8. Беспроводные промышленные сети
Протокол IEEE 802.11 в промышленной автоматике – преимущества и ограничения
Стандарт IEEE802.11 как наиболее популярный среди протоколов для беспроводных сетей используется в офисах как «вставка» в проводной канал и как способ доступа в Internet. До недавнего времени применению этой технологии в промышленной автоматике мешала низкая и труднопредсказуемая надежность подобной связи. Это и понятно, ведь для упрощения внедрения технологии IEEE 802.11 создатели предусмотрели невысокую мощность передатчика и не самую «пробивную» частоту. Поэтому до сих пор применение технологии IEEE 802.11 ограничивается лишь мониторингом не опасных процессов, где потеря связи даже на минуту не критична. А на производстве сплошь и рядом мощные электромагнитные поля, преграды, непроницаемые для радиосвязи и т.п.
Применение беспроводных решений для промышленности оправдано, если:
-помехи не высоки и позволяют в 99% держать связь;
-потеря связи на 5…10 с не критична;
-проводная связь невозможна из-за высокой стоимости или мобильности компонент в системе управления.
Мобильность и расстояния – это признаки, прежде всего, логистических комплексов. Расстояния без мобильности – охранные системы и системы видеонаблюдения. Помимо складских терминалов такие же условия функционирования характерны для открытой разработки полезных ископаемых и на стройплощадках. Однако низкий уровень автоматизации этих отраслей позволяет лишь «мониторить», но не управлять.
У
сложнение,
резкое увеличение товарных потоков во
всем мире привело к взрывному росту и
переоснащению логистических комплексов.
Крупный склад, портовый узел ежесуточно
обрабатывает сотни тысяч единиц разного
рода предметов и без единой информационной
сети работать не может. Особенностью
логистических комплексов является
наличие множества подвижных объектов
– погрузчиков, работа которых требует
постоянной информационной поддержки.
Таким образом, задача по модернизации информационной сети крупного склада (порта) выглядит так:
-комплекс размещен на площади более 100 Га
-предметы находятся как в помещении, так и на открытых контейнерных площадках; они перемещают при помощи погрузчиков, на каждом --есть терминал, постоянно связанный со всей информационной системой складского комплекса;
-погрузчики могут работать как в автоматическом режиме (без оператора), так и с оператором;
-обновление информации на терминале может быть и периодическим и по запросу и в on-line;
-по территории размещены «точки доступа» так, чтобы обеспечивать максимальное покрытие, минимизировать площадь участков, недоступных для связи.
Или, другими словами, требуется включить подвижные объекты в информационную сеть комплекса.
Для решения подобных задач компания МОХА разработала свой набор оборудования и ПО, реализовав схему «роуминга» (известную в сотовой телефонии) для информационных сетей меньшей распределенности. Предложенное решение достаточно просто. Помимо обмена информацией погрузчики и точки доступа постоянно тестируют качество связи, при этом погрузчик каждый момент времени привязывается к той точке, качество связи с которой наилучшее. Опрос каналов связи проходит периодически, и в каждый момент времени погрузчик «общается» только с одной точкой доступа. Происходит постоянное динамическое переключение с одной точки на другую. Рассмотрим список устройств, необходимых для оснащения «подвижной» части складского комплекса.
1. Nport W2150 Plus – беспроводной Ethernet сервер последовательных устройств. Именно микропрограмма этого устройства и реализует функцию «роуминга», выбирая наиболее походящую по условиям связи точку доступа.
2. Терминал или компактный компьютер, для транспорта. Здесь можно рекомендовать серию TREK панельных компьютеров с 10” сенсорным экраном. Если же погрузчики работают без оператора – вполне подойдет компактный компьютер серии eBox.
3. Оборудование для точки доступа, можно брать произвольное, лишь бы технические характеристики соответствовали условиям применения.
10.Omron CompoBus/S
П
ротокол
CompoBus/S - это
разработка фирмы OMRON.
Сеть представляет собой двух или четырех
- проводную линию с ответвлениями и
терминалами ввода/вывода. Время опроса
32 узлов происходит менее 0.5 сек. Compobus/S
позволяет работать с аналоговыми
синалами. Широкий набор терминалов
позволяет построить распределенную
систему управления локальными участками
за минимальное время с максимальной
эффективностью. Мастер модули Compobus/S
имеются в ряду модулей всех типов
контроллеров ОМРОН.
-Подключение до 32 узлов;
-Скорость передачи данных до 750 кбод;
-Расстояние коммуникационного обмена до 500 м;
-Количество точек ввода / вывода до 256;
-Время опроса узлов сети до 0.5 мс;
-Широкий набор терминалов ввода/вывода;
-Терминалы связи с датчиками;
-Поддержка аналоговых сигналов.
Контрольные вопросы :
Основные принципы построения сети?
Трехуровневая система АСУ ТП?
Что такое промышленные сети верхнего уровня?
Требования предьявляемые к промышленным сетям верхнего уровня?
Что такое термин fieldbus ?
Особенности промышленных компьютеров?
Три основных режима обмена данными?
Надежность функционирования систем АСУ ТП?
Технологии ASI,?
Основные характеристики AS интерфейса?
Основные компоненты промышленной сети на базе AS интерфейса?
Кабельная система AS интерфейса?
Подключение оконечных устройств?
Ведущие устройства и шлюзы?
Вспомогательные устройства?
Примеры устройств со встроенным AS интерфейсом?
Протокол CAN?
Протокол HART?
Системное подключение и топология?
Метод передачи данных HART протокола?
Реализация HART протокола?
Примеры интеллектуальных HART устройств?
Способы подключения приборов с HART интерфейсом?
Протокол LON?
Спецификация Interbus ?
PROFIBUS?
Протокол PROFIBUS-DP?
Протокол PROFIBUS-FMS?
Протокол PROFIBUS-PA?
Каналы связи?
Что такоеFOUNDATION FIELDBUS?
Общие черты протоколов PROFIBUS PA и FOUNDATION™ fieldbus?
Отличительные особенности протоколов PROFIBUS PA и FOUNDATION™ fieldbus?
Какая из технологий является открытой?
Какая из технологий наиболее широко используется?
Протокол WorldFIP?
Беспроводные промышлкнные сети?
Протокол CompoBus/S?
ЛЕКЦИЯ 14
Преимущества Ethernet-технологий
Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими очевидными моментами: 1. Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для организации подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер лишь сетевым адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные модули Ethernet для промышленных контроллеров просты в изготовлении и легки в конфигурировании. Стоит отметить, что многие современные контроллеры уже имеют встроенные интерфейсы для подключения к сетям Ethernet. 2. На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для промышленного применения. 3. Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например, стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше, большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным моментом для промышленных приложений. 4. Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП с локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС завода базируется на стандарте Ethernet. Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими очевидными моментами: 1. Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для организации подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер лишь сетевым адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные модули Ethernet для промышленных контроллеров просты в изготовлении и легки в конфигурировании. Стоит отметить, что многие современные контроллеры уже имеют встроенные интерфейсы для подключения к сетям Ethernet. 2. На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для промышленного применения. 3. Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например, стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше, большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным моментом для промышленных приложений. 4. Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП с локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС завода базируется на стандарте Ethernet.
Преимущества Ethernet-технологий
В настоящее время промышленный Ethernet уже де-факто стал стандартом. По некоторым оценкам, около четверти производственного оборудования будет иметь Ethernet-интерфейс, что позволит оборудованию в цехах эффективно вписаться в единую Ethernet-сеть предприятия. Современный промышленный Ethernet начал заимствовать новейшие мировые тенденции, свойственные офисным решениям, например поддержку встроенных вэб-серверов в датчиках, контроллерах, серверах доступа, что обеспечивает доступ к этим устройствам из любой точки мира.
