Besturingstechniek
Ethernet op de Profibus kabel

Hubert Lahaut, Control & Automation Magazine

version française

Veldbussen zijn en blijven de ruggengraat voor decentrale besturingssystemen. Als er een koppeling aan netwerken vereist is, komt men doorgaans in aanraking met ethernet. En in de praktijk levert dat vaak complexe en dure communicatiestructuren op. Een oplossing bestaat er in internet- en netwerktechnologieën te laten ’meeliften‘ op Profibus.

Fabrikanten van besturingssystemen zijn het zichzelf én de gebruiker verplicht de modernste communicatieoplossingen te kunnen leveren, die zowel geschikt zijn voor centrale als verspreide automatiseringstoepassingen. Een hoge mate van functionaliteit is niet alleen gunstig voor standaardisering, maar ook voor de onderlinge compatibiliteit van systemen van verschillende leveranciers. Standaarden en functionaliteiten uit de IT-wereld, zoals ethernet, internet en webtechnologie, spelen hierbij een (steeds grotere) rol.
Tegenwoordig kan technisch bijna alles en is er ergens wel ergens een oplossing voor een bepaald probleem op de markt. De grootste kopzorg van de gebruiker is echter de beheersbaarheid en het rendement van al deze technisch zeer attractieve oplossingen. Het is dus aan de fabrikant van automatiseringsapparatuur om technisch hoogstaande oplossingen om te zetten in rendabele systemen.
Wat is de huidige stand van de techniek? Opvallend zijn de internet- en netwerktechnologieën met Ethernet-TCP/IP. Ze knagen niet echt aan het marktaandel van veldbussen zoals Profibus-DP/FMS, die hun nut intussen ruimschoots bewezen hebben. Maar de ethernet- en internettechnologie heeft de afgelopen jaren wél voor een geweldige verschuiving gezorgd op een ander niveau: van eenvoudige busverbindingen naar uitgebreide netwerken.
Ethernet ligt aan de basis van deze netwerken. Het omvat Layer 1 en 2 van het zevenlaagse ISO/OSI-model. Ethernet biedt op basis van Layer 2 als één en hetzelfde fysieke netwerk ruimte aan verschillende protocollen en applicaties. Virtual Private Networks (VPN) en geïntegreerde telecommunicatienetwerken zijn een technische vanzelfsprekendheid geworden. Industrial ethernet werd enkele jaren geleden als dé oplossing gepresenteerd om deze functies ook op industriële automatisering te enten. In de praktijk blijkt echter dat veel toepassingen niet rendabel zijn vanwege de extra kosten voor hardware-, systeemengineering en support. Wie als leveranicier wil verkopen, moet dus de voordelen en functionaliteit van ethernet industrieel eenvoudiger en goedkoper kunnen realiseren.

