ISA 100.11a zcela odstraňuje potřebu standardu WirelessHART

 S tím, jak se v průmyslu stále častěji používají bezdrátové provozní sítě, jsou uživatelé také stále častěji stavěni před rozhodnutí, který ze dvou nabízejících se standardů zvolí pro svou síť – zda standard ISA 100.11a, nebo standard WirelessHART. Článek je věnován tomuto dilematu, před kterým každý uživatel stojí při výběru vhodné infrastruktury provozní bezdrátové sítě, a ukazuje, že volba je samozřejmá:
Standard ISA 100.11a poskytuje výkonnější a úplnější strukturu, která má nejen všechny vlastnosti sítě podle standardu WirelessHART, ale navíc ještě mnohé další přednosti převažující natolik, že není důvod, proč standard WirelessHART vůbec používat.

Provozní bezdrátové sítě

 Bezdrátová technika je pro obor automatizace nespojitých i spojitých technologických procesů velkým přínosem. Zjevnou předností je úspora nákladů na prvotní instalaci a na údržbu kabeláže. Přínosy bezdrátového spojení jsou však mnohem širší než jen úspora kabelů. Například je nyní možné instalovat snímače a akční členy na rotující díly. Lze je také dočasně instalovat pro zjištění příčiny nesprávného chování či sběru dat umožnících lépe poznat děje probíhající v řízeném technologickém zařízení. Bezdrátové sítě rovněž dovolují realizovat úlohy mobilního typu zahrnující např. volně se pohybující pracovníky nebo správu mobilních výrobních prostředků. 

 Není překvapivé, že nabídka bezdrátových sítí vyvolává v průmyslových podnicích velký zájem. Mnozí uživatelé experimentují s bezdrátovými pojítky při použití různých dílčích systémů. Současný stav techniky umožňuje celkem snadno sestavit zařízení vyhovující z hlediska základních požadavků kladených na bezdrátovou síť – spolehlivosti, informační bezpečnosti a vytrvalosti baterií. 

 Velkou komplikací však je, že průmyslové podniky jsou v současné době zaplaveny ohromným množstvím komunikačních protokolů pro kabelové sítě, jako jsou např. Modbus, Foundation Fieldbus, HART, Profibus, DeviceNet, ControlNet a další podobné standardizované i proprietární protokoly. Pro kabelové provozní sítě v průmyslu je typická kombinace několika protokolů používaných současně. Každý protokol přitom využívá zvláštní, jemu vyhrazenou infrastrukturu (měděné vodiče). Snadno tudíž vedle sebe může existovat větší počet protokolů, aniž by se mezi sebou ovlivňovaly, nebo dokonce aniž by o sobě navzájem vůbec věděly. 

 Na rozdíl od kabelových sítí, kde každý protokol používá svou vlastní, jen pro něj vyhrazenou fyzickou vrstvu sítě tvořenou vodiči v kabelech, bezdrátové verze těchto protokolů musí sdílet společné médium (vzduch) a koexistovat bez vzájemného ovlivňování v jednom a tomtéž fyzickém prostoru. Bezdrátové provozní sítě v průmyslu tudíž musí být uspořádány tak, aby dokázaly absorbovat všechny protokoly používané v kabelových provozních sítích. Navzájem nekoordinované dílčí bezdrátové systémy nedokážou fungovat vedle sebe, aniž by se při přenosu dat v téže době, v tomtéž prostoru a na téže frekvenci navzájem neovlivňovaly, a to patrně s katastrofálními důsledky. 

Komunikační protokol HART 

 Protokol HART (Highway Addressable Remote Transducer) byl vytvořen jako nástroj umožňující konfigurovat provozní přístroje, které jsou připojeny k řídicímu systému s použitím standardní proudové smyčky 4 až 20 mA, a přenášet z nich detailní diagnostické údaje po tomtéž páru vodičů, který přenáší řídicí signál. 