Проще говоря, в промышленной автоматизации современные интранет-интернет-технологии стали базовыми.
Особенности промышленного Ethernet
На рынке сегодня существует несколько типов сетевых протоколов. Тем не менее все большее число производителей сетевого оборудования склоняются в пользу промышленного Ethernet - протокола. Его отличительные особенности состоят в следующем: • Быстрое восстановление соединения. Если в офисном Ethernet это время может составлять десятки секунд и даже минуты, то в промышленном не должно превышать 300-500 мс, иначе производственное оборудование может выйти из строя. • Резервируемая технология. Повышает надежность системы управления при выходе изстроя одного из сегментов сети. • Более высокое время наработки на отказ. Оно составляет свыше 77 500 ч, что снижает вероятностьстановок производства.
• Резервируемое питание. Например, от сети и резервных аккумуляторов. • Уведомление об аварийных ситуациях. Посылка e-mail - сообщений или выдача сигналов на релейные выходы для уведомления персонала об обрывах сегментов, превышении трафика. • Индустриальный дизайн. Промышленные корпуса, обеспечивающие функционирование устройств в агрессивных средах, пыле-влагозащищенные, выдерживающие большой диапазон рабочих температур. • Специальные направляющие для крепления в индустриальных шкафах. • Совместимость с системой управления. Поддержка устройствами SNMP(управления. Поддержка ОРС(технологий.
Сеть устройств Нижний уровень этой сети (сеть устройств) составляют сенсоры, датчики, измерительные устройства, которые могут быть как аналоговыми, так и цифровыми (интеллектуальными, содержащими встроенные контроллеры). На этом уровне могут располагаться также контроллеры и серверы доступа, преобразующие входные сигналы в Ethernet-пакеты для передачи на следующий уровень сети управления. При использовании устройств и контроллеров с интерфейсом, отличным от индустриального Ethernet, здесь же располагаются устройства преобразования интерфейса — шлюзы. Все шлюзы и Ethernet-контроллеры, кроме передачи собственно данных от устройств, должны обеспечивать верхние уровни сети также и информацией о состоянии этих устройств.
Уровень управляющей сети Следующий, самый важный уровень сети - собственно управляющая производственным процессом сеть. Основу ее чаще всего составляет резервируемое оптоволоконное и электрическое Ethernet-кольцо. Это наиболее важное звено общей сети, и прекращение его функционирования может повлечь большие производственные потери. Правильный выбор оборудования позволит избежать финансовых потерь в будущем. На этом уровне располагаются индустриальные Ethernet - коммутаторы, составляющие опорную технологическую сеть, контроллеры устройств с Ethernet-интерфейсом, устройства взаимодействия с АРМ технологических процессов (SCADA-серверы), интеллектуальные панели управления. На этом же уровне могут быть установлены интеллектуальные видеосерверы для управления видеокамерами, расположенными в ответственных местах производства или хранения продукции. Данные с видеосерверов в реальном режиме времени обеспечивают информацией о состоянии контролируемых объектов и могут быть интегрированы в единую систему управления предприятием. На уровне управляющей сети происходят следующие процессы: • сбор, обработка и накопление информации обо всех параметрах технологического процесса и промышленного оборудования и контроллеров, а также о его состоянии; • обнаружение критических и аварийных ситуаций в работе оборудования и уведомление обслуживающего персонала; • управление технологическим процессом с АРМ-операторов; • формирование всех данных о состоянии и параметрах технологического процесса для использования в системах; - управления предприятием.
Информация из управляющей сети в реальном времени передается на уровень сети предприятия. На самом верхнем уровне сети - сети предприятия - происходит формирование всех необходимых форм для обеспечения функционирования производства (потребности в материалах, готовая продукция), состоянии технологического оборудования (простои, аварии), итоговых отчетных форм для руководящего персонала, ERP-систем и т.д.
Создание современных промышленных сетей автоматизации на основе Ethernet
Традиционно сеть Ethernet используется для сопряжения и связи персональных компьютеров (ПК) и рабочих станций, но в классическом виде с разделяемой средой связи она не удовлетворяет требованиям систем реального времени и многих систем управления, так как имеет непредсказуемые задержки и даже не гарантирует доставку сообщений. Первые сети обеспечивали скорость передачи 10 Мбит/с. Потом появился Fast Ethernet и обеспечил быструю связь со скоростью 100 Мбит/c, благодаря чему получил широкое распространение во многих применениях, включая приборные системы измерений, системы промышленной автоматизации, распределённые системы управления, бортовые системы и др.
В настоящее время основными стандартами для создания промышленных сетей являются Fast Ethernet и другие стандарты, построенные на его основе, в первую очередь — PPOFINET (IEC 61158). В таких сетях обеспечивается скорость передачи данных до 100 Мбит/c. Однако всё активнее применяются гигабитные промышленные сети, выпускается соответствующее сетевое оборудование, способное функционировать в условиях температурных колебаний, вибраций, электромагнитных излучений и т.п. Коммутируемые сети Ethernet с гигабитными скоростями стали стандартными в 2006 году, и многие процессорные модули уже имеют встроенный интерфейс (или несколько интерфейсов) Gigabit Ethernet как обязательное унифицированное средство сопряжения с внешними устройствами.
Классическая звездообразная топология офисных сетей обычно формируется вокруг серверов в центральном здании. Промышленные сети распределяют по технологическим помещениям, зачастую находящимся в разных зданиях или на значительном удалении; при этом к ним предъявляются повышенные требования по надёжности и времени восстановления. Звездообразная топология промышленных сетей позволяет кратковременно отключать отдельные сегменты, например для профилактики, но здесь постоянно присутствует риск отказа в центральном узле сети. Общая протяжённость кабелей в топологии «звезда» значительно возрастает (особенно если технологический процесс «вытянут в длину»), так как приходится прокладывать связи от центра ко всем распределённым узлам. Это приводит к дополнительному увеличению стоимости и повышенному риску электромагнитных наводок в неэкраниро-ванных витых парах. Риск электромагнитных наводок в линиях связи устраняют применением оптоволокна. Как правило, его прокладывают в коробах вдоль кабелей электропитания со средними и низкими номиналами напряжения. Однако, говоря о возможности устранения некоторых проблем, следует помнить, что в звездообразной топологии могут проявиться и другие проблемы, например проблема «вещательного шторма», создающего нерабочий режим в сети.
На основе Ethernet, используя сетевое оборудование для промышленных применений, на предприятиях создают интегрированные сети, объединяющие технологические системы и системы управления. Это выдвигает новые требования к ширине полосы частот, резервированию, протоколам. Важное место среди сетевого оборудования занимают коммутаторы. Коммутаторы для промышленных сетей по своему исполнению соответствуют жёстким условиям эксплуатации. Как правило, они изготавливаются в вариантах для устано ки на монтажную рейку, размещения в специальном шкафу или монтажа в приборном корпусе. Выбор коммутатора зависит от условий и особенностей его применения. Важнейшие характеристики коммутатора — тип и количество портов. Тип портов определяется принятым протоколом и средой передачи (витая пара — IEEE 802.3ab, оптоволокно — IEEE 802.3az). Характерным примером коммутаторов для гигабитных промышленных сетей являются модульные управляемые коммутаторы серий MICE и Power MICE (рис. 1) компании Hirschmann.
Р
ис.
1. Модульные управляемые коммутаторы
MICE и Power MICE для промышленных сетей
Рис.