Parallelle verwerking is niets nieuws
Uiteraard is dit niet ongemerkt voorbijgegaan aan de leveranciers van automatiseringsoplossingen, -componenten en -systemen. Zij bieden intussen ‘hybride’ systemen aan, die gebruik maken van één en dezelfde kabel voor een mengeling van ethernet/internet- en Profibus-protocollen. We bekijken zo’n systeem van nabij, als mooi voorbeeld van state-of-the-art technologie: S-Net van Saia-Burgess.
Uitgangspunt was dat, bij een vergelijking met ethernet, het precies Profibus is dat qua structuur en ontwerp, het meest geschikt is om de voordelen van netwerken kostprijsgunstig te koppelen aan een breed geaccepteerd, industrieel, besturingssysteem. Zo werkt Profibus in de praktijk bijvoorbeeld al lang parallel met diverse protocollen (MPI, DP, FMS enz.). Deze eigenschap wordt nu door genoemde leverancier aangesproken om naast de standaardprotocollen zoals DP of FMS, via dezelfde Profibus kabel, tegelijk ook andere protocollen (bijv. HTTP) en diensten (voor bijv. programmeren, ingebruikname en diagnose) aan te bieden. Op deze manier laat zich ook netwerktechnologie in Profibus integreren en gebruiken.
Algehele integratie
Het concept is als volgt: de Profibus Layer 2 (Field Data Link – FDL) is vanaf nu standaard aanwezig in het besturingssysteem van alle nieuwe besturings-CPU’s en decentrale randapparaten (zoals Remote I/O) van Saia-Burgess.
Door de aanwezigheid van Profibus-FDL in de software (zonder speciale ASIC’s of controllers) beschikken de nieuwe apparaten zonder meerkosten dus over een geïntegreerde Profibus-aansluiting met een maximale overdrachtssnelheid van 1,5 Mbit/s. Op die manier wordt een hybride combinatie van netwerk- en bustechnologie ook in eenvoudige en goedkope apparaten, zoals Remote I/O’s en terminals, economisch inzetbaar. Dit netwerkconcept onder de naam SAIA-S-Net baseert zich op de open standaarden voor Profibus en ethernet.
Ervaring wijst uit dat open systemen met ‘multi vendor’- en ‘multi user’-functionaliteit altijd een zekere complexiteit veroorzaken. De weerslag is dat er een grotere inspanning vereist is voor het ontwerpen, ingebruiknemen en onderhouden ervan. Openheid verwordt echter vaak tot onverantwoordelijkheid onder het motto: iedereen mag meedoen en niemand is verantwoordelijk. Uiteindelijk draait de gebruiker of de klant toch voor de meerkosten op. In het geval van S-Net levert openheid - althans naar eigen zeggen van Saia-Burgess - geen risico’s of beheersproblemen op, omdat het S-Net voor de eigen Saia-apparatuur (PLC, RI/O, HMI, SCADA, ...) een ’Private Control Network (PCN)‘ vormt via Profibus en ethernet. De gebruiker kan gewoon de bestaande netwerkinfrastructuur blijven gebruiken, er zijn geen extra kabels nodig. Via één en dezelfde kabel kunnen zowel ‘Profibus DP’- als ‘S-Net’-apparaten worden bestuurd. De nieuwe besturingen PCD2.M480/M487 bijv. ondersteunen zowel Profibus als S- in één aansluiting. Doordat geen nieuwe technologie wordt toegevoegd, volstaat de reeds aanwezige kennis voor engineering, ingebruikname en support. Door standaard ethernet en Profibus te gebruiken, blijven apparaten en hun leveranciers onderling compatibel.

Universeel protocol
Het S-Net-protocol vormt de kern van dit netwerkconcept. Het is een universeel communicatieprotocol. Het ondersteunt allerlei soorten apparaten (zoals SCADA, PLC, Remote I/O en HMI) inclusief de bijbehorende diensten voor eventgestuurde data-uitwisseling en het programmeren en stellen van diagnoses via het netwerk. Het protocol is geschikt voor alle soorten interfacetypes en netwerken. Het garandeert een foutloze doorvoer van data, commando’s en programma’s. Het protocol ondersteunt tekstbericht-routing via verschillende niveaus en netwerken. Op die manier kunnen data, programma’s en commando’s transparant via internet en telecommunicatienetwerken worden verstuurd, zelfs met de eenvoudigste Remote I/O. Krachtige tools en speciale applicatiediensten voor het programmeren, de ingebruikname, de diagnose en het onderhoud zijn beschikbaar. Alle nieuwe CPU’s en Remote I/O-systemen van genoemde leverancier beschikken standaard over een ingebouwde webserver die de bedienings- en bewakingsfuncties mogelijk maakt. Alle overige SAIA-PCD systemen zijn via de bestaande Profibus- en ethernetaansluitingen in het concept te integreren. De bedoeling is de gebruiker een veilige oplossing naar de toekomst toe te bieden, die continuïteit garandeert.

