|
АСУ
Типовые промышленные и полевые сети (Лекция)
ПЛАН ЛЕКЦИИ Введение 1. Особенности
класса промышленных сетей 2. Характеристики
промышленных сетей Введение В этой лекции рассматриваются взаимно
пересекающиеся по назначению и функциям коммуникации двух видов: 1) промышленные сети, связывающие контроллеры
между собою с рабочими станциями операторов, 2) полевые каналы и сети, связывающие
контроллеры удаленными (выносными) блоками ввода/вывода и интеллектуальными
приборами. Эти коммуникации не имеют четкой
разделяющей их границы, некоторые сети могут использоваться для обеих указанных
целей, поэтому они обычно объединяются общим наименованием – Fieldbus, что в буквальном переводе обозначает
"полевая шина", а обычно в русском языке принято называть
"промышленная сеть". Под промышленной сетью понимается как
физический способ объединения контроллеров, рабочих станций операторов,
выносных блоков ввода/вывода, интеллектуальных приборов, так и программно-логический
протокол взаимодействия объединяемых сетью устройств. Последний и определяет
свойства и особенности сети. На сегодня на рынке микропроцессорных средств
имеются около 50-ти различных промышленных сетей; среди них есть фирменные
решения отдельных разработчиков и решения, которые опираются на разные общественные,
национальные или континентальные стандарты и поддерживаются рядом компаний.
Если ранее, каждая фирма, выпускающая ПТК, разрабатывала свою закрытую для
других контроллеров промышленную сеть, то в последние годы они стали
ориентироваться на открытие своих промышленных сетей для аппаратуры других
фирм. Постепенно выделился ряд промышленных сетей, зарекомендовавших себя на
практике удовлетворительными для пользователей характеристиками, простотой
обслуживания, надежностью работы (сети Modbus, Bitbus, Inlerbus S, CAN и другие), которые приобрели характер
межфирменных и которыми стали оснащать свои ПТК разные производители. Наконец,
в последние годы десятки компаний в разных странах сосредоточились на стандартизации
промышленных сетей, что привело к появлению и расширяющемуся международному
использованию сетей PROFIBUS и Foundation Fieldbus. На рынке СНГ имеется большой выбор
различных ПТК, оснащенных промышленными и полевыми сетями всех разновидностей:
внутрифирменными, распространенными межфирменными, стандартизированными на
уровнях независимых органов отдельных стран и континентов, имеющих статус международного
стандарта. Ниже приведен перечень некоторых ПТК,
применяемых на предприятиях СНГ. Мощные ПТК (DCS - распределенные системы управления) зарубежных
фирм: Advant Master (AВВ), Centum CS/CS 3000 (Yokogawa), Damatic (Neles Automation), I/A Series (Foxboro), RS 3 (Fisher-Rosemount), Symfony (ABB), TDC-3000 (Honeywell). ПТК
отечественных фирм: КВИНТ (НИИтеплоприбор),
Космотроника Круиз (Пик Прогресс), Круг 2000 (Круг), СПА-ПС (Автоматика), Сталкер-МК
(Системотехника), Телеперм (Интеравтоматика), Техноконт (Техноконт), Эмикон-2000
(Эмикон). 1. Особенности класса
промышленных сетей
Промышленная сеть обладает рядом
специфических особенностей, выделяющих ее в отдельный класс, отличный от информационных
сетей: –
работа
в режиме реального времени; –
необходимость
предсказуемости времени передачи сообщений и гарантия их доставки по назначению; –
отсутствие
передаваемых больших массивов информации; –
обязательная
повышенная надежность передачи данных в промышленной среде (в частности, при
электромагнитных помехах); –
предпочтительная
работа на недорогих физических средах; –
возможность
больших расстояний между узлами сети; –
упрочненная
механическая конструкция аппаратуры сети. Если выделить из промышленных сетей
подкласс чисто полевых сетей, то они призваны, в частности, заменить широко
используемую централизованную аналоговую структуру подключения приборов к
контроллерам. Для их распространения требуется, чтобы каждое подключаемое к
сети устройство (в том числе, любой прибор) имело вычислительный ресурс, т.е.
