1.1 Топологія мережі

Найпоширеніший тип мережевої топології - це загальна шина (табл. 1.1). Основна її перевага полягає в простоті, дешевизні й

Таблиця 1.1 - Порівняльна характеристика основних мережевих топологій

Критерії оцінки	Зірка	Кільце	Шина
Режим доступу	Доступ і керування через виділений центральний вузол (повинен мати підвищену надійність)	Децентралізова­не керування (кожний пристрій одержує функції керуючого контролера на певний проміжок часу): доступ від вузла до вузла	Можливий і централізований ("фіксований майстер") і децентралізова­ний ("плаваючий майстер'") шинні арбітражі; в будь-якому випадку адресаі одержує інформацію без посередників
Надійність	До збою всієї системи приводить збій центрального вузла	До збою всієї системи приводить відмова будь-якого одного вузла	Збій одного вузла не приводить до збою всієї мережі
Розширюваність	Обмежена числом фізичних портів на центральному вузлі	Можлива, але зі зниженням часу відповіді вузла	Можлива, але зі зниженням час\ відповіді вчзла

6

легкості переконфігурування. Така мережа не боїться відключення або підключення пристроїв під час роботи. Добре підходить для розподілених об'єктів. Має ряд недоліків: присутність у кожній точці мережі загального трафіка, небезпека втрати зв'язку при одиночному обриві каналу зв'язку або фатальному виході з ладу одного вузла.

Топологія типу "кільце'" (табл. 1.1) дуже популярна із часів створення мережі Token Ring фірми IBM. Використання протокол) із циклічною передачею маркера (ІЕЕЕ-802.5) дозволяє мережам з такою топологією забезпечити абсолютну передбачуваність і гарну пропускну здатність. Основними недоліками топології є висока вартість організації каналу зв'язку, нераціональне (у більшості випадків) використання мережевого трафіка й втрата всієї синхронізації мережі у випадку збоїв й відключення хоча б одного з вузлів.

Топологія '"зірка" (табл. 1.1), будучи логічним продовженням моноканалу, забезпечує додатковий захист всієї мережі від виходу з ладу або відключення вузлів, дозволяє істотно оптимізувати трафік, передаючи пакети тільки в ті '"промені", де перебувають їхні одержувачі.

1.2 Обсяг інформаційного сервісу

В 1978-1979 роках Міжнародною організацією по стандартизації (ISO) на противагу закритим мережевим системам і з метою розв'язання проблеми взаємодії відкритих систем з різними видами обчислювального обладнання й стандартами протоколів, що істотно відрізняються, була запропонована «Описова модель взаємозв'язку відкритих систем» (OSI-модель, ISO/OSI Model) яка координує:

• взаємодію прикладних процесів;

• форми подання й зберігання даних:

• керування мережевими ресурсами;

• безпеку даних і захист інформації;

• діагностику програм і технічних засобів.

На базі цієї моделі описуються правила й процедури передачі даних між відкритими системами. Основними елементами моделі є рівні, об'єкти, з'єднання, фізичні засоби з'єднання. Модель стала основою для розробки широкого комплексу міжнародних стандартів відкритих систем.

Модель 1SO/OSI розподіляє мережеві функції за семи рівнями (табл. 1.2).

На фізичному рівні визначаються фізичні характеристики каналу зв'язку й параметри сигналів, наприклад, вид кодування.

7

частота передачі, довжина й тип лінії, тип штекерного роз'єму і т.д. Найбільш широко розповсюджений fieldbus стандарт 1 рівня - це інтерфейс RS-485.

Таблиця 1.2 - Рівні, обумовлені моделлю взаємодії відкритих систем (ISO-Open System Interconnection Model). Функції рівнів ISO/OSI-моделі

Рівень			Функції
			Набір інтерфейсів, доступних програмі користувача, то забезпечує їх зв'язок з учасниками мережі: передача інформації між програмами
7	Application Laver	Прикладний
		пред- ставлення даних	Перетворення форматів даних (якщо це необхідно): шифрування, кодування й стиск даних
6	Layer
			Оперує повідомленнями й координує взаємодію між учасниками мережі: установлення, підтримка й розрив з'єднання
5	Session Layer	Сеансовий (рівень сесій)
			Аналізує або формує вміст пакетів даних (основна одиниця переданих даних): створює або відповідає на запити (забезпечує прозорість передачі даних між абонентами мережі). відповідає за точність доставки и рівень якості послуг
4	Transport Layer	Транспортний
3	Network Laver	Мережевий	Відповідає за адресацію й доставку пакета по оптимальному маршруту
2	Data Link Layer	Канальний (передачі даних)	Формує пакети даних, адресацію. забезпечує керування каналом зв'язку й доступ пристрою до каналу зв'язку (установлення логічного з'єднання)
І	Physical Laver		Установлення й підтримка фізичного з'єднання: зв'язок на рівні апаратури

Канальний рівень визначає правила спільного використання фізичного рівня вузлами мережі. Мережевий рівень відповідає за адресацію й доставку пакета по оптимальному маршруту.

