síťového šifrovacího klíče, se automaticky vygeneruje a distribuuje nový klíč, což brání vlastním průnikům.

Protokol WirelessHART omezuje šifrování a kontrolu integrity zprávy na pouze jeden z osmi možných způsobů dostupných ve standardu IEEE 802.15.4, zatímco protokol ISA100 nabízí šest možných kombinací. Obě normy využívají jako výchozí 32bitový kód integrity zprávy, avšak protokol ISA100 nabízí také konfigurovatelný 64bitový nebo 128bitový kód integrity zprávy, což poskytuje vyšší míru zabezpečení, která je občas požadavkem vládních a polovládních organizací.

Při vývoji normy ISA100 uživatelé deklarovali potřebu zabezpečené metody zprovozňování nebo přidávání nového provozního zařízení bez nutnosti specializovaného ručního zařízení nebo fyzického přístupu k přístroji. Protokol ISA100 nabízí zabezpečenou bezdrátovou metodu pro zprovoznění nového zařízení a povolení jeho připojení do sítě pomocí PKI (infrastruktury veřejného klíče). Zabezpečení je založeno na dvou faktorech: seznam whitelist identifikující zprovozňovaná zařízení musí být nainstalován v síti před vlastním zprovozňováním a uživatel musí držet odpovídající 283bitový certifikát. Seznam whitelist a certifikát jsou instalovány do správce síťového zabezpečení pomocí souborů vytvořených výrobcem a jsou uživateli dodávány na přenosných médiích (CD, DVD, USB klíčenka, SD karta apod.).

Tím se odstraňuje nutnost operací technického zajištění zařízení ze strany uživatele. Když je v provozu nainstalován bezdrátový přístroj, automaticky odpoví na žádost sítě o připojení a stane se součástí provozní sítě. Tento proces je zabezpečený díky použití standardní metody 283bitového veřejného/privátního klíče, která při bezdrátovém přenosu nevystavuje žádné nešifrované připojovací klíče a nespoléhá se na nezabezpečené provozní postupy pro distribuci tajných klíčů do hostitelského systému nebo prostřednictvím ručního terminálu. WirelessHART využívá fyzicky připojený ruční terminál HART pro zadání síťové adresy a klíče zabezpečení. Podobný kompatibilní mechanismus je k dispozici také pro uživatele ISA100 prostřednictvím infračerveného portu.

Protokoly WirelessHART i ISA100 podporují sítě typu mesh, které mohou rozšířit rozsah síťového pokrytí, pro přístup k zařízením, jejichž přímá viditelnost je stíněna budovami a pro poskytování odolné („resilient“) cesty k datovému přenosu pro zvýšení spolehlivosti. Je-li však síť typu mesh použita v synchronní řídicí smyčce, pouze protokol ISA100 může omezit hloubku sítě mesh, a zároveň poskytovat plně odolnou datovou cestu využitím technologie zdvojeného přenosu („duo cast“). Omezení hloubky sítě vyžaduje, aby byly provozní routery umístěny v dosahu jednoho přeskočení („hop“), protože víceúrovňová tvorba sítě mesh může způsobit nedeterministická zpoždění signálů při cestě na místo určení. Spolehlivá práce v síti s využitím odolnosti vyžaduje, aby informace zasílané po odolných datových cestách byly identické. Prvkem ISA100 zajišťujícím identičnost je funkce zdvojeného přenosu zabudovaná do bezdrátové technologie ISA100.

WirelessHART dokáže zasílat data po více cestách ve své síti mesh, ale ne ve stejném časovém slotu. V konfiguracích, kde zařízení potřebuje přistupovat k datům od souseda v síti mesh, mohou dlouhé latence ovlivňovat přenos dat přes síť mesh do systému DCS a z něj. Pro řešení tohoto problému protokol ISA100 podporuje přímou komunikaci mezi vzájemně blízkými zařízeními. Tento vztah peer-to-peer zahrnuje přímou bezdrátovou komunikaci, fungování ve spojení s aplikačním objektovým modelem, který dokáže vykonávat logiku řízení provozu (Controlling-the-Field – CiF) vzdáleně bez zásahu DCS, podobně jako CiF v FF HSE.