было бы интеллектуальным. Тогда подключение приборов к контроллерам становится
цифровым, децентрализованным; они объединяются между собою цифровой, двунаправленной,
последовательной коммуникационной сетью; при этом каждый прибор будет
обслуживать двунаправленную связь. Подкласс чисто полевых сетей по сравнению с
общими промышленными сетями отличается рядом значений основных характеристик:
меньшей длиной сети, меньшей скоростью, меньшим объемом передаваемых данных за
цикл, меньшей стоимостью сетевых компонентов. 2. Характеристики
промышленных сетей
Стандартные физические порты, используемые
промышленными сетями: RS-232, RS-422,
RS-485. Подавляющее
большинство сетей использует наиболее мощный по числу узлов на сети и наиболее
скоростной по передаче данных порт RS-485. Ниже дано описание стандарта данных портов. 2.1.
Описание стандарта на порты последовательной передачи данных - ЕIA
Подавляющее большинство современных
компьютеров, контроллеров и интеллектуальных приборов имеют в своем составе
порты последовательного ввода/вывода данных RS-232, RS-422 и RS-485, которые применяются для соединения
этих средств друг с другом. Стандарт EIA устанавливает требования к электрическим параметрам передатчиков
и приемников двоичных цифровых сигналов, которые объединены в систему связи
подключением к общему кабелю. Он не касается программных протоколов. Ниже в
таблице приведены главные черты этих трех последовательных портов, как они
определены в документах стандарта.
RS-232 широко используется в промышленных
средствах автоматизации. Он обеспечивает соединение «точка к точке» между
последовательным портом контроллера и приборами. Часто, за счет усовершенствования
передатчика и кабеля, достигается большие длина линии и скорость, чем зафиксировано
в стандарте. RS-422 и RS-485 имеют, в отличии от RS-232, дифференциальный электрический сигнал
передачи, который использует двухпроводную связь так, что по каждому проводу проходят
передающие и обратные приемные сигналы. Это дает возможность резко поднять устойчивость
передачи к помехам и увеличить длину линии связи по сравнению с интерфейсом RS-232. Так, устройства, соответствующие
стандарту RS-485,
работоспособны при воздействии на них таких не скомпенсированных разностей
потенциалов земли передатчиков и приемников, напряжений помех, напряжений
смещения выходов передатчиков, которые в совокупности лежат в диапазоне (-7-+7)
в. Если значение разности потенциалов между землями выходит за пределы
допустимого диапазона, то следует применять устройства с гальванической изоляцией. RS-485 - самый совершенный из
рассматриваемых интерфейсов (стандарт RS-485 выпущен последним в 1983 году) и имеет наибольшее
число подключаемых к линии связи приборов. Он нашел наиболее широкое применение
в промышленных средствах автоматизации. Полная система связи интерфейса RS-485 включает в себя ряд передатчиков, ряд
приемников (в одном узле системы возможно также сочетание передатчика и приемника),
соединенных симметричным кабелем. Устанавливаемые стандартами электрические значения
параметров для интерфейсов RS-422 и RS-485
близки; это обеспечивает возможность разработки передатчиков и приемников,
соответствующих требованиям обоих стандартов. Электрические параметры указанных
устройств в системе с интерфейсом RS-485 выбраны так, чтобы была возможность функционирования
передатчика на эквивалентную нагрузку, соответствующую 32-м абстрактным
устройствам, включенным в систему. Реальные устройства отличаются по
эквивалентной нагрузке от абстрактных, поэтому конкретное максимальное число
устройств, которое можно подключить к системе связи определяется статическими характеристиками
нагрузки всех устройств системы. Устройства, электрические параметры
которых приведены в стандарте, могут быть применены для обмена данными в RS-485 при скорости передачи до 10 Мбит/с.