2. Защищённый управляемый коммутатор
MACH1000
Диагностика и настройка управляемых коммутаторов возможна через Web-серверы. Передача по витой паре через порт 1000Base-T поддерживает также автоматическую нисходящую установку скорости 100 или 10 Мбит/c для подключения оконечных устройств в соответствии с их возможностями. Для передачи данных по гигабитному сегменту с витой парой на расстояние до 100 м требуется кабель с 4 парами проводов, удовлетворяющий требованиям каналов связи, как минимум, 5-й категории; при более высоких требованиях применяются кабели 6-й категории. Для передачи по оптоволокну на расстояние до 550 м используют многомодовый кабель (1000Base-SX), а для больших расстояний (20 км) — одномо-довый кабель (1000Base-LX).
По мере развития промышленных сетей совершенствовались способы повышения их надёжности. Метод группового преобразования предполагал группирование и дублирование каналов связи: все кабели не укладываются в один и тот же короб по одному и тому же маршруту, а группируются по частям (например, по северной и по южной частям здания). На следующем этапе стали резервировать сетевые коммутаторы и конечные терминальные узлы. Однако наиболее эффективным является метод резервирования отдельных каналов в кольцевых структурах промышленных сетей. Управляемые промышленные коммутаторы обеспечивают время переключения на резервные каналы порядка десятка-сотен миллисекунд. На данный момент наиболее отказоустойчивой является кольцевая топология HIPER-Ring (рис. 4). Она была разработана одним из лидеров в области промышленных сетей — компанией Hirschmann как решение по созданию резервированной сетевой инфраструктуры без дублирования линий связи. Это решение предполагает построение не полностью замкнутых кольцевых связей в сети Ethernet и обеспечивает обнаружение сбоя в канале с восстановлением без потерь в течение 200-300 мс за счёт создания обходных путей связи. Сейчас стремятся снизить время восстановления сети до 50 мс. Такая топология сети из 1000 узлов была применена при автоматизации аэропорта в г. Дрездене. Пять зданий были связаны гигабитной сетью Ethernet. Вместо связующего дерева здесь применили HIPER-Ring с двойным резервированием в кольце, что обеспечило среднее время восстановления 0,5 с. Примечательно, что в этом проекте было также выполнено дублирование блоков питания.
Среди примеров резервирования в структурах промышленных сетей Ethernet известны и другие решения, например избыточные кольцевые сети Turbo Ring и двойные дублирующие сети.
Классическая сеть Ethernet для систем реального времени
Изначальный для сетей Ethernet протокол множественного доступа к среде передачи с обнаружением коллизий CSMA/CD — недетерминированный и поэтому не пригоден для систем реального времени. Решение данной проблемы сводится к применению современной коммутируемой среды связи или к использованию специальных методов, например метода создания сети с одним ведущим устройством. С помощью протоколов TCP/IP и новых системных решений на основе коммутаторов и маршрутизаторов получены определённые результаты применения этих сетей для задач управления технологическими процессами и предприятиями.
Применительно к модели взаимодействия открытых систем OSI Ethernet охватывает её первые два уровня и не касается третьего уровня, на котором находится прокол TCP/IP. Хабы работают на первом физическом уровне, коммутаторы — на втором, а маршрутизаторы — на третьем. Коммутаторы могут интерпретировать сигналы на первых двух уровнях, что отражается в таблице MAC-адресов. Если адрес отсутствует, то коммутатор посылает его всем портам. Если устройство не подключено (удалено), то его вход исключается из базы данных. Тип подключения (MDI/MDIX) определяется автоматически.
Системы реального времени на основе Ethernet создают посредством реализации специальных методов, используя, исходя из соображений стоимости и быстродействия, различные варианты среды связи. Один из методов создания систем реального времени вместо протокола CDMA/CD применяет переключаемые интервалы времени, распределяющие передачи пакетов и сообщений в последовательной сети. Однако при таком методе недостаточно рационально используется полоса частот. Другой метод основан на построении упрощённого варианта сети только с одним ведущим контроллером при большом количестве ведомых устройств без использования коммутируемой среды. Распределённая система управления на основе такой сети использует метод интеракций одного ведущего со многими ведомыми устройствами.
Всё же основное направление в решении проблемы реального времени — это развитие коммутируемой среды связи. Коммутаторы и маршрутизаторы быстрой связи используют двухточечные каналы для передачи адресуемых IP-пакетов, при этом на основе таблиц маршрутизации определяют наилучший маршрут в сети. Сложные функции маршрутизаторов реализуются программно, поэтому они более совершенны по сравнению с коммутаторами, но медленнее. Новые маршрутизирующие коммутаторы объединяют преимущества обоих типов устройств по быстродействию и гибкости сетевой связи.
Важными составляющими в решении проблемы являются переход на оптические каналы связи. Новое поколение промышленных систем управления начинает переходить на гигабитные сети Ethernet, всё шире используются кольцевые топологии или многокольцевые структуры, обеспечивая высокую надёжность сетевых решений. В недалёкой перспективе — создание широкополосных коммутируемых промышленных сетей 10-Gigabit Ethernet. •
В качестве примеров каналообразующего оборудования и типовых аппаратных решений по увеличению производительности и надежности систем управления можно рассмотреть изделия фирмы Hirschmann.
СЕТЕВЫЕ РЕШЕНИЯ ФИРМЫ HIRSCHMANN
Западногерманская фирма Hirschmann всегда стремилась к применению новейших технологий в сет вом оборудовании. Так, в 1984 году, почти за 10 лет до появления соответ ствующего стандарта, в университете Штутгарта она впервые создала локальную сеть Ethernet на базе оптоволокна. В 1990 году фирма представила Ethernet с кольцевой топологией, защищенной от отказа узла или обрыва линии. На сегодняшний день Hirschmann выпускает полную гамму обору дования для создания локальных и глобальных сетей сколь угодно сложной структуры, прежде всего для эксплуатации в тяжелых промышленных условиях.
Н
есмотря
на то что стандарт Ethernet одинаков как
для офисных, так и для промышленных
сетей, требования к каналообразующей
аппаратуре в обоих случаях существенно
разнятся.
Промышленные условия предъявляют значительно более жесткие требования к надежности, диапазону рабочих температур, устойчивости к электромагнитным помехам, вибрационным и иным видам нагрузок. Серия оборудования Rail изначально разрабатывалась фирмой Hirschmann для применения в сфере прмышленной автоматизации и соответствующие требования были учтены еще на этапе проектирования.
Обеспечение отказоустойчивости сетевых комплексов достигается целой гаммой патентованных решений. Уникальная концепция построения отказоустойчивого кольца (HIPER
Ring) позволяет не только противостоять отдельным отказам оборудования и линий связи, но и проводить регламентные работы или работы по реконфигурации сети, не останавливая обмена
данными в системе. Одним из наиеболее примечательных свойств этого решения является чрезвычайно малое время восстановления после отказа, оно составляет менее секунды.
В зависимости от степени важности задачи, решаемой на базе сетевого оборудования серии Rail, разработчик может задействовать различные заложенные механизмы обеспечения надежности и безотказности. Например, при наличии у контроллера дублированного сетевого интерфейса любой из соот ветствующих портов может быть подключен к оптическому кольцу, или же для достижения более высокого уровня дублирования может быть добавлено второе оптическое кольцо. Применение коммутаторов позволяет создавать полностью детерминированные сети.
В номенклатуру каналообразующей аппаратуры фирмы Hirschmann входят повторители, концентраторы и коммутаторы серии Rail. Кроме того, постав ляются блоки питания двух типов мощностью 60 и 120 Вт, выполненные в едином со всем оборудованием данной серии конструктивном стиле.
Повторители
Повторитель предназначен для соединения раз нородных сегментов сети Ethernet и преодоления проблем, связанных с ограничениями длины сегмента кабеля. Повторители представляют собой устройства с двумя портами.