Geen extra kosten
De integratie van ethernet en Profibus, in combinatie met zelfontwikkelde functies en software-tools, kan dus besparingen opleveringen in alle fases, gaande van engineering en inbedrijfname tot onderhoud. De oplossing blijft beheersbaar omdat met S-Net, het ’Private Control Net‘, de open standaarden voor ethernet en Profibus op gecontroleerde wijze worden gebruikt. Het levert ook geen extra kosten op, omdat netwerk- en Profibustechnologie al in het besturingssysteem van de nieuwe besturings-CPU’s en de Remote-I/O’s aanwezig zijn. Voor wie op zoek is naar een decentrale automatiseringsoplossing, is dit type techniek zeker het overwegen waard. >>
Met dank aan:
Dipl.-Ing. Urs Jäggi, Saia-Burgess Controls

Kader:
Controle en monitoring
van een Zwitserse tunnel via Profibus DP

De bouw van het 24 km lange traject op de A1 snelweg tussen Payerne en Yverdon, voltooide in 2001 de verbinding tussen het meer van Konstanz en dat van Geneve in Zwitserland. Voor twee tunnels, de ‘Pomy’ en de ‘Arrissoules’ deed contractor Jeanfavre & Fils beroep op het SAIA PCD controlesysteem. In de Pomy zijn er zo’n 600 digitale en analoge signalen, waarvan er zo’n 350 door twee hoofdstations verwerkt worden en 250 ‘technische signalen’ zijn van de 42 SOS-hulpnissen.

De branden in de Kanaaltunnel, de Störebeltunnel, de Mont Blanc tunnel en de Tauerntunnel bewijzen hoe belangrijk de informatiesystemen en veiligheidsvoorzieningen in tunnels moeten zijn. Deze verkeersbeheersing, begeleidings- en informatiesystemen zijn bedoeld om de verkeersveiligheid te verhogen. De technische infrastructuur van een tunnel is uiteraard niet eenvoudig en moet failsafe zijn. Enkele voorbeelden van servicefaciliteiten die het controlenetwerk moet afhandelen zijn: voorziening van sterk-- en zwakstroom, ventilatie van de technische gebouwen, oil traps, radioverbindingen en technische alarmen in de diverse SOS-nissen. Daarnaast zijn er nog diverse signalen voor andere onderdelen van de infrastructuur die moeten verzonden worden van de oostelijke naar de westelijke tunnelpoort. Aan elk tunnelportaal (west en oost) is er een InTouch SCADA-systeem (Wonderware) met grafisch scherm dat via Profibus DP met een transmissiesnelheid van 1,5 Mbit/s gekoppeld is aan het centrale beheersysteem. De refresh rate van de gegevens op het scherm mocht niet hoger zijn dan 1 seconde. Beide tunnels zijn ongeveer 3 km lang. Onder het snelwegdek is een servicetunnel van 2,20 m hoogte gebouwd, waarin alle controllers en leidingen zijn ondergebracht. De tunnel bestaat uit twee kokers, één per richting. Voor beide tunnels werd de opdracht voor levering en installatie van de globale sturing van de service-infrastructuur toegewezen aan het ingenieursbureau ‘Jeanfavre & Fils’. Op basis van vroegere goede ervaringen selecteerde dit bureau het PCD-controlesysteem van SAIA. Voor de verwerking van de 600 digitale en analoge signalen koos Jeanfavre, aan zowel de oost- als westportalen van de tunnelkokers, voor een PCD6-systeem. Elke PCD6 verwerkt de remote signalen van de SOS-nissen via Remote I/O’s over een Profibus DP-netwerk met een snelheid van 0,5 Mbit/s. Om veiligheidsredenen en om de overdrachtsnelheid te bevorderen werd het meer dan 3 kilometer lange netwerk uitgevoerd in een ringvormige structuur van optische vezel. De ringvorm zorgt er voor dat de continuïteit van de communicatie gegarandeerd blijft, ook als de lijn onderbroken is. De directe verbinding van de twee PCD6-modules aan de tunnelportalen, verloopt eveneens via een ringvormige, optische vezelverbinding die door beide tunnelkokers loopt. Dit optische vezelnetwerk wordt niet enkel gebruikt om SOS-signalen door te sturen, maar ook om signalen afkomstig van andere technische installaties over te brengen. Als optische vezel Profibus-omzetters werd voor de OZD Profi-range (Hirschmann) gekozen. We willen u het prijskaartje van dit stukje snelweg, inclusief bruggen en tunnels, niet onthouden: 41,15 miljoen Euro per lopende km! >>

