Промышленные сети (мировой рынок)
Industrial Networks
Промышленная сеть — сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации.
Содержание |
2022
Почему TSN-сети не заменят промышленный Ethernet на производствах
Учитывая постоянное развитие сетей TSN, благодаря многочисленным предложениям новых продуктов и ее способности привносить детерминизм в стандартный Ethernet, в 2022 году встает вопрос - когда промышленные протоколы Ethernet, такие как Profinet, CC-Link IE, EtherNet/IP и EtherCAT будут заменены TSN-сетями. При рассмотрении данного вопроса с точки зрения построения сетей TSN и сетей промышленного Ethernet появляется объяснение, почему такая замена не произойдет. Подробнее здесь.
Как промышленный Ethernet в эпоху IoT трансформирует подход к построению "полевых шин" на предприятиях
Стоит ли использовать шины 4-20 мА в 2022 году
Какова судьба полевой шины и сетевой связи 4-20 мА в условиях растущего использования Ethernet в промышленных сетях в 2022 году? В дискретных производственных отраслях переход от полевой шины к промышленному Ethernet, по состоянию на середину 2022 года, идет полным ходом.
 | Это происходило быстро в течение последнего десятилетия и, похоже, не замедляется - сообщил Майкл Боун (Michael Bowne), исполнительный директор PI North America (организация, поддерживающая Profibus и Profinet) |  |
PI ежегодно исследует статистику по числу установленных узлов Profibus и Profinet.
В 2021 году было установлено 8,5 млн устройств Profinet (промышленный Ethernet) — это самый большой годовой показатель. Напротив, было установлено 1,5 миллиона устройств Profibus (полевых устройств). Это составляет почти шесть устройств Profinet, установленных на каждое устройство Profibus.
Ранее наблюдалась обратная ситуация. 2016 год стал первым годом, когда устройств Profinet было установлено больше, чем Profibus. В 2007 году на каждые 15 устройств Profibus продавалось одно устройство Profinet. Несмотря на такие успехи в дискретном производстве, переход к Ethernet в перерабатывающих отраслях происходил гораздо медленнее. К 2021 году переход от полевой шины и 4-20 мА к промышленному Ethernet только начинается. Серьезной причиной медленного старта была ограничения с точки зрения безопасности, снятые с разработкой Ethernet-APL, версии Ethernet, предназначенной для опасных сред.
| | Благодаря Ethernet-APL теперь существует искробезопасный физический уровень для Ethernet, позволяющий напрямую подключаться к приборам во взрывоопасных зонах. Ethernet-APL готов стать значительным шагом вперед в возможностях сетей автоматизации процессов — изменением, которое давно просрочено — объяснил Боун | |
Как стандарт Ethernet-APL позволил использовать цифровые шины на опасных производствх
Ethernet-APL является расширением спецификации однопарного Ethernet (SPE) на основе 10BASET-1L. Он не только поддерживает все протоколы на базе Ethernet, но также обеспечивает питание и связь по кабелям IEC 61158-2 типа A, длина которых может достигать 1000 метров. Для искробезопасной защиты от воспламенения устройства Ethernet-APL соответствуют электрическим параметрам, определенным в IEC TS 60079-47, технической спецификации двухпроводного искробезопасного Ethernet (2-WISE). Таким образом, пользователи как в дискретной, так и в перерабатывающей промышленности могут извлечь выгоду из большей скорости и полосы пропускания, предлагаемых промышленным Ethernet. Эта более высокая скорость и емкость могут оптимизировать как подключение, так и поток все большего количества диагностических и прогностических данных.
| | При правильном использовании эта дополнительная информация может привести к значительному увеличению пропускной способности, качества и снижению затрат — отметил Стив Фейлс (Steve Fales), директор по маркетингу в ODVA (группа, поддерживающая EtherNet/IP, DeviceNet и Common Industrial Protocol). | |
По этим причинам Фейлс и другие разработчики систем автоматизации считают, что в большинстве установок, производимых после 2021 года полевая шина и связь 4–20 мА уступают место промышленному Ethernet.
| | Чаша весов обычно склоняется в сторону промышленного Ethernet для новой дискретной производственной линии или островка автоматизации на технологическом предприятии — говорит Стив Фейлс | |
В ответ организации по стандартизации полевых шин перешли на Ethernet.
| | Последовательные топологии многих организаций стали основанными на Ethernet — отмечает Арнольд Оффнер (Arnold Offner), менеджер по стратегическому маркетингу инфраструктуры автоматизации в Phoenix Contact | |
Он указывает на то, что FieldComm Group добавила протоколы HART-IP, PI и Profinet (упомянутые выше), а ODVA уделяет повышенное внимание EtherNet/IP.
