АСУ

Промышленные сети. Общие положения (Тема)

 

В 70-х гг. XX века технология аналоговой приборной связи 0(4)…20 мА стала стандартной, в результате чего производители контрольно-измерительной аппаратуры получили средство коммуникации, на основе которого их продукты можно было интегрировать в единые системы управления. С развитием цифровой технологии ситуация в этой области изменилась. Благодаря таким преимуществам, как экономичность решений, информативность, надежность и безопасность, наблюдается бурный переход от аналоговой технологии к цифровой.

В 80-х гг. цифровая технология проникла на все уровни промышленного производства – начиная с офисов и кончая датчиками.

По назначению различают локальные сети LAN, городские сети MAN и глобальные сети WAN. Промышленные сети относятся к локальным сетям, обеспечивающим информационные потоки между компьютерами, контроллерами, датчиками и исполнительными механизмами.

Промышленная сеть – это среда передачи данных, которая должна отвечать множеству разнообразных, зачастую противоречивых требований, набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющий связать воедино оборудование различных производителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы управления предприятием.

Промышленные сети могут быть открытыми и закрытыми: первые из них поддерживают международные стандарты, вторые – это сети, работающие по уникальным протоколам одного из производителей и не имеющие совместимости с техническими средствами других производителей. Промышленная сеть должна обеспечивать на своем уровне совместимость приборов от разных производителей и выход в коммерческие системы обработки данных, например MAP или TOP.

По уровню использования промышленные сети делятся на следующие виды:

1)      Стандартные сети или сети устройств, действующих на уровне низовой автоматики и объединяющие удаленные модули ввода/вывода, интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы (сети Device Net, InterBus, ModBus ASI и др.).

2)      Контроллерные сети или сети управления, объединяющие контроллеры, промышленные компьютеры (сети ProfiBus, Control Net, BITBus и др.).

3)      Универсальные сети – сети диспетчерского управления (MAP, TOP, Internet).

4)      Сети Internet с протоколом TCP/IP.

Сравнительные характеристики промышленных сетей уровня устройств и контроллерного уровня приведены в таблице ниже.

 

Таблица 1. Сравнительные характеристики промышленных сетей

 

Стандартной промышленной сети сейчас не существует, так как эта область развивалась благодаря усилиям отдельных компаний или их групп. В 1976 г. Международной организацией по стандартизации (ISO) с целью разрешения проблемы взаимодействия сетевых систем с различными видами вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была предложена «Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (OSI – модель, ISO/OSI Model или семиуровневая модель).

В таблице далее представлены все уровни и функции этой модели.

 

Таблица 2. Модель ISO/OSI

 

Большинство промышленных сетей поддерживают 1, 2 и 7-й уровни OSI-модели – физический, канальный (уровень передачи данных) и прикладной уровень.

Сеансовый уровень определяет синхронизацию информационного взаимодействия прикладных процессов обмена данными, т.е. поддержание диалога между процессами определенного типа (стандарт ECMA-75).

Уровень представления данных обеспечивает представление данных в требуемом формате. Хранение и обработка данных осуществляется СУБД (стандарт ECMA-84, -86, -88).

Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных (реализуются функции  «объект – объект», «объект – оператор», «оператор – объект», «объект – архив»).

Физический уровень обеспечивает необходимые механические, функциональные и электрические характеристики для установления, поддержания и размыкания физического соединения (стандарт X.21 ICCTT – Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии).

Канальный уровень гарантирует передачу данных между устройствами. Этот уровень управляет не только сетевым доступом, но также механизмами защиты и восстановления данных  в случае ошибок при передаче (стандарт HDLC ISO).

Сетевой уровень определяет функции маршрутизации «пакета» через несколько логических каналов по одной или нескольким сетям. Принадлежностью пакета является сетевой адрес (стандарт X.25 ICCTT).

Транспортный уровень решает задачи прокладки маршрута в сети и продвижения пакета данных по маршруту.

 

Методы организации доступа к линиям связи

 

Метод доступа – это набор правил, позволяющий пользователям работать с локальной сетью, не мешая друг другу. Метод доступа реализуется на физическом уровне.