Technique de commande
Ethernet et Profibus sur le même câble

Hubert Lahaut, Control & Automation Magazine

Les bus de terrain sont et restent l’épine dorsale des systèmes de commande décentralisés. Si un raccordement à un réseau s’avère nécessaire, on entre systématiquement en contact avec Ethernet. Et dans la pratique, cela crée souvent des structures de communication complexes et coûteuses. Une des solutions consiste à emporter les technologies d’Internet et de réseau sur Profibus.

Les constructeurs de systèmes de commande doivent, pour eux comme pour l’utilisateur, pouvoir fournir les solutions de communication les plus modernes convenant aux applications d’automatisation tant décentralisées que distribuées. Un haut degré de fonctionnalité favorise non seulement la standardisation mais aussi la compatibilité mutuelle des systèmes de différents fournisseurs. Les standards et fonctionnalités du monde IT comme Ethernet, Internet et la technologie Web jouent un rôle (toujours plus important) à cet égard. Aujourd’hui, tout est quasiment possible sur le plan technique et le marché peut trouver une solution à chaque problème. Le principal souci de l’utilisateur reste le contrôle et le rendement de toutes ces solutions si attrayantes sur le plan technique. Il incombe donc au constructeur de matériel d’automatisation de convertir ces solutions très techniques en systèmes rentables. Quel est l’état actuel de la technique ? Avec Ethernet-TCP/IP, les technologies Internet et de réseau sont surprenantes. Elles ne grignotent pas vraiment la part de marché des bus de terrain, comme Profibus-DP/FMS, qui ont entre-temps largement démontré leur utilité. Cependant, la technologie Ethernet et Internet a engendré ces dernières années un glissement considérable à un autre niveau. De fait, on est passé de simples connexions de bus à des réseaux étendus. Ethernet est à la base de ces réseaux. Il intègre la Couche 1 et la Couche 2 du modèle ISO/OSI à sept couches. Au niveau de la Couche 2, Ethernet propose divers protocoles et applications sur un seul et même espace de réseau physique. Les Réseaux Privés Virtuels (VPN) et les réseaux de télécommunication intégrés sont devenus une évidence technique. L’Industrial Ethernet a été présenté il y a quelques années comme LA solution permettant de greffer ces fonctions à l’automatisation industrielle. Dans la pratique, de nombreuses applications ne s’avèrent toutefois pas rentables en raison des coûts supplémentaires en ingénieries matérielle et système et en support. Le fournisseur qui souhaite vendre doit donc pouvoir apporter les avantages et la fonctionnalité de l’Ethernet industriel de façon plus simple et moins coûteuse.

Le traitement parallèle n’a rien de neuf
Tout ceci n’est naturellement pas passé inaperçu aux yeux des fournisseurs de solutions, composants et systèmes d’automatisation qui offrent désormais des systèmes ‘hybrides’ recourant à un seul et même câble que se partagent des protocoles Ethernet/Internet et Profibus. Analysons le S-Net de Saia-Burgess, un système qui met en œuvre la toute dernière technologie de pointe. Au départ, par comparaison avec Ethernet, c’était précisément Profibus qui convenait le mieux, en matière de structure et de conception, à une combinaison rentable des avantages des réseaux et d’un système de commande industriel largement accepté. En effet, dans la pratique, Profibus travaille par exemple depuis longtemps en parallèle avec divers protocoles (MPI, DP, FMS…). Cette caractéristique est désormais utilisée par Saia-Burgess pour proposer simultanément sur le même câble, outre les protocoles standard comme DP ou FMS, d’autres protocoles (par ex. HTTP) et services (pour la programmation, la mise en service et le diagnostic par exemple). La technologie de réseau se laisse de la sorte intégrer et exploiter dans Profibus.

