Лекция №9 Распределённые системы автоматизации производства и технологических процессов

Для построения систем автоматизации производственных и технологических процессов всё чаще и чаще используются распределённые системы. Это означает, что весь комплекс задач управления распределяется между отдельными системами, выполняющими менее крупные подзадачи. В результате возникает необходимость в организации эффективной связи между распределёнными системами. В качестве примеров преимуществ такого (распределенные системы) подхода к построению систем управления можно привести следующие:

- Независимый и одновременный ввод в эксплуатацию отдельных участков цеха/системы

- Объём программ меньше, они более понятны

- Параллельная обработка данных распределёнными системами автоматизации (программируемыми контроллерами)

За счет этого достигается:

- Более короткие времена реакции

- Снижение нагрузки на отдельные устройства обработки

- Повышенная работоспособность и надёжность цеха/системы

Развитая высокопроизводительная система связи является неотъемлемой частью распределённой системы управления. Основой таких систем являются локальные сети (ЛС), которые подразделяются на следующие типы:

- Электрические

- Оптические

- Комбинация электрических/оптических

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.

Системы связи SIMATIC NET базируются на государственных и международных стандартах в соответствии с 7-уровневой моделью ISO/OSI.

Модель iso/osi

Архитектура протоколов PROFIBUS ориентирована на уже установленные национальные и международные нормы. Так, архитектура протоколов базируется на модели OSI (Open System Interconnection).

Рис 9.1. Модель ISO/OSI для стандартов

На рис.9.1. изображена модель ISO/OSI для коммуникационных стандартов, состоящая из 7 уровней, подразделяющихся на два класса:

- ориентированных на пользователя с уровня 5 по уровень 7;

- ориентированных на сеть (уровни 1-4).

Уровни с 1 по 4 описывают пересылку передаваемых данных из одного пункта в другой, в то время как уровни с 5 по 7 предоставляют в распоряжение пользователя доступ к сети в соответствующей форме.

В состав SIMATIC NET входят следующие компоненты:

- Коммуникационная сеть, состоящая из среды передачи, средств для подключения к сети и передачи данных, а также соответствующие технологии передачи ;

- Протоколы и службы, используемые для обмена данными между перечисленными выше устройствами;

-Модули, предназначенные для подключения программируемого контроллера или компьютера к ЛС (коммутационные процессоры = .CP.)

SIMATIC® NET - это имя для всего семейства сетей.

Для реализации самого разнообразного круга задач, которые должны быть решены в том или ином проекте автоматизации, SIMATIC NET, в зависимости от конкретной ситуации, предлагает различные сети связи. Топология помещений, зданий, заводов и всего комплекса компании в целом, а также преобладающие условия окружающей среды могут быть различными, и это влечёт за собой разнообразные требования. Объединённые в сеть компоненты системы автоматизации также выдвигают различные требования к системе связи. Для выполнения этих разносторонних требований семейство SIMATIC NET предлагает следующие сети связи, удовлетворяющие государственным и международным стандартам:

• Industrial Ethernet, соответствующий IEEE 802.3 международному сетевому стандарту для связи между помещениями. Сеть может работать при скорости передачи 10 Мбит/с с использованием триаксиального кабеля, стеклянного волоконно-оптического кабеля или экранированной витой пары.

•Fast Industrial Ethernet, Коммуникационная сеть со скоростью передачи данных 100 Мбит/с. Для построения такой сети используется стеклянный волоконно-оптический кабель или экранированная витая пара.

• PROFIBUS, соответствующий EN 50170 – международному стандарту для сетей полевого уровня с ограниченным числом узлов. Средой передачи может являться витая пара, волоконно-оптический кабель или беспроводная среда.

• AS-интерфейс – для соединения с датчиками и приводами.

Industrial Ethernet - Возможны открытые сетевые решения. Высокая скорость передачи обеспечивается различными режимами передачи. Промышленный Ethernet - это промышленный стандарт, широко проверенный и принятый. Функционирование Ethernet основано на соответствующей IEEE 802.3 процедуре CSMA/CD (Коллективный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий).

Стандарт IEEE 802.3

Первый стандарт Ethernet 10BASE5 /1/ был введён международным .Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). в 1985 году. Стандарт базировался на использовании в качестве среды передачи коаксиального кабеля. Данный стандарт лёг в основу первой промышленной сети Industrial Ethernet. Эта сеть, названная SINEC H1, была улучшена за счёт использования триаксиального кабеля и за свою многолетнюю службу в системах автоматизации производственных и технологических процессов многократно подтвердила свою высокую пригодность /6/.

С момента своего появления и стандарт IEEE, и семейство продуктов SIMATIC NET непрерывно улучшались в качестве и расширялись, ещё более повышая гибкость и производительность сетей Ethernet. Примером является использование в качестве канала связи волоконно-оптических кабелей и витых пар, а также появление стандарта Fast Ethernet, увеличившего скорость передачи данных в 10 раз.

Общим свойством всех версий сети Ethernet является немодулированная передача данных и метод доступа CSMA/CD.

Немодулированная передача данных

Согласно IEEE 802.3, в Ethernet используется немодулированная передача данных. Это означает, что в канале связи (например, по шинному кабелю) передаются немодулированные импульсные сигналы. Среда распространения сигнала формирует единый канал связи, ресурсы которого должны использоваться одновременно всеми подключенными терминальными устройствами (ООД). Все подключенные терминальные устройства принимают передаваемую информацию одновременно. В любое время правом на передачу данных обладает лишь одно терминальное устройство. Если несколько терминальных устройств передают данные одновременно, в канале связи возникает коллизия. Сигналы терминальных устройств, пытающихся передавать данные одновременно, подавляют друг друга.

Совершенно очевидно, что возникает необходимость в координировании доступа к среде передачи, используемой совместно. В стандарте IEEE 802.3 для решения этой проблемы используется протокол CSMA/CD.