3.13. Корпоративные сети

Корпоративная сеть обслуживает одно крупное предприятие и называется также сетью масштаба предприятия. Структура корпо­ративной сети выглядит следующим образом: имеется ряд подсе­тей, представляющих собой ЛВС типа Ethernet или Token Ring, каж­дая из которых обслуживает отдельное подразделение, расположен­ное в одной или нескольких близкорасположенных комнатах; под­сети связаны между собой с помощью серверов доступа; обычно имеется выход во внешнюю территориальную сеть. В качестве сер­веров доступа могут использоваться мосты, коммутаторы, маршру­тизаторы, шлюзы.

3.14. Сети промышленной автоматизации

Резкое уменьшение габаритов современных электронных уст­ройств и повышение их функциональной насыщенности во многом изменило идеологию проектирования крупных систем. В настоящее время наблюдается переход от интегрированных систем, в которых один мощный процессор управляет большим количеством пассив­ных периферийных устройств, к распределенным — когда каждый элемент системы является активным устройством.

В первом случае в системе используется мощный процессор с большим количеством пассивных устройств, а передача информа­ции осуществляется по параллельной шине (например, VME, PCI, ISA, РС/104 и т.д.). Такая организация системы имеет следующие недостатки.

Необходимость применения мощных процессоров. Поскольку все задачи решаются одним процессором при большом количестве пе­риферийных устройств и плат ввода-вывода, то он должен иметь большую производительность. Применение нескольких процессо­ров, работающих на одной шине без использования стандартных протоколов, усложняет разработку программ.

Большие трудности, связанные с расширением системы. При расширении или модернизации требуется замена конструктива и модификация или полная замена программного обеспечения.

Низкая надежность. Количество соединений на современной про­изводительной шине достигает 100 и более. Замыкание или обрыв одного из них приводит к отказу всей системы. Ситуация дополни­тельно осложняется применением разъемов с большим количеством контактов. При дублировании в этом случае требуется применение такой же дополнительной шины, что резко увеличивает габариты, вес и стоимость всей системы, но не решает проблему. Поскольку элект­ронные блоки системы при таком подходе сосредоточены в одном месте, то к ним приходится прокладывать большое количество сило­вых и сигнальных цепей (от датчиков и исполнительных устройств), что при больших габаритах системы также снижает надежность и увеличивает стоимость (большой расход кабеля).

Большие сроки разработки. При разработке системы заново со­здаются аппаратная и программная части. Применение стандартных конструктивов, плат и блоков облегчает, но не решает проблему.

Стыковка элементов распределенной системы управления осу­ществляется с помощью стандартных сетевых интерфейсов на аппаратном уровне и с помощью стандартных протоколов — на про­граммном. Данный подход стал активно применяться в промышлен­ности с середины 80-х годов с появлением малогабаритных компь­ютеров и контроллеров невысокой стоимости. В настоящее время даже активные датчики и исполнительные устройства стали снаб­жаться сетевыми интерфейсами.

Элементом системы может быть плата универсального контрол­лера, содержащая стандартный сетевой интерфейс или промыш­ленный контроллер с набором модулей или плат (не более пяти), сты­кующихся через локальную шину (VME, РС/104 и т.д.). Элементы системы, соединенные стандартными сетевыми интерфейсами, могут находиться в одном конструктиве или могут быть распреде­лены по объекту.

Такая организация при проектировании систем обладает следу­ющими достоинствами.

Легкая расширяемость. Стандартные протоколы верхнего и ниж­него уровней позволяют строить системы с автоконфигурацией, а также обеспечивают совместимость с оборудованием, производи­мым другими фирмами. Например, для CAN-интерфейса можно использовать спецификацию CiA/DS 201-207, CAN Physical Layer for Industrial Applications и т.д.

Высокая надежность. Для подключения к сетевому интерфейсу требуется небольшое количество проводов и используются разъе­мы с небольшим количеством контактов. Например, для подключе­ния к CAN или Profibus необходимо три провода — два сигнальных и один общий. Если использовать дополнительный канал для резер­вирования, то требуются шесть проводов и соответствующее коли­чество контактов разъема. При таком количестве сигналов легко обеспечивается гальваническая развязка элементов системы. Ряд сетевых интерфейсов осуществляет коррекцию ошибок на аппарат­ном уровне, для передачи и приема используются дифференциаль­ные приемопередатчики, которые подавляют синфазные помехи. Поскольку в такой системе все элементы активны, то легко обеспе­чивается дублирование функций другими элементами системы.

Малые сроки разработки. Наибольший выигрыш достигается при разработке крупных систем, поскольку большая часть аппарат­ных средств и программного обеспечения не требует модификации.