Intégration complète
Le concept est le suivant : la Couche 2 de Profibus (Field Data Link – FDL) est désormais présente en standard dans le système de commande de toutes les nouvelles CPU et périphéries décentralisées (comme les E/S décentralisées) de Saia-Burgess. Grâce à la présence de Profibus-FDL dans le logiciel (sans ASIC ou contrôleurs spéciaux), les nouveaux appareils disposent donc, sans surcoûts, d’une connexion Profibus intégrée offrant une vitesse de transfert maximale de 1,5 Mbits/s. Une combinaison hybride de technologie de réseau et de bus peut de la sorte être mise en œuvre économiquement, même dans des appareils simples et bon marché, comme les E/S décentralisées et les terminaux. Ce concept de réseau, appelé SAIA-S-Net, se base sur les standards ouverts de Profibus et Ethernet. Toutefois, l’expérience nous a montré que les systèmes ouverts offrant une fonctionnalité multivendeur et multi-utilisateur induisent toujours une certaine complexité. Par conséquent, leur conception, mise en service et entretien requièrent de plus gros efforts. L’ouverture se transforme alors souvent en irresponsabilité sous le slogan : chacun peut participer et personne n’est responsable. Finalement, l’utilisateur ou le client devra quand même assumer les surcoûts. Dans le cas de S-Net, l’ouverture n’induit aucun risque ni problème de gestion – au dire de Saia-Burgess du moins - car S-Net constitue, via Profibus et Ethernet, un ‘Private Control Network (PCN)’ pour l’équipement de Saia (PLC, E/S décentralisées, HMI, SCADA…). L’utilisateur peut tout simplement continuer à utiliser l’infrastructure de réseau existante et n’est pas obligé de tirer un câble supplémentaire. Il peut piloter tant les appareils ‘Profibus DP’ que ‘S-Net’ via un seul et même câble. Les nouvelles commandes PCD2.M480/M487 par exemple soutiennent tant Profibus DP que S-Net par une seule et même connexion. Puisque aucune nouvelle technologie n’est rajoutée, le savoir-faire déjà présent suffit pour l’ingénierie, la mise en service et le support. En utilisant l’Ethernet standard et Profibus, les appareils et leurs fournisseurs restent compatibles entre eux.

Protocole universel
Le protocole S-Net constitue le noyau de ce concept de réseau. Il s’agit d’un protocole de communication universel. Il soutient toutes sortes d’appareils (SCADA, PLC, E/S décentralisées et HMI), y compris les services annexes pour l’échange de données à pilotage événementiel, la programmation et le diagnostic via le réseau. Le protocole convient à tous les types d’interfaces et de réseaux. Il garantit un transfert exact des données, commandes et programmes. Le protocole soutient le routage des messages textuels entre les différents niveaux et réseaux. De la sorte, les données, les programmes et les commandes peuvent être envoyés de façon transparente via Internet et les réseaux de télécommunication, même pour les E/S décentralisées les plus simples. Il existe de puissants outils et des services d’applications spéciaux pour la programmation, la mise en service, le diagnostic et l’entretien. Toutes les nouvelles CPU et les systèmes d’E/S décentralisées du fournisseur cité intègrent de série un serveur Web permettant les fonctions de commande et de surveillance. Tous les autres systèmes SAIA-PCD peuvent être intégrés au concept via les connexions Profibus et Ethernet. L’objectif consiste à fournir à l’utilisateur une solution sûre, qui garantit la pérennité de l’investissement.