Применение повторителей позволяет удлинять сегмент Ethernet до 3000 метров, а RT2 – до 20 км! Пример топологии сети Ethernet, построенной с использованием повторителей серии RT, показан на рис. 4.
Ethernet, восстанавливающиеся при единичном отказе за считанные доли секунды. Функция контроля дублирования отдельных устройств может быть активизирована на любом включенном в сеть коммутаторе с помощью DIP переключателей..
Концентраторы
Концентратор – это многопортовый повторитель сетевого интерфейса с равноправными портами. Получив сигнал от одной из подключенных к нему станций, концентратор транслирует его на все свои активные порты. Концентраторы можно использовать как автономные устройства или соединять друг с другом, увеличивая тем самым размер сети и создавая бо лее сложные топологии. Их основное назначение — объединение отдельных рабочих мест в рабочую группу в составе локальной сети.
Пример топологии сети Ethernet, построенной с использованием концентратора RH1 TP, показан на рис. 5.
Не менее важным средством обеспечения надежности функционирования сети является так называемая процедура Jabber control, часто именуемая сетевыми администраторами «контролем болтливости». При возникновении не исправностей в сетевой интерфейсной карте может возникнуть ситуация, когда в сеть будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Такого рода неисправность может значительно снизить пропускную способность сети или даже блокировать нормальную работу значительного ее участка, что неприемлемо для ответственных приложений. Для предотвращения подобных ситуаций в устройствах серии Rail реализована схема, которая проверяет количество битов, переданных в пакете. Если максимальная длина пакета регулярно превышается, то узел автоматически отключается от сети.
Более широкие возможности обеспечивает применение концентратора RH1 TP/FL этой же серии, который позволяет гибко и эффективно строить разветвленные сетевые структуры, используя кабельные системы как на базе витой пары, так и оптоволокна. Каждый такой концентратор имеет три входа для кабеля типа витая пара и два входа для дуплексного оптического кабеля с разъё мом BFOC. Порты для витой пары используются, как правило, для подключения терминального оборудования, а оптические интерфейсы применяются в основном для построения магистрали, охватывающей большую террито рию. Впрочем, возможна и иная топология. Например, в том случае, когда терминальное оборудование находится в техноло гических зонах с высоким уровнем электромагни ных помех, магистраль может строиться на основе витой пары, а терминальное оборудование подключаться посредством оптоволокна, нечувствительного к внешним воздействиям такого рода. В обоих случаях в магистраль может быть включено не более 11 концентраторов.
Важнейшей особенностью данных устройств является возможность формирования отказоустойчивой кольцевой топологии HIPER Ring. Построение такой топологии возможно на базе оптоволоконных линий с использованием концентраторов RH1 TP/FL. Для этого, во первых, необходимо физически замкнуть существующую линейную топологию (рис. 6), соединив свободные оптические порты крайних устройств, а во вторых, нужно установить один из включенных в кольцо концентраторов в состояние «следящего» за основной линией связи, для чего соответствующий DIP переключатель устанавливается в поло жение «redundant» («за пасной»). Отказ любого узла построенной кольцевой топологии HIPER Ring или обрыв линии связи будет обнаружен «следящим» концентратором в течение 20 миллисекунд, после чего подключается запасной сегмент и про исходит полное восстановление функциональности сети по запасному пути. Cемейство Rail концентраторов так же включает устройство RH1 CX+, ориентированное на сетевые структу ры с более широким набором приме няемых кабельных систем. Эта модель имеет два порта для подключения витой пары (соединитель RJ 45), один порт — оптоволоконный (соединитель BFOC) и ещё один порт, соответствую щий спецификации 10Base 2 для «тоного» коаксиального кабеля (соединитель BNC).
Рис. 6. Пример реализации отказоустойчивой кольцевой топологии HIPER Ring с использованием концентраторов RH1 TP/FL
Коммутаторы
Коммутаторы являются более интеллектуальными, чем концентраторы, устройствами. Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу соответствия портов адресам подключенных к ним сетевых узлов. Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно или задать режим её автоматичес кого формирования встроенными средствами устрой ства. Используя таблицу адресов и содержащийся в передаваемом пакете адрес получателя, коммутатор направляет полученный пакет только в тот порт, где нахо дится адресат. Исключение делается только в случае широковещательных рассылок или при передаче пакетов с неизвестным адресом полу чателя, которые рассылаются по всем подключенным соединениям. На основе описанной процедуры коммутатор фактически выполняет важнейшую функцию сегментирования сети Ethernet, что в конечном счёте значительно расширяет её суммарную пропускную способность. В современных коммутаторах передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следова тельно, для каждого виртуального со единения выделяется вся полоса кана ла. Скорость соединения определяется автоматически и не требует вмешатель ства обслуживающего персонала.
Коммутаторы RS1 и RS2 фирмы Hirschmann (рис. 7) поддерживают Ethernet со скоростью передачи данных 10 и 100 Мбит/с.
Р
ис.
8. Кольцевая
топология с использованием коммутаторов
Основные варианты топологических структур, создаваемых с помощью коммутаторов таковы:
● магистраль,
● отказоустойчивое кольцо,
● отказоустойчивое объединение отдельных сегментов.
Магистральная топология сети с коммутаторами принципиально не отличается от рассмотренных ранее структур. В зависимости от модели магистраль может строиться либо на основе витой пары (100 Мбит/с), либо оптоволокна. Так как применение ком мутаторов снимает проблему колли зий, то снимаются и ограничения на количество объединяемых устройств. которые проходит информационный пакет, растет и время его доставки до конечного адреса. Разработчики систем реального времени должны учиты вать это обстоятельство.
Следует однако иметь в виду, что с ростом числа промежуточных узлов, через которые проходит информационный пакет, растет и время его доставки до конечного адреса. Разработчики систем реального времени должны учитывать это обстоятельство.
Другое ограничение на размер сети связано с требованиями, накладываемыми дополнительно применяемыми функциями, например алгоритмом обеспечения отказоустойчивости. Так, соответствующая кольцевая структура на базе устройств RS2 (рис. 8) может состоять не более чем из 50 узлов, что обеспечивает автоматическое восстановление обмена при единичном от казе за время 500 миллисекунд. Наряду с применением коммутаторов для построения сетей с магистральной или кольцевой структурой существует третий типовой вариант их использования, который предполагает создание резервированных путей обмена информационными пакетами между отдельными сегментами Ethernet (рис. 9).
При этом одно устройство RS2 объявляется ведущим, и первоначально все пакеты идут по его линии. Соединение, относящееся к ведомому устройству, находится в состоянии ожидания. Обмен данными между коммутаторами о состоянии линий связи осуществляется по контрольной линии, соединяющей порты stand by. Максимальная длина контрольной линии определяется суммарным сопротивлением кабеля, которое не должно превышать 10 Ом. В случае отказа основной линии авто матически (не бо лее чем за 0,5 с) включается запасной канал. При восстановлении работоспособнос ти основной линии информационный поток немедленно пойдет по ней. С помощью этого механизма можно организовать сетевую структуру «двойное кольцо».
Нетрудно видеть, что описанные топологии могут комбинироваться в зависимости от требований к сетевой структуре. Гибкость и универсальность устройств серии Rail позволяют сетевым администраторам создавать экономичные, надежные и высокопроизводительные системы.
Промышленные сети SIMATIC NET
Что означает наименование SIMATIC NET?
Своим семейством промышленных сетей SIMATIC NET фирма SIEMENS представляет открытую гетерогенную систему связи, предназначенную для использования на всех уровнях иерархии систем автоматизированного управления в условиях промышленного производства.
SIMATIC NET - это общее название семейства коммуникационных сетей, объединяющих программируемые контроллеры SIEMENS, серверы, рабочие станции и персональные компьютеры
Для связи контроллеров, станций распределенной периферии и средств человеко-машинного интерфейса используются сетевые компоненты промышленных сетей.
