«Война полевых шин»

Основополагающим понятием современного производства в эпоху Индустрии 4.0 и IoT, или «Интернета вещей», является промышленная сеть, также именуемая «полевой шиной» (калька с английского fieldbus). По сути, это система протокол/интерфейс, которая соединяет контроллеры с приводами, датчиками, прочими периферийными устройствами и позволяет последовательно передавать данные между ними в цифровом формате.

Ныне существует множество таких сетей: от популярных Profibus и CAN до специфических Swiftnet и WorldFIP. Какие-то уже почти не используются, другие получили мировое признание и внедрены на тысячах заводских линий.

В этой статье расскажем о так называемой «Войне полевых шин» – многолетнем ожесточённом конфликте по выбору единого международного промышленного стандарта цифровой коммуникации между крупнейшими игроками рынка промышленной автоматизации.

Забегая вперёд – выбрать так и не смогли.

Расстановка фигур (1979-1990)

Чтобы понять природу конфликта, предлагаем коротко разобраться, почему полевые шины стали прорывом в организации производственных коммуникаций.

До публикации в 1979 году открытого протокола Modbus от Modicon промышленность в основном полагалась на аналоговую схему «точка-к-точке»: каждый датчик и привод физически подключались отдельным кабелем к главному контроллеру. На огромных заводах с тысячами точек ввода-вывода это напоминало переплетение крайне дорогих спагетти: запутаться легко, а упорядочить – почти невозможно.

Полевые шины предложили совершенно другой подход: единый коммуникационный кабель (как правило, витая пара) соединяет все устройства сети в систему с последовательной передачей данных по строго определённому протоколу.

В чём же плюсы?

• Во-первых, меньше затрат на кабельные трассы.
• Во-вторых, значительно более компактные конфигурации с меньшей физической сложностью.
• В-третьих, расширенные возможности контроля каждого компонента при передаче информации в реальном времени.
• В-четвёртых, поменять параметры теперь можно было удалённо, а не вручную.

Успех Modbus логично привёл к тому, что сразу несколько крупных компаний и национальных профобъединений начали параллельно разрабатывать собственные концепции, зачастую нацеленные на специфические региональные или отраслевые предпочтения производственников. Как в дальнейшем замечали эксперты, это стало прямо-таки «модным и привлекательным занятием».

Результат бума 80-х – появление множества разнородных, несовместимых систем, большинство из которых кануло в Лету или осталось нишевым вариантом для конкретной отрасли.

За эти 10 лет и определились главные участники предстоящей шахматной партии.

• Немецкий Profibus для контроллеров Simatic – детище германского правительства совместно с промышленным гигантом Siemens. Она продвигала «вертикальную» модель управления и использовала архитектуру «ведущий-ведомый» с интерфейсом RS-485. Для более сложных сценариев поддерживалась модель клиент-сервер (в варианте FMS).
• Французский FIP (Factory Instrumentation Protocol) сделал ставку на «горизонтальное» управление в реальном времени при помощи строго запрограммированного расписания маркеров. FIP использовал для коммуникации специально придуманную структуру «производитель-дистрибьютор-потребитель» и собственный физический интерфейс.

Обе сети быстро получили статус национальных стандартов и нацелились на мировое господство. Каждая сторона уже готовится надавить на IEC – Международную электротехническую комиссию – и стать единственным архитектором производственного будущего, отхватив поистине глобальный куш.

Дебют (1990-1994)

Настоящая немецко-французская война началась, когда к 1990-м годам эксперты IEC в рамках подкомитета TC65C, в который тогда входили в основном европейские специалисты, приступили к работе над созданием единого интернационального стандарта для промышленных сетей. Вскоре стало очевидно, что два лучших на тот момент кандидата исповедовали фундаментально разный подход к коммуникации.

«Вертикальный» Profibus опирался на идею контроллер → полевые устройства с фиксированным циклом опроса, где мастер активно опрашивает каждое устройство по очереди, а вариант Profibus FMS позволял нескольким контроллерам претендовать на управление шиной через распределённый алгоритм доступа.

В FIP же использовался централизованный арбитраж шины, где один узел по строгому расписанию выдаёт специальные маркеры, циркулирующие от устройства к устройству, и каждое ждёт своей очереди для последующей передачи.