Pas de coûts supplémentaires
L’intégration d’Ethernet et de Profibus, combinée à des fonctions et outils logiciels développés en interne, permet donc de dégager des économies dans toutes les phases d’un projet, de l’ingénierie et la mise en service à l’entretien. La solution reste maîtrisable puisque, avec S-Net, le ‘Private Control Net’, les standards ouverts pour Ethernet et Profibus sont utilisés de façon contrôlée. Cela n’entraîne pas non plus de coûts supplémentaires puisque la technologie de réseau et Profibus existe déjà dans le système d’exploitation de la nouvelle CPU de commande et dans les E/S décentralisées. Pour ceux qui recherchent une solution d’automatisation décentralisée, cette technique mérite certainement d’être envisagée. >>
Avec tous nos remerciements à :
Dipl.-Ing. Urs Jäggi, Saia-Burgess Controls

Cadre:
Contrôle et surveillance
du tunnel suisse via Profibus DP

La construction du long tronçon de 24 Km entre Payerne et Yverdon sur l’autoroute A1 clôturait en 2001 la liaison entre le lac de Constance et le lac de Genève en Suisse. Pour les deux tunnels ‘Pomy’ et ‘Arrissoules’, l’entrepreneur Jeanfavre & Fils a fait appel au système de contrôle PCD de SAIA. Le tunnel Pomy compte 600 signaux numériques et analogiques, dont près de 350 sont traités par deux stations principales et les 250 autres constituent les ‘signaux techniques’ des 42 niches de secours SOS.

Les incendies dans le Tunnel sous la Manche, le tunnel Störebel, le tunnel du Mont Blanc et le tunnel Tauern démontrent l’importance des systèmes d’information et des dispositifs de sécurité. Les contrôles de trafic, les systèmes de guidance et d’information sont conçus pour accroître la sécurité routière. Naturellement, l’infrastructure technique d’un tunnel n’est pas simple et doit être intrinsèquement sûre. Voici quelques exemples des fonctionnalités que doit assurer le réseau de contrôle : alimentation en courant fort et faible, ventilation des bâtiments techniques, pièges à huile, communication radio et alarmes techniques dans les niches de secours SOS. Il existe aussi divers signaux pour d’autres parties de l’infrastructure qui doivent être envoyés vers les portes est et ouest du tunnel. Chaque porte du tunnel (est et ouest) est équipée d’un système InTouch SCADA (Wonderware) doté d’un écran graphique. Ce SCADA est relié au système de gestion central via Profibus DP, à une vitesse de transmission de 1,5 Mbit/s. Le taux de rafraîchissement des données à l’écran ne pouvait être supérieur à 1 seconde. Les deux tunnels font environ 3 km. Sous les bandes de roulement de l’autoroute, un tunnel de service d’une hauteur de 2,20 m a été construit. Ce tunnel héberge tous les contrôleurs et les conduites. Il se compose de deux canalisations, une par direction. La mission de fourniture et d’installation de la commande globale de l’infrastructure de service des deux tunnels a été confiée au bureau d’ingénierie ‘Jeanfavre & Fils’. Fort des bonnes expériences qu’il avait déjà eues, ce bureau a choisi le système de contrôle PCD de SAIA. Jeanfavre a opté pour un système PCD6 pour assurer le traitement des 600 signaux numériques et analogiques aux portes est et ouest des canalisations des tunnels. Chaque PCD6 traite les signaux à distance des niches de secours via des E/S décentralisées au travers d’un réseau Profibus DP qui tourne à une vitesse de 0,5 Mbit/s. Pour des raisons de sécurité et pour améliorer la vitesse de transfert, le long réseau de plus de 3 kilomètres a été conçu dans une topologie en anneau en fibre optique. Cet anneau garantit la continuité de la communication, même lorsque la ligne est interrompue. La liaison directe entre les deux modules PCD6 des portes des tunnels passe également par un bus en anneau en fibre optique qui traverse les deux canalisations du tunnel. Le réseau en fibre optique n’est pas seulement utilisé pour l’envoi des signaux de secours mais aussi pour le transfert de signaux provenant d’autres installations techniques. Les convertisseurs Profibus pour fibre optique sont de la gamme OZD Profi (Hirschmann). Pour ceux qui désirent avoir une idée du coût de ce tronçon d’autoroute, ponts et tunnels compris, sachez qu’il revient à 41,15 millions d’euros par km!