PROFIBUS – сеть полевого уровня, в основном используется для связи контроллеров со станциями распределенной периферии и операторскими станциями, а также для передачи данных между контроллерами. Топология, как правило, шинная, скорость передачи данных – до 12Mbps (обычно 1,5Mbps при длине сегмента до 200 метров). Возможен вариант оптических сетей.
PROFINET – новые промышленные сети, основанные на Industrial Ethernet. Скорость – 100Mbps. Отличие от Industrial Ethernet – возможность гарантированной передачи данных за определенное время (RT, Real Time и IRT, Isochronous Real Time). Для обмена данными между контроллерами используется профиль PROFINET CBA (Component Based Automation). Существуют станции распределенной периферии для сетей PROFINET (профиль PROFINET IO). Планируется, что PROFINET со временем вытеснит сети PROFIBUS.
SINAUT ST7 - организация распределенных систем мониторинга и управления технологическим процессом в распределенных конфигурациях на основе станций управления SIMATIC S7, с использованием сети WAN (Wide Area Network)
Industrial Ethernet – промышленный вариант Ethernet, в основном предназначенный для передачи данных от контроллеров к операторским станциям, а также для обмена данными между контроллерами.
Обмен данными между интеллектуальными партнерами по связи (программируемыми контроллерами, промышленными компьютерами, системами человеко-машинного интерфейса и т.д.) системы автоматизации SIMATIC выполняют через сети MPI (Multi Point Interface), PROFIBUS или Industrial Ethernet.
Опрос датчиков и приводов, а также выдача команд управления производится циклически с использованием области отображения ввода-вывода контроллеров и соответствующих команд управления связью. Подобные варианты связи в системах автоматизации SIMATIC могут осуществляться через сети PROFIBUS-DP, AS-Interface и EIB.
Idustrial Ethernet - это мощная сеть верхнего уровня управления, соответствующая международным стандартам IEEE 802.3 (Ethernet, 10Мбит/с) и IEEE 802.3u (Fast Ethernet, 100Мбит/с). Скорость – до 100Mbps, топология – звезда, длина участка – до 100 метров (увеличивается с помощью коммутаторов).
В сочетании с использованием технологии коммутируемых сетей и автоматической настройкой режимов передачи Industrial Ethernet позволяет создавать системы связи, отвечающие наиболее высоким коммуникационным требованиям. Автоматическая поддержка двух скоростей передачи данных позволяет осуществлять постепенный переход на новые сетевые компоненты. Ethernet занимает 80% рынка мировых локальных сетей. Industrial Ethernet позволяет использовать Intranet и Internet, открывая новые возможности по организации связи с системами автоматизации, их дистанционному обслуживанию и диагностике. Все эти новые возможности активно используются компонентами SIMATIC NET.
Промышленная витая пара (10BASE–T).
Среда передачи представляет собой экранированный кабель с двумя витыми парами с волновым сопротивлением 100 Ом. На концах кабеля, согласно стандарту 10BASE–T, располагаются разъемы RJ–45. В рамках семейства продукции SIMATIC NET в качестве альтернативы также возможно использование разъемов sub–D .
Витая пара позволяет устанавливать соединения “точка – точка” между двумя электрически активными компонентами. Это означает, что между ООД и портом сетевого компонента всегда устанавливается прямая связь (прямой канал). Сетевой компонент осуществляет усиление принятых сигналов и их дальнейшую передачу через все свои выходные порты. В сетях Industrial Ethernet семейства SIMATIC NET эти задачи выполняются такими сетевыми компонентами, как OLM, ELM, OSM и ESM. Максимальная длина канала, связывающего ООД и сетевой компонент (известная как “длина сегмента”) не может превышать 100.
Волоконно-оптический канал связи (10BASE–FL)
Реализация Industrial Ethernet (10 Мбит/с) с волоконно-оптическим каналом связи . В качестве среды передачи используется многомодовый волоконно-оптический кабель со стеклянными волокнами типа 62.5/125 мкм или 50/125 мкм.
Промышленная витая пара (100BASE–TX)
. В качестве среды передачи используется экранированный кабель с двумя витыми парами с волновым сопротивлением 100 Ом. Характеристики передачи данных кабеля должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к кабелям категории 5.
Волоконно-оптический кабель (100BASE–FX)
В качестве среды передачи используется многомодовый волоконно-оптический кабель со стеклянными волокнами 62.5/125 мкм или 50/125 мкм или одномодовый волоконно-оптический кабель со стеклянными волокнами 10/125 мкм.
Волоконно-оптические кабели позволяют устанавливать соединения “точка – точка” между двумя активными компонентами. Один из сетевых компонентов выполняет усиление принимаемых сигналов и дальнейшую передачу данных через выходные порты. В сетях SIMATIC NET Industrial Ethernet эта задача выполняется оптическим коммутирующим модулем (OSM).
В любой момент времени по сети может передаваться лишь один пакет данных. Каждый пакет данных проходит через все сегменты. Когда одна станция передает, все остальные станции принимают. Станция получает право на передачу в соответствии с методом доступа к среде передачи CSMA/CD. В состав изделий, функционирующих в соответствии с методом доступа CSMA/CD и формирующих ЛС совместного доступа, входят модули OLM/ELM, Mini UTDE, Mini OTDE, звездообразный разветвитель ASGE.
С использованием данных компонентов можно создавать шинные, звездообразные и кольцевые топологии.
Идеальной средой передачи для организации таких линий связи являются многомодовые стеклянные волокна типа 50/125 мкм и 62.5/125 мкм.
Длина оптического канала связи зависит от имеющегося оптического энергетического потенциала, а так же от потерь мощности оптического излучения на длине волны 850 нм.
Оптический канал, который связывает передатчик и приемник, характеризуется энергетическим потенциалом.
Данный параметр определяет разность между мощностью оптического излучения, отдаваемой в канал (в отдельное волокно) оптическим передатчиком, и мощностью, которая должна быть на входе оптического приемника для надежного обнаружения сигнала.
В сетях Industrial Ethernet используются следующие компоненты и кабели:
• Компоненты
OLM/ELM
Звездообразный разветвитель с интерфейсными картами
Mini OTDE
• Кабели
Волоконно-оптические кабели
Витая пара, TP корд
Триаксиальный кабель
Пример шинной топологии с использованием OLM
Узел 2
У
зел
1
Электрические
и оптические модули связи (ELM, OLM)
Рисунок
6–1 Industrial Ethernet OLM Рисунок
6–2 Industrial
Ethernet
ELM
Рисунок
6–6 Оптические/электричесие коммутирующие
мод (OSM/ESM)
Модули OLM/ELM восстанавливают (регенерируют) форму и амплитуду принятого сигнала.
Оптические/электрические коммутирующие модули OSM/ESM версии 2 являются недорогим и эффективным средством для построения коммутируемых сетей, работающих при скоро
стях передачи данных 100 Мбит/с.
Industrial Ethernet является основой для построения систем управления с распределенным интеллектом, поддерживающими стандарт PROFInet. Этот стандарт существенно упрощает организацию связи между Industrial Ethernet и сетями полевого уровня, объединение в одну систему продукции различных производителей, позволяет заменить трудоемкие операции программирования систем связи их графическим проектированием
PROFIBUS
Коммуникационная сеть полевого уровня и уровня отдельных производственных участков, базирующаяся на стандарте EN 50170–1–2 и использующая гибридный метод доступа к шине (маркерное кольцо между активными узлами и "ведущий - ведомый" между активными и пассивными узлами). Средой передачи может являться витая пара, волоконно-оптический кабель или беспроводная среда.