 Protokol HART je překryvný protokol aplikační vrstvy založený na rozšiřitelné sadě jednoduchých příkazů a odezev digitálně přenášených při kódování metodou FSK (Frequency Shift Keying, klíčování změnou kmitočtu) se superpozicí na fyzické vrstvě sítě tvořené dvěma vodiči.

Obr. 1. Signál při použití protokolu HART(zdroj: HART Communication Foundation – HCF; pozn.: nákres není v jednotném měřítku)

 Komunikační protokol HART používá zjednodušenou třívrstvou variantu jinak osmivrstvého referenčního modelu komunikačního kanálu podle ISO/OSI obsahující (1) aplikační vrstvu nad (2) spojovou vrstvou nacházející se nad (3) reálnou fyzickou vrstvou – v převážné většině případů tvořenou měděným vodičem. 

Typický systém využívající k přenosu diagnostických údajů do řídicího systému protokol HART se skládá z modulů I/O podporujících protokol HART, přes které se provozní přístroje s rozhraním HART připojí k řídicímu systému nebo systému údržby.

Obr. 2. Typický systém s protokolem HART (přístroje jsou napájeny přes rozhraní nebo z vnějšího napájecího zdroje, který není znázorněn; zdroj: HCF)

 V novějších verzích protokolu HART byl model rozšířen tak, aby bylo možné aplikační vrstvu používat také nad sériovými linkami typu např. RS-484, a tudíž realizovat sériovou sběrnici s odbočkami. Na tomto základě vznikly populární moduly HART MUX neboli přepínače sběrnice s protokolem HART. 

 Aplikační protokol HART je v nich převáděn jako celek, bez jakýchkoliv úprav, z fyzického média tvořeného párem měděných vodičů na sériovou linku RS-484; příkaz aplikačního protokolu HART k odečtu prvotního údaje převodníku vypadá stejně bez ohledu na to, zda je přenášen po měděném vodiči při kódování metodou FSK nebo po sériové lince s odbočkami. 

 Uvedený přechod z jednoho typu fyzického média na jiný představuje velmi příznačný průmyslový trend – ponechat aplikační vrstvu beze změny a přizpůsobovat nižší vrstvy komunikačního protokolu tak, aby se co nejlépe využily všechny přednosti případného nového fyzického média nacházejícího se v základu komunikačního pojítka. 

 V současnosti představují nové médium, jehož popularita díky masovému používání techniky mobilních telefonů, Wi-Fi atd. neustále roste, bezdrátová pojítka. Nastal tedy čas převést na nové médium také protokol HART. Přechod ovšem musí být proveden při respektování omezení, která jsou novému médiu vlastní; např. u zařízení napájených z baterií je třeba brát v úvahu množství energie potřebné k bezdrátovému přenosu, nové médium musí být sdíleno všemi současně komunikujícími zařízeními (včetně těch, která používají jiný komunikační protokol) atd. 

WirelessHART 

 Název WirelessHART označuje bezdrátový komunikační protokol vyvinutý organizací HCF (HART Communication Foundation), původcem protokolu HART, pro přenos zpráv systému HART bezdrátovým pojítkem namísto po proudové smyčce 4 až 20 mA nebo po lince RS-484 jako dosud. Zařízení s rozhraním WirelessHART používá tutéž sadu povelů jako zařízení s protokolem HART ve smyčce 4 až 20 mA. V síti s protokolem WirelessHART lze tudíž používat pouze ta zařízení, která podporují protokol HART. Sítě snímačů a akčních členů používané v průmyslu musí ovšem umožňovat, aby v nich svoje protokoly a data mohla bezdrátově přenášet provozní zařízení všech typů, tj. nejen ta, která podporují protokol HART. Při pokračování směrem nastaveným standardem WirelessHART by bylo nutné specifikovat bezdrátové verze také všech ostatních používaných provozních protokolů (např. WirelessFoundationFieldbus, WirelessModbus, WirelessProfinet, WirelessCAN apod.). 

