100. Характеристика промышленной сети Profibus-pa

Profibus PA (Profibus for Process Automation - "для автоматизации технологических процессов") использует физический уровень на основе стандарта IEC 1158-2, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Особенностью Profibus PA является возможность работы во взрывоопасной зоне.

Физический уровень

Profibus PA использует физический уровень, соответствующий стандарту IEC 1158-2⁵. Данные передаются с помощью уровней тока +9 мА и -9 мА ("токовая петля"). Используется манчестерский код (логический ноль соответствует смене отрицательного тока на положительный, а логическая единица - положительного на отрицательный). Скорость передачи составляет 31,25 кбит/с, в качестве линии передачи используется витая пара в экране или без него. Один сегмент сети может содержать до 32 устройств. Максимальная длина кабеля достигает 1,9 км. В каждом сегменте с обеих сторон кабеля подключены RC-цепочки, состоящие из последовательно соединенных конденсатора емкостью 1 мкФ и резистора сопротивлением 100 Ом. Благодаря низкой энергии передаваемого сигнала Profibus PA является искробезопасной электрической цепью и может быть использован во взрывоопасных зонах (при наличии разрешения Ростехнадзора на конкретное оборудование).

Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный формат, идентичный формату HART-протокола (см. рис. 2.18, а), включающему стартовый бит ("0"), 8 бит данных младшими разрядами вперед, бит паритета (четный) и стоп-бит ("1"). Бит паритета равен нулю, если количество бит в слове четное и равен единице в противном случае. В слове "11000011" количество единиц четное, поэтому бит паритета устанавливается равным 0. Такой формат используется для всех без исключения слов, включая заголовки сообщений. При передаче слов длиннее 8 бит старший байт отправляется первым, за ним остальные в порядке старшинства.

Канальный уровень

Тот же стандарт: IEC 1158-2

________________________

Из википедии:

Profibus PA (англ. Process Automation) — промышленная сеть, служит для соединения систем автоматизации и систем управления процессами с полевыми устройствами (например датчиками давления, температуры и уровня). Может использоваться для аналоговой (от 4 до 20 мА) технологии. Profibus PA использует основные функции Profibus DP передачи измеренных величин и состояния контроллера, а также расширенные функции Profibus DP для параметризации и операций с полевыми устройствами.

Протокол отвечает требованиям международного стандарта IEC 61158-2. Позволяет подключать датчики и приводы на одну линейную шину или кольцевую шину.

101. Характеристика промышленной сети Profibus-fms

Profibus FMS (Profibus с FMS протоколом) использует уровень 7 модели OSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS предоставляет большую гибкость при передаче больших объемов данных, но проигрывает протоколу DP в популярности вследствие своей сложности.

Profibus FMS и DP используют один и тот же физический уровень, основанный на интерфейсе RS-485 и могут работать в общей сети. Так что про физический и канальный уровень см. вопрос 99, то же самое.

Из википедии:

Profibus FMS — протокол передачи данных, предназначенный для связи программируемых контроллеров друг с другом и станциями оператора. Используется в тех областях, где широкие функциональные возможности более важны, нежели быстрое время реакции системы.

При связи через FMS используются отношения типа клиент-сервер. Клиент является процессом приложения, который в качестве заказчика услуги обращается к объектам. Сервер является исполнителем услуги «Объекты».

В распоряжение клиенту предоставляются объекты связи. В качестве примера устройств, соединенных по FMS протоколу можно взять из оборудования фирмы Сименс — Simatic S7 c FMS-CP или, например, Simatic S5 c CP 5431FMS. Очень часто используется комбинированный режим работы устройств Profibus FMS и Profibus DP, в этом случае между мастерами и ведомыми устройствами используется протокол DP, а между самими мастерами протокол FMS.