PROFIBUS–PA – это сеть PROFIBUS для приложений в автоматизации непрерывных процессов. Она объединяет коммуникационный протокол PROFIBUS–DP и технологию передачи IEC 61158–2.
Сети PROFIBUS могут быть реализованы с использованием одной из следующих сред:
Экранированная витая пара (волновое сопротивление 150 Ом)
Искробезопасная экранированная витая пара (для PROFIBUS-PA)
Волоконно-оптический кабель
Беспроводные сети (ИК-технология)
Различные коммуникационные сети могут использоваться независимо или, в случае необходимости, объединяться между собой.
В сетях PROFIBUS используются методы доступа, описываемые стандартом EN 50170, Том 2, а именно “Token Bus” (сеть с передачей маркера или маркерное кольцо) для активных станций и “Master–Slave” (Ведущий-Ведомый) – для пассивных.
Оборот маркера (логическое кольцо)
Ведомый Ведомый Ведомый Ведомый Ведомый
Ведущий = активная станция Ведомый = пассивная станция
Маркерное кольцо ■** Ведущий-Ведомый
Рисунок 1-1 Принципы технологии доступа к среде передачи информации в сетях PROFIBUS
Активные и пассивные узлы
Технология доступа не зависит от конкретной среды передачи данных. На рисунке 1–1 “Принципы технологии доступа к среде передачи информации в сетях PROFIBUS” показана гибридная технология доступа с участием активных и пассивных узлов. Ниже приводятся краткие пояснения:Все активные узлы (ведущие) формируют логическое маркерное кольцо, имеющее фиксированный порядок, при этом каждый активный узел "знает" другие активные узлы и их порядок в логическом кольце (порядок не зависит от топологии расположения активных узлов на шине).
Право доступа к каналу передачи данных, так называемый “маркер”, передаётся от активного узла к активному узлу в порядке, определяемом логическим кольцом.
Если узел получил маркер (адресованный именно ему), он может передавать пакеты. Время, отпущенное ему на передачу пакетов, определяется временем удержания маркера. Как только это время истекает, узлу разрешается передать только одно сообщение высокого приоритета. Если такое сообщение у узла отсутствует, он передаёт маркер следующему узлу в логическом кольце. Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное время удержания маркера, конфигурируются для всех активных узлов.
Если активный узел обладает маркером, и если для него сконфигурированы соединения с пассивными узлами (соединения "ведущее устройство-ведомое устройство"), производится опрос пассивных узлов (например, считывание значений) или передача данных на эти устройства (например, передача уставок).
Пассивные узлы никогда не принимают маркер.
Описанная технология доступа поддерживает вход и выход узлов из логического кольца во время работы.
Встроенные оптические интерфейсы, OBT, OLM
Оптическая передача данных в сетях SIMATIC NET PROFIBUS реализуется с использованием встроенных оптических портов, оптических шинных терминалов (OBT) и модулей оптической связи (OLM). В качестве среды передачи используются двужильные волоконно-оптические кабели, выполненные из стекла, волокон с полимерной оболочкой или пластиковых волокон. Двужильные волоконно-оптические кабели содержат два проводящих оптических волокна, заключённых в общую оболочку.
Модули со встроенными оптическими портами и оптическими шинными терминалами (OBT) можно соединять между собой только для формирования оптических сетей, имеющих шинную топологию.
С помощью модулей OLM можно получать оптические сети, имеющие шинную топологию, топологию типа "звезда" и "кольцо". При использовании кольцевой топологии достигается резервирование канала передачи сигнала, и она лежит в основе построения сетей с высокой степенью надёжности.
Архитектура протоколов и профили
Из рис.1.2, представляющего архитектуру протоколов PROFIBUS, можно видеть, что в ней реализованы уровни 1,2 и 7. С точки зрения пользователя PROFIBUS подразделяется на 3 профиля протокола: DP, FMS и PA.
|
PNO-профиль для DP--устройств |
PNO-профиль для FMS--устройств |
PNO-профиль для DP--устройств |
|
|||||
|
Основные функции Расширенные функции |
|
Основные функции Расширенные функции |
||||||
|
DP User Interface Direct Data Link Mapper (DDLM) |
Application Layer Interface (ALI) |
DP User Interface Direct Data Link Mapper (DDLM) |
||||||
Layer 7 (Application) |
i 1 |
к |
Application-Layer Fieldbus Message Specification (FMS) |
i |
|
|
|||
Layer 3-6 |
|
Н Е г |
И С П О Л Ь З У |
Ю ТС Я 1 |
|
|
|||
Layer 2 (Link) |
Data Link Layer Fieldbus Data Link (FDL) |
Data Link Layer Fieldbus Data Link (FDL) |
IEC-Interface |
|
|||||
Layer 1 (Phisik) |
Phisical-Layer (RS485/LWL) |
Phisical-Layer (RS485/LWL) |
IEC 1158-2 |
|
|||||
Рис. 1.2 Архитектура протоколов PROFIBUS
PPOFIBUS-DP
PROFIBUS-DP применяет уровни 1 и 2, а также пользовательский интерфейс. Уровни с 3 по 7 не используются. Благодаря такой архитектуре достигается быстрая передача данных. Direct Data Link Mapper (DDLM) организует доступ к уровню 2. В основу пользовательского интерфейса положены необходимые пользовательские функции, а также системные и аппаратно-зависимые функции различных типов PROFIBUS-DP-приборов.
Этот профиль протокола PROFIBUS оптимизирован для быстрого обмена данными специально для коммуникаций между системами автоматизации и децентрализованной периферией на полевом уровне.
PROFIBUS-FMS
В PROFIBUS-FMS применяются уровни 1,2 и 7. Пользовательский уровень состоит из FMS (Fieldbus Message Specification) и LLI (Lower Layer Interface). FMS содержит пользовательский протокол и предоставляет в распоряжение коммуникационные службы.
LLI реализует различные коммуникационные связи и создает для FMS аппаратно-независимый доступ к уровню 2. FMS применяется для обмена данными на уровне ячеек (PLC и PC).
PROFIBUS-PA
PROFIBUS-PA применяет расширенный PROFIBUS-DP-протокол передачи данных. Техника передачи согласно IEC 1158-2 обеспечивает надежность и питание полевых приборов через шину. Приборы PROFIBUS-PA могут благодаря применению специальных устройств (PROFIBUS-PA-Links) в простейшем случае интегрироваться в PROFIBUS-DP-сеть.
PROFIBUS-PA – специальная концепция, позволяющая подключать к общей шине датчики и приводы, находящиеся во взрывоопасной зоне.
Активные участники, подключенные к PROFIBUS, упорядочены по возрастанию их адреса в логическое маркерное кольцо (Token-Ring) (рис.1.16).
Время одного обращения маркера через всех активных участников называется временем обращения маркера. С помощью устанавливаемого заданного времени обращения маркера Ttr (Time Target Rotation) определяется максимально разрешенное время обращения маркера.
Логическое маркерное кольцо
Мастера (Masters) – активные участники Адр.: 2
Пассивные участники (Slaves)
Рис. 1.16 Метод обмена маркером (токеном)
Метод Master-Slave
Если логическое маркерное кольцо состоит только из одного активного и нескольких пассивных участников, то это соответствует “чистой” системе Master-Slave (рис.1.17).
Метод Master-Slave делает возможным мастеру (активному участнику), который имеет право прямой передачи, опрашивать назначенных ему Slaves (пассивных участников). Мастер при этом имеет возможность принимать сообщения от Slave, и соответственно, передавать. Типичная стандартная шинная конфигурация PROFIBUS-DP базируется на этом методе управления шиной. Активная станция (DP-Master) обменивается в циклической последовательности данными с пассивными станциями (DP-Slaves).