 Ovšem na rozdíl od kabelových sítí, kde určité jednotlivé přenosové médium (např. měděný vodič) je vždy vyhrazeno jedinému protokolu, v bezdrátových systémech by všechny takové protokoly musely sdílet jedno společné přenosové médium (rádiové vlny v kmitočtovém pásmu 2,4 GHz přenášené vzduchem). Nekoordinovaná jednotlivá pojítka by se při své činnosti vzájemně ovlivňovala a výsledkem by byl chaos. Rádiové signály z různých zařízení společně přítomné v téže době, v tomtéž prostoru (závodě) a na téže frekvenci by navzájem interferovaly a výsledkem by byla ztráta přenášených dat, a tudíž i menší spolehlivost a dostupnost sítě a větší náklady. Nadto by bylo nutné spravovat několik samostatných sítí, což by pro provozní pracovníky byla rozhodně přímo noční můra. 

 Analogií popsané situace je výstavba mnoha rozličných myček automobilů, vždy jedné pro každý jednotlivý model a s rozměry přesně odpovídajícími danému modelu. A lze si snadno představit ještě horší případ, kdy se jednotlivé myčky nacházejí tak blízko u sebe, že se dráhy vozidel při průchodu myčkami mohou křížit, a může tak docházet ke kolizím. 

ISA 100.11a

 Konstruktéři však naštěstí šli jinou cestou a navrhli nastavitelné myčky použitelné pro všechny běžné modely automobilů daného typu. Podobně v průmyslu existuje potřeba univerzálního komunikačního protokolu umožňujícího realizovat všechny potřebné bezdrátové přenosy nezávisle na protokolech jednotlivých kabelových provozních sítí. Přesně toho lze dosáhnout při použití standardu ISA 100.11a.

ISA100.11a 

 Protokol podle standardu ISA 100.11a je multifunkční protokol pro sítě senzorů a akčních členů používané v průmyslu. Umožňuje spolehlivě a bezpečně realizovat mnoho různých úloh od prostého sledování technologického zařízení až po jeho zpětnovazební řízení. Byl od samého začátku navržen s ohledem na potřebu bezdrátově přenášet provozní údaje do stávajících kabelových sítí řídicích systémů nebo nových řídicích sítí využívajících současně rozličné komunikační protokoly. 

 Standard obsahuje specifikace zásobníku přenosového kanálu podle modelu ISO/OSI, správy systému, brány systému (gateway) a informačního zabezpečení pro rádiová pojítka s malou rychlostí přenosu dat určená ke spojení s pevně umístěnými, přenosnými i mobilními provozními přístroji. Zařízení realizovaná podle standardu ISA 100.11a se vyznačují velmi malou spotřebu energie. Komunikační zásobník protokolu je vyvinut s ohledem na velmi nepříznivé provozní podmínky vyskytující se v průmyslových podnicích a z nich plynoucí mimořádně velké požadavky na robustnost, odolnost proti rušení a informační bezpečnost sítí. 

 Standard ISA 100.11a poskytuje infrastrukturu (funkce a služby) umožňující vytvořit otevřené interoperabilní uživatelské prostředí. Uživatelský model protokolu ISA 100.11a lze upravit tak, aby emuloval aplikační vrstvy jakékoliv současné kabelové provozní sběrnice a bylo možné ho začlenit do současných systémů (obdobně jako může myčka automobilů nastavit své mycí kartáče tak, aby sledovaly obrysy libovolného vozidla). Vytvořený uživatelský model umožňuje opakovaně používat již existující a osvědčené nástroje a rozhraní i sám o sobě zkracuje celkovou dobu potřebnou na vývoj a ověření projektovaného systému. Výsledkem je rychlejší realizace systému, který je od samého počátku robustní.  Správný způsob, jak převést protokol HART na rádiové pojítko, je přidat aplikační vrstvu protokolu HART nad komunikační zásobník protokolu ISA 100.11a (navržený tak, že k němu lze připojit všechny protokoly), a nikoliv pro protokol HART vyvíjet jehovlastní jednoúčelový komunikační zásobník. 