Транспортний рівень розбирається із вмістом пакетів, робить розподіл і формування пакетів.

Сеансовий рівень координує взаємодію між вузлами мережі.

Рівень представлення займається, при необхідності, перетворенням форматів даних.

Прикладний рівень забезпечує безпосередню підтримку прикладних процесів і програм кінцевого користувача й керування взаємодією цих програм з різними об'єктами мережі передачі даних.

Рівні не залежать один від одного й складаються з активних об'єктів, які (рис. 1.1):

8

• взаємодіють із іншими об'єктами того ж рівня;

• надають сервіс суміжному з ним верхньому рівню;

• одержують сервіс від суміжного з ним нижнього рівня;

• обмінюються блоками даних з метою виконання покладених на них завдань.

Рисунок 1.1 - Взаємодія об'єктів у промисловій мережі

Процедура взаємодії двох вузлів Може бути описана у вигляді набору правил для кожної пари відповідних рівнів обох сторін, що беруть участь у процесі. Формалізовані правила, що визначають формат і послідовність повідомлень, якими обмінюються мережеві компоненти, що лежать на одному рівні, але в різних вузлах, називаються протоколом.

Модулі, що реалізують протоколи сусідніх рівнів і перебувають в одному вузлі, також взаємодіють один з одним відповідно до чітко встановлених правил за допомогою стандартизованих форматі повідомлень. Ці правила називають інтерфейсом. Інтерфейс визначає послідовність і формат повідомлень, а також і

9

набір наданих послуг, якими обмінюються мережеві компоненти, що лежать на сусідніх рівнях в одному вузлі.

Ієрархічно організований набір протоколів, достатній для взаємодії вузлів у мережі, називається стеком комунікаційних протоколів. Комунікаційні протоколи можуть бути реалізовані як програмно, так і апаратно. Протоколи нижніх рівнів часто реалізуються комбінацією програмних і апаратних засобів, а протоколи верхніх рівнів, як правило, програмними засобами. Протоколи реалізуються не тільки вузлами мережі, але й іншими мережевими пристроями - концентраторами, мостами, комутаторами, маршрутизаторами й шлюзами.

Найпростіші мережі викорисовують тільки декілька рівнів з семирівневої моделі. Перший рівень - найнижчий і представляє фізичну лінію й електричні сигнали, які передаються по ній. Сьомий рівень - рівень користувача, він дозволяє додаткам і різним пристроям обмінюватися даними й розуміти один одного. Прикладом може бути іноземна мова: для розуміння змісту сказаного необхідно знати мову співрозмовника. Пристрої, які використають спільний 7-й рівень, говорять на одній мові, можуть вільно обмінюватися даними й правильно їх інтерпретувати.

Звичайний RS-232 визначає тільки 1-й рівень, маючи на увазі, що два пристрої можуть бути з'єднані без електричних конфліктів. Для передачі й інтерпретації даних у кожний пристрій необхідно додати додаткове програмне забезпечення, що підтримує протокол обміну. Воно визначить правила з'єднання й формати даних.

Для роботи RS-485 необхідно додаткове визначення канального рівня, що задає способи доступу до фізичного середовища й перемикання напрямку роботи прийомопередатчиків пристроїв, що виходять на інтерфейсну лінію (симплексний або напівдуплексний режими). Для RS-485 канальний рівень визначає додаткове фізичне середовище (виту пару), що дозволяє передавати сигнали в дуплексному режимі.

Популярний CAN визначає з'єднання тільки по двох перших рівнях моделі OSI. Тому, наприклад, усередині автомобіля розробники використовують CAN як комунікаційний зв'язок і дописують поверх нього свій протокол 7-го рівня, що підтримує взаємодію й розуміння між вузлами автомобіля. Будь-який інший вузол з інтерфейсом CAN поза автомобілем не зможе брати участь у взаємодії, поки для нього не буде реалізований сумісний протокол 7-го рівня.

