工业以太网应用的实践尝试

作者:Sabine Mühlenkamp ,本文作者系PROCESS德文版特约撰稿人。 文章来源:PROCESS《流程工业》 发布时间:2016-11-24
流程工业生产现场的工业以太网—— 快速的数据传递,开放的未来创新性,这些讲的都是工业以太网的应用方面。之前,投资保障、电缆长度、易燃易爆安全防护等问题还悬而未决。而现在,这些问题已经有了答案。

专家估计,流程工业生产现场至少还有15%~20%的检测点采用的是4~20 mA电流的模拟技术检测点和Hart现场总线通信技术协议。很久以前,人们就能够证明现场总线工作起来是安全的、具有成本费用方面的优势(不仅局限于布线)并且可以在易燃易爆区域中使用。但其不足之处就是:缺少主机-控制系统之间基本诊断信息传递的集成技术和主机-控制系统之间的不协调性以及生产厂家专用的特殊单元、特殊的现场总线仪器设备等,这些问题是许多用户无法承受的。随着去年现场总线仪器设备集成DFI工作的结束,这首次提供了改变这种局面的可能性。然而到真正全面实现FDI现场设备集成还需要一段时间。

工业以太网的通信系统

在有关现场总线仪器设备集成的大讨论中,讨论的是基于工业以太网的通信系统。早在两年前,用户中就首次有了在工业以太网中进行通信的苗头了。但随着时间的推移,这些想法也有了一些变化。今年2月,Namur协会在其立场文件中就提出了流程工业领域中以太网现场总线系统应满足的要求。立场文件就需要对用户说明的问题逐一进行了回答,例如通信技术协议、通信接口、Ex易燃易爆安全防护、安全保护系统或者仪器设备的更换等等。这样一来,虽然工业以太网还没有落实,但建立了生产厂家对话的基础。流程文件中所列举的需要注意的问题数量清楚地告诉人们:还需要更长时间地探讨。

为什么焦点集中在工业以太网中呢?利用4~20 mA模拟技术和现场总线系统都是可以实现安全可靠的过程控制的。这里涉及的是目前还不能被自动传输的控制过程中的一些辅助信息。而将来提供正确的检测数据是过程控制系统唯一的一项任务。因此,在最后一届Namur大会期间就探讨了有关智能传感器的问题,例如采集特定物质属性的检测传感器,而利用传统的数据传输途径是无法传递所采集到的特定物质属性这一辅助信息的。只有在工业以太网的环境中才能够高速地传递大量数据。工业以太网的工作循环时间和响应时间明显的比迄今为止所使用的现场总线系统或者4~20 mA模拟系统都要快。另外,轻松的集成到数据网络之中、方便的验证和状态信息的传递也都引起业内人士的极大兴趣。最后,这样的讨论和理念都是围绕工业4.0相关内容。

逐步增加的应用范围

当前的实际情况是,以太网技术在办公和日常生活领域中早就得到了应用,在加工工业企业领域中工业以太网也逐步的扩大(例如通过Profinet取代Profibus DP现场总线)。在过程自动化的一些领域中,这种替代也正在很快地出现。例如在石油、化工、天然气工业领域中的大型流程设备在电缆长度或者易燃易爆安全防护等方面有着很大的差异。这里也包括了食品生产领域、水处理、生物工程和药品生产领域。但工业以太网在流程设备生产现场应用的阻力还是很高的。复杂的流程工艺检测仪器设备、流程设备寿命周期以及现场总线仪器设备、厂区内流程设备间很大的间距或者易燃易爆安全防护等问题都是必须克服的困难。

过去几年里,流程工业中的投资保障也变得越来越重要了。这就要找到一种继续使用现有系统和仪器设备的途径。现场总线标准国际组织PI已经考虑了这样的过渡阶段,并认为Profibus PA将会是这一途径的基础。这种现场总线系统可以使用很长的数据电缆,以便能够绕过易燃易爆危险区域。今天,在许多流程工业企业中都可以看到将“Profibus DP 与Profibus PA两种现场总线系统”相互结合的解决方案。借助于人们的实践经验就可以使现场总线的主控系统按照周期性的或者非周期性方式的访问现场总线仪器设备。这样就能够把今天使用的现场总线系统(例如Profibus DP/PA,Hart等)连接在一起,而且也可以把安装的Profibus环境的现场总线系统连接在一套系统之中。目前,现场总线技术研发人员正在努力开发4.0版的PA设备配置文件(现行的是3.02版的配置文件),在这一配置文件中,数据的传输将会是独立于数据传输层的传送 – 也就是说,将来能用这一配置文件在Profibus和Profinet两种现场总线系统中传送数据信息。有趣的是,利用这一配置文件可以同时进行技术规范、测试标准、原型试制等方面的工作,这也就使得新版配置文件能够很快地投入实际应用。

