Lehti 8-1998 (Kenttäväylät)

Pääteemana kenttäväylät

Kenttäväylä ja standardaointi
Digitaalisessa hajautetussa automaatiojälestelmässä tiedonsiirron väline on   automaatiojärjestelmän väylä eli automaatioväylä. Tällaisia toteutuksia tuotiin markkinoille vuoden 1975 paikkeilla. Kullakin järjestelmätoimittajalla oli sittemmin oma automaatioväylänsä. Eri toimittajien väylien yleiset ominaisuudet kehittyivät kuitenkin suhteellisen samantasoisina.

Digitaaliselle automaatiojärjestelmissä esiintyy erityyppisiä tiedonsiirtotarpeita. Alemmilla tasoilla vasteajan tulee olla lyhyt ja siirrettävän tiedon määrä kerrallaan on suhteellisen pieni. Ylemmillä tasoilla vasteaika voi olla pitempi ja tietoa siirtyy kerrallaan enemmän.

Hierarkkisissa järjestelmissä voi olla useita kerroksia. Alin kerros, lähinnä prosessia, on kenttätaso. Kenttätasolla ovat anturit ja toimilaitteet. Kenttäväylä on tarkoitettu kenttätason laitteiden, erityisesti anturien ja toimilaitteiden yhteenliittämiseen. Valmistajakohtaisia kenttätason tiedonsiirtomenettelyjä on julkistettu varmaankin useita satoja erilaisia. Yhdenmukainen kenttäväylästandardi helpottaisi laitevalmistajien, järjestelmätoimittajien ja käyttäjien toimintaa.

Samanaikaisesti automaatiojälestelmien kanssa, tiedonsiirron tekniikka kehittyi myös muilla sovellusaloilla. Automaatiojärjestelmiin otettiin käyttöön muihin tarkoituksiin kehitettyä tiedonsiirtotekniikkaa. Yhtenä toteutuksena automaatiojärjestelmän tiedonsiirrossa voi nyt olla myös ns. lähiverkko. Alemmilla tasoilla tiedonsiirtoa hoitamassa voi olla valmistajakohtainen tai standardoitu kenttäväylä.

Kenttäväylä on suhteellisen monimutkainen osajärjestelmä. Monikerroksinen tiedonsiirtomäärittely saattaa vaatia kymmenenosaisen dokumentin. Eräät kenttätiedonsiirtojärjestelmiä määritelleet tahot kutsuvatkin määrittelemäänsä tuotetta mieluummin verkoksi kuin väyläksi.

Kenttätason tiedonsiirron standardia on kehitetty IEC TC 65:ssä. Standardoitua kenttäväylää tekemässä on IEC TC65C alakomiteassa työryhmä WG6. Osa 2, fyysinen kerros on julkaistu standardina IEC (6)1158-2. Tähän julkaisuun on tehty kolme lisäystä Al, A2 ja A3, jotka tullaan julkaisemaan yhdistettynä niteenä varsinaisen osan 2 kanssa. Työ on jatkunut eräiden lähteiden mukaan noin 12 vuotta. Standardointityön tavoitteena on kehittää yksi kansainvälisesti standardoitu kenttäväylä.

Myös CENELECillä on kenttäväyläkomitea CENELEC TC65CX, jonka kohteena on kenttäväylästandardi. Tämä komitea on kokoontunut useiden vuosien aikana, yhteensä 14 kertaa. CENELEC on julkaissut standardin EN 50170. Tämä sisältää kolme eri menettelyä kenttätiedon siirtoon: P-Net, Profibus ja WorldFIP.

Viimeisin TC65CX:n kokous oli ensimmäisenä lokakuuta 1998. IEC:N ja ENELEC:in samanaikaiset kenttäväylä-äänestykset, joiden kohteena olivat Data Link Layer (osat 3 ja 4) sekä Application Layer (osat 5 ja 6) olivat päättyneet juuri edellisenä yönä. Kokoukseen saatiin sekä IEC:N että CENELECin äänestysten tulokset. Tulostietojen mukaan äänestyksessä olleet neljä dokumenttia olivat tulleet hylätyiksi molemmissa organisaatioissa. Suomi on äänestänyt mainittujen kenttäväyläasiakirjojen puolesta.