У реальних виробничих умовах виникає необхідність взаємодії пристроїв від різних виробників і тому існує кілька відкритих протоколів 7-го рівня, що базуються на CAN, наприклад -

10

DeviceNet і CANopen. Два пристрої від різних виробників зможуть взаємодіяти тому, що використають той самий протокол 7-го рівня. Ethernet і протокол TCP/IP охоплюють 1-4 рівні моделі OSI, які визначають більше функцій і властивостей, ніж технологія CAN. Два вузли Ethernet можуть взаємодіяти один з одним, але тільки протокол TCP/IP забезпечує транспортний механізм для передачі даних і надає такі послуги як установка з'єднання й підтримка повторної передачі у випадку помилки. Однак, два вузли Ethernet можуть тільки переговорюватися, але вони не розуміють один одного, оскільки не використовують однакову "мову", тому що 7 рівень не визначений протоколом TCP/IP. Поверх TCP/IP повинні працювати додатки такі, як SNMP, HTTP, FTP для обміну й обробки даних з мережі. Ці протоколи є протоколами 7-го рівня. В індустріальній мережі є додаткові протоколи 7-го рівня, що підтримують обмін даними в реальному часі, профілі пристроїв і т.п. Як приклад, можна привести Ethernet/IP (IP=industrial protocol) і Modbus-IDA (Interface for Distributed Automation).

Усе, що перебуває вище 7-го рівня моделі, це завдання, які розв'язуються за допомогою прикладних програмах.

На практиці більшість промислових мереж (fieldbus) обмежується тільки трьома рівнями, а саме фізичним, канальним і прикладним (рис. 1.2). Найбільш "досконалі" мережі вирішують

Рисунок 1.2 - Типова модель промислових мереж

11

основну частину завдань апаратно, залишаючи програмні завдання сьомому рівню. Дешеві мережі (наприклад, ModBus) найчастіше використають на фізичному рівні RS-232 або RS-485, а всі інші завдання, починаючи з канального рівня, вирішують програмним шляхом. Як виключення існують протоколи промислових мереж, що реалізують всі сім рівнів OSI-моделі, наприклад LonWorks.

Велика кількість відкритих промислових мереж, інтерфейсів і протоколів пов'язана з наявністю великої кількості вимог до технологічних процесів, які автоматизуються. Ці вимоги не можуть бути задоволені універсальним і економічно оптимальним рішенням.

Коли обговорюється питання про вибір типу промислової мережі, необхідно уточнювати, для якого саме рівня автоматизації цей вибір здійснюється. Залежно від місця мережі в ієрархії промислового підприємства вимоги до її функціональних характеристик будуть різні.

Ієрархія АСУ промисловим підприємством звичайно представляється у вигляді триповерхової піраміди:

1. Рівень керування підприємством (верхній рівень).

2. Рівень керування технологічним процесом.

3. Рівень керування пристроями.

На рівні керування підприємством розташовуються звичайні ІВМ-РС-сумісні комп'ютери й файлові сервери, об'єднані локальною мережею. Завдання обчислювальних систем на цьому рівні - забезпечення візуального контролю основних параметрів виробництва, побудова звітів, архівування даних. Обсяги переданих між вузлами даних виміряються мегабайтами, а часові показники обміну інформацією не є критичними.

На рівні керування технологічним процесом здійснюється поточний контроль і керування або в ручному режимі з операторських пультів, або в автоматичному режимі по закладеному алгоритму. На цьому рівні виконується узгодження параметрів окремих ділянок виробництва, відпрацьовування аварійних і передаварійних ситуацій, параметризація контролерів нижнього рівня, завантаження технологічних програм, дистанційне керування виконавчими механізмами. Інформаційний кадр на цьому рівні містить, як правило, кілька десятків байтів, а припустимі тимчасові затримки можуть становити від 100 до 1000 мілісекунд залежно від режиму роботи.

На рівні керування пристроями розташовуються контролери, що здійснюють безпосередній збір даних від датчиків і керування виконавчими пристроями. Розмір даних, якими контролер обмінюється з кінцевими пристроями, звичайно становить кілька байтів при швидкості опитування пристроїв не більше 10 мс.

12

Останнім часом розглянута структура систем керування істотно ускладнюється, при цьому стираються чіткі грані між різними рівнями. Це пов'язане із проникненням Internet/Intranet-технологій у промислову сферу, значними успіхами промислового Ethernet, використанням деяких промислових мереж Fieldbus у вибухонебезпечних зонах на підприємствах хімічної, нафтогазової й іншої галузей промисловості з небезпечними умовами виробництва. Крім того, поява інтелектуальних датчиків, виконавчих механізмів і інтерфейсів для зв'язку з ними фактично означає появу четвертого, найнижчого рівня АСУ ТП - рівня мережі кінцевих пристроїв.