ПРОТОКОЛЫ, СЕТИ И ШИНЫ

В данном разделе приведен обзор наиболее распространенных протоколов, сетей и шин [3].

Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Для работы со своими устройствами его используют десятки фирм. Протокол привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса (RS-232C, RS-422, RS-485 или же токовая петля 20 мА).

Протокол работает по принципу Master-Slave (ведущий-ведомый). Конфигурация на основе этого протокола предполагает наличие одного Master-узла и до 247 Slave-узлов. Только Master инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов:

· запрос-ответ (адресуется только один из Slave-узлов);

· широковещательная передача (Master через выставление адреса 0 обращается ко всем остальным узлам сети одновременно).

На рисунке 4.6.1 приведен пример взаимодействия контроллеров SCADAPack/Slaves через интерфейс RS-485, используя стандартный протокол обмена Modbus. Для связи контроллеров SCADAPack с рабочей станцией через сеть Ethernet использован модуль/шлюз Ethernet 5905.

Рисунок 4.6.1 – Взаимодействие контроллеров по протоколу Modbus

CANbus (Control Area Network) – это последовательная шина с децентрализованным доступом. Возможные коллизии, связанные с одновременным запросом шины, разрешаются на основе приоритетности передаваемых сообщений. В CANbus каждый блок данных содержит дополнительный 11-битовый идентификатор, который и является приоритетом данного сообщения. Право на работу с шиной получит тот узел, который передает сообщение с наивысшим приоритетом.

Протокол CANbus закрывает 1-й и 2-й уровни модели OSI. По своим характеристикам он удовлетворяет не только требованиям задач реального времени, но и реализует высокую степень обнаружения и исправления ошибок. В каждом сообщении может быть передано до 8 бит данных. Большие блоки можно передавать за счет использования принципа сегментации.

Протокол BITBUS разработан фирмой INTEL в 1984 году для построения распределенных систем, в которых требовалось обеспечить высокую скорость передачи, детерминизм и надежность. Физический интерфейс основан на RS-485. Информационный обмен организован по принципу «запрос-ответ» (Master-Slave).

Протокол BITBUS определяет два режима передачи данных по шине:

· Синхронный режим используется при необходимости работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях. В этом режиме к шине можно подключить до 28 узлов, но длина шины ограничивается 30 м. Скорость может быть от 500 Кбод до 2,4 Мбод. Синхронный режим передачи предполагает использование двух пар проводов (одной пары – для данных, другой – для синхронизации).

· Использование режима с самосинхронизацией позволяет значительно удлинить шину. Стандартом определены две скорости передачи: 375 Кбод (до 300 м) и 62,5 Кбод (до 1200 м). Используя повторители, можно объединять последовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на сегмент). Тогда общее число узлов можно довести до 250, а длину общей шины – до нескольких километров. При этом режиме передачи также используются две пары проводников (одна для данных, другая для управления повторителем).

Протокол FIP (Factory Information Protocol) обеспечивает высокие скорости передачи и строго определенные интервалы обновления данных. Протокол имеет гибридный централизованный/децентрализованный контроль за шиной, основанный на принципе широкого вещания. Использование режима широкого вещания избавляет от необходимости присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса.

Каждый узел на шине полностью автономен. Все узлы имеют возможность получать предназначенные для них данные. Контроль осуществляется со стороны центрального узла сети, называемого арбитром.

FIP протокол поддерживает уровни 1, 2 и 7 модели OSI. В качестве среды передачи используются витая пара или оптоволокно. Максимальная протяженность сети – 1000 м без повторителей (до 15 км с оптическими повторителями) при скорости обмена 1 Мбит/с. Сеть поддерживает до 128 устройств.

Контроллеры семейства Premium (Schneider Electric) используют разновидность сети FIP (FIPIO) для организации удаленного ввода-вывода. По этой сети к центральному процессору (через встроенный порт) могут быть подключены (в соответствии с рисунком 4.6.2):

· удаленный ввод-вывод контроллеров Momentum;

· панель управления оператора CCX 17;

· персональные компьютеры и другие устройства.

