Ethernet-APL на базе стандарта 10BASE-T1L
Прежде чем перейти к описанию стандарта Ethernet-APL, позволим небольшую предысторию.Это был 2021 год. Время, когда трава казалась зеленее, мы – моложе, а ковид и прочие напасти ещё не успели прочно поселиться в наших буднях. Где-то далеко за Полярным кругом шёл запуск очередной версии уровнемера. Если не вдаваться в технические детали, то ключевым «апгрейдом» модели стал разъём RJ-45.
Обратная связь от специалиста КИП, который в –40°C на 15-метровой высоте пытался обжать этот разъём, была… скажем так, особо выразительной. Настолько, что вопрос поиска более надёжного решения для промышленной связи показался крайне важным.
К счастью, в тот момент Analog Devices, Inc., американская компания, специализирующаяся на технологиях преобразования данных, обработки сигналов и управления питанием, как раз представила свой чип ADIN1100 – и перед нами открылись новые горизонты.
Чип ADIN1100 представляет собой специально разработанный для промышленного применения малопотребляющий приёмопередатчик Ethernet 10BASE-T1L, соответствующий стандарту IEEE 802.3cg для передачи данных на большие расстояния со скоростью 10 Мбит/с по одной паре проводов.
Итак, давайте начнём с определения Ethernet-APL.
Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) – это стандарт физического уровня Ethernet (IEEE 802.3cg), разработанный для промышленной автоматизации. Он обеспечивает:
- двухпроводную передачу данных (10BASE-T1L) со скоростью 10 Мбит/с;
- питание через линию связи Power over Data Line (PoDL);
- расстояние передачи данных до 1200–1500 метров;
- искробезопасность во взрывоопасных зонах (Ex ia-защита) в соответствии со стандартом IEC 60079-11:2011.
Разработчикам остаётся лишь рассчитать и продумать необходимую систему фильтров в зависимости от поддерживаемого регламентированного стандарта мощности в диапазоне от искробезопасной до 70W.
Сам стандарт Ethernet-APL поддерживает искробезопасное подключение датчиков. Следует отметить, что на текущий момент все ведущие производители КИП практически лавинообразно расширяют свою продуктовую линейку датчиками с поддержкой APL. Могу предположить, что в перспективе ближайших 5–10 лет произойдёт плавное вытеснение датчиков 4–20 мА / 24 В (HART).
На рис. 2 представлена структура сенсора типового датчика с поддержкой APL. С точки зрения энергопотребления он практически ничем не отличается от привычных 4…20 мА / 24 В, но отсутствие необходимости задумываться о полярности и скорость соединения сильно и приятно удивят пользователей «современных» AMS систем.
Что касается правой части рис. 2: помимо наших собственных разработок, на рынке стали появляться APL-коммутаторы производства Stahl, Phoenix, Siemens и пр., причём разработанные именно для полевого использования.
Основным преимуществом стандарта Ethernet-APL является то, что объединение производственных и административных объектов в единую сеть Ethernet создаёт возможность IP-адресации для любого конечного узлового устройства из любой точки мира в любое время.
Прозрачная IP-адресация каждого устройства полевого уровня значительно упрощает установку, настройку и обслуживание решений, подключённых к сети 10BASE-T1L. Стандарты Ethernet гарантируют, что все устройства 10BASE-T1L могут использовать промышленные протоколы связи, такие как PROFINET, EtherNetTM/IP, HART/IP, OPC UATM или MODBUS/TCP, и поддерживать протоколы IoT.
Стандарт IEC61499 и 4diac
Давайте попробуем смешать стандарт IEC 61499 и 4diac и хорошенько взболтать, и чтоб разобраться, что за напиток у нас получается, более подробно остановимся на основных ингредиентах.В сущности, основные ингредиенты – стандарт и программный продукт, – это две абсолютно разные вещи, но в нашем случае для более лёгкого понимания удобно рассматривать их вместе.
На просторах всемирного разума достаточно информации касательно стандарта IEC 61499. Он фактически является продолжением стандарта IEC 61131 и придуман для построения распределённых систем управления.
На рис. 3 продемонстрирована принципиальная разница между стандартами IEC 61131 и IEC 61499. Стандарт IEC 61131 имеет строго иерархическую структуру построения: один процессор (дублированный или нет), на который или по цифровым каналам, и/или физическим сигналам корзины попадает вся информация о процессе. Далее различным инструментарием вендора на одном из 5 языков программирования происходит разработка цикличного приложения.
Уверен, у большинства читающих этот текст имеется огромный опыт построения различных систем в данном формате в различных отраслях народного хозяйства.
В чём же принципиальное отличие стандарта IEC 61499? Вследствие прогресса в развитии промышленных сетей, сделавшего огромный скачок за последние 10–15 лет, вполне логично возник вопрос о возможности построения систем управления с распределённым центром на несколько процессоров, причём работающих под различными операционными системами, от FreeRTOS до Windows.