Převaha systému ISA 100.11a 

 Systém ISA 100.11a má několik důležitých vlastností, na kterých je založena jeho naprostá převaha nad jednoúčelovou rádiovou sítí umožňující přenášet pouze zprávy protokolu HART (WirelessHART) a které de facto vylučují systém WirelessHART z dalších úvah jako zcela neperspektivní. Významné jsou zejména čtyři okruhy vlastností popsané v dalším textu. 

Komunikační kanál a mapování 

 Přenášet prostřednictvím rádiového pojítka různé aplikační protokoly je při použití komunikačního zásobníku podle ISA 100.11a obvykle velmi jednoduché. K tomu, aby bylo možné začlenit do systému již existující protokoly vyvinuté před příchodem rádiových pojítek, nabízí aplikační subvrstva protokolu ISA 100.11a tři výkonné nástroje (koncepty). Jde o nástroje k ustavení základního komunikačního kanálu (basic tunneling), rozšířeného komunikačního kanálu (smart tunneling) a k přiřazení atributů (attribute mapping). 

 Nejjednodušším z prostředků pro rádiový přenos uživatelských zpráv původně určených k přenosu kabelovými sítěmi je základní komunikační kanál. Jde o jednoduchou obálku, do které se vloží přenášená uživatelská data (v daném případě povel nebo odezva systému HART), která jsou s použitím protokolu ISA 100.11a a rádiového pojítka doručena koncovému zařízení, které dokonce ani nepotřebuje vědět, že data se k němu dostala bezdrátově (obr. 3). Je to stejné jako poslat dopis poštou: váš dokument je vložen do obálky a „dán na poštu“ – neboli bezdrátově poslán příjemci, který obálku otevře, čímž se dostane k vašemu dokumentu. 

 Hlavní předností konceptu základního komunikačního kanálu je, že koncové zařízení nemusí být pro to, aby mohlo pracovat v bezdrátové síti, nijak měněno. Funkci rádiového přenosu lze realizovat s použitím přídavné karty do koncového zařízení nebo přidáním externího modulu.  Naopak nedostatkem tohoto konceptu je, že v praxi je použitelný jen u přístrojů napájených z rozvodné sítě, u nichž nejsou problémy s omezenou kapacitou baterií. Úplný systém na principu základního komunikačního kanálu s přístroji s rozhraním HART je na obr. 4. 

 Inteligentní neboli rozšířený komunikační kanál nabízí přídavné funkce realizované v inteligentních bránách spojujících rádiové pojítko s kabelovými sítěmi řídicího systému. 

 Namísto aby jen slepě zasílala provoznímu přístroji každou jednotlivou zprávu, inteligentní brána si může některá data interně uložit a použít je ve své odezvě. S tím spojený pokles počtu zpráv zasílaných vzduchem dovoluje realizovat nové typy provozních přístrojů napájených z vestavěných baterií. Výsledný systém se velmi podobá systému na principu základního komunikačního kanálu, ale s tím hlavním rozdílem, že brány s dostatečnou vlastní inteligencí umožňují obejít se bez externích rádiových modulů a externího napájení (obr. 5). 