Äänestystulos ja äänestysmenettely herättävät pohdintoja. Äänestyksessä sovelletaan kahta kriteeriä. Asiakirjojen hyväksymiseksi halutaan ensiksi varmistua että kohtuullinen enemmistö kannattaa ehdotusta. Hyväksymisehto on vähintään 67 % äänestäneistä P-jäsenistä. Toiseksi halutaan varmistua, että ehdotusten vastustajien lukumäärä jää riittävän pieneksi vähemmistöksi. Hyväksymisehtona on enintään 25 % ei-ääniä kaikista annetuista äänistä. Tyhjää äänestäneet jätetään pois laskuista kummassakin ehdossa. Nyt tarkasteltavassa äänestyksessä on hyväksyntään riittävä enemmistö. Samanaikaisesti on saatu kootuksi riittävän iso vähemmistö, jonka perusteella asiakirjat on saatu hylätyksi.

Kansainvälisen standardointitoiminnan viimeaikaiset äänestykset tuntuvat hiukan sattumanvaraisilta siitä syystä, että äänestykseen tulee tässä asiassa uusia maita joilla ei ole entuudestaan taustaa ja kokemusta äänestettävänä olevien asiapapereiden sisällöstä ja vaiheista.

Standardointitoiminnassa on tarvetta äänestyssäännösten miettimiseen ja muuttamiseen. Tässä esimerkissä näyttää siltä, että nykyisillä äänestyssäännöillä standardointi on menettämässä toimintamahdollisuuksiaan ja peräti tulossa täysin mahdottomaksi. Kansainväliseen standardointityöhön osallistuvilla tahoilla on ilmeisesti ristiriitaisia tavoitteita.

IECN yleiskokous Houstonissa Texasissa on tätä kirjoitettaessa lokakuussa 1998 juuri päättynyt. Jatkotoimenpiteitä on siellä pohdittu. Yhtenä mahdollisuutena on julkaista standardin asemesta teknillinen raportti. IEC:N teknillinen raportti ei ole yhtä virallinen julkaisu kuin IEC:N standardi.

Pentti Uuspää
VTT Energia
Suomen (SESKOn) kansallisen standardisoimiskomitean SK65 puheenjohtaja

Kenttäväylät, prosessiautomaation kenttäväylät ja kenttäsäätöväylät
Markkinoilla olevien avoimien kenttäväylien kirjo saa prosessiautomaatioinsinöörin pään pyörälle. Tilannetta ei helpota valmistajien vakuuttelu edustamansa kenttäväyläteknologian ylivoimaisuudesta ja ammattilehtien harhaanjohtavat vertailut eri kenttäväylien teknisistä ominaisuuksista. jo kenttäväylän avoimuuden arviointi on erityisen vaikeaa, ja monet kenttäväylät ovatkin yhden yrityksen kehittämiä ja tulleet avoimiksi vasta kun kyseisellä yrityksellä on teknologinen etumatka muihin soveltajiin verrattuna.

Vielä harvempi kenttäväyläteknologia on standardoitu kansallisella saati kansainvälisellä tasolla. Käynnissä olevassa kenttäväyläkeskustelussa on tyypillistä se, että ei näy metsää puilta. Väylällä liikkuvan tietomäärän, kommunikointiprotokollien ja väyläpalvelujen sijaan pitäisi tarkastella sovelluskohteeseen liittyvää automaatioarkkitehtuuria ja tätä tukevia kenttäväyläteknologioita.

Suurin osa markkinoilla olevista ns. avoimista kenttäväylistä ovat kappaletavara- sekä rakennusautomaation väyliä. Näissä sovelluskohteissa automaatioarkkitehtuuri alkaen kenttälaitteista on erilainen kuin prosessiautomaatiossa. Kenttäväylän kautta tapahtuvat ohjaukset ja mittaukset ovat yleensä diskreettejä eivätkä edellytä konfiguroitavia kenttälaitteita, kuten prosessiautomaatiossa. Myös kenttälaitteiden diagnostiikka on hyvin yksinkertainen johtuen kyseisten sovellusten luonteesta: diskreettien prosessien alasajo ei aiheuta niin mittavia kustannuksia kuin jatkuvien prosessien.

Kappaletavara-automaatiossa sekä ohjausjärjestelmä että anturit ja toimilaitteet sijaitsevat hyvin pienellä alueella ja kontrolloiduissa ympäristöolosuhteissa, kun taas prosessiautomaatiossa kenttälaitteet ja ohjausjärjestelmä ovat hyvinkin etäällä toisistaan. Tämän takia hajautettuihin I/O-moduuleihin ja tyhmiin kenttälaitteisiin perustuvat automaatioarkkitehtuurit tuovat merkittäviä etuja vain kappaletavara-automaatiossa, kun prosessiautomaatiossa niiden hyöty on marginaalinen tai olematon (esim. räjähdysvaaralliset tilat). Monet markkinoilla olevat avoimet kenttäväylät onkin alunperin suunniteltu kappaletavara- ja rakennusautomaation tarpeita varten, eivätkä ne siis täytä prosessiautomaation tarpeita, mikä kannattaa muistaa kuunnellessa kyseisiä kenttäväyliä edustavien yritysten vakuutteluja tiedonsiirtotekniikkansa ylivoimaisuudesta.