Основная нагрузка в протоколе FMS приходится на уровень приложений. Им предоставляются коммуникационные службы, которые могут использоваться непосредственно пользователем, которые отвечают за выполнение запросов в системе клиент-сервер . Коммуникационная модель Profibus FMS допускает объединение распределенных процессов приложений в общий процесс с использованием коммуникационных связей. Часть процесса приложения в полевом устройстве, которая может быть достигнута через коммуникацию называется виртуальным полевым устройством VFD. В нем находится словарь так называемых коммуникационных объектов, через которые и происходит связь между устройствами с помощью служб. Словарь содержит описание, структуру и типы данных, а также связи между адресами внутреннего устройства коммуникационных объектов и их назначение на шине (индекс/имя).

Более подробно, словарь состоит из следующих объектов:

• заголовок - информация по структуре словаря

• список статических типов данных - список поддерживаемых статических типов данных

• словарь статических объектов в нем - все статические коммуникационные объекты

• динамический список списка переменных - список всех списков переменных

• динамический список программ - список всех программ

По состоянию на 2010 год применение протокола Profibus FMS сокращается в связи с переходом к Промышленный Ethernet и PROFInet.

Однако спецификации FMS стали частью стандарта Foundation Fieldbus и используются в нём.

102. Характеристика промышленной сети DeviceNet

DeviceNet - протокол для промышленной сети CAN. Используется для связи датчиков, исполнительных механизмов и программируемых логических контроллеров между собой. Открытый стандарт. Широко применяется на транспорте, в машиностроении и промышленности. Достаточно широко распространена в России.

DeviceNet - протокол верхнего уровня разработанный в 1994 году компанией Rockwell Automation. Служит для объединения в единую систему устройств промышленной автоматики, таких как фотодатчики, термодатчики, считыватели штрихкодов, элементы ЧМИ (человеко-машинного интерфейса), с управляющими устройствами (компьютерами, PLC). Сеть имеет шинную топологию. Допускает "горячее" подключение и отключение модулей.

Функциональное исполнение:

Стандарт на промышленную сеть DeviceNet кроме протокола описывает:

• открытые и герметизированные типы разъемов устройств

• диагностические индикаторы (светодиоды)

• профайлы (файлы параметров) устройств

Сеть DeviceNet может:

• чтение состояния вкл/откл. датчиков

• управление пусковыми устройствами

• передать температуру и ток нагрузки пускового устройства

• изменить скорость замедления приводов

• отрегулировать чувствительность датчиков

• и так далее.

Устройства могут быть удалены и заменены без отключения других устройств и без инструментов программирования, что помогает снизить эксплуатационные издержки.

Сетевая установка устройств экономически выгоднее, чем традиционная коммутация входов/выходов во многих приложениях, особенно когда устройства удалены друг от друга на расстояние в десятки и сотни метров.

Характеристики:

• Взаимозаменяемость. Простые устройства многочисленных поставщиков (например, кнопки, пусковые устройства, фотоэлементы, конечные выключатели и т. д.), которые соответствуют стандарту сети DeviceNet и стандарту профайлов устройств, — взаимозаменяемы, чем обеспечивают пользователю гибкость и возможность выбора.

• Одна общая сеть. Открытый стандарт сетевых устройств обеспечивает общие решения для конечного пользователя, уменьшая для поставщиков необходимость поддерживать на рынке различные сети.

• Уменьшение простоев. Диагностика обеспечивает упреждающие сообщения об отказах и облегчает поиск неисправностей. Сеть DeviceNet предназначена для приложений, требующих:

  • уменьшения количества проводных соединений

  • быстрой установки и запуска

  • гибкости в возможности добавления или перемещения устройств и сегментов кабелей

  • малого времени отклика

  • диагностики устройств, критичных к простоям

Связь:

Сеть DeviceNet основывается на эффективной и широко известной технологии CAN, что помогает гарантировать понимание и принятие как конечным пользователем, так и промышленностью.

Открытый стандарт сетевых устройств помогает улучшить общую производительность, давая конечным пользователям большую возможность выбора и способствуя инновации устройств, которая может улучшить точность, обеспечить диагностику и увеличить количество данных о процессе.