 Dalším přínosem standardu ISA 100.11a pro praxi je definovaný mechanismus převodu (mapování) aplikační vrstvy libovolného protokolu na aplikační vrstvu protokolu ISA 100.11a optimalizovanou pro bezdrátový přenos. Právě díky tomuto mechanismu je standard ISA 100.11a nástrojem umožňujícím beze zbytku využít všechny přednosti moderních bezdrátových průmyslových sítí. Při tomto přístupu jsou zprávy přenášeny protokolem HART mezi řídicím (hostitelským) systémem a bránou s rozhraním HART stejně jako v předchozích případech. Spojení mezi bránou a provozním přístrojem může probíhat zcela v režii aplikační vrstvy protokolu ISA 100.11a. Základní předností tohoto přístupu je, že každý přístroj s rozhraním ISA 100.11a lze snadno zabudovat do systému využívajícího ať už HART, Foundation Fieldbus, Profibus, DeviceNet či libovolný jiný zavedený průmyslový komunikační protokol (obr. 6). 

 Jaký prospěch tedy má uživatel z toho, že zvolí méně přizpůsobivý standard WirelessHART umožňující používat pouze přístroje s rozhraním HART, když standard ISA 100.11a dokáže podporovat všechny protokoly, včetně protokolu HART? Jakýkoliv přínos pro uživatele zde nikdo neprokáže. 

 Současně také nikdo nemůže logicky odůvodnit, proč udržovat zásobník bezdrátového protokolu určený výhradně pro protokol HART. Bezdrátová technika v mnoha oblastech stále ještě dozrává. Neustále vznikají nové rádiové přístroje, komunikační topologie a směrovací algoritmy. Jak s tím vším udrží krok systém  

WirelessHART?

 V případě standardu ISA 100.11a se budoucím vývojem není třeba znepokojovat. Lze se totiž spolehnout na standardizační skupinu ISA 100, která bude sledovat odpovídající technické trendy, hledat a doporučovat nejvhodnější postupy a vyvíjet takové komunikační standardy, které budou dostatečně přizpůsobivé a beze zbytku vyhoví potřebám jakékoliv možné úlohy v nejrozmanitějších odvětvích průmyslu. Prospěch z nejnovějších výdobytků v oboru bezdrátové techniky budou mít automaticky všechny uživatelské systémy, včetně systémů založených na protokolu HART.

Směrování k páteřní síti

 Sítě s mnoha přeskoky mezi uzly mají při rostoucím počtu uzlů v síti sklon k několikrát opakovanému vysílání jedné a téže zprávy, což zbytečně odčerpává energii z baterií zařízení, přes která zpráva prochází. Jednou ze základních úloh struktury systému ISA 100.11 je zajistit, aby se v ní každá zpráva dostala co nejkratší cestou na kvalitní páteřní síť. Tímto způsobem se dosáhne významné redukce intenzity využití kanálu ISA 100.11 při přenosu jedné zprávy, a to typicky na jednu až dvě rádiové relace. Systém WirelessHART žádnou takovou páteřní síť nemá (obr. 7). Páteřní síť navíc nabízí způsob, jak rozšířit pásmo pro přenos zpráv při jejich postupu směrem k bráně.  

 V průmyslových sítích snímačů a akčních členů je obvyklé, že s přibližováním se k bráně do stávajícího řídicího systému spolu konverguje stále  větší počet tras (a tudíž i množství údajů). Páteřní síť je nástrojem umožňujícím zvětšit šíři přenášeného pásma a udržet poblíž brány podmínky pro efektivní komunikaci. Jde o obdobu dálničního modelu, kdy pro dosažení potřebné propustnosti silniční komunikace na ní směrem k centru města roste počet jízdních pruhů. Kdyby všechny ulice ve městě měly jen jeden jízdní pruh, vedlo by to k rozsáhlým dopravním zácpám. Systém WirelessHART je na rozdíl od systému ISA 100.11a uspořádán tak, že veškeré rádiové přenosy probíhají rychlostí 250 kb/s. K zachování co největší přizpůsobivosti standard ISA 100.11a neurčuje konkrétní provedení páteřní sítě – může jí být libovolná vysokorychlostní datová síť, včetně např. bezdrátového nebo kabelového Ethernetu (obr. 8). 