Основными принципами стандарта IEC 61499 являются:
- распределение задач автоматизации посредством Ethernet соединения на неограниченное количество процессоров. Таким образом вы можете распределять вычислительную нагрузку на систему целиком, например, простейшую логику управления алгоритмом на месте делает локальный контроллер, а оптимизацию параметров – установок регуляторов, интервальных задержек и прочие алгоритмы посложнее – вычисляет более производительная машина;
- событийная модель реализации алгоритма. То есть блоки выполняются не по циклу, а когда это необходимо (например, пришёл сигнал – сработал блок);
- блочная структура написания кода управления (с диаграммной моделью управления событиями). В данной структуре код управления может задаваться каждому блоку по отдельности.
Основной целью разработки стандарта IEC 61499 была необходимость решить проблемы гибкости и создания распределённой системы в автоматизации. Но долгое время он оставался «на бумаге», на взгляд автора, по ряду причин.
Вот основные из них:
- отсутствие нормальных распределённых Ethernet-сетей. В реалиях того времени тянуть витую пару дальше 100–150 метров не представлялось возможным. В то же время устанавливать кучу процессоров для промышленных объектов в одном помещении, согласитесь, выглядит несколько странно. С учётом гонки производительности Intel, AMD и прочих брендов было удобнее оставаться в рамках стандарта EIC 61131;
- консервативность ведущих вендоров. Зачем что-то менять в процессе, если и так всё работает?
Практическое применение стандарта IEC61499, 10BASE-T1L и 4diac
Давайте познакомимся с 4diac поближе. 4diac состоит из двух программных модулей – это 4diac IDE на базе Eclipse и 4diac Forte.4diac Forte – исполнительная часть программы, работающая на удалённых машинах.
4diac IDE – среда разработки для моделирования распределённых приложений управления.
В качестве «Hello World» предлагаю рассмотреть проект железной дороги. Что нам понадобится:
- 4diac;
- коммутатор Insol NODE – 1 шт.;
- удалённые модули Insol-1000 – 3 шт.;
- модель железной дороги от Piko – 1 шт.
Каждый удалённый модуль Insol-1000 является функциональным блоком управления скоростью поезда на определённом сегменте железной дороги. Общий вид функционального блока с описанием алгоритма действий представлен на рис. 5.
В результате мы имеем распределённую между тремя контроллерами систему управления (рис. 6).
Как же это работает? Территориально железную дорогу разбили на 3 сегмента, каждому сегменту соответствует свой контроллер, который отвечает за сенсоры и исполнительные механизмы на его сегменте. Первый контроллер отвечает за стрелку въезда в депо и съезда с нефтебазы, второй контроллер – за скорость поезда, направление движения и освещение железной дороги, третий – за стрелку въезда на нефтебазу и кнопки команд, расположенные в правом нижнем углу на рис. 4. Коммутатор реализует общий алгоритм движения.
В сущности, в данной распределённой системе есть всё необходимое для комфортной работы, а именно:
- возможность отладки в режиме онлайн как всей системы целиком, так и на каждого отдельно стоящего контроллера;
- онлайн-наблюдения за прохождением сигналов;
- развёртывание всей системы целиком и каждого отдельно стоящего контроллера.
Согласимся, что отличия в работе по сравнению с софтом на базе стандарта IEC 61131 вызывают некоторое замешательство для бывалых и не очень «асушников» и требуют ряда перестроек внутреннего алгоритма мышления при написании программ, но, на взгляд автора, общая структура более прозрачна и несёт огромное количество преимуществ, например:
- открытость системы, изначально заточенной под разработчиков «железа»;
- масштабируемость;
- переносимость системы вашего кода на разные платформы;
- совместимость с протоколом Ethernet-APL (10BaseT1L).
Решения и продукты ООО «Инсол»
Основным направлением разработки продуктов «Инсол» является производство оборудования, «заточенного» под требования IEC 61499 и 4diac, это в том числе производство сетевого оборудования с поддержкой Ethernet-APL. Примеры сетевого оборудования производства ООО «Инсол» приведены в табл. 1.
Внешний вид сетевого оборудования приведён на рис. 7.
В чём же преимущества сетевого оборудования производства «Инсол»? Рассмотрим пример типового решения для камер видеонаблюдения (рис. 8) и решение с удлинителем Ethernet-APL (рис. 9).
Мы видим, что благодаря сетевым решениям на основе Ethernet-APL есть возможность без дополнительных затрат увеличить расстояние между камерами видеонаблюдения до 1000 метров.
Оборудование для реализации стандарта IEC 61499
Мы разобрались с тем, что IEC 61499 – это неограниченное множество вычислительных узлов, объединённых в одну сеть. Мы разобрались, как строить сети на базе Ethernet-APL. Давайте рассмотрим решения по этим узлам и как их можно структурировать на технологической площадке (рис. 10).