Prosessiautomaation kenttäväyliä on harvassa
Todelliset prosessiautomaation kenttäväylät on laskettavissa yhden käden sormilla. Näitä ovat vain ne kenttäväylät, joiden tiedonsiirtomedia perustuu kansainväliseen IEC-61158-2 kenttäväylästandardiin. IEC-61158-2 standardin mukainen kenttäväylä mahdollistaa kenttälaitteiden tehonsyötön väylän kautta ja soveltuu räjähdysvaarallisiin tiloihin. Tällaisia kenttäväyliä on markkinoilla tasan kaksi: Foundation kenttäväylä ja Profibus PA.

Kun muut markkinoilla olevat kenttäväyläratkaisut on näin poistettu vaihtoehtojen joukosta, pitäisi valinnan helpottua jo huomattavasti. En lähde tässä erittelemään Foundation ja Profibus PA kenttäväylän teknisiä eroavaisuuksia jotka Martti Hakonen toi varsin selkeästi esille Automaatioväylän numerossa 5-1998. Haluan tuoda esille muutamia faktoja, jotka Profibus-organisaatio unohtaa kertoa korostaessaan kenttäväylätekniikkansa ylivoimaisuutta nykypäivän prosessiautomaatioon.

Profibus-kenttäväylää on mainostettu koeteltuna ratkaisuna, mutta tietoisesti on unohdettu mainita, että kysymys on nimenomaan kappaletavara-automaatiosta. Ensimmäinen Profibus PA installaatio tehtiin vasta 1996 lopussa. Yli 100 000 installaatiosta vähintään 95% ovat kappaletavara-automaatioon tarkoitettuja Profibus DP/FMS väyliä. Mainittakoon tosin, että Profibus PA käyttää osittain samaa kommunikointiprotokollaa kuin DP ja voitaisiin sillä perusteella väittää koetelluksi ratkaisuksi. Profibus PA sisältää kuitenkin prosessiautomaatiossa tarvittavia ominaisuuksia, kuten kenttälaitteiden on-line konfiguroinnin ja diagnostiikkatietojen lukemisen, jotka puuttuvat DP protokollasta.

Profibus PA teknologian uutuutta kuvaa hyvin se, että näille ominaisuuksille ja siis Profibus PA laitteille ei ole olemassa sertifiointikäytäntöä, jolla taataan laitteiden kommunikoinnin yhteensopivuus. Foundation kenttäv†ylälaitteet on sertifioitava kommunikoinnin yhteensopivuuden lisäksi sovelluksen yhteensopivuuden osalta, eli tietyt toimintamallit ja -parametrit ovat samoja kaikissa samantyyppisissä Foundation kenttäväylälaitteissa. Profibus PA ei myöskään kuulu Profibus-organisaation viittaamaan Euro-normiin EN 50170, joka sisältää vain diskreetin automaation kenttäväyliä, ja jota voidaan kutsua kappaletavara-automaation kenttäväylästandardiksi. Foundation kenttäväylä edustaa IEC-61158 kenttäväylästandardiluonnosta, jota ollaan äänestämässä tätä kirjoitusta tehtäessä kansainväliseksi teollisuuden kenttäväylästandardiksi.

Profibus-organisaatio pitää myös ääntä suuresta jäsenkunnasta: yli 450 yritys/yhteisöjäsentä, mutta ei kerro kuinka moni näistä jäsenistä edustaa prosessiautomaatiota. Fieldbus Foundationin jäsenkunta edustaa noin 95% maailman prosessiautomaatiomarkkinoista. Foundation kenttäväyläteknologia on kehitetty näiden jäsenyritysten toimesta eli prosessiautomaation näkökulmasta, ja teknologian hallintaoikeus on Fieldbus Foundation säätiöllä. Profibus kenttäväylätekno logiaa on kehittänyt Siemens ja allianssiyritykset kappaletavara- ja rakennusautomaation tarpeisiin ja sitä on mukautettu prosessiautomaation tarpeisiin. Avoimuudesta huolimatta Profibus teknologian hallintaoikeus on pääasiallisesti Siemens yhtiöllä.