Эти различия были отнюдь не косметическими – они отражали разные философии проектирования, и объединить их в единую систему казалось невозможным. Тем не менее, IEС в интервале между 1990 и 1994 годами предприняла несколько попыток найти компромисс. Результатами этих попыток стали два проекта:

• WorldFIP – расширение концепции FIP, к которой была добавлена функциональность клиент-сервер модели Profibus.
• ISP (Interoperable Systems Project), где предлагалось дополнить Profibus моделью издатель-подписчик (publisher-subscriber), эквивалентной «производитель-потребитель» оригинальной FIP.

Однако инициативы столкнулись с активным сопротивлением со стороны и немецких, и французских разработчиков. К этому времени на развитие своих систем компании уже потратили значительные средства и, мягко говоря, неохотно шли на уступки. Проект ISP окончательно забросили в 1994 году с формулировкой «по стратегическим причинам», так и не доведя до состояния, пригодного к реальной интеграции на промышленные предприятия. Идея WorldFIP ещё держалась на плаву, но ей не давали развернуться сторонники оригинальной концепции Siemens.

Несмотря на все усилия IEC, к середине 90-х исследования и предложения не вылились в значимые достижения. Исключением стало утверждение физического слоя в стандарте IEC 61158-2 от 1993 года – он оказался достаточно успешным и получил дальнейшее применение в автоматизации процессов.

Причина столь вялых подвижек крылась не только в противодействии крупнейших игроков рынка. Комплексные подходы всё больше усложнялись и перегружались разными принципами связи и управления, а главное – полноценное внедрение подобных стандартов на производствах было излишне дорогостоящим, тогда как частичное неминуемо привело бы к появлению на рынке множества несочетающихся друг с другом устройств и компонентов.

Устав наблюдать за кулуарными сражениями французов и немцев, ведущую роль в стандартизации взял на себя комитет SP 50, входивший в организацию ISA (Instrumentation, Systems and Automation Society) из США. Американцы оказались гораздо продуктивнее коллег и впоследствии внесли значительный вклад в структуру современного стандарта.

Близился новый виток дебатов о полевых шинах, выведший противоборство на поистине глобальный уровень.

Миттельшпиль (1995-1999)

Итак, после долгих лет безрезультатных прений между европейцами в 1995 году несколько крупнейших американских игроков на рынке автоматизации (Fisher-Rosemount, Honeywell, американское отделение Siemens и другие) приняли радикальное решение: перестать ждать IEC и создать свой собственный стандарт вне увязшей в политике структуры комитетов.

Так возник Foundation Fieldbus (FF) – система, разработанная в недрах ISA для оптимизации процессной автоматизации. FF опирался на централизованный доступ, как у FIP, с интеграцией клиент-серверного протокола Profibus-FMS, объединяя лучшие идеи двух лагерей, – и всё это в обход IEC.

Foundation Fieldbus устроил европейцам знатную встряску. Появление нового стандарта представляло вполне реальную угрозу для так и не признанных международными национальных систем. А поскольку огромные маркетинговые и интеллектуальные вложения обязаны были окупиться, на некоторое время соперничество уступило место тактическому единению. Под патронажем CENELEC, Европейского комитета по электротехнической стандартизации, в 1996 году спешно приняли EN 50170. Здесь национальные системы – датский P-Net, Profibus и WorldFIP – просто утвердили как есть, особенно не разбираясь и ничего не меняя в документации. Вместо выбора одного варианта европейцы объявили бывших конкурентов частью единого стандарта для Старого Света.

Для того периода это решение было по-настоящему смелым, но не слишком продуманным: во-первых, CENELEC пытался решать проблемы исключительно в контексте Европы, а во-вторых – действовал «в лоб» и не предлагал полноценной структуры стандарта.

В том же 1996 американцы представили Международной комиссии на голосование свой вариант стандарта с Foundation Fieldbus. Он вызвал настоящую бурю – ставший популярным во многих странах Profibus в документе просто отсутствовал. Представители Profibus-ориентированных компаний скоординировались в обструкционистскую группу и блокировали принятие стандарта, ссылаясь на его «сырость» и ряд внутренних несоответствий. В свою очередь, FF-сторона ответила апелляцией с требованием отменить голоса «против» ввиду недостаточного технического обоснования. Примером удивительной несогласованности может послужить тот факт, что даже внутри одной транснациональной Siemens американское и европейское отделение не смогли выработать единую стратегию и заняли позиции по разные стороны баррикад.

