De 'bus' van de toekomst
wordt 10x sneller
Wat verwachten van de ‘bus van de toekomst?’ Hoe reageren de adepten van veldbussen op het OPC software-offensief? We geven u de visie van Phoenix Contact, zoals geweten de ontwikkelaar en grote promotor van Interbus-S. Of noem het: een kijkje in de ontwikkelingslaboratoria van de Duitse fabrikant.
De veldbustechnologie heeft het laatste decennium effectief een innovatiegolf in de automatiseringstechniek teweeg gebracht. Vooral in de machinebouw en lijnautomatisering is de veldbus - in dit bereik ook wel sensorbus genoemd - intussen een basiselement geworden. Om de bus echter de krachtmeting met andere technieken, zoals OPC, succesvol te laten aangaan, beraden hun promotoren zich vandaag in welke richting ze hun ontwikkeling dienen verder te zetten. Met andere woorden: wat zijn de troeven die de bussystemen in de toekomst zullen onderscheiden van andere technieken?
Signalen opvangen
In dit gebied situeert zich de klassieke opdracht van een veld- of sensor/actuator bussysteem, namelijk de signalen uit het veld zowel serieel als parallel naar een centrale besturing brengen. Een veldbus die deze opdracht ook in de toekomst wil vervullen, moet eerst en vooral aan de volgende basisvoorwaarde voldoen, het systeem moet eenvoudig zijn. Dit betekent onder andere een deterministische cyclus en het vermijden van instellingen aan de deelnemers zoals baudrate, adressen, ... De beschikbaarheidseisen voor machines en installaties zullen in de toekomst nog hoger worden. Dit betekent, dat in geval van storingen een zeer hoge eis aan de beschikbare diagnose met een éénduidige foutplaats van het systeem gevraagd wordt om een gerichte interventie van een onderhoudsploeg mogelijk te maken. Als enige bussysteem biedt Interbus nu al deze eigenschappen en heeft daar bovenop door zijn zeer efficiënte overdrachtstijden nog heel wat reserves om een drastische verhoging van de communicatiesnelheid toe te laten, die voor de toekomstige opgaven van een veldbus nodig zouden blijken.
Gevaren beheersen
Het thema van het beheersen van gevaren, dit wil zeggen: het beveiligen van mens en machine door doelmatige controle van gevaarlijke bewegingen, is een centraal thema in elke automatiseringsoplossing. Ondanks het invoeren van bussystemen wordt de bekabeling van de veiligheidssignalen, zoals noodstop of beveiligingsschakelingen, nog altijd via een parallele weg naar een centrale besturing gebracht. Al naar gelang de machine of installatie kan deze veiligheidsbekabeling tot 30% van alle bekabeling oplopen. Het bussysteem van de toekomst moet in staat zijn, zowel relevante informatie op vlak van veiligheid, alsook de standaardinformatie over één en hetzelfde busprotocol af te handelen. Het is voor de gebruiker absoluut onaanvaardbaar, een ander bussysteem voor de veiligheidsinformatie te moeten gebruiken, dan het systeem dat hij gebruikt voor de standaardinformatie. Dit betekent, dat de veldbus die in deze toepassingen de toon wil zetten, alle eigenschappen van de veiligheidstechniek zal moeten omvatten. Een bussysteem, dat veiligheidsinformatie transporteert moet absoluut deterministisch en snel zijn. Dit wil zeggen dat de afschakeling van een gevaarlijke beweging in een vooraf bepaalde tijd van milliseconden dient te gebeuren.