Kenttäsäätöväyliä on vain yksi
Profibus PA soveltuu hyvin mittaus- ja ohjaustiedon sekä rajallisen konfigurointi- ja diagnostiikkatiedon siirtämiseen kenttälaitteiden ja automaatiojärjestelmän välillä, ja se tukee nykyistä prosessiautomaation arkkitehtuuria. Foundation kenttäväylä mahdollistaa näiden ominaisuuksien lisäksi ainoana kenttäväyläteknologiana säätöpiirien hajauttamisen kenttälaitteisiin. Foundation kenttäväylää pitäisikin kutsua kenttäsäätöväyläksi, jolloin se oikeutetusti erottuisi muista kenttäväylätekniikoista. Prosessisäädön hajauttaminen kenttälaitteille parantaa merkittävästi prosessin ohjattavuutta ja tehostaa automaation toimintaa kaikilla tasoilla.

Seuraavan sukupolven prosessiautomaatiojärjestelmän osat tekevät juuri sen, mitä parhaiten osaavat ja vaikutukset tulevat olemaan mullistavia. Oleellinen osa seuraavan sukupolven prosessiautomaatioarkkitehtuuria on nimenomaan kenttäsäätö. Valveutuneet automaatiojärjestelmätoimittajat tietävät hyvin tämän ja kehittävätkin parhaillaan tähän perustuvaa prosessiautomaatiota. Ajavana voimana ovat valveutuneet loppukäyttäjät, jotka pilotoivat kenttäsäätöteknologiaa omissa tehtaissaan. Tähän visioon ei Profibus PA istu puhumattakaan muista tämänhetkisistä kenttäväylistä.

Kari Hartikainen
Tekniikan tohtori
Neles Controis Oy

Kenttäväylien markkinajohtaja?
Taisto käy kuumana, kuka onkaan oikein kenttäväylien markkinajohtaja (en tarkoita Profibus-käyttäjäklubin puheenjohtaja Taisto Kaijasta). Kun laskennan tekijää ja mittausperusteita vaihdetaan, kärjessä keikkuu kolmen kaarti: aakkosjärjestyksessä Interbus, LON ja Profibus, joskus myös CAN.

Kiista siitä, kuka mittaa ja miten on hyvin tärkeää lopputuloksen kannalta – äkkiä vilkaisten markkinaosuudet saadaan keikautettua melkeinpä mihin järjestykseen tahansa. Asialla ei olisi kovin suurta merkitystä, ellei sitä olisi markkinoinnissa liikaa korostettu.

Laskettaessa kenttäväyläsolmuja LON on kipuamassa suurimmaksi. Se ei tosin kerro mitään oleellista, sillä kyseinen väylä on kehitetty erityisesti kiinteistöhallintaan, ohjaamaan ilmastointia, valaistusta ja lukitusta sekä vastaavia asioita. Sen "solmut ovat yksinkertaisempaa", eikä se ole valmistavan teollisuuden etsimä ratkaisu ohjaukseen. CAN mielletään useimmiten puolestaan liikkuvan kaluston tarpeisiin kehitetyksi järjestelmäksi.

Robottien, kokoonpanolinjojen ja pakkaamisen tarvitsema ratkaisu löytyy yksinkertaistaen saksalaisista Profi- ja Interbusista. Ne ovat avoimia protokollia, joiden palikoita valmistavat jo tuhannet yritykset. Ne ovat väyläratkaisuina siirtyneet elämään itsenäistä elämää, melkoiselta osalta äitiyhtiöittensä ulkopuolelle.

Mainittakoon, että havaintojeni mukaan Profibus on vallannut eniten alaa pienemmissä, logiikkaohjatuissa järjestelmissä. Rakennettujen systeemien määrä on suuri, mutta tyypillinen koko on yhden valmistus- tai käsittelykoneen luokkaa. Interbus on kiilannut itseään erityisesti autotehtaiden tapaisiin suuriin laitoksiin, joissa yksi järjestelmä voi käsittää huikean määrän väyläsolmuja.

Väylätekniikkaan siirtyvän suomalaisyrityksen kannalta lienee kokolailla sama, mitä protokollaa bitit kumartavat. Oleellista on se uhrautuvuus, millä aftersales ja tekninen tuki kumartavat asiakastaan. Ja loppuasiakasta.

Monessa tapauksessa loppuasiakas määrää myös käytettävän väylän. On olemassa teollisuudenaloja, joilla on vakiintuneet, yritys- tai konsernikohtaiset kytkennät omaan automaatiomaailmaansa. Suomalaisyrittäjän on useimmiten turha potkia tutkainta vastaan, viisainta on hankkia taitotieto useammasta järjestelmästä ja myydä sitä, mitä asiakas kulloinkin haluaa.