Závěr: chcete-li mít bezdrátovou síť schopnou obsáhnout velké počty přístrojů a současně chcete, aby baterie v těchto přístrojích měly dlouhou a předvídatelnou dobu provozního života, použijte síť ISA100.11a. 

Proměnné časové úseky 

 Doba trvání časových úseků, během nichž je přenášena zpráva, je v systému ISA 100.11a proměnná a lze ji konfigurovat, zatímco časové úseky v systému WirelessHART trvají vždy 10 ms. Tři hlavní pracovní režimy podporované ve spojové vrstvě (Data Link Layer – DLL) protokolu ISA 100.11a jsou režim přeskakování mezi kanály v rytmu trvání časového úseku, režim pomalého přeskakování a hybridní režim. Systém ISA 100.11a lze díky této provozní pružnosti současně přizpůsobit potřebám rozdílných skupin zařízení, od těch, která vysílají periodicky a vyžadují časovou synchronizaci až po taková, která vysílají jenom občas a po většinu doby „spí“ bez jakékoliv potřeby synchronizace. 

Závěr: chcete-li mít dlouhou dobu provozního života baterií ve vašich bezdrátových přístrojích a současně schopnost přenášet bez zpoždění naléhavé provozní zprávy, použijte síť ISA 100.11a.

Redundantní propojení šetřící energii 

 Proměnné doby trvání časových úseků umožňují uspořádat síť ISA100.11a tak, že provozní přístroj může vyslat zprávu a tento jediný datagram může být v tomtéž časovém úseku přijat a potvrzen současně dvěma či větším počtem směrovačů. Tím se dosahuje redundantního propojení při malém výdaji energie z baterií. Jde o vlastnost, kterou s časovými úseky s pevně danou dobou trvání v systému WirelessHART nelze realizovat. Povšimněte si, že při použití principu rozšířeného komunikačního kanálu s inteligentní bránou lze uvedené redundantní propojení šetřící energii realizovat i tehdy, když se v síti ISA 100.11a přenášejí zprávy v protokolu HART. Pro uživatele je tedy lepší provozovat komunikační systém HART v síti ISA 100.11a, než použít systém WirelessHART. 

Závěr: chcete-li velkou spolehlivost bez plýtvání energií obsaženou v bateriích, použijte síť ISA 100.11a. 

Závěry 

 Uživatelé v průmyslu potřebují univerzální systém podobný systému podle standardu ISA 100. Ve skutečnosti neexistuje žádná oblast použití nebo jednotlivá úloha, kterou by systém WirelessHART dokázal zvládnout, a systém podle standardu ISA 100.11a nikoliv. Naopak ale existuje velmi mnoho úloh (tj. všechny úlohy používající protokoly jiné než protokol HART), které je možné provozovat se systémem ISA 100.11, ale upravit pro systém WirelessHART je prostě nelze. I pro samotné úlohy na bázi protokolu HART je výhodnější použít síť ISA 100 než síť WirelessHART. Nahlédnuto z provozního hlediska, standard ISA 100 umožňuje uživateli vybudovat a spravovat jedinou společnou bezdrátovou síť zahrnující všechny úlohy a vyhnout se obtížím při správě několika různých typů sítí současně. Z argumentů uvedených v článku jednoznačně vyplývá, že bezdrátový systém podle standardu ISA 100.11a beze zbytku odstraňuje potřebu standardu WirelessHART.

Tim Bourke,Honeywell Analytics, UK

 Z anglického originálu ISA 100.11a Completely Obviates the Need for WirelessHART, Petrol Industry News,  Oct.–Nov. 2007, vol. 8, No. 5, pp. 18–19; překlad a úprava redakce; publikováno se souhlasem Honeywell,  spol. s r. o.

Převzato z časopisu Automa

 

Powered by Bullraider.com
Jste zde: Home Články Standardy ISA 100.11a zcela odstraňuje potřebu standardu WirelessHART