Действительная скорость передачи данных определяется длиной и параметрами
соединительного кабеля, степенью симметрии и качеством согласования линии
связи. Тип кабеля определяется исходя из следующих вариантов требований: - по имеющимся характеристикам устройств,
требуемой протяженности линии связи, минимально допустимому уровню сигнала на
входе наиболее удаленного приемника, максимально допустимому уровню искажений
сигнала, выбирается кабель такого типа, который обеспечит максимально возможное
значение скорости передачи данных; - по имеющимся характеристикам устройств,
требуемому значению скорости передачи данных, минимально допустимому уровню
сигнала на входе наиболее удаленного приемника, максимально допустимому уровню
искажений сигнала, выбирается кабель такого типа, который обеспечит максимально
возможную протяженность линий связи. Используемая топология промышленных сетей:
звезда, кольцо, шина. Топология в виде звезды имеет ряд недостатков: доступ и
управление реализуются через центральный узел, сбой центрального узла приводит
к сбою системы, расширяемость системы ограничена числом портов в центральном
узле. Кольцевая и шинная топологии лишены этих недостатков: доступ и управление
децентрализованы, ошибка или отказ любого узла не приводит к сбою системы, расширение системы возможно; ввиду
этого их использование является преобладающим. Физическая среда передачи данных зависит
от свойств конкретного производства и характеристик проектируемой системы; ею
может быть витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно, радиоканал. На предприятиях малого и среднего масштаба
наибольшее распространение получают сети, работающие па витых парах. Из зафиксированных в OSI-модели семи уровней сетевого протокола (в
OSI-модели
производится структурирование протокола на уровни, каждый из которых выполняет
определенную функцию) в промышленных
сетях обычно используется первый (физический уровень), второй (канальный
уровень) и седьмой (прикладной уровень). Применяемые методы доступа к промышленной
сети получившие наибольшее распространение: 1.
ведущий/ведомый (Master/Slave), 2.
передача маркера (the Token
Passing Method), 3.
случайный метод доступа (Carrier Sense Multiple Access will Collision Detection
|CSMA/CD|). В методе «ведущий/ведомый» право
инициировать циклы имеет только ведущий узел. Он запрашивает поочередно все
ведомые узлы и передает их готовые к отправке данные. Ведущий узел может быть
фиксированным или плавающим. Этот метод доступа является наиболее простым и распространенным
в промышленных сетях. В методе «передача маркера» право на
доступ к шине (маркер) передается в цикле от узла к узлу. Распределение шинных
ресурсов между всеми узлами производится в соответствии с их запросами. Этот
метод важен для применений, где надо гарантировать время передачи данных. В случайном методе доступа каждый узел
прослушивает шину и если она свободна, то он занимает ее. Если несколько узлов
одновременно хотят занять шину (конфликтная ситуация), то они снимают свои
заявки и включают случайные генераторы, которые задают случайный интервал ожидания
до следующего момента запроса шины. Этот метод (наиболее широко
распространенный в информационных сетях) применяется в промышленных сетях при
возможности работы системы не в жестком реальном времени и при низкой загрузке
шины порядка 10-30 % ее производительности (низкой вероятности конфликтных
ситуаций). 2.2. Распространенные
промышленные сети
Достаточно широкое распространение в ПТК
различных фирм получили промышленные сети Modbus, Bitbus, Canbus, основные особенности которых приведены
ниже. Сеть Modbus имеет следующие основные характеристики:
физические порты - RS- Сеть Bitbus имеет следующие основные характеристики:
физический порт - RS-485;
среда передачи - витая пара, оптоволокно, радиоканал; метод доступа -
ведущий/ведомый; два режима передачи данных: режим с самосинхронизацией имеет
до 250 узлов (до 28 узлов на сегмент сети), скорость передачи данных - 375
Кбита/с при длине сети до Сеть Canbus имеет следующие основные характеристики:
среде передачи - витая пара; метод доступа - случайный (каждый узел имее!