Рисунок 4.6.2 – Контроллеры Momentum в сети FIPIO

Протокол PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) разработан в Германии. Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели. В PROFIBUS используется гибридный метод доступа Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть Master-узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания. В среде Master-узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/записи на шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя. Рабочая скорость передачи может быть выбрана в диапазоне 9,6-12 000 Кбит/с.

При построении многоуровневых систем автоматизации часто возникают задачи организации информационного обмена между уровнями. В одном случае необходим обмен комплексными сообщениями на средних скоростях. В другом – быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена (уровень датчиков). В третьем требуется работа в опасных участках производства (нефтегазовые технологии, химическое производство). Для всех этих случаев PROFIBUS имеет решение. Под общим названием понимается совокупность трех отдельных протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.

Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Здесь требуется высокая степень функциональности, и этот критерий важнее критерия скорости. Основное его назначение – передача больших объемов данных.

В задачах управления, требующих реального времени, на первое место выдвигается такой параметр, как продолжительность цикла шины. Реализация протокола PROFIBUS-DP дает увеличение производительности шины (например, для передачи 512 бит данных, распределенных по 32 станциям, требуется всего 6 мс).

Протокол PROFIBUS-PA – это расширение DP-протокола в части технологии передачи, основанной не на RS-485, а на реализации стандарта IEC1158-2 для организации передачи во взрывоопасных средах. Он может использоваться в качестве замены старой аналоговой технологии 4-20мА. Для коммутации устройств нужна всего одна витая пара, которая может одновременно использоваться и для информационного обмена, и для подвода питания к устройствам полевого уровня.

Протокол PROFIBUS-DP поддерживается устройствами разных производителей. Для контроллеров компании Siemens этот протокол является основным (в соответствии с рисунком 4.6.3). Некоторые контроллеры семейств S7-300 и S7-400 имеют встроенный порт PROFIBUS-DP, другие взаимодействуют с сетью посредством коммуникационных процессоров.

Рисунок 4.6.3 – Контроллеры Simatic S7 в сети Profibus-DP

Сеть DH+ (Allen-Bradley) поддерживает передачу данных и удаленное программирование контроллеров в дополнение к одноранговой связи между другими процессорами и устройствами (в соответствии с рисунком 4.6.4). Магистральная линия сети DH+ может иметь протяженность до 3048 м, ответвления – до 30 м. К одной сети DH+ можно подключить до 64 устройств. Скорость передачи данных зависит от длины шины и может настраиваться от 57.6 Кбод (3048 м) до 230.4 Кбод (750 м).

Характеристика одноранговой связи:

· отсутствие «мастера»;

· минимальный сетевой трафик;

· любой контроллер инициализирует связь с любым сетевым узлом;

· простота наращивания контроллеров в сети.

Рисунок 4.6.4 – Контроллеры Allen-Bradley в сети DH+

Сеть Genius фирмы GE Fanuc предназначена для объединения в законченную систему контроллеров GE Fanuc серий 90-70 и 90-30, удаленной периферии Genius и Field Control (в соответствии с рисунком 4.6.5). Взаимодействие различных устройств с сетью Genius осуществляется посредством контроллеров шины Genius (GBC), интерфейсных модулей (GCM), блоков интерфейса с шиной Genius (BUI). Физически устройства объединяются в сеть экранированной витой парой. Сеть имеет топологию «шина», к которой может быть подключено до 32 устройств. Максимальная длина шины составляет 2,3 км при скорости обмена 38,4 Кбод. Максимальная скорость передачи данных 153,6 Кбод достигается при длине линии до 600 м.

Сеть Genius поддерживает передачу как глобальных данных (Global Data), так и дейтаграмм (при каждом акте сканирования).

Для обмена данными по Global Data каждому входящему в состав сети контроллеру выделяется участок адресного пространства. В этот участок он передает данные, указанные при конфигурировании его контроллера шины. Передача данных осуществляется без указания контроллера, который должен их получить. Этот участок доступен всем подключенным к шине PLC только для чтения. Таким образом, для всей сети создается единый набор данных, используемый для обмена. Один контроллер шины обеспечивает прием/передачу до 128 байт данных от каждого из узлов.