Synchroniseren
Bij moderne machineconcepten worden uit het oogpunt van nauwkeurigheid en snelheid, steeds meer positionerings- en bewerkingsopdrachten verricht door elektronische assensturingen. Deze opdracht stelt speciale eisen aan het gebruikte communicatiesysteem. Om assen te kunnen coördineren, moet het protocol een absolute synchrone aftasting en een up-date-tijd in een tijdsspanne kleiner dan 1 milliseconde waarborgen. Om dit mogelijk te maken worden in deze automatiseringsconcepten momenteel overwegend speciale- of fabrikantspecifieke bussystemen ingezet naast een algemene veldbus met het nadeel dat de gebruiker twee bussystemen bedienen (nvdr: en betalen) moet. De veldbus van de toekomst stelt voor de synchronisatie van de aandrijvingen een virtueel onafhankelijk communicatiekanaal binnen de veldbus ter beschikking. De eisen aan dit kanaal zijn belangrijk. Het is noodzakelijk voor 10 en meer aandrijvingen, aftasttijden te verwezelijken die veel kleiner zijn dan 1 milliseconde. Het is ook absoluut noodzakelijk dat deze cycli synchroon zijn, gelijkmatig gespreid in de tijd en met regelmaat de data binnen het aandrijfnetwerk controleren. Al deze genoemde eigenschappen moeten gewaarborgd worden, onafhankelijk van alle andere communicatieopdrachten die door het bussysteem uitgevoerd worden. Verder is het noodzakelijk dat een directe dwarscommunicatie tussen de verschillende aandrijvingen kan gevoerd worden. Klassieke multi-master-concepten die zich bijvoorbeeld op token-pas verlaten of zich op een prioriteitsgestuurde interventie baseren, zijn hiervoor niet geschikt omdat zij de synchronisatie en gelijkmatige spreiding in de tijd niet kunnen waarborgen, zoals dit noodzakelijk is voor de positionering van assen. Men moet nieuwe communicatiesystemen ontwikkelen, die wel op deze eisen een antwoord kunnen bieden.
Werelden verbinden
Hier geldt het verbinden van de verschillende communicatiewerelden van het management en de administratie van een produktieonderneming met de communicatiewerelden van produktieopvolging en machines en installaties. Heden ten dage heeft de Ethernet-technologie zich als breed communicatieplatform, zowel in administratie- als op fabrieksniveau, gevestigd. De communicatietechnologie die Ethernet en Internet op dit ogenblik gebruiken, bevat twee ideale manieren om een compleet verticaal geïntegreerde data-integratie van Internet tot in de machine te realiseren. De specifieke eisen van het veldgebeuren, de hoge tijdskritisch-heid, de synchroniteit van de overdraging, het determinitische en het tijdsgespreide ophalen van data worden door deze evenwel niet afgedekt. De toekomst ligt in het samenbrengen van de positieve communicatie-eigenschappen van de Internet/Ethernet-wereld met de real-time omgeving van een veldbus. Met Interbus werd alvast deze weg opgegaan. Op dit ogenblik is het mogelijk, op basis van het interbusoverdrachtsprotocol TCP/IP, communicatiediensten vanuit een Ethernetstructuur tot op een decentraal aangesloten intelligent toestel in het veld over te dragen, zonder dat daardoor de snelle en cyclische I/O-datatransfert in het bussysteem gestoord wordt.
Eisen
Samengevat ziet men dat de veldbus van de toekomst aan 5 wezenlijke eigenschappen zal moeten voldoen.
1. de cyclustijd moet met een factor 10 naar omlaag ten opzichte van de huidige snelle bussystemen.
2. Het deterministische en synchrone karakter van veldbusprotocollen is een absoluut criterium voor toekomstige toepassingen.
3. De mogelijkheid moet bestaan om een dwarscommunicatie, specifiek aan een fabrikant, tussen afzonderlijke netwerkdeelnemers mogelijk te maken.
4. De veldbus moet een optimale TCP/IP-integratie mogelijk maken, zonder afbreuk te doen aan de andere eigenschappen.
5. De eenvoud van het systeem zal marktbepalend zijn. Zelfadressering en een nauwkeurige storingsaanduiding zijn basiseigenschappen van de veldbus van de toekomst.
Alleen al de drastische herleiding van de cyclustijden toont de grenzen van vele huidige gebruikte protocollen. Als de baudrate de grens van 10 Mbit overschrijdt,zoals de multi-drop systemen met klassieke veldbusprotocollen doen, dan is er op grond van de fysische eigenschappen van de kabel geen veilige dataoverdracht meer mogelijk. Alle huidige hogesnelheid communicatiesystemen baseren zich op een fysische punt-tot-punt overdracht (Fast Ethernet, ATM, enz.). De enige veldbus, die momenteel op de markt verkrijgbaar is, die zowel een actieve deelnemerskoppeling aanbiedt, en tegelijk ook een absoluut deterministisch protocol heeft, is Interbus. Neemt men verder de Plug and Play eigenschappen van het systeem in achting en de aanwezige TCP/IP-integratie evenals de gerealiseerde stap naar aandrijving-synchronisatie, dan ziet men duidelijk dat Interbus reeds alle eigenschappen in zich heeft om aan de eisen van de veldbus van de toekomst te voldoen. Zo heeft Interbus de beste vooruitzichten om ook de volgende 10 jaar zijn stempel te drukken op de automatiseringtechniek.