Сообщения от узла, находящегося в сети ControlNet, DH+ или Ethernet, могут перенаправляться шлюзом ControlLogix к узлу в сети DeviceNet.

103. Характеристика промышленной сети Lon Works

Технология LonWorks - это концепция построения открытых коммуникационных сетей управления (LON - local operating networks) как крупными (аэропорт, здание, цех), так и небольшими объектами (комплексы оборудования домашнего назначения, некоторое оборудование с датчиками и исполнительными устройствами) в основу которой положены три основополагающих соображения: 

• К системам управления применениями предъявляются наиболее общие требования, практически не зависящие от особенностей применения.

• Сетевые системы управления обеспечивают существенно большие возможности, предоставляют большую гибкость и большие возможности изменения конфигурации системы, по сравнению с несетевыми системами управления. 

• Затраты на создание сетевых систем незначительно выше, но расходы при долговременной эксплуатации существенно ниже, чем у несетевых систем. 

Cети LON (технология LonWorks) стали стандартом для систем автоматизации зданий, в промышленном управлении и ряде других областей. Технология LonWorks предоставляет пользователям реальные преимущества в терминах снижения стоимости сети и стоимости ее эксплуатации, в терминах расширения возможностей управления сетями.  Технология распределенных систем управления LON (Local Operating Networks) разрабатывалась американской компанией Echelon в расчете на универсальное общепромышленное применение.

К настоящему времени технология LonWorks, разработанная и активно продвигаемая на рынок американской фирмой Echelon Corporation, широко используется по всему миру - свыше 3500 предприятий разрабатывают LonWorks компоненты или используют их. Технология LonWorks является интеллектуальной собственностью компании Echelon, основанной Майком Маркарула (Intel, Apple).

LonWorks разработана как открытая технология, которой могут бесплатно воспользоваться все, кому это необходимо.

Чем отличаются сети LON от хорошо известных сетей LAN?

Сети LAN (local area networks) являются сетями информационных технологий (IT). Сетевыми устройствами, в этом случае являются компьютеры, принтеры, сканеры и др. Основной характеристикой LAN является производительность, измеряемая в Mbps.

Сети LON (local operating networks) - это сети управления. Данными здесь являются показания поступающие от различного типа датчиков (влажность, температуры, давления и пр.). В этом случае датчики, а также исполнительные устройства и контроллеры являются сетевыми устройствами. Главные характеристики LAN - это количество транзакций в секунду и время отклика. В случае сети LonWorks производительность доходит до 700 транзакций в секунду, при скорости передачи данных 1,25 Mbps.

Достоинства технологии LonWorks

Технология LonWorks гарантирует то, что большое количество производителей без какой либо координации своих разработок смогут создавать приборы, способные работать совместно и обмениваться данными, используя стандартный коммуникационный протокол.

Таким образом:

• Разработчик, не связанный проблемами разработки коммуникационного протокола, коммуникационных аппаратных средств и операционной системы, сможет сконцентрировать все свое внимание на разработке применения с наилучшими характеристиками, он не ограничен в выборе партнера, при организации сотрудничества в целях создания наилучшего применения.

• Пользователь получает широкий выбор среди большого количества доступных компонентов.

• Упрощается добавление, перемещение и изменение компонентов управляющей сети, без ограничений по времени и месту. 

• Количество узлов в сети практически неограниченно. 

Что же такое сеть управления LonWorks?