Master (активный участник) Slave’ы (пассивные участники) Рис. 1.17 Метод доступа Master-Slave
Шинные параметры
Безупречное функционирование сети PROFIBUS достигается только тогда, когда установленные шинные параметры соответствуют друг другу. Шинные параметры, заданные для одного участника, должны устанавливаться для каждого другого участника сети, так что они идентичны во всей сети. В целом шинные параметры зависят от выбранной скорости передачи и задаются соответствующим инструментом проектирования. Изменения этих наборов параметров должно проводиться только опытным персоналом.
Все шинные параметры описывают таким образом времена, которые должны точно соответствовать друг другу. Единицей для измерения этих параметров является tBIT (time_Bit). Один tBIT – это время передачи по шине одного бита и называется также временем передачи бита. Это время зависит от скорости передачи и вычисляется следующим образом:
tBIT = 1/скорость передачи (бит/c)
Например, для скорости передачи 12 Мбит/с время передачи бита – 83 ns, а для скорости передачи 1,5 Мбит/c – 667 ns.
Резюме:
PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) - это наиболее мощная сеть полевого уровня, которая может быть использована для большинства практических применений. Эта сеть отвечает требованиям международных стандартов IEC 61158 и EN 50170. PROFIBUS объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов. PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами. Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи, базируется на использовании стандартного протокола PROFIBUS. Одни и те же каналы связи сети PROFIBUS допускают одновременное использование нескольких протоколов передачи данных:
PROFIBUS-FMS: универсальный протокол для решения задач по обмену данными между и\нтеллектуальными сетевыми устройствами (контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса) на полевом уровне.
PROFIBUS-DP: протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между системами автоматизации (ведущими DP-устройствами) и устройствами распределенного ввода-вывода (ведомыми DP-устройствами). Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей.
PROFIBUS-PA: протокол обмена данными с оборудованием полевого уровня, расположенным в обычных или Ex-зонах (зонах повышенной опасности). Протокол отвечает требованиям международного стандарта IEC 61158-2.
Все оборудование, выпускаемое A&D SIEMENS для сети PROFIBUS, сертифицировано организацией пользователей PROFIBUS (PNO). Наличие этих сертификатов гарантирует надежную работу оборудования SIEMENS в сетевых структурах PROFIBUS. PROFIBUS является открытой сетью полевого уровня. Свыше 500 крупных мировых производителей выпускает оборудование с встроенным интерфейсом PROFIBUS-DP. SIEMENS оказывает техническую поддержку всем производителям, выпускающим оборудование для PROFIBUS.
Поддержка оказывается в форме технических консультаций, поставки специализированных микросхем или интерфейсных модулей. Каналы связи
В зависимости от требований, предъявляемых к сети PROFIBUS, для передачи данных могут использоваться различные виды каналов связи. Электрические каналы связи Электрические каналы связи выполняются экранированной витой парой. Для прокладки линий связи может использоваться множество кабелей для различных условий эксплуатации. Большинство из этих кабелей поддерживает технологию быстрого соединения (Fast Connect). Оптические каналы связи Оптические каналы связи PROFIBUS могут выполняться стеклянными или пластиковыми оптоволоконными кабелями, предназначенными для различных условий эксплуатации. Инфракрасные каналы связи Применение модуля ILM позволяет осуществлять передачу информации по инфракрасным каналам на расстояние до 15м. Комбинированные системы В составе одной сети PROFIBUS может использоваться комбинированное сочетание различных каналов связи.
PROFINET
Н
овый
открытый коммуникационный стандарт
PROFINET (IEC 61158) устраняет указанные недостатки
и существенно расширяет функциональные
возможности обмена данными и охватывает
широкий спектр требований по использованию
Ethernet в системах автоматизации.
PROFINET
ориентирован на организацию
системно-широкого обмена данными между
всеми иерархическими уровнями управления
предприятием. Он существенно упрощает
вопросы проектирования систем промышленной
связи, распространяет использование
IT стандартов на полевой уровень
управления, позволяет использовать
существующие каналы связи и сетевые
компоненты Ethernet, а также дополнять эти
сети специализированными компонентами.
PROFINET обеспечивает поддержку всех
существующих стандартных механизмов
обмена данными через Ethernet параллельно
с обменом данными между системами
автоматизации в реальном масштабе
времени.
Особенности промышленных сетей PROFINET
Вариант сети Industrial Ethernet для систем автоматизации, стандартизованный как PROFINET, был разработан компанией Siemens с целью унификации полевых сетей (Fieldbus) для построения систем, работающих в реальном времени со скоростью связи до 100 Мбит/c в жёстких промышленных условиях эксплуатации.
Спецификация стандарта предусматривает взаимодействие PROFINET с другими сетями (PROFIBUS, Interbus, DeviceNet и т.д.) с помощью шлюзов.
Средой передачи могут быть медные провода и оптоволокно. Возможно применение в сети PROFINET разных топологий (линейной, кольцевой, «звезда», «дерево»). В линейной сети коммутатор устанавливают ближе к приборам или даже встраивают вместе с процессором в устройство. Для каждого устройства выделяется свой коммутатор для управления конвейерными передачами. Кольцевая топология, используемая для повышения надёжности, может включать две сети со встречным направлением передачи. Коммутаторы могут быть соединены радиально или по произвольной топологии.
Особенности кабельной связи в промышленных сетях PROFINET связаны с жёсткими условиями эксплуатации оборудования. В сети PROFINET используются экранированные витые медные пары проводов длиной до 100 м и с характеристическим сопротивлением 100 Ом (100Base-TX), со свойствами не хуже тех, что соответствуют категории 5 и классу D (ISO/IEC 11801).
Каждое удалённое устройство подключают через активный компонент, образуя узел в сети.
Для разных приложений стандарт PROFINET определяет три уровня производительности: PROFINET NRT PROFINET RT, PROFINET IRT.
PROFINET NRT с временем цикла более 100 мс не поддерживает режим реального времени и предназначен в основном для автоматизации отдельных технологических процессов. PROFINET RT используется в случаях с более высокими требованиями к времени цикла (более 10 мс), например в системах автоматизации предприятия. Самым высоким требованиям по производительности отвечает PROFINET IRT (время цикла менее 1 мс), основной областью его применения является управление комплексными приводными системами.
Ethernet для автоматизации приборных систем измерения
На основе стандарта Ethernet разработан новый отраслевой стандарт LXI (2004 г.).
Рис. 3. Промышленный 18-портовый управляемый коммутатор EKI-7656C для сетей Gigabit Ethernet
Спецификация LXI предназначена для измерительных систем и призвана заменить прежний приборный байтовый интерфейс с разделяемой средой связи. Сети приборов на основе архитектуры LXI предложил консорциум производителей контрольно-измерительных систем, одним из главных инициаторов выступила компания Agilent Technologies. Широкое использование преимуществ сетевых протоколов в последовательной сети небольшого количества приборов позволяет отказаться от аппаратных секций и перейти к прямому подключению компактных приборов с интерфейсом LXI к портам коммутаторов и маршрутизаторов или использовать адаптеры для связи с существующими стандартными приборными системами. Стандарт LXI охватывает физические требования, протоколы, интерфейсы и запуск процессов в сети. Различают 3 класса LXI-приборов: A, B, C. Класс C является базовым, приборы этого класса обладают функциями обнаружения и конфигурации сети, имеют Web-интерфейс и соответствуют физическим требованиям стандарта. Приборы класса B имеют дополнительные возможности запуска по локальной сети и поддержки синхронизации. Класс A удовлетворяет требованиям классов C и B с дополнением в виде аппаратной шины синхронизации с низкой задержкой передачи (эта шина обеспечивает максимально возможную скорость отклика на событие запуска).