Рисунок 4.6.5 – Контроллеры фирмы GE Fanuc в сети Genius

Дейтаграмма (Datagram) представляет собой направленную посылку данных от одного контроллера к другому. Прием/передача дейтаграмм происходит под управлением программы пользователя. Момент отправки дейтаграммы может быть задан с требуемой периодичностью или по наступлению какого-либо события.

В последние годы проявилась тенденция применения в системах управления технологий сквозного сетевого доступа: от мощных супервизорных компьютеров и многофункциональных контроллеров до интеллектуальных полевых устройств (датчики, исполнительные устройства и т.п.). При этом такая связь должна удовлетворять всем современным требованиям по функциональности, надежности и открытости. Рассмотренные выше сети и протоколы не предназначены для непосредственного взаимодействия с устройствами полевого уровня.

Полевые шины (шины уровня датчиков и исполнительных устройств) должны удовлетворять двум требованиям. Во-первых, необходимо передавать данные в соответствии с жестким временным регламентом. Во-вторых, объем данных должен быть минимальным, чтобы обеспечить работоспособность сети в критические по нагрузкам моменты. Сеть уровня датчиков обеспечивает непосредственный интерфейс между реальным технологическим процессом и промышленными контроллерами.

Передаваемую в такой сети информацию можно разделить на два основных типа: данные о процессе и параметрические данные. Оба типа данных принципиально различны и предъявляют к коммуникационной системе разные требования.

Данные о процессе (изменение состояния кранов, переключателей, управляющих сигналов и т. п.) не являются сложными и, как правило, определяются несколькими информационными битами. Объем такой информации имеет четкую тенденцию к сокращению. Совсем недавно эти данные для одного простого устройства занимали 8-16 бит. Но уже сейчас развитие технологии привело к тому, что с простейших датчиков (дискретного типа) приходит всего 1-2 бита информации.

Данные о процессе имеют явно выраженный циклический характер. Более того, для реализации задач автоматического управления необходимо, чтобы опрос каналов и выдача команд на управление проводились через регламентируемые интервалы времени. Это так называемое требование детерминированности коммуникационной системы. Благодаря небольшому объему передаваемых данных системы промышленной связи способны действительно удовлетворять временным требованиям со стороны реальных процессов.

Параметрические данные необходимы как для отображения текущего состояния сетевых устройств (интеллектуальных), так и их перепрограммирования. В противоположность данным о процессе параметрическая информация не имеет циклического характера. Доступ к ней реализуется по запросу, в ациклическом режиме. Передача параметрических данных требует и реализует методы специальной защиты, а также механизмов подтверждений. Комплексный параметрический блок для интеллектуальных устройств занимает от нескольких десятков байт до нескольких сотен килобайт. В сравнении с быстро меняющимися данными временные требования для передачи параметров можно считать некритичными. В зависимости от типа устройств и протяженности сети требования по времени простираются от нескольких сотен миллисекунд до нескольких минут.

Рассмотрим несколько промышленных шин уровня датчиков и исполнительных устройств (полевых шин), успешно применяемых при автоматизации технологических процессов.

Первые продукты, работающие по технологии ASI, вышли на рынок в 1993 году. Сегодня эта технология поддерживается рядом известных фирм: Allen-Bradley, Siemens, Schneider Electric и др.

Основная задача этой сети – связать в единую информационную структуру устройства нижнего уровня автоматизируемого процесса (фотоэлектрические датчики, исполнительные устройства, реле, контакторы, емкостные переключатели, приводы и т.п.) с системой контроллеров. Это подтверждается и названием сети – ASI (Actuator Sensor Interface).

ASI-интерфейс позволяет через свои коммуникационные линии не только передавать данные, но и подводить питание (24 VDC) к датчикам и исполнительным устройствам. Здесь используется принцип последовательной передачи на базовой частоте. Информационный сигнал модулируется на питающую частоту.