Met dank aan: Dhr. Baginski, Phoenix Contact
Le bus de terrain du futur
devient dix foix plus RAPIDE
Que peut-on attendre du ‘bus du futur’ ? Comment réagissent les adeptes des bus de terrain à l’offensive logicielle de l’OPC ?
Nous vous donnons ici la vision de Phoenix Contact, en tant que concepteur et grand promoteur bien connu de l’Interbus-S.
En d’autres mots : un petit regard indiscret dans les laboratoires de développement de projet du fabricant allemand....
La technologie de bus de terrain a effectivement fait naître durant la dernière décennie une vague d’innovation dans la technique d’automatisation. Surtout dans la construction de machines et dans l’automatisation en ligne, le bus de terrain - également nommé, dans ce domaine, le bus de capteur - est devenu entre-temps un élément de base. Pour qu’il puisse gagner la partie de bras de fer avec les autres techniques, telles que l’OPC, ses promoteurs se concertent aujourd’hui sur la direction que doit prendre son développement dans le futur. En d’autres mots, quels sont les atouts qui pourront permettre aux systèmes de bus de se distinguer à l’avenir des autres techniques ?
Collecter les signaux
La mission classique d’un système de bus de terrain ou de bus capteur/actionneur se situe bien dans ce domaine, à savoir délivrer à l’unité de commande centrale - par une communication sérielle ou en parallèle - des signaux en provenance du terrain. Un bus de terrain qui veut encore remplir cette mission à l’avenir doit d’abord et surtout répondre au critère de base suivant : le système doit être simple. Ceci signifie, entre autres, un cycle déterministe et l’absence, pour les participants, de la contrainte de devoir définir les vitesses de transmission, les adresses,... Les critères de disponibilité des machines et installations seront à l’avenir encore plus contraignants. Ceci signifie qu’il existera - en cas de panne ou dérangement - une grande exigence de disponibilité de diagnostic, avec indication de la cause de la panne et de son endroit, en vue de permettre une intervention dirigée de l’équipe de réparation. En tant qu’unique système de bus, Interbus offre déjà maintenant toutes ces propriétés et possède en outre, grâce à ses temps de transmission très courts, une grande capacité en réserve pour permettre une augmentation drastique de la vitesse de communication, qui semble impérieuse dans les versions futures de bus de terrain.
Gérer les dangers
Le thème de la gestion des dangers, c’est-à-dire de la protection de la personne et de la machine par un contrôle efficace des mouvements dangereux, est un thème central dans toute solution d’automatisation. Malgré l’introduction des systèmes de bus, le câblage des signaux de sécurité, tels que l’arrêt d’urgence ou les montages de protection, doit toujours s’opérer via une route parallèle vers la commande centrale. En fonction de la machine ou de l’installation, ce câblage de sécurité peut constituer jusqu’à 30% du câblage total. Le système de bus de l’avenir doit être en mesure de traiter, au travers d’un seul et même protocole de bus, tant l’information pertinente sur le plan de la sécurité que l’information standard. Pour l’utilisateur, il est parfaitement inacceptable de devoir utiliser pour l’information de sécurité un système de bus différent de celui qu’il utilise pour l’information standard. Ceci signifie que le bus de terrain qui donnera le ton dans de telles applications devra posséder toutes les propriétés de la technique de sécurité. Un système de bus qui transporte de l’information de sécurité doit absolument être rapide et déterministe. Ceci signifie que l’interruption d’un mouvement dangereux doit intervenir dans un temps déterminé à l’avance, qui ne peut jamais excéder quelques millisecondes.