Легкость тестирования и отладки. Поскольку все элементы си­стемы активны, легко обеспечить самодиагностику и поиск неисп­равности.

Возможность распределения системы по объекту. Система мо­жет находиться в одном конструктиве, а также может быть распре­делена по объекту, что позволяет уменьшить затраты на монтаж и на использование медного провода.

Использование компьютеров и контроллеров меньшей мощнос­ти. Задача распределяется по активным элементам системы — ме­тод декомпозиции активно используется программистами для раз­работки эффективных программ. Поскольку при решении задачи используется несколько процессоров, каждый из них может иметь небольшую производительность.

Поскольку аппаратные средства АСУТП могут быть территори­ально разнесены, то для их взаимодействия нужна специальная вычислительная сеть, называемая промышленной сетью (или Fieldbus). В число узлов сети входят компьютеры, выполняющие функции NC и SCADA. Это могут быть обычные персональные ком­пьютеры и специализированные программируемые логические кон­троллеры, называемые промышленными компьютерами. Специфи­ка ПЛК — наличие нескольких аналоговых и цифровых портов, встроенный интерпретатор специализированного языка, детерми­нированные задержки при обработке сигналов, требующих неза­медлительного реагирования. Однако ПЛК, в отличие от ТВМ PC, рассчитаны на решение ограниченного круга задач в силу специа­лизации программного обеспечения.

В целом промышленные компьютеры имеют такие особенности:

1) работав режиме реального времени (для промышленных пер­сональных компьютеров разработаны такие ОС реального време­ни, как OS-9, QNX, VRTX и др.);

2) конструкция, приспособленная для работы ЭВМ в цеховых условиях (повышенные вибрации, электромагнитные помехи, запы­ленность, перепады температур, иногда взрывоопасность);

3) возможность встраивания дополнительных блоков управляю­щей, регистрирующей, сопрягающей аппаратуры, что помимо спе­циальных конструкторских решений обеспечивается использова­нием стандартных шин и увеличением числа плат расширения;

4) автоматический перезапуск компьютера в случае «зависания» программы;

5) повышенные требования к надежности функционирования. В значительной мере специализация промышленных компьютеров определяется программным обеспечением. Конструктивно про­мышленный компьютер представляет собой корзину (крейт) с несколькими гнездами (слотами) для встраиваемых плат. Возможно использование мостов между крейтами. В качестве стандартных шин в настоящее время преимущественно используются шины VME-bus (Versabus Module Europe-bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect).

VME-bus — системная шина для создания распределенных сис­тем управления на основе встраиваемого оборудования (процессо­ры, накопители, контроллеры ввода/вывода). Представляет собой расширение локальной шины компьютера на несколько гнезд объе­динительной платы (до 21 слота), возможно построение многомастерных систем, т.е. систем, в которых ведущими могут быть два или более устройств. Имеет 32-разрядные ^мультиплексируемые шины данных и адресов, возможно использование мультиплексируемой 64-разрядной шины. Пропускная способность шины 320 Мбайт/с.

PCI — более удобная шина для однопроцессорных архитектур, получает все большее распространение. Пропускная способность до 264 Мбайт/с, разрядность шины 2x32 и/или при мультиплекси­ровании по 64 каналам, архитектура с одним ведущим устройством. Имеется ряд разновидностей шины, например шина CompactPCI, в которой унифицирован ряд геометрических и механических пара­метров (т.н. Евромеханика).

Программная связь с аппаратурой нижнего уровня (датчиками, исполнительными устройствами) происходит через драйверы. Меж­программные связи реализуются через интерфейсы, подобные OLE. Для упрощения создания систем разработан стандарт ОРС (OLE for Process Control).

Обычными для промышленных сетей являются предельные рас­стояния между узлами (датчиками, исполнительными устройствами и контроллерами) в сотни метров, размеры сообщений—до 1 Кбайт (в сжатой форме). Опрос датчиков периодический. Важное требова­ние к промышленной сети — обеспечение работы в реальном масш­табе времени, поэтому для АСУ 111 сети типа Ethernet не подходят, поскольку в них не гарантируется ограничение задержек сверху.

Пример промышленной сети — Profibus, скорость 12 Мбод, па­кеты до 247 байт, расстояния до 1,5 км. Имеет выход в сеть АСУП, в качестве которой чаще всего используется сеть Ethernet. Наряду с Profibus используют и другие протоколы, например, популярен про­токол CAN. На физическом уровне в Fieldbus часто используют ин­терфейс RS-485 — витая пара, длина сегмента до 1,2 км, на сегменте может быть до 32 узлов.

ЛЕКЦИЯ 5