Топологией ASI-сети может быть шина, звезда, кольцо или дерево. К одному контроллеру можно подключить до 31 устройства. Протяженность сегмента ASI-шины может достигать 100 м. За счет повторителей длину сети и число узлов можно увеличивать. Цикл опроса 31 узла укладывается в 5 мс. Максимальный объем данных с одного ASI-узла – 4 бита.

Контроллеры Micro (Schneider Electric) взаимодействуют с полевыми устройствами по шине ASI (в соответствии с рисунком 4.6.6). Функции ведущего обеспечиваются интерфейсным модулем SAZ 10.

Рисунок 4.6.6 – Полевые устройства на шине ASI

SDS (Smart Distributed System) – протокол систем ввода-вывода, предложенный компанией Honeywell для построения сетей, объединяющих периферийные устройства различных производителей.

Эта сеть позволяет работать с такими устройствами ввода-вывода, как концевые выключатели, фотоэлектрические и бесконтактные датчики, позиционеры, и осуществлять обмен информацией на высоких скоростях.

Преимущества сети:

· одна и та же сеть для контроллеров и источников информации;

· питание осуществляется по проводам сетевого кабеля;

· диагностика на уровне физических устройств;

· время прохождения данных по сети может достигать 0,1 мс.

Таблица 4.6.1 – Характеристика сети

Периферийные устройства подключаются к мастер-модулю SDS обычным 4-проводным кабелем. Таким образом, модуль SDS заменяет стандартные модули ввода-вывода, обеспечивая подключение 64 дискретных входов/выходов (распределенный ввод-вывод).

DeviceNet – открытая коммуникационная сеть нижнего уровня, которая обеспечивает подключение полевых устройств (датчиков, исполнительных устройств, приводов и т. Д.) к устройствам более высокого уровня – контроллерам.

DeviceNet – это:

· доступ к интеллектуальным датчикам различных производителей;

· связь «мастер-подчиненный» и равноправная;

· конфигурирование датчиков, управление и сбор данных.

DeviceNet – сеть, поддерживаемая рядом ведущих производителей датчиков, приводов и систем управления, в частности фирмой Allen-Bradley.

Эта сеть соединяет устройства нижнего уровня непосредственно с системой управления, уменьшая количество связей ввода-вывода и проводки по отношению к типичным аппаратным решениям (в соответствии с рисунком 4.6.7).

Длина сети DeviceNet определяется скоростью передачи данных: 100 м при скорости 500 Кбод, 200 м – 250 Кбод, 500 м – 125 Кбод.

Рисунок 4.6.7 – Полевые устройства и модули ввода/вывода серии 1791 в сети DeviceNet

Основное назначение протокола Interbus – организация коммуникаций на уровне датчиков и исполнительных механизмов. Interbus использует процедуру доступа к шине по схеме ведущий-ведомый (Master-Slave). Топология Interbus – это физическое и логическое кольцо, у которого физический уровень построен на основе стандарта RS-485, использующего витую пару для информационных передач. Для реализации кольца используются две витые пары (дуплексный режим). Такая физическая структура позволяет организовать сеть, работающую на скорости 500 кбит/с на расстоянии 400 м между двумя соседними узлами. Включенная в каждое сетевое устройство функция повторителя сигнала позволяет расширить систему до 13 км. Общее число устройств сети ограничено и составляет максимум 256 узлов (в соответствии с рисунком 4.6.8).

На базе основного кольца с использованием так называемых терминальных модулей возможна организация дополнительных кольцевых сегментов (Interbus Loop).

Рисунок 4.6.8 – Контроллеры Schneider Electric на шине Interbus

С точки зрения семиуровневой OSI-модели для стандартных сетей протокол Interbus определен на 3-х уровнях (1, 2 и 7). Важное свойство уровня 2 – возможность реализации в протоколе Interbus характеристики детерминированности, т.е. временной определенности циклической транспортировки данных.

Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer), разработанный фирмой Rosemount Inc. в середине 80-х годов, реализует известный стандарт BELL 202 FSK, основанный на технологии 4-20 мА.