Если несколько устройств коммутируются между собой через общую линию свя­зи (шину), то должен быть определен ясный и понятный протокол доступа к ней. Существуют два метода упорядоченного доступа: централизованный и децентрали­зованный.

В случае централизованного контроля за доступом к шине выделяется узел с пра­вами Мастера. Он назначает и отслеживает порядок и время доступа к шине для всех других участников. Если на Мастере произошла авария, то и циклы обмена по шине останавливаются. Именно по этой причине децентрализованный контроль с переходящими функциями мастера от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее развитие. Здесь права Мастера назначаются группе устройств сети. Во всем мире приняты и широко используются две модели децентрализован­ного доступа: модель CSMA/CD и модель с передачей маркера.

Модель CSMA/CD (Ethernet, стандарт IEEE 802-3). Наиболее известным механизмом управления локальной сетью шинной конфигурации является ме­тод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect). Наиболее широко известная реализация этого метода – спецификация Ethernet. Все станции на шине имеют право передавать данные. Каждая из них постоянно прослушивает шину. Ес­ли шина свободна, любая из станций сети может занять шину под свой цикл передач. В том случае, когда несколько станций претендуют на шину одновременно, это приводит к так называемому конфликту (коллизии),  и тогда станции снимают свою «заявку» на случайный промежуток времени, задаваемый случайным генератором, и затем через удвоенный промежуток времени вновь выходят в сеть. Аналогией подобного метода взаимодействия может служить «разговор группы воспитанных людей в небольшой темной комнате». Каждый человек в комнате слышит речь других людей – обнаружение несущей. Все в комнате имеют одинаковые возмож­ности вести разговор – это множественный доступ, но никто не говорит слишком долго, так как все вежливы. Все, находящиеся в комнате, молчат, пока кто-то не начи­нает говорить. Если два человека начинают говорить одновременно, то они сразу обнаруживают эту коллизию. В этом случае они замолкают на некоторое время, по­сле чего один из них может вновь начать говорить. Другие люди слышат, что ведется разговор, и ждут, когда он закончится, после чего сами могут говорить. При этом в начале разговора называется имя того, к кому обращаются (своего рода адрес), а затем и свое имя. Возможен аналог широковещательной передачи, когда кто-то обращается ко всем одновременно.

Одним из реальных способов определения наличия коллизий при передаче, на­пример по коаксиальному кабелю, является способ определения коллизий по повы­шенному уровню постоянной составляющей сигнала. Детектор коллизий определяет превышение уровнем сигналов определенного порога (около 1,5 В), что означает, что на кабель работает более одного передатчика.

Метод CSMA/CD получил широкое распространение и наиболее эффективен в условиях относительно низкой общей загрузки канала (менее 30 %). В условиях боль­шей загрузки канала выгоднее использовать сети, реализующие модель с передачей маркера.

Модель с передачей маркера (Token Passing Model, стандарт IEEE 802.4). Право на доступ к шине передается в цикле от устройства к устройству. Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на стадии планирования системы. Этот метод предлагает каждому участнику сети «справедливое» разделе­ние шинных ресурсов в соответствии с их запросами. Принцип передачи маркера используется в системах, где реакция на события, возникающие в распределенной системе, должна проявляться за определенное время. Для совместной работы сетей типа CSMA/CD и Token Model необходим так на­зываемый межсетевой шлюз.

Метод MASTER­–SLAVE (централизованный метод) находит свое применение в промышленных сетях как на контроллерном уровне (field level), так и на уровне датчиков и исполнительных механизмов (sensor/actuator level). Право инициировать циклы чтения/записи на шине имеет только MASTER-узел. Он адресует каждого пассивного участника (SLAVE-узел), обеспечивает их данными и запрашивает у них данные. Для того чтобы увеличить пропускную способность шины, команды прото­кола должны быть как можно проще. В рамках протокола решаются такие задачи, как защита данных, обнаружение ошибок при передаче, восстановление данных. На скорость и объем передаваемой информации естественным образом влияет среда передачи.