Физический уровень интерфейса LXI создан для обеспечения гибкости связи приборов в сети. Он позволяет соединять настольные приборы по передней панели, настенные приборы и встраиваемые модули без передней панели. В отличие от существующих устройств типа PXI/VXI устройства с таким сопряжением могут иметь любые размеры и приобретают самодостаточность. Каждое устройство имеет источник питания, систему запуска, защиту и интерфейс. Стандартом допускаются версии сети 10 и 100 Мбит/c, но рекомендуется сеть Gigabit Ethernet с автоматическим выбором скорости передачи и с автоматическим распознаванием полярности кабеля сети. Каждый прибор в сети должен иметь постоянный сетевой MAC-адрес и IP-адрес с возможностью динамической конфигурации в сети по протоколу DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol).
Устройства должны легко идентифицироваться в сети с помощью протокола сетевого обследования.
Рис. 4. Пример комбинированной сети из нескольких колец HIPER-Ring
Точность установки времени допускает джиттер менее 100 нс. Устройства могут передавать информацию и данные о времени без использования компьютера, занятого задачами обработки данных в реальном времени. Дополнительная шина в устройствах класса A может соединять устройства по схеме последовательной цепи или «звезды» (или их комбинации).
Выводы:
Каналы связи и топологии сети
Для организации обмена данными между системами автоматизации в сети PROFINET могут использоваться электрические (витые пары), оптические и беспроводные каналы связи Ethernet. В зависимости от вида используемых каналов для построения сети может использоваться различный набор сетевых компонентов. Обеспечивается поддержка всех топологий, характерных для сети Industrial Ethernet: линейных, кольцевых, древовидных.
Сетевые компоненты
Для построения сетей PROFINET концерн SIEMENS предлагает широкую гамму активных и пассивных сетевых компонентов, а также коммуникационного программного обеспечения и инструментальных средств проектирования. Большинство сетевых компонентов PROFINET может использоваться и в сетях Industrial Ethernet. Пассивные сетевые компоненты Пассивные PROFINET компоненты включают в свой состав электрические (витые пары 2х2) и оптические кабели, а также соединительные устройства различного назначения. Для большинства электрических пассивных компонентов поддерживается технология FastConnect, позволяющая выполнять быстрый и безошибочный монтаж сети. Все соединительные устройства выполнены с учетом требований стандарта PROFINET. Данные для заказа пассивных сетевых компонентов приведены в листе "Стандарт Industrial Ethernet".
Активные сетевые компоненты Активные PROFINET компоненты представлены широкой гаммой коммутаторов серии SCALANCE X200/X200IRT/Х400. Модули серии SCALANCE X позволяют конфигурировать линейные, звездообразные и кольцевые структуры сетей Industrial Ethernet/ PROFINET, использовать для передачи данных оптические и электрические каналы связи, поддерживают технологию коммутируемых сетей, позволяют использовать обмен данными в реальном масштабе времени, в том числе, и с тактовой синхронизацией. Более подробная информация о коммутаторах данной серии приведена в листе "Промышленные коммутаторы SCALANCE". Технологические компоненты Технологические компоненты для PROFINET представлены специализированными микросхемами ERTEC 400, а также комплектами разработки, позволяющими специалистам различных фирм выполнять проектирование, макетирование и наладку интерфейсной части собственной аппаратуры управления, предназначенной для работы в сетях PROFINET.
В настоящее время наиболее ярко прослеживаются два направления использования сетей PROFINET:
-построение систем распределенного ввода-вывода (PROFINET IO) и
-построение модульных систем управления с распределенным интеллектом - PROFINET CBA (Component Based Automation).
В зависимости от функционального назначения в сети PROFINET могут использоваться различные механизмы обмена данными, различный состав аппаратуры, различные инструментальные средства проектирования.
Решения на основе PROFINET
В настоящее время наиболее ярко прослеживаются два направления использования сетей PROFINET: построение систем распределенного ввода-вывода (PROFINET IO) и построение модульных систем управления с распределенным интеллектом - PROFINET CBA (Component Based Automation).
В зависимости от функционального назначения в сети PROFINET могут использоваться различные механизмы обмена данными, различный состав аппаратуры, различные инструментальные средства проектирования.
Различия между разными типами сетей
|
Описание |
Максимальная скорость передачи данных |
Максимальная длина кабеля |
Цифровые/ аналоговые децентрали- зованные каналы ввода/вывода |
Поддержка нескольких ведущих устройств |
Поддержка Интерфейса с персональным компьютером |
Ethernet |
Информационная сеть |
10 Мбит/с |
- |
- |
- |
Есть |
Controller Link |
Промышленная сеть гибкого автоматизи- рованного участка |
2 Мбит/с |
1 км (2-проводный) 20 км (опто-волоконный) |
- |
- |
Есть |
Host Link SYSMAC WAY |
Сетевое решение на базе последовательной связи |
115,2 кбит/с |
1 км |
- |
- |
Есть |
DeviceNet |
Открытая сеть полевого уровня |
500 кбит/с |
500 м |
Есть |
Есть |
Есть |
CompoBus/S |
Высокоскоростная промышленная сеть |
750 кбит/с |
500 м |
Есть |
- |
Есть |
PROFIBUS-DP |
Открытая промышленная сеть |
12 Мбит/с |
1200 м |
Есть |
- |
Есть |
Интерфейс AS |
Открытая битовая шина |
166 кбит/с |
100 м |
Есть |
- |
- |
CANopen |
Открытая промышленная сеть |
1 Мбит/с |
10 км |
Есть |
- |
- |
|
Загрузка и выгрузка программ ПЛК |
Обмен данными между ПЛК |
Команды FINS |
Передача сообщений электронной почты |
Сложность программирования |
Потребность в конфигураторе |
Ethernet |
Есть |
Есть |
Есть |
Есть |
Средняя |
- |
Controller Link |
Есть |
Есть |
Есть |
- |
Низкая |
- |
Host Link SYSMAC WAY |
Есть |
Есть |
- |
- |
Низкая |
- |
DeviceNet |
Есть |
Есть |
Есть |
- |
Низкая |
Дополнительно |
CompoBus/S |
- |
Есть |
- |
- |
Очень низкая |
- |
PROFIBUS-DP |
- |
Есть |
- |
- |
Средняя |
Есть |
Интерфейс AS |
- |
- |
- |
- |
Средняя |
- |
CANopen |
- |
Есть |
- |
- |
CANopen: Средняя Пользовательская сеть CAN: Высокая |
Есть |
Контрольные вопросы:
Преимущества Ethernet-технологий?
Особенности промышленного Ethernet?
Три уровня Ethernet?
Создание современных промышленных сетей автоматизации на основе Ethernet?
Коммутаторы Ethernet?
Способы повышения надёжности промышленных сетей?
Классическая сеть Ethernet для систем реального времени?
Сетевые решения фирмы hirschmann?
Повторители?
Концентраторы?
Коммутаторы?
Применением коммутаторов для построения сетей?
Промышленные сети SIMATIC NET?
Idustrial Ethernet ?
Виды сред передачи?
Компоненты и топологии?
Топологии?
Сети PROFIBUS?
Среда передачи?
Методы доступа ?
Активные и пассивные узлы?
Встроенные оптические интерфейсы, OBT, OLM?
Архитектура протоколов и профили?
PPOFIBUS-DP?
PROFIBUS-FMS?
PROFIBUS-PA?
Топологии PROFIBUS-PA?
Методы доступа PROFIBUS-PA?
Метод Master-Slave?
Шинные параметры?
Программный пакет STEP 7 ?
PROFINET?
Особенности промышленных сетей PROFINET?
Ethernet для автоматизации приборных систем измерения?
Сетевые компоненты для построения сетей PROFINET?
Решения на основе PROFINET?
Основные термины