Останутся ли шины 4–20 мА на предприятиях
Означает ли это, что устройства Ethernet со временем заменят полевые шины и сети 4–20 мА?
| | Да, но поставщикам и конечным пользователям потребуется некоторое время, чтобы осуществить замену существующей технологии, потому что установленная база очень велика. Было много инвестиций [в эти устаревшие технологии], поэтому должна быть значительная отдача от инвестиций, чтобы оправдать их замену— прогнозирует Том Берк(Tom Burke), директор по глобальным стандартам Ассоциации партнеров CC-Link | |
| | Несмотря на то, что разница в стоимости между устаревшими и новыми технологиями является номинальной, трудно оправдать копирование и замену существующих устройств промышленной автоматизации», — добавляет Фейлс | |
Покупка новых устройств для замены существующих, которые выполняют свою работу, а затем остановка производства на время, достаточное для перехода, не имеет большого экономического смысла, особенно когда капиталовложения ограничены. В обрабатывающей промышленности, в 2022 году, еще одним ограничивающим фактором является новизна Ethernet-APL. Потребуется некоторое время, прежде чем достаточное количество производителей устройств включит новый физический уровень Ethernet-APL в свои продукты.
| | Значительное число поставщиков должно сделать это, чтобы создать экосистему продуктов, которая позволит конечным пользователям строить заводы и сети — объяснил Боун | |
Еще одним спасательным кругом для обмена данными по полевой шине и 4–20 мА стала разработка шлюзов и трансляторов, способных отправлять данные в сети Ethernet. Эти устройства позволяют извлекать данные из устаревших сетей, а также отправлять эти данные на периферию или в облако для мониторинга и анализа. Они помогают поддерживать интеграцию существующих установок в более широкую сеть управления и, таким образом, позволяют этим устаревшим сетям оставаться в эксплуатации до тех пор, пока поставщики не перестанут производить запасные части для устройств.
Как высвободить данные из устройств 4–20 мА
Эволюция технологий автоматизации может помочь продлить срок службы полевых шин и технологий 4–20 мА. Устаревшие сети по-прежнему находят применение в 2022 году, поскольку новые цифровые устройства, использующие Ethernet, позволяют поддерживать их возможности. По этим причинам Тед Мастерс (Ted Masters), президент и главный исполнительный директор FieldComm Group, считает, что традиционная полевая шина и 4-20 мА всегда будут иметь место в промышленных сетях.
| | Даже в эпоху цифровизации конечные пользователи не убирают полевые устройства. Вместо этого они защищают свои инвестиции, находя способы раскрыть ценные данные, застрявшие в этих устройствах – сообщил Тед Мастерс | |
Для инженерного персонала задача состоит в том, что нужно сохранять имеющееся оборудование, но и поддерживать цифровизацию. Помимо использования шлюзов и трансляторов, другой метод включает в себя обновление сигналов 4–20 мА с помощью протокола HART. В высокоскоростных цифровых подходах к получению данных 4–20 мА могут использоваться такие технологии, как HART-IP и WirelessHART.
Поскольку протокол HART может быть наложен на существующую проводку 4–20 мА, никаких изменений в инфраструктуре подключения не требуется. Более того, многие приборы и хост-системы уже изначально поддерживают HART, а те, которые этого не делают, могут добавлять функциональные возможности HART с помощью адаптеров и других устройств. Это упрощает и удешевляет передачу этих данных локальным или облачным приложениям для создания ценности.