Начнём рассмотрение структуры снизу вверх. Основным «кирпичиком» нашей системы является процессорный модуль 1000 RCU.
Внешний вид модуля 1000 RCU представлен на рис. 11.
Модуль 1000 RCU является базовым модулем контроллера и представляет собой пластиковый корпус с печатными платами, с внешними разъёмами и интерфейсами, а также жидкокристаллическим дисплеем. Основные технические характеристики модуля указаны в табл. 2. Также важными компонентами системы являются модули расширения. Описание модулей расширения приведено в табл. 3.
Одной из главных «фишек» 1000-й серии является то, что контроллеры можно соединять последовательно парой проводов, и эта «гирлянда» будет представлять единую локальную сеть с максимальной длиной одного сегмента до 1500 метров и внутренней скоростью передачи данных до 10 Мбит/с. Подключаете её к вашему компьютеру через медиаконвертер, и весь функционал 4diac в вашем распоряжении. На практике мы подключали контроллеры на расстоянии 3 км с заданными характеристиками.
Контроллер Insol-1000 – это сетевое устройство, предназначенное для подключения различных видов датчиков в общую систему управления через сеть Ethernet, удалённого сбора и обработки информации с подключённых датчиков, и управления ими путём передачи данных через соответствующие интерфейсы для выработки управляющих воздействий.
Контроллер применяется в различных системах сбора данных и управления, АСУ ТП промышленных предприятий, в системах безопасности и видеонаблюдения.
Контроллеры в пластиковом корпусе рекомендованы к применению в помещениях, пространствах электротехнических шкафов и отсеках промышленного оборудования вне взрывоопасных зон. Во взрывоопасных зонах применяется контроллер Insol-1000 Ex во взрывозащищённом корпусе (рис. 12).
Отличительными особенностями применения контроллера INSOL-1000 являются:
- работа в сети Ethernet по протоколу 10BASE-T1L;
- возможность последовательного и закольцованного подключения коммутаторов с расстоянием между устройствами до 1,5 км и скоростью передаваемых данных до 10 Мбит/с;
- использование технологии PoDL (Power over Data Line – Питание по линиям данных), то есть передача данных и питания по однопарному кабелю, что обеспечивает экономичное использование кабельной продукции;
- модульная конструкция, увеличение количества каналов путём присоединения модулей расширения (модулей ввода-вывода).
- от удалённого источника номинальным напряжением 48 В посредством PoDL (Power over Data Line – питание по линиям данных), то есть непосредственно по витой паре, через которую передаются данные;
- от локальных источников 24...48 В при помощи модуля локального питания I1051;
- по PoDL и от локального источника одновременно (комбинированная схема подключения питания).
Контроллер имеет встроенное программное обеспечение INSOL NET и предустановленную исполнительную среду системы 4diac forte. Программное обеспечение поставляется предустановленным в контроллер, имеет встроенный веб-интерфейс для удалённой настройки и диагностики через любой браузер и не требует для своего функционирования предустановки дополнительного программного обеспечения. Контроллер Insol-1000 в сборе с модулями расширения представлен на рис. 13.
Итак, далее поднимаемся по структуре (рис. 10). То, что у нас называется «уровнем транспорта», включает в себя кроме описанного выше коммутатора встроенный компьютер со следующими характеристиками.
Insol Node – это управляемый коммутатор, предназначенный для объединения в единую сеть устройств, построения распределённых систем сбора данных и управления АСУ ТП.
Внешний вид Insol Node представлен на рис. 14, а основные технические характеристики Insol Node указаны в табл. 4.
Кроме непосредственного запуска приложения 4diac Forte, причём сразу нескольких экземпляров, коммутатор имеет возможность отладки и компиляции пользовательских функциональных блоков. Структура формирования, отладки и компиляции функциональных блоков представлена на рис. 15.
Этот инструментарий делает систему 4diac полнофункциональным инструментом АСУ ТП, позволяя конечному пользователю сэкономить время на разбирательстве с внутренними процедурами оборудования и системы, сосредоточившись непосредственно на разработке прикладного программного обеспечения.
Одним из важнейших по значимости инструментарием софта Node является опрос по протоколам, сбор данных от устройств (HTTP, ModBusTCP и т.п.) и сохранение в базе данных c предоставлением в формате данных OPC UA.
В функции программного обеспечения интегрирована SCADA-система от INSOl (на базе FUXA), что c минимальными затратами позволяет делать как визуализацию на простых HMI-панелях с поддержкой WEB, так и создание полноценной клиент-серверной структуры.
Заключение
Новые стандарты позволили автоматизации стать более гибкой в стремительно изменяющемся мире бизнеса. Использование оборудования и продуктов производства «ИНСОЛ» позволят заказчикам экономить на капитальных затратах (CAPEX), а также существенно снизить операционные расходы (OPEX). ●Автор – директор ООО «ИНСОЛ»
© СТА-ПРЕСС, 2025
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