Сеть LonWorks содержит интеллектуальные устройства, называемые узлами. Узлы соединены, что обеспечивает связь одного узла (узлов) с другим (другими), одной или несколькими средами коммуникации. Коммуникация организуется посредством так называемого LonTalk протокола - специального протокола LonWorks сетей.  Узлом сети LonWorks может быть отдельный датчик, отдельный привод вентиля или программируемый термостат и т.п. Термостат - это уже контроллер. Он измеряет температуру, к примеру, в помещении, сравнивает ее с заданной температурой и воздействует на исполнительное устройство, корректирующее температуру. Узел реализует функцию прикладного процесса выполняя написанную пользователем прикладную программу применения. Функции отдельных узлов могут быть очень простыми. Однако взаимосвязь между узлами позволяет на сетях LonWorks выполнять сложные задачи. Малым количеством узлов стандартных типов выполняется широкий диапазон функций систем управления, что определяется тем, как они сконфигурированы и соединены. Это считается большим достоинством технологии LonWorks.

Сеть может состоять из нескольких узлов, как в копировальном аппарате, и может доходить до тысяч узлов, что характерно для систем управления крупными зданиями и сооружениями, например для системы управления аэропорта.

Компоненты LonWorks

Технология LonWorks располагает всеми компонентами, необходимыми для проектирования, создания, организации эксплуатации и обслуживания сетей управления: аппаратные и программные средства и необходимое ноу-хау.

Узел - это интеллектуальное устройство в сети: датчик, исполнительное устройство или контроллер. Набор соединенных узлов и образует сеть. Узлы соединяются между собой соответствующими средами коммуникации, такими как: скрученные пары, RF или IR каналы или схемы связи по линии питания. По этим средам узлы связываются друг с другом посредством LonTalk протокола. Узел содержит Neuron-прибор (Neuron Chip) приемопередатчик и некоторую специализированную, соответствующую применению, схему I/O.

Несмотря на то, что в мире существует много распределенных систем (Fieldbus), LON прочно нашел свое место на рынке, заняв нишу автоматизации зданий. Причинами тому стала удачная концепция построения системы не столько как протокола обмена данными, сколько как аппаратного и программного комплекса.

LonWorks – это не просто распределенная система управления, а скорее система с распределенным интеллектом, где устройства могут самостоятельно обрабатывать события и имеют встроенное программное обеспечение.

Оптимальное применение технологии LonWorks – это сеть полевого уровня автоматизации зданий, особенностями которого являются большая протяженная линий связи и сравнительно небольшой объем трафика внутри сегмента.

По своей концепции LON-сети имеют ряд особенностей:

• Технология поддерживает применение различных сред передачи сигнала как проводных (медная витая пара, оптоволокно), так и радиочастотных, инфракрасных или передачу по питающей сети.

• Устройства в сети LonWorks равнозначны. Нет разделения на основные (Master) и подчиненные (Slave) устройства.

• В технологии реализована событийно-ориентированная логика: в отличие от централизованных систем управления, где основной трафик сети генерируется опросом подчиненных устройств, в сетях LON основу трафика составляют пакеты,несущие информацию об изменениях параметров среды (события).

• Сети управления, построенные на витой паре (примерно 85% всех каналов LonWorks) поддерживают различные топологии, включая свободную.

• Каждое устройство имеет встроенное программное обеспечение, программы выполняются по событию.

Протокол LonTalk (ANSI/EIA 709.1)

Если Neuron Сhip – это главная аппаратная составляющая технологии, то программной основой LonWorks является открытый стандартизованный протокол LonTalk. Протокол LonTalk, в международной классификации ANSI/EIA 709.1 (ANSI – Американский Национальный Институт Стандартизации), предназначен для использования в управляющих приложениях, а не в приложениях, ориентированных на обработку данных. Этот протокол использует все 7 уровней стандартной модели ISO для коммуникационного обмена данными в сетях. Данный протокол реализован на чипе Neuron, но также может быть реализован на любом ином эквивалентном процессоре.

Протокол является открытым и опубликованным стандартом, который доступен всем и каждому. Для приобретения документации достаточно обратиться в ассоциацию LonMark International.

Протокол LonTalk ANSI/EIA 709.1 не привязан к какой-либо конкретной физической среде передачи данных и обеспечивает передачу данных по самым различным каналам связи с использованием разнообразных методов кодирования. Например, для витой пары используется метод дифференциального манчестерского кодирования, а для работы на сегментах линий напряжения и на радиочастотах применяется FSK-модуляция.