Еще один способ помочь полевой шине и технологии 4–20 мА поддерживать цифровизацию — упростить интеграцию полевых устройств. Поскольку промышленные сети по-прежнему включают в себя множество физических уровней, связанных с Ethernet, а также полевой шиной и проводкой 4-20 мА, FieldComm Group сотрудничает с FDT Group, PI и OPC Foundation для разработки технологии интеграции полевых устройств (FDI).
FDI обеспечивает общий подход к интеграции информации с интеллектуальных полевых устройств в системы управления активами и автоматизации/контроля более высокого уровня для настройки, ввода в эксплуатацию, диагностики, калибровки и других задач. Чтобы быть открытым для использования с различными протоколами и типами сетей, он также включает часть модели открытой архитектуры NAMUR и поддерживает новые и существующие протоколы автоматизации.
| | Технология FDI стала важной вехой в упрощении доступа к данным полевых устройств стандартным способом, независимо от протокола связи — отметил Мастер | |
Как выбрать оптимальное решение на полевом уровне
Еще одна причина, по которой полевая шина и связь 4–20 мА будут по-прежнему актуальны в течение длительного времени, заключается в том, что их достаточно для некоторых задач. Одним из примеров являются простые весы, сообщающие только о весе через полевую шину. В таких случаях способность Ethernet поддерживать связь от нескольких устройств по одному проводу не нужна. Простых двухточечных соединений более чем достаточно. Они обеспечивают достаточную пропускную способность для работы устройств. Как правило, пользователи, желающие извлечь больше информации из заводских устройств, отправляют данные на ПЛК и сохраняют их в памяти. Таким образом, ПЛК служит своего рода устройством для объединения данных, поскольку он объединяет данные со всех этих различных устройств.
Открытые стандарты также помогли с передачей данных полевого уровня в приложения более высокого уровня сети.
| | В 1995 году OPC фактически решил проблему возможности захвата данных со всех этих различных устройств и отправки их в клиентские приложения, такие как типичные маломасштабные системы HMI или даже Microsoft Excel — объяснил Берк | |
С тех пор компании-пользователи и отраслевые консорциумы разработали модели данных и соглашения об именах для доступа к данным с разрозненных устройств в сети.
Такие архитектуры «точка-точка» обеспечивают многие производственные предприятия необходимой связью. Поэтому, пока ПЛК могут агрегировать данные и подключаться к чему-либо для передачи данных, предприятия не видят существенной ценности в замене существующей сети.
Многие из предприятий, особенно небольшие, с осторожностью относятся к технологиям, стимулирующим цифровую трансформацию. Одна из причин заключается в том, что они не знают, как оценить полезность преобразования данных в информацию, чтобы оправдать переоснащение существующих установок. Другая причина заключается в том, что у них часто нет технических знаний и понимания внутри компании.
| | Однако со временем люди начнут понимать преимущества использования [большого количества] информации и привлечения исторических данных во многих этих небольших производственных установках — сказал Берк | |
В 2022 году есть некоторые другие сценарии, при которых все еще используются шины 4–20 мА.
Во-первых, когда для работы требуется определенное устройство, которое еще не доступно с промышленным интерфейсом Ethernet. Хотя почти все поставщики устройств в 2022 году будут предлагать устройства как с интерфейсом полевой шины, так и с интерфейсом промышленного Ethernet, некоторые из них по-прежнему будут иметь только полевые шины или аналоговую связь. Здесь пользователям, желающим подключить эти устройства к сетям Ethernet, потребуется развернуть шлюзы для преобразования данных. Для решения таких проблем разработана концепция прокси.
| | Прокси-серверы похожи на шлюзы в том смысле, что они соединяют разрозненные сети. Но в отличие от шлюзов, отображение данных определяется в спецификации— пояснил Боун. | |
Поскольку данные преобразуются в соответствии со спецификацией прокси, они всегда выглядят одинаково, даже если они поступают в Profinet из Profibus или какой-либо другой устаревшей полевой шины. Эта концепция позволяет как поэтапно перейти на Profinet, так и установить новую сеть Profinet без потери доступа к данным из устаревших систем.