Стандарт BELL 202 FSK – это кодировка сигнала методом частотного сдвига для обмена данными на скорости 1200 Бод. Сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4-20 мА. Поскольку среднее значение FSK-сигнала равно 0, то он не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА (в соответствии с рисунком 4.6.9).

Схема взаимоотношений между узлами сети основана на принципе Master-Slave. В HART-сети может присутствовать до 2 Master-узлов (обычно один). Второй Master, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и используется для организации связи с какой-либо системой контроля/отображения данных. Стандартная топология – «звезда», но возможна и шинная организация. Для передачи данных по сети используются два режима:

· асинхронный: по схеме – Master-запрос-Slave-ответ (один цикл укладывается в 500 мс);

· синхронный: пассивные узлы непрерывно предают свои данные мастер-узлу (время обновления данных в мастер-узле – 250-300 мс).

Рисунок 4.6.9 – Кодировка сигнала методом частотного сдвига

Основные параметры HART-протокола:

· длина полевой шины – 1,5 км;

· скорость передачи данных – 1,2 Кб/с;

· число приборов на одной шине – до 16.

HART-протокол позволяет:

· проводить удаленную настройку датчиков на требуемый диапазон измерения через полевую шину;

· не подводить к датчикам отдельные линии электропитания и не иметь в них блоков питания (электропитание реализуется от блоков питания контроллеров через полевую шину);

· увеличить информационный поток между контроллером и приборами, при наличии самодиагностики в приборах передавать сообщения о неисправностях по полевой шине, а далее – оператору.

Fieldbus Foundation (создана в 1994 году) – некоммерческая организация, которая объединяет большое количество ведущих мировых поставщиков и конечных пользователей систем управления технологическими процессами и автоматизации производства.

В 1996 году была разработана полевая шина, которая использует модификацию стандарта IEC1158-2 для физического уровня и концепцию PROFIBUS для прикладного уровня. Протокол Foundation Fieldbus (FF) представляет собой открытую, внедренную в промышленности технологию, которая дает пользователям возможность применять лучшие в настоящий момент полевые устройства различных поставщиков и не привязывает их к какому-то определенному производителю.

FF – цифровая, последовательная, дуплексная система передачи данных, соединяющая и поддерживающая взаимодействие полевого оборудования – датчиков, пускателей и контроллеров. Fieldbus представляет собой локальную сеть (ЛВС), обладающую возможностью распределять управление по всей сети. Управление процессом включает в себя различные функции: конфигурирование, калибровку, мониторинг, диагностику, а также регистрацию событий, происходящих в различных узлах производственной системы.

В соответствии с многоуровневой моделью открытых систем (OSI) протокол полевой шины использует уровни 1, 2 и 7.

Foundation Fieldbus имеет 2 физических уровня:

· Физический уровень H1 FF (медленный), обеспечивающий рабочую скорость 31,25 Кбит/с. Эта реализация физического уровня основана на модифицированной версии стандарта IEC 1158-2 и предназначена для объединения устройств, функционирующих во взрывоопасных газовых средах.

· Физический уровень H2 FF (быстрый), обеспечивающий рабочую скорость до 1Мбит/с и также основанный на стандарте IEC 1158-2.

Канальный уровень используюет элементы проекта IEC/ISA SP50 универсальной промышленной сети.

Прикладной уровень включает элементы из проекта ISP/Profibus.

Наиболее распространенная топология полевой шины FF – шинная (в соответствии с рисунком 4.6.10) и древовидная.

Рисунок 4.6.10 – Интеллектуальные устройства на шине FF

Практическая реализация сетевого обмена достаточно стандартна. Выход любого устройства в сеть обеспечивается сетевыми платами с встроенными разъемами (портами). Количество портов и разнообразие поддерживаемых ими протоколов и определяет коммуникационные возможности контроллера. Производители снабжают свои контроллеры встроенными портами, такими как RS-232 или универсальным RS-485, допускающим обмен по различным протоколам. Расширение возможностей сетевого обмена, обмен информацией с устройствами различных производителей обеспечивается набором интерфейсных модулей, интерфейсных процессоров, сетевых карт, которые предоставляют дополнительные порты связи.