Начавшись как обсуждение технических аспектов, дискуссия переросла в полноценное политико-экономическое сражение, в котором были задействованы силы не только крупнейших компаний, но и целых стран. За три года ситуацию вокруг полевых шин превратили в междоусобицу, где все средства хороши: то чьи-то голоса поступали на неправильные факсы и объявлялись «запоздавшими», то начинали ходить слухи о главах национальных комитетов, произвольно меняющих заключения экспертов, то вскрывались факты корпоративного давления на государственные рабочие группы. Так чуть ли не вся промышленная стандартизация оказалась скомпрометирована.

К середине 1999 года стало очевидно, что дальше так продолжаться не может. 15 июня 1999 года так называемый «Исполнительный комитет» IEC предложил соломоново решение для выхода из сложившегося тупика.

Ничья

15 июня 1999 года IEC вынесла на суд общественности новое предложение. Уже через месяц, 16 июля, представители всех лидирующих сторон, вовлечённых в дебаты – Foundation Fieldbus, Fisher-Rosemount, ControlNet International, Rockwell Automation, Siemens, организации пользователей Profibus – подписали так называемый «Меморандум о взаимопонимании» (“Memorandum of Understanding”). В рамках соглашения был создан единый всеобъемлющий стандарт IEC 61158, в который включили все основные системы полевых шин.

В отличие от похожего общеевропейского стандарта CENELEC, Международная комиссия разработала единую многочастную структуру, включив в документ физический, канальный и прикладной уровни с подразделением на службы и протоколы. Чтобы всё это выглядело логично, спецификации каждой системы адаптировали под так называемые «типы».

31 декабря 2000 года IEC 61158 был официально принят в качестве международного стандарта. Однако в изначальном виде он оказался непригоден для применения в реальных производственных условиях. Поэтому, чтобы прояснить, что с чем можно скомбинировать в функционирующую систему, с 2000 по 2002 год в рамках IEC 61784 были дополнительно разработаны профили для практического применения: Foundation Fieldbus H1 и HSE, ControlNet, EtherNet/IP, а также три варианта от Profibus – Profibus-DP, Profibus-PA и Profinet. Позже к ним добавили WorldFIP, P-Net, INTERBUS и Swiftnet.

Таким образом, создание IEC 61158 ознаменовало прекращение войны, продолжавшейся целое десятилетие.

Итог

Парадоксальным образом компромисс, окончивший конфликт в области стандартизации, фактически создал ещё больше проблем для конечного пользователя.

Технически всё сработало – компании, правительства и комитеты остались более-менее довольны. Но вместо одного единого стандарта, по которому можно было разрабатывать все промышленные узлы, пользователи получили малосовместимого «франкенштейна» с почти десятком основных профилей и многочисленными дополнительными вариантами. Такое обилие систем создавало неразбериху в процессе выбора решения под конкретную задачу, и, зачастую, побеждали не более технически подходящие системы, а те, у кого была сильнее маркетинговая поддержка или региональное лобби. Путаница с совместимостью плюс отраслевые привычки значительно усложняли процесс внедрения в большинстве промышленных приложений.

Кроме того, на этом фоне незаметно набирал популярность Industrial Ethernet, ставший, в конце концов, наиболее актуальным и живучим решением в наступившую цифровую эпоху. Он оказался быстрее, проще в освоении, естественно интегрировался с IT-инфраструктурой, поддерживая удалённый мониторинг, облачную интеграцию, анализ больших массивов данных и цифровизацию Industry 4.0/IoT.

По сведениям международной компании HMS Networks, на май 2025 года Ethernet-системы составляют 76% от всех новых мировых интеграций, а доля полевых шин неуклонно сокращается.

В конечном счёте, данный рассказ о том, что оптимальная технология не определяется заседаниями комитетов и политическими играми – всё решает запрос рынка и эволюция потребностей. Иногда лучший стандарт – не узкоспециализированная система, а утилитарное решение, созданное для совсем других целей, но оказавшееся наиболее универсальным. Хотя и с промышленным Ethernet всё сложилось далеко не так просто, как хотелось бы, но это уже совсем другая история.