• Приемопередатчик - прибор, реализующий электрическое и механическое соединение Neuron-прибора и физической средой коммуникации.

• Главный процессор - используется для удобного выполнения прикладной программы. Neuron-прибор, в этом случае, используется как коммуникационный сопроцессор, организующий сетевой интерфейс.

• Сетевой интерфейс - используется для соединения компьютера с сетью LonWorks, например PC карты для слотов PCI или ISA компьютеров, и использует программный драйвер.

• Программные средства - необходимы для разработки, организации рабочих режимов и режимов обслуживания сети LonWorks. Такими программными средствами являются LonBuilder Developer’s Workbench, NodeBuilder Development Tool и ряд других. 

104. Характеристика промышленной сети семейства CAN

САN - стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи — последовательный, широковещательный, пакетный.

CAN разработан компанией Robert Bosch GmbH в середине 1980-х и в настоящее время широко распространён в промышленной автоматизации, технологиях «умного дома», автомобильной промышленности и многих других областях. Стандарт для автомобильной автоматики.

Непосредственно стандарт CAN от Bosch определяет передачу в отрыве от физического уровня — он может быть каким угодно, например, радиоканалом илиоптоволокном. Но на практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии «шина» с физическим уровнем в виде дифференциальной пары, определённым в стандарте ISO 11898. Передача ведётся кадрами, которые принимаются всеми узлами сети. Для доступа к шине, выпускаются специализированные микросхемы —драйверы CAN шины

Общие сведения

Синхронная шина, с типом доступа Collision Resolving (CR, разрешение коллизии), который в отличие от Collision Detect (CD, обнаружение коллизии) сетей (Ethernet) детерминировано (приоритетно) обеспечивает доступ на передачу сообщения, что особо ценно для промышленных сетей управления (fieldbus). Передача ведётсякадрами. Полезная информация в кадре состоит из идентификатора длиной 11 бит (стандартный формат) или 29 бит (расширенный формат, надмножество предыдущего) и поля данных длиной от 0 до 8 байт. Идентификатор говорит о содержимом пакета и служит для определения приоритета при попытке одновременной передачи несколькими сетевыми узлами.

Рецессивные и доминантные биты

Для абстрагирования от среды передачи спецификация CAN избегает описывать двоичные значения как «0» и «1». Вместо этого применяются термины «рецессивный» и «доминантный», при этом подразумевается, что при передаче одним узлом сети рецессивного бита, а другим доминантного, принят будет доминантный бит. Например, при реализации физического уровня на радиоканале отсутствие сигнала означает рецессивный бит, а наличие — доминантный; тогда как в типичной реализации проводной сети рецессив бывает при наличии сигнала, а доминант, соответственно, при отсутствии. Стандарт сети требует от «физического уровня», фактически, единственного условия: чтобы доминантный бит мог подавить рецессивный, но не наоборот. Например, в оптическом волокне доминантному биту должен соответствовать «свет», а рецессивному — «темнота». В электрическом проводе может быть так: рецессивное состояние — высокое напряжение на линии (от источника с большимвнутренним сопротивлением), доминантное — низкое напряжение (все узлы сети «подтягивают» линию на землю). Если линия находится в рецессивном состоянии, перевести её в доминантное может любой узел сети (включив свет в оптоволокне или закоротив высокое напряжение). Наоборот — нельзя (включить темноту нельзя)

Виды кадров

• Кадр данных (data frame) — передаёт данные;

• Кадр удаленного запроса (remote frame) — служит для запроса на передачу кадра данных с тем же идентификатором;

• Кадр перегрузки (overload frame) — обеспечивает промежуток между кадрами данных или запроса;

• Кадр ошибки (error frame) — передаётся узлом, обнаружившим в сети ошибку.

Кадры данных и запроса отделяются от предыдущих кадров межкадровым промежутком.