安全问题也是必须考虑的一个难题。因为工作在易燃易爆危险区域中的现场总线仪器设备大多数都是在“本质安全”的安全保护方式下工作的。目前大多数企业规定的安全距离约为100m(对全球化运行的化工设备来讲是少了点)。为了能够在现场总线层面上使用以太网,Pepperl+Fuchs公司开发了一种概念方案,并向外界进行了演示。但这一概念方案肯定不是这一技术发展的终结。更多的是引起所有参与这一功能方案研究的组织机构的兴趣,推动以本质安全为基础工业以太网解决方案的发展,这只是刚刚走出的第一步。


工业以太网应用的四次实践尝试

许多实例都指出了工业以太网的优点,例如快速的传递大量数据(称量过程)、在流程设备主控系统中的连接(流量检测)以及较低的成本费用(气动输送)和符合工业4.0方案的要求(执行器)。

1 、Mettler-Toledo公司研发生产的ACT350变速器能够以每秒钟更新600次数据方式经以太网IP或者Profinet RT向PLC可编程序控制器系统发送数据。这样,现场总线仪器设备就能够利用工业以太网高速地、有规律地、安全地更新数据了。数据中的权重值都被彻底过滤掉了,以避免数据的波动。这样,在PLC可编程序控制器系统中也无需单独的权重值过滤算法了。高速定期地更新数据能够使流程设备的灌装应用实现很高的灌装调节精度或在输送带的高速重量检测中使用。

2、作为第一级质量流量检测仪的生产厂家,Endress+Hauser公司研发生产了配用Profinet现场总线监控的100系列产品。这样,现场总线仪器设备与控制系统之间的数字化通信就无需使用其他的辅助元器件了。设备集成技术参数直接嵌入在现场总线仪器设备之中。接口间的连接可以使用标准的以太网电缆和常规连接件(RI45和M12)。启动调试时无需任何调试工具,所有的参数都可以离线执行,甚至在现场总线系统中还没有安装仪器设备的情况下完成离线调试。现场总线仪器设备的参数数据保存在过程控制系统中,并能自动地导入到仪器设备中。

3、在Gericke公司中,重力定量控制设备的Easydos控制系统与气体输送设备的控制系统STP 61是按照以太网通信技术Ethernet/IP协议进行通信的。这样它们之间就可以直接寻址了。这种用法的好处是:有着高效精确的启动和停止的过程控制,以及精确的过程控制参数可追溯性。据Gerick公司介绍,最令人感兴趣的是它节约了使用运行费用,因为预先配置好的控制系统无需在PLC可编程序控制器系统安装时再费时费力的编写控制程序了,也不会在控制程序中出现工作循环的错误。

4、Auma公司为Ifat公司环境检测提供了一套新的Profinet、Modbus TCP/IP接口,利用这一新的接口技术也可以集成到工业以太网中去了,从而能够实现工业4.0要求的方案了。

工业以太网何时才能出现在现场层面?

很长时间以来,寻找这一问题的答案常常得到“无可奉告”的结果。因为只有当用户相信它的时候,只有在用户理解它的时候,它才会有市场并得到应用。而最重要的是,工业以太网的应用要简单。当能够利用即插即用的方法把现场总线仪器设备纳入到流程设备的过程控制系统中时、只有现场总线仪器设备可以按照任何一种通信技术协议传输数据时、只有在安全性、可靠性和可用性都有了保障时,并且能够提供更多附加值时,也只有在这些条件都具备时才能说:用户是信任这一系统的。这至少要求在生产厂家、用户组织、用户之间能够直接快速的相互交流。关于Namur立场文件的大讨论已经开始了。

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