Kenttäväylien paraatimarssi on vasta alkamassa, ja kappaletavaran kanssa häärivä teollisuus lienee vasta vuosituhannen vaihteessa toden teolla ottamassa ne omikseen. Oma koulutusalani, prosessiteollisuus, tuntuu vielä odottavan; se lienee viisasta, koska säätötiedon luonne kemian teollisuudessa on erilainen.

Näin syrjästä seuraavan kannalta kenttäväylien lähikehityksestä jää suuhun kaksi vaikutelmaa: ensiksi, että väylä ei saa olla oleellinen. Se on kuitenkin vain työkalu, johon yrityksessä ei pitäisi uhrata sisäänajon jälkeen aikaa. Sen on nivellyttävä arkityöhön ilman "väylätukihenkilöitä".

Toiseksi tietokoneiden pc-maailma hengittää niskaan. Kun Siemens puhuu teollisuus-Ethernetistä ja toisaalla rummutetaan PC-worx-kuvion puolesta, vaikuttaa selvältä, että ohjelmoitavien logiikoiden reviirin yläpäätä paalutetaan.

Kehitys näyttäisi kulkevan kohti järjestelyä, jossa projektoiva teollisuus vaihtaa väylää kohteesta riippuen, erilaisia sovitinosia vaihtamalla. Ikäänkuin autoon vaihdettaisiin renkaat edessä olevien sääolojen mukaan. Mutta vanhan suomalaisen sananlaskun mukaan 'Kunnon hevosmies ajaa kelillä kuin kelillä'.

Lauri Lehtinen
toimittaja, ins.

Arja Toola, Tampereen teknillinen korkeakoulu
Turvallisella automaatiolla 2000-luvulle
Ohjelmallisesti toteutettuja logiikoita käytetään jo turvajärjestelmissä. Automaatio- ja logiikkajärjestelmien käyttö turvajärjestelminä on yleistynyt, kehittynyt ja lopulta yhä laajemmin hyväksytty 1990-luvun kuluessa. Niihin kohdistuneen epäilyn ja osin vastustuksenkin pakottamana on kehitetty turvallisuuden arviointimenetelmiä ja hyväksyttämiskäytäntöjä. Erillisistä turvallisuus- ja luotettavuusanalyyseista ollaan siirtymässä turvallisuutta edistäviin suunnittelu-, käyttö- ja kunnossapitokäytäntöihin.  

Martti Hakonen, Valmet Fisher-Rosemount Oy
Käyttäjäkokemuksia Foundation-kenttäväylästä
Säästöjä suunnittelussa, kaapeloinnissa, asennuksessa, käyttöönotossa ja ylläpidossa. Näitä on luvattu koko kenttäväyläteknologian kenttäväyläteknologian ajan. Nyt teknologia on olemassa ja tässä artikkelissa käsitellään esimmäisissä FoundationTM -kenttäväyläasennuksissa saavutettuja käyttäjäetuja.

Jyrki Hänninen, Siemens Metering Oy
Profibus PA-kenttäväylä
Profibus-kenttäväyläjärjestelmästä on tullut markkinajohtaja Euroopassa. Sen osuus automaation kenttäväylätoteutuksista on jo noin 45 prosenttia. Olemassa olevia laitteita on tällä hetkellä saatavissa yli 1600 runsaalta kahdelta sadalta toimittajalta.

Jari Alatalo, InterBus Club Finland ry:n sihteeri
InterBus Club katsoo tulevaisuuteen
Euroopan standardointijärjestö CENELEC on ratifioinut InterBusin viralliseksi eurostandardiksi. Näin vahvistetaan muodollisestikin vuonna 1987 markkinoille tulleen IntesBusin asema de facto-standardina.

Lauri Lehtinen
Mekaaninen puunjalostus soveltaa modernia ohjausta uittoväylältä kenttäväylälle

Sahateollisuus on ryhtynyt soveltamaan modernia väylätekniikkaa laitoksien automatisoinnissa. Saavutettuihin etuihin kuuluu häiriötön toiminta ja parempi tavara.

Ari Kukkonen
NIWeek 98 – Kasvavien tietomäärien hallintaa ja nopeampaa hyödyntämistä
National Instrumentsin elokuun lopulla järjestämän tapahtuman (Automaatioväylä 6/98) sisältö kattoi testauksen, mittauksen, tiedonkeruun, väylät ja virtuaali-instrumentoinnin sovellukset teollisuusautomaatiossa.

Oikea tehdasympäristö pienoiskoossa
Porvooseen sijoittuva Kemini-pienoistehdas tarjoaa turvallisen ja tehokkaan koulutus-, testaus- ja tutkimusympäristön prosessiteollisuuden ja laitetoimittajien käyttöön.