Architektúra siete ISA100.11a na riadenie

Na obr. 7 je zobrazený základný referenčný diagram tak, ako sa ­nachádza v norme ISA100.11a-2011.

V pravej časti sa nachádza oblasť podnikovej siete, ktorá je pripojená k redundantným bránam ISA100. V strede sa nachádza oblasť chrbticovej IP siete. Tá prostredníctvom prístupových bodov nazývaných smerovače chrbticovej siete poskytuje podniku koherentné služby.

Chrbticová sieť môže byť sama o sebe bezdrôtová, napr. typu vysokovýkonnej samoorganizujúcej sa WiFi siete. Na ľavej strane je oblasť samoorganizujúcej sa siete, ktorú tvoria batériovo napájané zariadenia. Čím ďalej naľavo sú zariadenia umiestnené od chrbticovej siete, tým sa kvalita a výkon pripojenia do podnikovej siete znižuje.

Na obr. 7 si treba všimnúť, že norma ISA100.11a zvýrazňuje dve V/V zariadenia (na obr. sú zakrúžkované) s redundantným pripojením k viacerým smerovačom chrbticovej siete. ISA100 zahrnula do tejto konfigurácie rôzne optimalizačné kritériá zamerané na prepojiteľnosť. Samoorganizujúca sa sieť pracuje za týmito zariadeniami (na obr. 7 vľavo), pričom poskytuje primeranú úroveň služieb, ale s nižšou prioritou.

Zakrúžkované riadiace zariadenia obsahujú funkcie ISA100.11a známe ako dvojusporiadanie (duocast), čo je v podstate optimalizačná metóda, pri ktorej je jedna správa prijatá simultánne viacerými chrbticovými smerovačmi a následne spätne obidvomi potvrdená. Takto sa zabezpečuje veľmi vysoká pravdepodobnosť prijatia správy chrbticovou sieťou na prvý pokus prenosu. Pri kombinácii s opakovaným dvojusporiadaním môžu byť riadiace zariadenia využívajúce bezdrôtovú sieť ISA100.11a špeciálne ­nakonfigurované, aby mali malé oneskorenie a vysokú spoľahlivosť.

Ďalšou základnou optimalizáciou ISA100 je architektúra samotnej siete. Norma ISA100 bola vytvorená tak, aby slúžila ako celopodnikový zdroj, nie ako množstvo malých sietí so stovkami obmedzujúcich podmienok. Ak je sieť nakonfigurovaná na riadenie, riadiace zariadenia by mali nájsť aspoň jedno priame spojenie na chrbticovú sieť, ale pokiaľ možno dve alebo tri takéto spojenia. To umožňuje riadiť oneskorenie a spoľahlivosť s predikovateľnou životnosťou batérií.

Takýto typ spojenia umožňuje, aby bol rozsah reportovania v intervale jednej až piatich sekúnd bez výrazného zníženia ­výkonu siete alebo životnosti batérií susediacich zariadení. Na obr. 8 je zobrazený podobný všeobecný koncept ako na obr. 7, avšak s ­dôrazom na aspekty riadenia.

Snímač tlaku na obr. 8 posiela prostredníctvom brány údaje na chrbticovú sieť ISA100 aj do regulátora. Následne regulátor posiela tieto údaje do akčného člena – regulátora polohy, a to prostredníctvom tej iste siete. Na obrázku sú obidve riadiace zariadenia zobrazené s redundantným bezdrôtovým spojením priamo na chrbticovú sieť.

Rozsah magnitúdy oneskorenia je zobrazený v spodnej časti ­obrázka. Ako sme už uviedli skôr, chrbticová sieť je vysokorýchlostná a dokáže pracovať relatívne rýchle, t. j. v zlomkoch sekúnd. Priame bezdrôtové pripojenie do tejto siete môže spôsobovať ­výrazné oneskorenie vyjadrené hodnotou 1 s. Takéto oneskorenie vytvára čas pre zariadenie na zhromažďovanie údajov a následné nájdenie funkčného spojenia do chrbticovej siete.

Na obr. 8 je v ľavej časti zobrazený oblak, ktorý naznačuje, že sieť možno v rovnakom čase využiť na monitorovanie aj riadenie. Treba si však uvedomiť, že reálne aplikácie budú obsahovať monitorovanie aj riadenie prebiehajúce simultánne, a to na jednej sieti. Podstatné je, že riadenie má vyššiu prioritu ako monitorovanie. Ak je sieť správne nakonfigurovaná na riadenie, funkcie monitorovania by ­nemali rušiť funkcie riadenia.

Na obr. 9 je ukázané, čo sa stane, keď je samoorganizujúca sa sieť využitá v aplikácii riadenia.

V takomto usporiadaní sa riadiace správy budú šíriť všetkými cestami cez samoorganizujúcu sa sieť smerom k regulátoru a následne sa budú šíriť späť všetkými, v zásade tými istými cestami. Celý tento komunikačný cyklus môže trvať dlhý čas, napr. 10 sekúnd v ­každom smere. Teoreticky možno nastaviť všetky prechodové body a skrátiť oneskorenie, avšak väčšina takýchto samoorganizujúcich sa sietí s batériovo napájanými zariadeniami nie je navrhnutá tak, aby ukončila tento okruh v už skôr spomínanom časovom rozpätí jednej sekundy, ako je to zobrazené na obr. 8.