Второй сценарий, при котором продолжится использование полевых шин или устройств 4-20 мА возникает на рынке автоматизации процессов, когда приложение требует искробезопасности. Здесь полевая шина обычно остается предпочтительным решением. Однако по мере того, как Ethernet-APL становится все более доступным, ожидается замена таких шин устройствами с Ethernet-APL
2021: Промышленные сети продолжают рост: итоги года
Компания HMS Industrial Networks в апреле 2021 года поделилась результатами исследования рынка промышленных сетей, которое проводит ежегодно с целью анализа распределения вновь подключенных узлов промышленной автоматизации. Исследование 2021 г. включает в себя оценку долей рынка, занимаемых полевыми шинами, промышленным Ethernet и беспроводными сетями, а также темпов их роста.
В исследовании сделан вывод о том, что рынок промышленных сетей демонстрирует признаки восстановления стабильности, и HMS ожидает, что общий рост рынка в 2021 году составит 6%.
Промышленный Ethernet продолжает расти, увеличив свою долю на 8%. На него теперь приходится до 65% вновь установленных узлов промышленной автоматизации в мире (по сравнению с 64% в 2020 году). За первое место сражаются сети EtherNet/IP и Profinet, но в 2021 году Profinet с 18% рынка опережает на вершине рейтинга EtherNet/IP с ее 17%. Полевая шина EtherCAT продолжает занимать уверенные позиции на мировом рынке и догнала лидера – Profibus с её 8%. За ними следует Modbus TCP с 5%, которая вместе со своей «сестрой» по технологии Modbus – Modbus RTU – занимает 10% рынка, что подтверждает их неизменную значимость для систем промышленной автоматизации в мире.
Продолжающееся уменьшение доли полевых шин, о котором сообщала HMS в последние годы, почти остановлено. В 2021 году оно составило всего 1%, поскольку предприятия в неопределенные времена, например, во время пандемии, в большей степени склонны придерживаться существующих технологий. На полевые шины на апрель 2021 года приходится 28% общего количества вновь установленных узлов (30% в 2020 году). Profibus с 8 % по-прежнему является явным лидером; далее следуют Modbus-RTU с 5% и CC-Link с 4%.
Доля беспроводных сетей продолжает расти, увеличившись на 24%. На апрель 2021 года они занимают 7% рынка, который все еще ожидает мощного влияния внедрения 5G на предприятиях. Учитывая текущее состояние дел в мире с беспроводными сотовыми технологиями как инструментами умного производства нового уровня, HMS ожидает от рынка возрастания спроса на беспроводные устройства и машины в связи с тем, что они будут входить в будущие более гибкие архитектуры автоматизации.
| | Подключение устройств и машин к промышленной сети является ключом к созданию интеллектуального устойчивого производства. Это основной двигатель роста, который мы наблюдаем на рынке промышленных сетей. Предприятия постоянно работают над оптимизацией производительности, устойчивости, качества, гибкости и безопасности. Ключом к достижению этих целей являются надежные промышленные сети, говорит Андерс Ханссон, директор по маркетингу компании HMS Networks.
| |
EtherNet/IP и Profinet лидируют в Европе и на Ближнем Востоке, а Profibus и EtherCAT занимают второе место. К другим сетям относятся Modbus (RTU/TCP) и Ethernet Powerlink. На рынке США доминирует EtherNet/IP, при этом определенную долю рынка завоевывает EtherCAT. На азиатском рынке частично лидируют Profinet и EtherNet/IP, за которыми следуют сильные соперники CC-Link/CC-Link IE Field, Profibus, EtherCAT и Modbus (RTU/TCP).
В исследование вошел прогноз специалистов HMS Industrial Networks на 2021 год, основанный на количестве вновь установленных узлов промышленной автоматизации. Под узлом подразумевается машина или устройство, подсоединенное к промышленной сети. Указанные цифры отражают консолидированное представление HMS о ситуации на рынке с учётом мнения коллег по отрасли и статистики продаж компании.
Смотрите также
- Технология GPON Gigabit-capable passive optical network
- Пассивные оптические локальные сети (Passive Optical LAN, POL)
- Wi-Fi (Wireless Fidelity) - стандарт беспроводной связи 802.11
- Оборудование для беспроводных сетей (WLAN) - мировой рынок
- Ethernet-коммутаторы локальных сетей (мировой рынок)
Примечания