Synchroniser
Dans les concepts de machine modernes, de plus en plus de tâches de positionnement et de manipulation s’opèrent par l’action de commandes d’arbres et/ou axes électroniques, et ce dans un but évident de précision et de rapidité de réponse. Ceci implique que soient respectés des critères spéciaux au niveau du système de communication utilisé. Afin de pouvoir coordonner des axes, le protocole doit garantir une analyse et un balayage absolument synchrones ainsi qu’un temps d’actualisation inférieur à la milliseconde. Pour permettre cela, des systèmes de bus déterminants, spéciaux ou spécifiques à un fabricant, doivent être momentanément mis en oeuvre dans ces concepts d’automatisation, et ce à côté d’un bus de terrain général, ce qui crée pour l’utilisateur le désavantage de devoir commander (ndlr : et payer) deux systèmes de bus. Le bus de terrain du futur met à la disposition de la synchronisation des entraînements un canal de communication virtuellement indépendant au sein du bus de terrain. Les critères auxquels doivent répondre ce canal sont nombreux. Il est nécessaire pour 10 entraînements et plus de réaliser des temps de balayage qui soient inférieurs à 1 milliseconde. Il est également impérieux que ces cycles soient synchrones, répartis dans le temps de façon uniforme et qu’ils contrôlent régulièrement les données au sein du circuit d’entraînement. Toutes ces propriétés doivent être garanties, indépendamment de toutes autres missions de communication qui devraient être exécutées par le système de bus. De plus, il est nécessaire qu’une communication transversale directe puisse avoir lieu entre les divers entraînements. Les concepts classiques ‘multi-master’ qui provoquent, par exemple, un temps de retard dû au pas de jeton ou qui se basent sur une intervention commandée par priorité, ne sont pas applicables ici, car ils ne peuvent garantir ni la synchronisation, ni la répartition uniforme dans le temps, éléments qui sont strictement nécessaires pour le positionnement d’axes. On doit développer de nouveaux systèmes de communication qui répondent de façon positive à ces critères.
Relier des mondes
Il faut ici relier entre eux les divers mondes de communication du management et de l’administration d’une entreprise de production et les mondes du suivi de la production, des machines et des installations. A ce jour, la technologie Ethernet s’est établie comme plate-forme de communication étendue, tant au niveau de l’administration qu’à celui de la fabrication. La technologie de communication qui est actuellement utilisée par Ethernet et Internet comporte deux manières idéales pour réaliser une intégration de données complètement verticale, et ce jusque dans la machine. Les exigences spécifiques aux opérations dans le terrain, à l’aspect hautement critique des temps, au synchronisme du transfert, à la collecte des données de façon déterministe et répartie dans le temps ne sont cependant pas prises en compte par cette communication. L’avenir est fait d’une combinaison des propriétés de communication positives du monde Ethernet/Internet et de l’environnement en temps réel d’un bus de terrain. Cette direction a déjà été prise par Interbus. En ce moment, il est possible, sur base du protocole de transfert TCP/IP d’Interbus, de transférer des services de communication à partir d’une structure Ethernet jusqu’à un appareil intelligent situé dans le champ et raccordé de façon décentralisée, sans que cela ne perturbe de quelque façon que ce soit le rapide transfert cyclique de données I/O au sein du système de bus.
En résumé, on réalise que le bus de terrain du futur devra satisfaire à 5 exigences propres.
1. le temps cyclique doit être réduit par un facteur 10 par rapport à sa valeur actuelle dans les systèmes de bus rapide
2. le caractère déterministe et synchrone des protocoles de bus de terrain constitue un critère absolu pour les applications futures
3. la possibilité doit exister de réaliser une communication transversale, spécifique à un fabricant, entre différents participants au réseau
4. le bus de terrain doit permettre une intégration TCP/IP optimale, sans que cela ne provoque préjudice aux autres propriétés
5. la simplicité du système sera déterminante pour le marché. L’auto-adressage et une indication de panne précise sont des exigences de base du bus de terrain du futur.
Seule la réduction drastique des temps cycliques montre déjà les limites de bien des protocoles actuels. Dès que le débit en Bauds franchit la limite des 10 Mbit/s, comme le font les systèmes ‘multidrop’ à protocoles de bus de terrain classiques, les propriétés physiques même du câble font qu’un transfert de données sûr n’est plus possible. Tous les systèmes de communication actuels à haute vitesse se basent sur un transfert physique en point-à-point (Fast Ethernet, ATM, etc.). Le seul bus de terrain, actuellement disponible sur le marché, qui offre aussi bien une liaison entre participants qu’un protocole absolument déterministe, est Interbus. Si l’on considère alors en plus les propriétés ‘Plug and Play’ du système et l’intégration TCP/IP présente, de même que le pas accompli vers la synchronisation d’entraînement, on voit alors clairement qu’Interbus contient déjà en soi toutes les propriétés pour répondre aux exigences du bus de terrain du futur. De la sorte, Interbus a les meilleures chances, durant les 10 années à venir, de marquer la technique d’automatisation de son empreinte.
Avec remerciements à Mr Baginski, de Phoenix Contact.