приоритеты сообщений и при возникновении коллизии выбирается сообщение с
большим приоритетом); число узлов до 30; скорость передачи данных - 20 Кбит/с
при длине сети до Однако наибольшее распространение в
современных ПТК имеют поддерживаемые многими десятками фирм в разных странах
стандартами открытые сети: полевая сеть с HART-протокрлом, сеть PROFIBUS, сети Foundation Fieldbus; причем, если HART-протокол не является достаточно перспективным по своим технически
характеристикам, то сети PROFIBUS и Foundation Fieldbus достаточна перспективны и будут
лидировать по применениям в ПТК ближайшие годы. Ниже подробно описываются свойства и
характеристики указанных стандартных сетей. 2.3. Стандартная сеть с HART-протоколом
Широко распространенный и поддерживаемый
разными фирмами, выпускающими как контроллеры, так и интеллектуальные приборы,
протокол HART
(Highway Addressable Remote Transducer] был разработан фирмой Rosemount в середине 80-х годов и стандартизирован
в Америке. Технология использования протокола, координирование и поддержка его
применения обеспечиваются независимым Фондом HART коммуникаций. Множество производителей
контроллеров и интеллектуальных приборов в разных странах поддерживают этот протокол. Этот протокол основан на аналоговой 4-20
ма - технологии. Он нацелен на связь контроллера с интеллектуальными приборами
и имеет два варианта их связи. При первом варианте реализуется связь
каждого прибора с контроллером по отдельной паре проводов, по которой могут
проходить как аналоговые (например, 4-20 ма), так и цифровые сигналы. Последние
содержат дополнительную информацию о работе прибора: диапазон и единицы
измерения, дату калибровки, самодиагностику и т. д. Питание прибора осуществляется
от блока питания в контроллере по этой же паре проводов. При втором варианте связи реализуется
соединение ряда приборов с контроллером по одной паре проводов, в этом случае
по паре проводов могут проходить только цифровые сигналы. Следовательно, в
каждом приборе аналоговые выходы должны быть преобразованы в цифровой код. Основные характеристики сети: -метод доступа - ведущий/ведомый. В сети
может быть до двух ведущих узлов; ими бывают контроллеры и ручные
коммуникаторы. Один ведущий узел реализует циклы передачи и запросы к ведомым
узлам; другой (если он есть) - используется для связи сети с другой системой; -физическая среда передачи:
последовательный порт RS-232 С и витая пара; -топология сети: звезда, при соединении к
контроллеру через сеть датчиков с аналоговыми и цифровыми сигналами, и шина -
при только цифровых сигналах, проходящих через сеть; -режимы работы: асинхронный, когда ведущий
узел посылает запрос, а ведомый - ответ (цикл укладывается в 500 мс);
синхронный, когда ведомые узлы непрерывно передают свои данные ведущему узлу
(время обновления данных в контроллере - 250-300 мс); -при шинной архитектуре MART протокол работает в режиме моноканала (т.е.
более двух устройств соединяются через один канал передачи) и к сети может быть
подключено до 15 ведомых узлов (обычно подключают до 8 приборов); -длина линии связи до -скорость передачи данных - 1200 бит/с; -протокол HART реализует по модели OSI следующие уровни: первый (физический),
второй (канальный), седьмой (прикладной); -команды от ведущих узлов могут быть трех
видов: универсальные на все ведомые узлы, типовые на многие ведомые узлы и
специфические на конкретные ведомые узлы; -каждое сообщение от прибора содержит
информацию двух типов: текущие данные и статус прибора. Последняя информация
определяет оперативное состояние прибора: нормальный последовательный статус,
когда данные от него могут быть использованы для вычислений и управления;
нормальный непоследовательный статус, когда данные от него корректны, но с
прибором связана какая-то тревога: неопределенный статус, когда данные не
полностью корректны, но все же могут быть использованы; плохой статус, когда
данные не могут быть использованы; -за каждую посылку информации любое
устройство может передать другому устройству 4 технологических переменных, а
само устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние |
||||||||||||||||||||||||||