Na obr. 9 je naznačené, že sieť možno prirovnať k typom dopravných ciest. Vysokorýchlostná chrbticová IP sieť je ako diaľnica. Pripojenie samoorganizujúcej sa siete zariadení do chrbticovej siete je podobné nábehu so semaformi, ktoré pracujú počas dopravnej špičky. V tejto analógii je sieť zariadení ako ulice mesta so semaformi na každom rohu. Aby sme splnili požiadavky na riadenie v ­rámci priemyselných procesov, potrebujeme sa, samozrejme, vyhnúť mestským uliciam.

Rovnako existujú aj dobré dôvody vyhnúť sa častému prenosu ­riadiacich údajov cez samoorganizujúcu sa sieť s batériovo napájanými zariadeniami. Spotreba energie je zvyčajne najdôležitejším ­obmedzením. Zariadenia v samoorganizujúcej sa sieti sú väčšinu času v šetriacom režime, aby sa im nevybíjali batérie. Z tohto ­dôvodu je výkon zariadení v samoorganizuúcej sa sieti naznačený v rozsahu 10 sekúnd, a to práve z dôvodu šetrenia výkonu batérií smerovačov.

Odhadom možno povedať, že ak samoorganizujúca sa sieť vyžaduje rýchlejšiu výmenu údajov ako v intervale 5 – 10 ­sekúnd, treba ­zabezpečiť externú dodávku energie do opakovačov, napr. prostredníctvom externého striedavého napájania, ktoré umožní opakovačom prenášať aj riadiace správy.

Ak by sme zosumarizovali koncept zobrazený na obr. 9, možno ­povedať, že ak sa môžu riadiace údaje v rámci aplikácie nachádzať v neznámom stave v časovom intervale do desať sekúnd, potom asi bude možné použiť na riadenie samoorganizujúcu sa sieť zariadení. ISA100.11a je pre takéto prípady úplne vyhovujúca. Rovnako je vhodná aj v prípade, kde sa vyžaduje približne jednosekundové oneskorenie.
No čo v prípade, ak si aplikácia riadenia prostredníctvom samoorganizujúcej sa siete vyžaduje „čerstvejšie“ údaje, napr. každé dve sekundy? Ako dokáže riešenie postavené na ISA 100.11a vyriešiť prípady, keď sa vyžaduje kombinácia samoorganizujúcej sa siete a rýchlej výmeny údajov? Jedným z riešení je použitie siete peer-to-peer (obr. 10).

Vstupný aj výstupný blok môžu byť od regulátora vzdialené, avšak fyzicky sú umiestnené tesne pri sebe. V mnohých prípadoch dokážu vytvoriť priame bezdrôtové spojenie, ktoré je silné a spoľahlivé. Ako možno vidieť na obrázku, zvyčajne možno vytvoriť aj redundantnú cestu cez jeden preskok v samoorganizujúcej sa sieti. Výsledkom je vysoká účinnosť a efektívnosť spojenia.

Jednou z výhod takéhoto riešenia je, že spojenie a algoritmus riadenia fungujú aj vtedy, keď sa na vzdialenom zariadení vyskytne prerušenie služby. Norma ISA100 úplne podporuje spojenie peer-to-peer vrátane objektového modelu umožňujúceho spúšťanie riadiacej logiky v samotných zariadeniach.

Záver

Keď používatelia z priemyslu zvažujú využiť bezdrôtové technológie na riadenie, zvyčajne vo všeobecnosti uvádzajú tri hlavné prínosy: lepšiu spoľahlivosť, vylepšené riadenie a úspory nákladov. Tieto prínosy možno dosiahnuť použitím architektúry siete v súlade s normou ISA100.11a, ktorá spĺňa oprávnené požiadavky používateľov pre široké spektrum aplikácií riadenia.

Jedna sieť dokáže vyriešiť monitorovanie aj riadenie simultánne, pričom kriticky dôležitým ­riadiacim správam dáva vyššiu prioritu. Vysokorýchlostná chrbticová IP sieť, ktorá sama o sebe môže byť bezdrôtová, zaručuje, že správy sa medzi regulátormi prenášajú rýchlo.

Sieť peer-to-peer umožňuje aj pri aplikáciách riadenia na vzdialených prevádzkach vytvorenie riadiacich slučiek bez toho, aby regulátory potrebovali na prístup veľa sekúnd. Výsledkom je architektúra systému, ktorá dokáže súvisle zabezpečiť výkon aj pre kritické aplikácie, ktoré sa v reálnom svete vyskytujú.

Literatúra

[1] ISA-100.11a-2011, An ISA Standard, Wireless systems for industrial automation: Process control and related applications, available electronically at www.isa.org, DOWN7967.
[2] Verhamme, I.: Wireless Control with ISA100.11a. Honeywell Process Solutions, white paper available online.


Autori článku: Jay Werb, ISA100 Wireless Compliance Institute a Soroush Amidi, Honeywell Process Solutions.
Preložené a publikované so súhlasom ISA. Copyright © 2012. Všetky práva vyhradené.
Translated and published with permission of ISA. Copyright © 2012. All rights reserved.

Záver seriálu

-tog-