Může existovat síťová norma?

I když dodavatele přístrojové techniky a některé konečné uživatele může lákat podpora obou sítí využitím metody duálního bootu, nedochází tím k dlouhodobému ustavení průmyslové normy, což bylo hlavní podstatou požadavků konečných uživatelů. Protokol ISA100 může být jádrem budoucí bezdrátové průmyslové síťové technologie, stejným způsobem, jako se Ethernet TCP/IP a Wi-Fi staly normami pro sítě IT. Protokol ISA100 je plně postaven na dobře zavedených síťových standardech. To znamená, že ISA100 je aplikačně nezávislou telekomunikační sítí na bázi internetu navrženou pro kritická a nekritická prostředí průmyslové automatizace, tak jako jsou protokoly Ethernet TCP/IP a Wi-Fi aplikačně nezávislými telekomunikačními sítěmi na bázi internetu pro kancelářské sítě.

Jsou-li aplikace vytvořeny tak, aby využívaly běžné síťové standardy na bázi IP protokolu, lze je přenést do jakékoli standardní sítě, jako je ISA100, existuje-li dostatečná šířka pásma pro daný úkol a pokud byly přizpůsobeny pro specifické potřeby automatizačního průmyslu.

A navíc, podobně jako u protokolu Ethernet TCP/IP, je použití ISA100 nezávislé na síťovém hardwaru. S postupným rozvojem technologií bude možno v bezdrátovém protokolu ISA100 provádět tyto přenosy aplikací, aniž by se  musely aplikace přenášené do této síťové technologie měnit.

Závěr: Normy

Uživatelé, kteří se rozhodli jako bezdrátovou síť v závodě používat  WirelessHART, se upoutávají k architektuře řídicího systému, v níž mají provozní zařízení jen málo inteligence a nenabízejí možnost koncepce CiF s jejími přínosy. Jejich systém DCS musí odvádět práci při zpracování signálu a řízení s uzavřenou smyčkou. Technologie ISA100 se bezesporu může připojovat k stejným provozním zařízením HART, ale její otevřená architektura dovoluje synchronní, dvoucestný bezdrátový přenos dat s plně funkčními (inteligentními) provozními zařízeními, když jsou připravena, beze změn v základní síti. A víme, že existuje silný trend směrem k technologii FF s jejími inteligentními provozními zařízeními a vysoce synchronními datovými přenosy.

Přední uživatelé si uvědomili, že norma bezdrátové sítě musí být nejen mezinárodním standardem, ale musí být také vhodná pro náročné aplikace, jako je bezdrátová technologie FF a internetové webové servery v provozní přístrojové technice. Umí to jen vysoce zabezpečený protokol na bázi IP a pouze bezdrátová technologie ISA100 dokáže splnit tyto potřeby. ce

Dick Caro je výkonný ředitel společnosti CMC Associates, poradenské firmy v oblasti průmyslových sítí a je autor publikace „Bezdrátové sítě pro průmyslovou automatizaci“.

Autor: Dick Caro, CMC Associates


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Technical Computing Camp 2019
2019-09-05 - 2019-09-06
Místo: Hotel Fontána, Brněnská přehrada
Moderní technologie ve farmacii
2019-09-24 - 2019-09-24
Místo: Brno
Moderní technologie v potravinářství
2019-09-25 - 2019-09-25
Místo: Brno
Mezinárodní strojírenský veletrh 2019
2019-10-07 - 2019-10-11
Místo: Výstaviště Brno
MSV TOUR 2019
2019-10-07 - 2019-10-10
Místo: MSV, Brno

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI