Принципы автоматизации процессов
Несмотря на то, что автоматизация процессов может выполняться на различных уровнях, принципы автоматизации для всех уровней и всех видов процессов будут оставаться едиными. Это общие принципы, которые задают условия эффективного выполнения процессов в автоматическом режиме и устанавливают правила автоматического управления процессами.
Основными принципами автоматизации процессов являются:
п
ринцип
согласованности. Все
действия в автоматизируемом процессе
должны быть согласованы между собой и
со входами и выходами процесса. В случае
рассогласования действий может произойти
нарушение выполнения процесса.принцип интеграции. Автоматизируемый процесс должен иметь возможность интегрироваться в общую среду организации. На различных уровнях автоматизации интеграция выполняется по-разному, но суть принципа остается неизменной. Автоматизация процессов должна обеспечивать взаимодействие автоматизируемого процесса с внешней средой (по отношению к этому процессу).
принцип независимости исполнения. Автоматизируемый процесс должен выполняться самостоятельно, без участия человека, либо с минимальным контролем со стороны человека. Человек не должен вмешиваться в процесс, если процесс выполняется в соответствии с установленными требованиями.
Перечисленные общие принципы детализируются в зависимости от рассматриваемого уровня автоматизации и конкретных процессов. Например, автоматизация производственных процессов включает в себя такие принципы как принцип специализации, принцип пропорциональности, принцип непрерывности и т.д.
Уровни автоматизации процессов
Автоматизация процессов необходима для поддержки управления на всех уровнях иерархии компании. В связи с этим уровни автоматизации определяются в зависимости от уровня управления, на котором выполняется автоматизация процессов.
Уровни управления принято разделять на оперативный, тактический и стратегический.
В соответствии с этими уровнями выделяют и уровни автоматизации:
Нижний уровень автоматизации или уровень исполнителей. На этом уровне осуществляется автоматизация регулярно выполняющихся процессов. Автоматизация процессов направлена на выполнение оперативных задач (например, исполнение производственного процесса), поддержания установленных параметров (например, работа автопилота), сохранения определенных режимов работы (например, температурный режим в газовом котле).
Уровень управления производством или тактический уровень. Автоматизация процессов этого уровня обеспечивает распределение задач между различными процессами нижнего уровня. Примерами таких процессов являются процессы управления производством (планирование производства, планирование обслуживания), процессы управления ресурсами, документами и т.п.
Уровень управления предприятием или стратегический уровень. Автоматизация процессов уровня управления предприятием обеспечивает решение аналитических и прогнозных задач. Этот уровень автоматизации необходим для поддержки работы высшего звена управления организацией. Он направлен на финансово-хозяйственное и стратегическое управление.
Автоматизация процессов на каждом из указанных уровней обеспечивается за счет применения различных систем автоматизации(CRM системы, ERP системы, OLAP системы и пр.). Все системы автоматизации можно разделить на три базовых типа.
Типы систем автоматизации включают в себя:
Эти типы систем могут применяться на всех уровнях автоматизации процессов по отдельности или в составе комбинированной системы. ВИДЫ АВТОМАТИЗИРУЕМЫХ ПРОЦЕССОВ В каждой отрасли экономики существуют предприятия и организации, которые производят продукцию или предоставляют услуги. Все эти предприятия можно разделить на три группы, в зависимости от их «удаленности» в цепочке переработки природных ресурсов. Первая группа предприятий, это предприятия, добывающие или производящие природные ресурсы. К таким предприятиям относятся, например, сельскохозяйственные производители, нефтегазодобывающие предприятия. Вторая группа предприятий, это предприятия, выполняющие переработку природного сырья. Они изготавливают продукцию из сырья, добытого или произведенного предприятиями первой группы. К таким предприятиям относятся, например, предприятия автомобильной промышленности, сталелитейные предприятия, предприятия электронной промышленности, электростанции и т.п. Третья группа, это предприятия сферы услуг. К таким организациям относятся, например, банки, образовательные учреждения, медицинские учреждения, рестораны и пр. Для всех предприятий можно выделить общие группы процессов, связанные с производством продукции или предоставлением услуг. К таким процессам относятся:
Большинство процессов, относящихся к этим группам, может быть автоматизирована. На сегодняшний день, существуют классы систем, которые обеспечивают автоматизацию этих процессов. Пример Технических заданий на автоматизацию некоторых подсистем предприятия можно посмотреть и приобрести в интренет магазине "Менеджмент качества".
СТРАТЕГИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ Автоматизация процессов представляет собой сложную и трудоемкую задачу. Для успешного решения этой задачи необходимо придерживаться определенной стратегии автоматизации. Она позволяет улучшить процессы и получить от автоматизации ряд существенных преимуществ. Кратко, стратегию можно сформулировать следующим образом:
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
ПРЕИМУЩЕСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ Автоматизация процессов позволяет существенно повысить качество управления и качество продукта. При внедрении СМК автоматизация дает существенный эффект и дает возможность организации значительно улучшить свою работу. Однако, прежде чем принимать решение об автоматизации процессов, необходимо оценить преимущества выполнения процессов в автоматическом режиме. Как правило, автоматизация процессов дает следующие преимущества:
Несмотря на очевидные преимущества, автоматизация процессов не всегда целесообразна. После проведения анализа и оптимизации может оказаться, что автоматизация процессов не требуется или экономически невыгодна. В ряде ситуаций ручное выполнение процессов может оказаться более предпочтительным, чем автоматизация:
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
изнес
процессы –
это процессы, обеспечивающие
взаимодействие внутри организации
и с внешними заинтересованными
сторонами (потребителями, поставщиками,
надзорными органами и пр.). К этой
категории процессов можно отнести процессы
маркетинга и продаж, взаимодействия
с потребителями,
процессы финансового, кадрового,
материального планирования и учета
и пр.
Основные технические характеристики контроллера. 2.1 Параметры контроллера. 2.1.1 Максимальное количество пользователей.………………………………………......15200 2.1.2 Максимальное количество хранимых событий….…………………………………...48000 2.1.3 Количество поддерживаемых считывателей ……..………………..……………..…...до 2 2.1.4 Поддерживаемый интерфейс считывателя……………….…Wiegand26, Wiegand40/42 2.1.5 Количество поддерживаемых турникетов (замков)……….……………………..….…1(2) 2.1.6 Максимальная дальность магистрали связи………………………………………..1200 м 2.1.7 Напряжение питания……………………………..……..…………………………(12 ±20%) В 2.1.8 Ток потребления (без внешних устройств) не более..……...……………….…….110 мА Примечание: Продолжительность работы контроллера при питании от аккумулятора определяется емкостью аккумулятора и величиной тока, потребляемого внешними устройствами. 2.2 Изделие рассчитано на работу в следующих климатических условиях: 2.2.1 Температура окружающего воздуха…………………………………… от +5 °С до +40°С 2.2.2 Относительная влажность воздуха………………...………………..…...70% (при +25°С) 2.2.3 Атмосферное давление...………...………………..……………...от 650 до 800 мм рт. ст. 3 2.3 Для питания внешних устройств контроллер имеет выходы «+ U», с выходным напряжением от 10,0 до 14,5 В (в зависимости от используемого источника питания). 2.4 Максимальный ток по выходу «+ U» - 1,8А (при питании контроллера от блока питания «Кронверк БП»). 2.5 Контроллер сохраняет работоспособность при воздействии электромагнитных помех 2 степени жесткости по ГОСТ Р 50009-2000. 2.6 Напряжение радиопомех, создаваемых контроллером, соответствует нормам, установленным ГОСТ Р 50009-2000, для устройств, эксплуатируемых в жилых помещениях или подключаемых к их электрическим сетям. 2.7 Длительность работы контроллера от резервного аккумулятора емкостью 7,2 А/ч без дополнительных внешних устройств (считывателей, исполнительных механизмов и т. п.) – не менее 30 ч. 2.8 При полном отключении питания контроллера и последующем включении, контроллер сохраняет установленные ранее режимы и конфигурацию. 2.9 Ток, потребляемый контроллером при питании от резервного источника без дополнительных устройств - не более 110 мА. 2.10 Среднее время наработки контроллера на отказ – не менее 40000 ч. 2.11 Средний срок службы контроллера – не менее 8 лет.
Устройство и принцип действия изделия. Контроллер “Кронверк СМ-Т” функционирует в составе СКУД «Кронверк», работающей под управлением программного обеспечения «Кронверк - Профессионал». Структурная схема системы приведена на рис. 1. Рис.1. Сеть контроллеров СКУД “Кронверк”. При помощи компьютера осуществляется задание параметров функционирования контроллеров, в контроллеры загружаются списки пропусков и т.п. По этой же магистрали осуществляется мониторинг состояния контроллеров и передается информация о произошедших событиях. Принятый считывателем код карты доступа поступает в контроллер “Кронверк СМ-Т”, где проверяются права карты и, если проход обладателя карты разрешен, осуществляет разблокировку исполнительного механизма (или блокировку исполнительного механизма, если проход обладателю данной карты запрещен). Факт прохода фиксируется по срабатыванию датчика прохода. Сообщение о проходе обрабатывается контроллером “Кронверк СМ-Т”. Порядок работы контроллеров в составе системы приведен в документе: «Система контроля и управления доступом Кронверк - Профессионал. Руководство по эксплуатации».
Что такое OPC-сервер и как его использовать?
Если сказать доступным языком, OPC-сервер - это программа работающая с протоколом OPC. Прочитать о том что такое OPC протокол можно на многих ресурсах (напрмер: wikipedia ) для этого можете воспользоваться поисковиком и результат не заставит себя ждать. Его главное предназначение опрашивать контроллер (адреса памяти) по протоколу OPC и передавать данные полученные от контроллера на верхний уровень (например, в SCADA InTouch) Описи сервер устанавливается на ПК который подсоединен физически к контроллеру. На нашей практике преобладает передача данных по Ethernet. В этом случае в корзине контроллера должен быть установлен коммуникационный модуль Ethernet, если же нет возможности установки модуля Ethernet, то используют стандартный порт контроллера RS 232 или RS 485 которые в большинстве случаев располагаются на процессорном модуле. При необходимости в некоторых случаях используют преобразователи интерфейсов.
Рисунок 1 – Схема обмена данными по Ethernet с помощью OPC-сервера.
Рисунок 2 – Схема обмена данными через преобразователь интерфейса с помощью OPC-сервера.
Если Вы желаете по практиковаться, то рекомендуем вам начать знакомство с KEPServerEX, для понимания принципа работы Вам не понадобится подключать контроллер, KEPServerEX поддерживает режим симуляции входных сигналов. Производители промышленных контроллеров предлагают свои OPC-сервера:
Дополнительно скачать статьи одним архивом zip:
1. OLE for Process Control – свобода выбора (В статье рассматривается OLE for Process Control (OPC) — основной стандарт взаимодействия между программными компонентами современных систем сбора данных и управления (SCADA). Обсуждаются основные концепции стандарта, а также вопросы производительности и разработки OPCCсерверов.) 2. Система сбора и отображения информации с использованием ОРС и Интернетттехнологий (Авторы делятся опытом построения иерархической системы сбора и отображения информации «eXtenderOPC» с использованием SCADA GENESIS32. В качестве примера объектов внедрения в статье рассматриваются узлы учета нефти ОАО «Сибнефтепровод», являющегося подразделением акционерной компании «Транснефть». Показаны гибкость и новые возможности системы, появившиеся благодаря использованию ОРС и Интернетттехнологий.) 3. Система управления технологическим процессом приёмки нефти и отображения информации на базе ОРСС и Web-технологий (Рассматривается построение системы управления технологическим процессом, а также сбора и отображения информации с использованием SCADAAсистемы GENESIS32 и OPCCмашрутизатора SplitOPC на примере ПСП «Михайловка» ОАО «РИТЭК».) 4. Создание распределённых систем сбора данных на основе стандарта OPC (В статье рассматриваются вопросы, связанные с реализацией сложных, территориально распределённых систем сбора данных и управления на основе промышленных стандартов. В качестве одного из вариантов предлагается универсальное решение, построенное на базе стандарта OPC.) 5. Новые технологии работы с данными ОРС (В статье рассмотрены основные преимущества работы SCADAAсистем с данными ОРС, особенности и некоторые недостатки существующих протоколов передачи данных. Иллюстрация возможностей и решений осуществляется на базе новой версии пакета GENESIS32 V9 фирмы Iconics.) |
Сравнительный анализ протоколов Fieldbus
главная - технологии - промышленные сети - fieldbus
В промышленной автоматике обычно используют стандарт 4-20 мА для передачи значений измеряемых переменных процесса с заводского уровня в операторскую. Несмотря на то, что сложные распределeнные системы управления играют всe: большую роль в автоматизации производства, связь приборов с контроллерами по прежнему выглядит как соединение "точка-точка". Однако в последние годы всe: более широко распространяется концепция внедрения локального интеллекта в промышленные приборы и обеспечения связи между равноправными узлами сети. Успех этого подхода зависит от коммуникационной сети, которая связывает устройства, расположенные на объектах управления. Недавно были разработаны несколько запатентованных сетей, широко известных под названием "системы fieldbus". Настоящая статья посвящена углубленному сравнительному изучению трeх перспективных протоколов fieldbus, а именно : Controller Area Network (CAN), Process Fieldbus (PROFIBUS) и Field Instrumentation Protocol (FIP). Исследуются основные характеристики этих сетей (реакция в реальном масштабе времени, работоспособность, пригодность для управления процессом). Проведe:нные исследования показывают, что Profibus и FIP - сильные соперники в приборном оснащении технологических процессов. В то время, как в FIP реализуются новые концепции, например разделение пропускной способности шины, путe:м выделения интервалов времени при использовании синхронизированных тактовых генераторов, Profibus основывается на обычной передаче маркера с циклическим информационным обслуживанием для удовлетворения потребностей в реальном времени. Изучение затрат на внедрение показывает, что протоколы Profibus могут быть реализованы с незначительным дополнительным оборудованием, поскольку основная передача данных асинхронна и ведe:тся осимвольно. Что касается CAN, то они прекрасно подходят там, где требуется весьма незначительное время ожидания (порядка 5 мс) и необходимо соединить большое число при малых издежках.
Введение Одним из важнейших компонентов "завода будущего" является иерархическая система сетей, связывающая различные блоки системы на нескольких иерархических уровнях. Сеть fieldbus связывает промышленные приборы (сенсоры, исполнительные механизмы, устройства ввода-вывода и локальные регуляторы) на производственном уровне. Она обладает новыми функциями, такими, как автоматическая калибровка промышленных приборов, самотестирование, загрузка в память значений параметров, конфигурирование, диагностика в реальном времени, предварительное вычисление измеряемых величин, мониторинг сети и т.д. Подобные сети снижают расходы на кабели и улучшают доступ к оборудованию. Ожидается, что fieldbus будет использоваться в самых разнообразных областях. Пользователи из различных отраслей промышленности по-разному представляют себе, какой должна быть система fieldbus и что она должна делать. В любом случае fieldbus должна обеспечивать выполнение критичных ко времени операциий. Следовательно, интеллектуальные промышленные приборы увеличивают рабочую нагрузку fieldbus по мере возрастания числа их функций. Инженер на производстве нередко оказывается перед проблемой выбора того или иного из существующих решений системы fieldbus. Чтобы сделать правильный выбор, ему необходима информация, позволяющая сравнивать характеристики существующих систем. Подобную информацию обычно невозможно найти в технических характеристиках и стандартах, поскольку они либо слишком специализированны, либо, напротив, имеют весьма общий характер, но непригодны для непосредственного сравнения. В данной работе предлагается детальный обзор наиболее важных систем fieldbus, уже внедрe:нных в промышленность.
Общие требования к системе fieldbus Fieldbus - это полностью цифровая двунаправленная многоточечная коммуникационная система, используемая для связи приборов на объектах с системами в операторской. В число приборов на объектах могут входить трансмиттеры, регулирующие и отсечные клапаны, двигатели, насосы, весы, устройства считывания штрих- кода, мультиплексоры, многоканальные регуляторы, программируемые логические контроллеры, портативные устройства связи и т.п. Одно из самых основных свойств системы fieldbus состоит в том, что она поддерживает двунаправленную связь со множеством переменных величин. Физически в fieldbus могут использоваться три вида топологий межсоединений: двухточечная, древовидная и моноготочечная. Для соединения нескольких низкоскоростных систем fieldbus с высокоскоростной могут служить устройства сопряжения (мосты). Тип используемых средств зависит от приложения. Витая пара - наиболее дешe:вое средство, широко применяемое и удобное для установки. Оптоволоконные средства обеспечивают защиту от электромагнитных помех. Избыточность кабелей представляется необходимой, но способность продолжать работу в случае любых возможных отказов намного важней. Весьма значима также гальваническая изоляция, поскольку плохая изоляция между сенсорами может стать причиной серьe:зных проблем. В большинстве случаев сеть fieldbus должна подводить электропитание к связываемым ею приборам. Важным фактором является техника безопасности на определe:нных видах производств, в частности в горном деле. Среднее число приборов, присоединe:нных к сети может колебаться от 50 до 200 при длине сети 100 1000 м. Помимо физического соединения приборов сеть должна обеспечивать выполнение следующих функций:
взаимодействие оборудования, поступившего от различных изготовителей
простое добавление и удаление устройств
отсоединение устройства для проведения ремонта и последующее его включение в сеть, при которых не создаются помехи для работы других устройств и пользовательской задачи, а также не оказываются воздействия на динамику всей сети
сигнализацию о том, что промышленный прибор вышел из строя или находится в ремонте
возможность проверки всего комплекса оборудования из заданной точки или из всех точек сети
способность определять текущее состояние любого присоединe:нного устройства с помощью специального устройства сети fieldbus
возможность устройств сети fieldbus подавать запрос на самоконтроль прибора, обнаруживать в сети новое устройство, подавать запрос на идентификацию прибора
простую модификацию процесса, физическое добавление или удаление приборов при незначительной модификации пользовательского программного обеспечения
На пользовательском уровне система fieldbus должна обладать:
возможностью пересылать циклические и ациклические данные
двумя или четырьмя уровнями приоритетов для сообщений
способностью: считывать и записывать значения переменных в режимах "точка-точка", групповом или широковещательном
приводить в действие исполнительные устройства
определять текущее состояние сенсоров и их возбуждения
запоминать конфигурацию устройств
проводить точную идентификацию прибора
синхронизировать работу двух станций
Каждая система fieldbus должна, таким образом поддерживать общую Службу сообщений fieldbus (FMS), чтобы обеспечивать выполнение перечисленных пользовательских требований. Спецификации fieldbus должны поддерживать также временно присоединe:нные устройства, такие как портативные терминалы (HTT) для калибровки. Горизонтальный информационный поток в fieldbus характеризуется главным образом передачей коротких сообщений в заданное время. Интеграция fieldbus в глобальную среду должна быть возможна для вертикальных информационных потоков, направленных на диспетчерский уровень. Большая часть горизонтальных информационных потоков будет в основном циклического типа с временем цикла длиной 0,25..2 с с типичной длиной 1..5 байт на одно присоединe:нное устройство, с задержками в передаче сообщений порядка 100 мс. Приведeнные цифры достаточно типичны. Требования тем не менее широко различаются для разных типов производств и особо строги для ядерных объектов.
Типичные стандарты Идея объединения в сеть устройств, расположенных на уровне объектов управления столь же стара, как и идея распределe:нных вычислений. Несколько производителей разработали свои собственные стандарты и имеют реализованные технические решения. На сегодняшний день на рынке насчитывается по меньшей мере 10..15 систем fieldbus, некоторые из которых являются национальными стандартами и борются за право стать международными. С начала 1991 г. два коллектива работают совместно для разработки международного стандарта fieldbus: Подкомитет SP50 Приборостроительного общества Америки (ISA) и Группа по стандартизации SC65CWG6 Международной электротехнической компании (IEC).
Система Profibus. Несколько университетов и промышленных компаний ФРГ разработали национальный стандарт системы PROFIBUS-DIN 19245. Стандарт определяет необходимые функции, позволяющие пересылать данные между устройствами, изготовленными различными производителями. Физический уровень, уровень каналов передачи данных и управление системой fieldbus для обоих уровней определены в стандарте DIN 19245, ч 1 (1). Спецификации сообщений fieldbus (Fieldbus Message Specification- FMS), аналогичные Спецификациям производственных сообщений (Manufacturing Message Specification MMS); интерфейс нижнего уровня (Lower Layer Interface LLI) и управление системой fieldbus на седьмом уровне определены в DIN 19245, ч.2 (2). Этот стандарт нацелен на реализацию протокола с помощью одной коммерчески доступной интегральной схемы, содержащей однокристальный микроконтроллер и внутренний универсальный синхронный приe:мопередатчик, что минимизирует стоимость взаимного соединения устройств, расположенных на объектах. Сеть содержит ведущие и ведомые станции. Ведущая станция может управлять системой и передавать сообщения, когда она имеет право доступа (маркер). В отличие от нее ведомая станция может лишь подтверждать полученное сообщение или пересылать информацию по удалe:нному запросу. Маркер циркулирует по логическому кольцу, образованному ведущими станциями. Таким образом, может быть реализована либо централизованная система, либо система, полностью работающая в режиме точка-точка , либо гибридная. Скорость передачи лежит в диапазоне от 9,6 Кбит/с до 2 Мбит/с. Для критичных ко времени задач рекомендуется система с 32 ведущими станциями. Возможна как ациклическая, так и циклическая передача данных с 255 байтами в кадре.
Система FIP (6) FIP представляет собой многопрофильную систему реального времени для управления процессами и комплексных автоматизированных производств (CIM). Проект FIM поддерживается Минестерством промышленности Франции и более чем 80 европейскими компаниями. При помощи широкополосного канала связи могут быть соединены до 256 станций, расположенных на расстоянии до 2 км. Используются как витые пары, так и оптоволокно. Скорость передачи данных лежит в пределах от 31,25 Кбит/с до 2,5 Мбит/с. Связь не строится по принципу связи источника с приe:мником. Адрес источника представляет собой имя точно идентифицированного объекта. Например, измеряемая прерменная процесса это объект. Все технологические объекты, подключенные к сети, знают и называют объект по его уникальному имени. Арбитр сети посылает объект в предписанном порядке в организованный список. Система FIP имеет главным образом периодический трафик. Апериодические информационные сообщения типа событий передаются в виде обмена запросами, сопровождающими циклическую передачу данных, с апериодическим открытием окон апериодической передачи данных. FIP это система fieldbus, функционирующая как распределe:нная база данных реального времени. Временная и пространственная непротиворечивость данных гарантируется благодаря локальным считыванию и записи данных, о чeм будет сказано далее.
Система CAN (3,4) CAN представляет собой протокол последовательной связи, эффективно поддерживающий распределe:нное управление в реальном времени с очень высоким уровнем защиты. Система имеет широкий диапазон применений: от высокоскоростных сетей до недорогого уплотненного монтажа. Данный стандарт приобрe:л популярность в автомобильной электронике, где различные подсистемы связываются между собой c помощью CAN при скорости передачи 1 Мбит/с. Информация посылается по каналу в виде сообщений фиксированного формата. Узел CAN не использует какой-либо информации о конфигурации системы (адрес станции). Содержанию сообщения присваивается имя (идентификатор). Идентификатор не указывает на само сообщение, но описывает содержащуюся в нем информацию. Таким образом, все узлы сети могут решать, фильтруя сообщения, должна ли обрабатываться на них эта информация или нет. Как следствие из концепции передачи сообщения, любое число узлов может получать и одновременно отрабатывать одно и то же сообщение. Следовательно, согласованность данных в системе достигается путем группового использования данных и обработки ошибок. Всегда, когда канал свободен, любой узел сети может начать передачу сообщения. Конфликты в системе разрешаются с помощью поразрядного арбитража. Во время арбитража каждый передатчик сравнивает уровень переданного бита с уровнем бита в канале. Когда посылается рецессивный уровень, а обнаруживается доминантный, блок считается проигравшим арбитраж и должен быть отозван без посылки бита. Общее число блоков, которое может быть охвачено сетью CAN, ограничено лишь временем задержки и электрической нагрузкой линии связи.
Сравнительное изучение В данном разделе проводится детальное сравнение всех аспектов полного протокола.
Многоуровневая структура Каждый сетевой протокол обычно сравнивают с многоуровневой ISO-моделью и между ними устанавливают соответствие. Систему PROFIBUS можно прямо свести к ISO-модели с пустыми уровнями 3. Аппаратура, канал передачи данных и управление определены в разделе 1; FMS, LLI и управление уровнем у в разделе 2. Канальный уровень делится на подуровни Medium Access Control -MAC (уровень доступа в среду) и Fieldbus Logical Control - FLC (логическое управление fieldbus). MAC обеспечивает протокол доступа в гибридную среду. FMS описывает объекты связи, сервис и соответствующую модель с точки зрения партнера по коммуникации. Основными задачами LLI являются организация отображения FMS и FMA** на FDL***, установление связи, отключение, диспетчеризации связи и управление потоками, FMA выполняет контекстное конфигурирование и исправление ошибок. Система CAN имеет трехуровневую структуру: физический уровень, уровень пересылки и объектный уровень. Уровень пересылки воспроизводит сообщения, получаемые на объектном уровне, и принимает сообщения, которые следует передать на объектный уровень. Уровень пересылки ответствен за битовое тактирование и синхронизацию, кадрирование сообщений, арбитраж и т.д. Объектный уровень занимается фильтрацией сообщений, а также обработкой статуса и сообщений. Система FIP является также трехуровневой моделью с физическим уровнем, уровнем передачи данных и уровнем приложений. Уровень передачи данных отвечает за все функции управления в реальном времени, а именно: за выбор в реальном времени циклов сканирования, подтверждение управления качеством и передачи переменной, связность элементов распределенной базы, синхронизированное квантование и управление, выбор множества диспетчерских услуг без внесения помех в трафик реального времени и т.д.
Физический уровень
Среда Система PROFIBUS определяет в качестве среды лишь экранированную витую пару с характеристическим импедансом 100...130 Ом. Длина кабеля не превышает 1200 м. Длина линии и число связанных станций могут быть увеличены путем установки повторителей (не более трех). Кабель шины должен оканчиваться так, как это описано в стандарте EIA RS-485. Каждая станция, предназначенная для окончания линии, должна обеспечивать напряжение +5В на контакте б сетевого соединения и ток не менее 10 мА. Система FIP поддерживает как витую пару, так и оптоволоконные средства передачи. Максимальное расстояние между узлами может составлять 2 км при 256 станциях в сети. В CAN не определяются характеристики драйвера/приемника и среды, что позволяет оптимизировать в соответствии с применением среду передачи и реализацию уровня сигналов.
Метод передачи В системе PROFIBUS каждый бит кодируется без возвращения к нулю и передается дифференциальным напряжением. Во время периода молчания незаземленная дифференциальная линия переводится оконечным устройством в единицу. Она передает данные как символ- ориентированные. Система FIP передает код и информацию таймера, кодируя их посредством Manchester II. Скорости передачи данных определены равными 31,25 Кбит/с, 1 и 2,5 Мбит/с. Арбитраж в FIP основан на назначении ременного окна каждому узлу для периодических данных и назначении окна по запросу для апериодических (рис. 2); существует необходимость глобальной синхронизации тактового генератора. Аналогично в CAN осуществляется передача двух взаимно дополняющих логических значений: рецессивного и доминантного. При одновременной передаче доминантного и рецессивного битов результирующий канал будет доминантным. Для аппаратной реализации логического "И" используется логический "О". Бит кодируется без возвращения к нулю. Время передачи каждого бита делится на не перекрывающие друг друга сегменты: синхронизацию, прохождение, фазы / и 2. Сегмент синхронизации используется для синхронизации различных узлов системы. Предполагается, что фронт импульса лежит внутри этого сегмента. Сегмент прохождения служит для компенсации времени физической задержки. Он равен удвоенной сумме времени прохождения сигнала по линии. Фазовые сегменты используются для компенсации фазовой ошибки фронта импульса. Эти сегменты можно укоротить или удлинить. Уровень канала считывается в конце фазы. Все контроллеры CAN синхронизируют на старте кадра. Таким образом, необходим типичный допуск на генератор, составляющий 1,58 % при скорости передачи информации по каналу, равной 125 Кбит/с. Поскольку системы FIP и CAN работают при глобальной синхронизации тактовых генераторов, им в отличие от PROFIBUS требуются жесткие допуски на частоту тактовых генераторов.
рядом протоколов, среди которых наиболее известны два: протокол автоматизации производства (ManufacturingAutomationProtocol, MAP, фирмы GeneralMotors) и протокол технического и административного учреждения (Technical Office Protocol, TOP, фирмы Boeing). Для более низких уровней (field level), т.е. уровней промышленных контроллеров, датчиков и исполнительных механизмов, стандартной информационной системы не существует. Эта область развивается сейчас благодаря усилиям отдельных компаний или их групп [2]. Любая производственная технология представляет собой набор отдельных шагов: от обработки сырья до организации системы хранения продукции, и все эти операции должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием "промышленные сети" (FieldBus, или "полевая" шина). Промышленная сеть должна решать две основные задачи: обеспечивать совместимость на уровне сети приборов от разных производителей; обеспечивать выход в коммерческие системы обработки данных (MAP или ТОР). Объединение в одну цифровую сеть нескольких устройств - это только начальный шаг к эффективной и надежной работе системы связи между ними. В дополнение к аппаратным требованиям предъявляется также ряд программных требований. Там, где системы связи или сети гомогенные (однородные), то есть объединяют устройства от одного производителя, эти проблемы решены. Но когда речь идет о построении сети из устройств различных производителей, эти задачи обретают множественный характер. Уникальные системы (продукт и поддержка одного производителя) работают по уникальным протоколам связи. Они получили название "закрытых систем" (closed/ proprietary systems). "Открытые системы" (open systems) приводят в соответствие специфические требования интересам всех. Большинство промышленных сетей поддерживают 1, 2 и 7-ой уровни OSI-модели: физический уровень, уровень передачи данных и прикладной уровень. Все другие уровни (сетевой, транспортный, сеансовый, представления данных), как правило, избыточны. Все, что находится выше 7-го уровня модели, это задачи, решаемые в прикладных программах. Физический уровень (Physical Layer) обеспечивает необходимые механические, функциональные и электрические характеристики для установления, поддержания и размыкания физического соединения. Похожая статья: Использование сети Интернет при обучении иностранному языку Уровень передачи данных (Data Link Layer) гарантирует передачу данных между устройствами. Этот уровень управляет не только сетевым доступом, но также механизмами защиты и восстановления данных в случае ошибок при передаче. Прикладной уровень (Application Layer Inferface) обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных. Как исключение существуют протоколы промышленных сетей, реализующие все семь уровней OSI-модели, например LonWorks. Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого объединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся одна от другой по трем основным критериям: режиму доступа к сети; средствам контроля передачи и восстановления данных; возможности изменения числа узлов сети. Основные топологии - это звезда, кольцо и шина. Сравнение этих топологий представлено в таблице 1. В структуре топологии типа "звезда" вся информация передается через центральный узел, так называемый обрабатывающий компьютер. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения. Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Преимущество этой структуры в том, что никто кроме центрального узла не может влиять на среду передачи. Таблица 1 Сравнительные характеристики основных топологий Характеристики Тип топологии звезда кольцо шина Режим доступа Доступ и управление через цен-тральный узел Децентрализованное управление. Доступ от узла к узлу Централизованный и децентрализо-ванный доступ Надежность Сбой централь-ного узла – сбой сети Разрыв линии связи приводит к сбою сети Ошибка одного узла не приводит к сбою сети Расширяемость Ограничено числом физических портов на центральном узле Возможно расширение числа узлов, но время ответа снижается Однако центральный узел должен быть исключительно надежным устройством как в смысле логического построения сети (отслеживание конфликтных ситуаций и сбоев), так и физического, поскольку каждое периферийное устройство имеет свой физический канал связи и, следовательно, все они должны обеспечивать одинаковые возможности доступа. Дополнительное устройство может быть включено в сеть только в том случае, если организован порт для его подсоединения к центральному узлу. В структуре типа "кольцо" информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник копирует данные, регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом. В кольце не существует определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего контроллера на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а следовательно, и к остановке всех передач. Чтобы этого избежать, необходимо включать в сеть автоматические переключатели, которые берут на себя инициативу, если данное устройство вышло из режима нормальной работы. То есть они позволяют включать/выключать отдельные узлы без прерывания нормальной работы. В структуре "шина" все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или шине. В отличие от "кольца" адресат получает свой информационный пакет без посредников. Похожая статья: Методическая разработка «Рисунок как средство диагностики психического развития дошкольников в условиях ДОУ» Процесс подключения дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии "звезда". Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи. Существуют два метода регулирования такого доступа, известного еще под термином "шинный арбитраж": "фиксированный мастер" (централизованный контроль шины): доступ к шине контролируется центральным мастер-узлом; "плавающий мастер" (децентрализованный контроль шины): благодаря собственному интеллекту каждое устройство само определяет регламент доступа к шине. Основными преимуществами промышленных сетей являются недорогие линии и надежность передачи данных. Данные передаются последовательно бит за битом, как правило, по одному физическому каналу (одному проводнику). Такой режим передачи не только экономит кабельное оборудование, но и позволяет решать задачи по надежной передаче данных на большие расстояния. Время передачи, однако, увеличивается пропорционально длине битовой строки. Широко используемый стандартный интерфейс RS-232C обеспечивает работу стандартного оборудования передачи данных между модемами, терминалами и компьютерами. Электрически система основана на импульсах 12В, кодирующих последовательности "0" и "1". Механически этот стандарт определяет 9- и 25-контактные разъемы. Основные сигналы передаются по линиям "передача/прием" данных. Скорость передачи выбирается из диапазона от 50 до 38400 бод. Остальные сигнальные линии передают статусную информацию коммутируемых устройств. Симметричный интерфейс RS-422 использует дифференциальные сигнальные линии. На приемном конце используются две информационные линии и линия заземления. В основе кодирования передаваемых/ принимаемых данных лежит принцип изменения напряжения на сигнальных линиях. Реализованный принцип кодирования делает этот стандарт устойчивым к внешним возмущениям. Использование данного стандарта позволяет значительно удлинять физические линии передачи данных и увеличивать скорость. С помощью интерфейса RS-422 можно строить и шинные структуры. Интерфейс RS-485 соответствует спецификации симметричной высокоскоростной передачи данных, описанной в американском стандарте IEA RS-485. Максимальная длина варьируется от 1,2 км на скорости до 90 кбод и до 200 м на скорости до 500 кбод. В таблице 2 приводятся сравнительные характеристики этих трех стандартных физических интерфейсов. Кроме типа физического интерфейса при построении промышленной сети не менее важно учитывать особенности и ограничения физической среды передачи данных. Таблица 2 Сравнительные характеристики стандартных физических интерфейсов Характеристика Интерфейс RS-232C RS-422 RS-485 Максимальное число приемников/передатчиков на линии 1/1 1/10 32/32 Максимальная длина линии (без повторителей), м 15 1220 1220 Максимальная скорость передачи, кбод 38,4 90 90…500 В таблице 3 приведены оценочные данные, сравнивать по которым можно основные типы сред передачи по ряду критериев. Таблица 3 Сравнительные характеристики различных сред передачи данных Характеристика Витая пара Радио-канал Коаксиаль-ный кабель Опто-волокно Типовой диапазон 1…103 50…104 10…104 10…104 Скорость передачи, кбод 0,3…2000 1,2…9,6 300…104 1…104 Если несколько устройств коммутируются между собой через общую линию связи (шину), то должен быть определен ясный и понятный протокол доступа к ней. Существуют два метода упорядоченного доступа: централизованный и децентрализованный. Именно по этой причине децентрализованный контроль с переходящими функциями Мастера от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее развитие. Здесь права мастера назначаются группе устройств сети. Приняты и используются две модели децентрализованного доступа: модель CSMA/CD (например, Ethernet) как стандарт IEEE 802-3; модель с передачей маркера как стандарт IEEE 802.4 (Token Passing Model). Для совместной работы сетей типа CSMA/CD и Token Model необходим так называемый межсетевой шлюз. Решение доступа к шине методомMASTER-SLAVE находит свое применение как на контроллерном уровне (field level), так и на уровне датчиков и исполнительных механизмов (sensor/actuator level). Право инициировать циклы чтения/записи на шине имеет только MASTER-узел. Он адресует каждого пассивного участника (SLAVE node), обеспечивает их данными и запрашивает у них данные. Наиболее известным механизмом управления локальной сетью шинной конфигурации является метод множественного доступа с контролем шины и обнаружением конфликтов, так называемый случайный метод доступа к шине CSMA/CD (CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection). Широко известная реализация этого метода - спецификация Ethernet. Все станции на шине имеют право передавать данные. Каждая из них постоянно прослушивает шину. Если шина свободна, любой из участников сети может занять шину под свой цикл передач. Если несколько станций претендуют на шину одновременно, это приводит к так называемому конфликту (коллизии), тогда все "претенденты снимают свою заявку". Затем каждый из участников включает некий случайный генератор, который задает случайный интервал ожидания до следующего момента запроса шины. Метод CSMA/CD получил широкое распространение в офисных системах и наиболее эффективен в условиях относительно низкой общей загрузки канала (менее 30%). В условиях большей загрузки канала выгоднее использовать сети, реализующие модель с передачей маркера. Метод передачи маркера TTPM(TheTokenPassingMethod) обеспечивает право доступа к шине в цикле от устройства к устройству. Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на стадии планирования системы. Этот метод предлагает каждому участнику сети "справедливое" разделение шинных ресурсов в соответствии с их запросами. Принцип передачи маркера используется в системах, где реакция на события, возникающие в распределенной системе, должна проявляться за определенное время. Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев: объем передаваемых полезных данных; время передачи фиксированного объема данных; удовлетворение требованиям задач реального времени; максимальная длина шины; допустимое число узлов на шине; помехозащищенность; денежные затраты в расчете на узел. Часто улучшение по одному параметру может привести к снижению качества по другому, то есть при выборе того или иного протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности. В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня: Field level (промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров); Sensor/actuator level (задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механизмов). Другими словами, необходимо различать промышленные сети для системного уровня (field busses) и датчикового уровня (sensor/actuator busses). Сравнение этих двух классов в самом общем виде приведено в таблице 4. На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов довольно широк. Область их применения лежит на одном из двух уровней. Типичные представители открытых промышленных сетей: PROFIBUS (ProcessFieldBus) и BITBUS. Типичныеоткрытыесенсорные (датчиковые) сети: ASI (Actuator/Sensor Interface), Interbus-S, PROFIBUS-DP (Profibus for Distributed Periphery) и SERCOS interface. Таблица 4 Характеристики промышленных сетей типов Fieldbus и Sensorbus Характеристика Fieldbus Sensorbus Расширение сети, м 100...1000 &#;100 Время цикла, с 0,01...10 0,001...1 Объем передаваемых данных за цикл, байт 8...1000 1...8 Доступ к шине Фиксиров./ свободный Свободный Типичныеоткрытыесетидляобоихуровнейприменения: CAN (Controller Area Network), FIP (Factory Instrumentation Protocol) и LON (Local Operating Network). На рисунке 1 представлена обобщенная сетевая структура, показывающая в общем виде возможное использование того или иного протокола на определенных уровнях условного промышленного предприятия. Заключение В связи с проведенным анализом можно сделать вывод целесообразности применения таких видов сетей, как CAN, FIP, LON, для создания надежной и высокотехнологичной системы мониторинга и управления процессами добычи и транспортировки нефти, а также состоянием нефтедобывающего оборудования. Рисунок 1. Уровни связи и типовые промышленные сети в автоматизации Пожалуйста, не забудьте правильно оформить цитату: Губанов А. И. Промышленные сети для диагностики и управления [Текст] / А. И. Губанов, А. Б. Николаев // Молодой ученый. — 2011. — №4. Т.3. — С. 14-18.
Топологии сети на полевом уровне Еще десять лет назад большинство датчиков полевого уровня подключались напрямую к ПЛК или другим контроллерам посредством аналогового кабеля (часто 4–20 мА пост. тока). В системах сбора данных датчики были индивидуально жестко подключены, а мультиплексирование аналоговых сигналов было дорогим решением и использовалось только тогда, когда шла речь о передаче данных на очень большие расстояния. Иногда системы сбора данных даже не были подключены к главной системе. Полевой уровень Оборудование полевого уровня включает в себя датчики, передатчики, переключатели, клапана, двигатели и приводы. В обычной системе все эти устройства были интегрированы по отдельности, часто даже разными инженерами. Инженера-механики обычно отвечают за клапана, двигатели и приводы, в то время как инженера по системе управления работают с преобразователями, датчиками и передатчиками. Иногда в процессе разработки общей системы они даже не пересекаются. Такой подход не вызывал проблем пока каждое устройство полевого уровня передавало данные напрямую другому устройству, например, контроллеру или системе HMI. За последние десять лет развития, ориентированного на расширение сети, они представляют собой просто устройства, подключаемые к коммутаторам, контроллерам, системам HMI и многим другим «узлам сети» Устройства – что это такое? Во времена аналоговых сенсоров устройства не выполняли никаких дополнительных функций. Их работа заключалась в том, чтобы получить значение и передать сигнал передатчику или контроллеру. Датчик скорости, датчик приближения, датчик уровня pH или другие подобные устройства вырабатывают сигнал при взаимодействии с процессом. Иногда эти электрические сигналы даже не выражены в технических единицах измерения. Сигнал поступает к другому устройству, например, передатчику или контроллеру, которые имеют достаточные ресурсы, чтобы обеспечить питание датчика, передачу сигнала, а также осуществить преобразование электрического сигнала в технические единицы измерения. ператоры извлекали данные при помощи ноутбука или другого портативного устройства, а затем передавали данные в главную систему вручную. Датчики при этом подключались напрямую к входам и выходам ПЛК, то есть один сенсор подключался одним набором проводов к одному клеммному терминалу ПЛК. При этом ПЛК в основной массе представляли собой неавтономные устройства. Для передачи данных ПЛК использовали последовательный интерфейс, например, RS-232 или RS-485. Контроллеры «высокого» уровня могли подключаться к системе HMI посредством сети Modbus. Тем не менее, примерно в это же время сетевые технологии перешли от офисных систем и предприятий в область промышленной автоматизации в том числе на нижний уровень. Сначала это была сеть Modbus, затем многоточечная сеть RS-485, затем Modbus RTU по RS-485 и, наконец, Ethernet. Многие годы предприятия не спешили использовать сети Ethernet из-за их недетерминированного характера. Это означает, что в случае высокой нагрузки в сети доставка некоторых пакетов данных может значительно затянуться. По словам экспертов, это могло бы привести к поломке оборудования, сбою в системе и, возможно, даже к травмам. Однако изобретение коммутатора, а после и управляемого коммутатора Ethernet, изменило ситуацию. И хотя сеть Ethernet по прежнему является недетерминированной, хорошо спроектированная сеть имеет очень малую вероятность сбоя в случае работы с большими потоками данных. Некоторые типы Ethernet-сетей нашли широкое применение в промышленной автоматизации, за исключением высокоточных и высокоскоростных приложений управления перемещением. Теперь при проектировании системы сбора данных и управления разработчикам необходимо выбирать не только датчики, устройства управления и контроллеры, но и тип и топологию сети. При этом необходимо учитывать три важные составляющие. Во-первых, это сеть – транспортная составляющая. Сеть состоит из узлов. Эти узлы могут быть конечными точками, например устройствами, разъемами, коммутаторами или концентраторами, а также шлюзами данных и преобразователями протоколов. Следующая составляющая, это среда которая соединяет узлы сети. Среда может быть проводной и беспроводной. Третья составляющая, это протокол . Протокол позволяет беспрепятственно передавать кодированные данные от узла к узлу по сети. Топология помогает нам визуализировать сеть и ее соединения. Топология относится как к физической сети (провода, концентраторы, коммутаторы, устройства и т. д.), так и к логической сети со всеми ее взаимосвязями. Топологии сети на полевом уровне Еще десять лет назад большинство датчиков полевого уровня подключались напрямую к ПЛК или другим контроллерам посредством аналогового кабеля (часто 4–20 мА пост. тока). В системах сбора данных датчики были индивидуально жестко подключены, а мультиплексирование аналоговых сигналов было дорогим решением и использовалось только тогда, когда шла речь о передаче данных на очень большие расстояния. Иногда системы сбора данных даже не были подключены к главной системе. 124 | 3/2014 (41) | СФЕРА. НЕФТЬ И ГАЗ о
Устройства могут взаимодействовать между собой Как только сенсоры и другие полевые устройства стали оснащаться микропроцессорами, они стали «умными». Они получили возможность обмена информацией с главными компьютерами посредством цифровых данных, а также с другими устройствами полевого уровня напрямую. Как только подобные устройства стали широко использоваться в промышленной автоматизации главным условием встало наличие у них взаимосвязи между собой, а также с контроллерами и другими приборами. Такая взаимосвязь является достаточно сложной структурой, визуальное отображение которой представляет собой топологию сети. Сетевая среда Для организации сетей могут использоваться различные типы сред. При этом физическую топологию сети представляют конфигурации кабельных соединений. Выбор среды передачи данных, начиная от коаксиальных кабелей, многожильных витых пар, и заканчивая волоконно-оптическими кабелями, определяет размер, дальность и максимальную пропускную способность сети. С начала 2000-х годов к существующим средам передачи данных добавились радиочастотные каналы малой мощности, например, Wi-Fi и 802.15.4. Логическая топология сети отображает пути взаимодействия сигналов без учета физического подключения сетевых устройств и узлов. При этом, логическая топология сети не всегда совпадает с физической. Она показывает пути перемещения данных между узлами сети, а не физические соединения между самими узлами. Логическая топология сети во многом определяется применяемыми сетевыми протоколами. Сетевые протоколы Ethernet не является единственным стандартом построения сети. Сети также могут быть реализованы на базе различных стандартов начиная от Modbus RTU через многоточечный интерфейс RS-485, а также HART, Profibus, Foundation fieldbus и заканчивая стандартом беспроводных персональных сетей (WPAN). Проводные и беспроводные сети различаются средой передачи данных (провода или радиосигнал), но используют одни и те же сетевые топологии, поэтому могут сопрягаться и работать совместно в рамках сложных конфигураций. Беспроводные сети, также, как и проводные, базируются на различных протоколах. Существует по меньшей мере пять широко применяемых стандартизированных беспроводных сетевых протоколов: Zigbee, IEC62591- WirelessHART, ISA100.11a и китайский протокол WIA-PA. Все они основываются на IEEE 802.15.4 – стандарте беспроводной передачи данных малой мощности для ячеистых сетей. Стандарт IEEE 802.11xx, обычно называющийся WiFi, использует несколько радиочастот и может также использоваться в подобных топологиях. Однако, протоколы Zigbee, WirelessHART, ISA100 и WIA-PA несовместимы между собой и не могут применяться в рамках единой сети. Также существует множество нестандартизированных протоколов для беспроводных сенсорных сетей. Согласно исследованиям журнала Control magazine, порядка 30% беспроводных сенсорных сетей используют эти проприетарные протоколы и их число, по всей видимости, не собирается уменьшаться. Топологии сети Существует ограниченное число способов подключения сетевых узлов друг к другу и к общей сети. В промышленной области часто используются следующие топологии сети: линия, кольцо, ячеистая, звезда, дерево, шина. При этом важен тот факт, что эти топологии могут применяться для построения как проводных, так и беспроводных сетей. Они универсальны и независимы от используемых протоколов и типов передаваемых данных. Линия Линейная топология или «точка-точка» Линейная цепь представляет собой самую простейшую топологию сети: две узловые точки сети постоянно подключены друг к другу напрямую. Существует два типа топологии «точка-точка». Первый тип представляет собой определенное постоянное подключение – канал, который связывает две конечные точки. Двухпроводная линия от удаленного узла SCADA до центральной диспетчерской является классическим примером подобной топологии. Второй тип линейной топологии является переключаемым. Сетевое соединение «точка- точка» устанавливается по требованию в случае необходимости. Примером топологии такого типа является аналоговая телефония, а технологии передачи дискретных данных с пакетной коммутацией являются логическим расширением этого типа топологии. Кольцо Топологию сети типа кольцо можно рассматривать как линейную сеть, у которой последний узел подключен к первому, образуя кольцо. Данные передаются по кольцу только в одном направлении, при этом каждый узел сети, ретранслируя данные, выступает в качестве повторителя, усиливая сигнал. Таким образом, каждый узел сети выступает в качестве приемника и передатчика. По этой причине каждый узел является критически важным звеном. Если одна из связей в кольце будет разорвана, то данные не смогут перемещаться по кольцу и топология сети нарушится. СФЕРАНЕФТЕГАЗ.РФ | 127 Кольцо Звезда Ячеистая топология Ячеистые сети являются предшественниками сетей Ethernet и используются в промышленной автоматизации с начала 1980-х годов. Последние десять– пятнадцать лет их значимость возросла поскольку почти все стандартные международные беспроводные протоколы базируются на ячеистой топологии сети. Ячеистая сеть подчиняется закону Рида по количеству возможных подключений: n(n-1)/2. Но этот закон работает только, если ячеистая сеть является полносвязной. То есть каждый узел в сети подключен физически или логически с любым другим узлом. Это обеспечивает высокий уровень резервирования, необходимый в сенсорных сетях всех видов, поскольку пакет данных проходит путь от узла-источника к узлу-приемнику используя любой из путей ячеистой сети. Сеть стандарта IEC62591 WirelessHART является примером полносвязной беспроводной ячеистой сети поскольку все устройства данной сети, включая шлюзы данных, должны быть маршрутизаторами, при этом не допускается использование конечных устройств, которые являются только передатчиками. В частично связанной ячеистой сети некоторые узлы являются соединенными в режиме «точка-точка». Например, беспроводные протоколы стандарта IEEE 802.15.4, Zigbee и ISA100.11a, допускают подобное применение конечных устройств и прямого подключения. Это может быть реализовано только при помощи маршрутизатора, например, серии ADAM. Стоимость проводной полносвязной ячеистой сети даже с малым количеством узлов является очень высокой, однако это не относится к беспроводным сетям. Беспроводные сети можно масштабировать практически бесконечно, реализуя последовательные цепочки (Daisy-Chain) ячеистых сетей. Звезда Топология «точка-точка» является частным случаем топологии типа звезда и представляет собой одно прямое соединение центрального узла и конечной точки. Каждый узел в сети с топологией типа звезда подключен к центральному узлу, которым может выступать концентратор или коммутатор. Коммутатор обслуживает периферийные узлы так же, как сервер обслуживает клиентов. Весь трафик сети проходит через центральный узел или коммутатор. Считается, что сети с топологией типа звезда легко внедряются и просты в обслуживании. При этом звезда может иметь больше пяти лучей. К подобной сети несложно добавить еще один узел, просто подключив его физически или логически, при этом данные из нового узла будут проходить через концентратор звезды. Можно также подключить несколько звезд, соединяя в режиме «точка-точка» концентратор одной звезды с концентратором другой. Подобная структура часто называется «последовательная цепь звезд» или топология распределенной звезды. Однако, наиболее весомым недостатком топологии типа звезда является то, что концентратор или коммутатор в центре может оказаться точкой отказа. Дерево Сеть с топологией типа дерево представляет собой иерархическую структуру с как минимум тремя уровнями, которые состоят из корневого узла, подключенного к одному или нескольким узлам ниже по иерархии при помощи соединения «точка-точка». Такая структура представлена в виде ветвей дерева. Дерево является симметричным, когда каждый узел соединен с определенным числом узлов на следующем более низком уровне. Топология типа дерево хорошо масштабируема и напоминает гибридные сети. Она надежна и экономически выгодна для проводных сетей, однако для беспроводных сетей подходит в меньшей степени из-за необходимости прохождения всех узлов ветки перед тем как достичь магистрали. Подобная топология не очень подходит для сенсорных сетей из-за потенциальных задержек, однако вполне применима для сети уровня предприятия. 128 | 3/2014 (41) | СФЕРА. НЕФТЬ И ГАЗ Шина В шине, например, полевой шине, все устройства подключены к единому кабелю шины. Сигнал передается по всей длине шины пока не найдет устройство, которому он предназначается. Если адрес устройства не соответствует требуемому адресу, то данные продолжат передаваться по шине, пока не найдут принимающее их нужное устройство. Цифровые сети на базе протоколов Profibus и Foundation fieldbus, широко применяющиеся в промышленной области, также имеют шинную топологию. Шинная топология является недорогим решением, поэтому часто используется в промышленной автоматизации в качестве топологии сетей на уровне датчиков и устройств. Гибридные сетевые топологии Сети с различными топологиями могут соединяться последовательно при условии, что все узлы работают с одним и тем же протоколом или используются преобразователи протоколов. Таким образом существует возможность построения сети на базе нескольких протоколов, которая позволит обмениваться данными по проводным и беспроводным соединениям в рамках одного предприятия или завода. Вот почему гибридные сетевые топологии становятся широко распространенным решением. Например, на типовом заводе может использоваться проводная сеть Profibus, подключенная к коммутатору Ethernet, который в свою очередь подключается к шлюзу беспроводной ячеистой сети и к сети Modbus TCP/IP на базе Ethernet. И скорее всего подобные виды гибридных сетевых топологий будут в будущем только усложняться. Выбор правильной топологии сети В некоторых случаях, особенно в области промышленной автоматизации, инженер выбирает топологию, которая позволит объединить все существующие устройства. В других случаях инженер должен тщательно подобрать устройства и топологию сети, чтобы обеспечить экономически выгодное, прочное и надежное решение. Проводные сетевые топологии обычно используют протоколы на базе Ethernet, такие, как TCP/IP, Modbus TCP, Profibus/PROFINET или Foundation fieldbus. В действующих приложениях, особенно в обрабатывающей промышленности или водоочистительных системах, большинство полевых устройств подключены к сетям HART, которые могут работать с другими сетями, например Profibus и Foundation fieldbus. Кроме того, последние несколько лет сети HART могут быть реализовываться как проводные, так и беспроводные благодаря выбору стандартного протокола МЭК WirelessHART. Выбор беспроводной технологии Как правило, при построении сетевого решения инженер должен принимать во внимание тот факт, что разные сетевые топологии обладают различными характеристиками. Модули Advantech серии ADAM- 2000 поддерживают топологии сети типа звезда, дерево и ячеистую топологию. Для построения сети не требуется никакого дополнительного конфигурирования – сеть организуется автоматически исходя из расположения подключенных модулей ADAM-2000. Пользователь может выбрать необходимую топологию и установить модули ADAM-2000 в соответствие с требованиями его системы. Advantech Co., Ltd. Представительство в России тел. (495) 644-03-64 8-800-555-01-50 (бесплатно по РФ) e-mail: info@advantech.ru www.advantech.ru ШИНА Проблема шинной топологии заключается в том, что они являются достаточно дорогими в обслуживании и могут быть единственным уязвимым звеном в системе. Поэтому данная топология применяется в простых и коротких сетях, таких, как сенсорные сети или сети управления установками, ведь никто не хочет понести убытки и получить обрушение всей сети при обрыве кабеля.
Последовательные интерфейсы RS-422 и RS-485 ЗАО «Логический Элемент» Интерфейсы EIA-RS-422 (ITU-T V.ll, X.27) и EIA-RS-485 (ISO 8482) используют симметричную передачу сигнала и допускают как двухточечную, так и шинную топологию соединений. В них информативной является разность потенциалов между проводниками А и В. Если на входе приемника UA-UB>0,2 В (А положительнее В) — состояние «выключено» (space), UA-UB<-0,2 В (А отрицательнее В) — состояние «включено» (mark). Диапазон |UA-UB| +200 мВ - приемник определяет "1", когда UAB < -200 мВ - ЗАО «Логический Элемент» приемник определяет "0". Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал. Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому. Входное сопротивление приемника со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 КОм. Так как мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии. Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить к линии значительно больше 32 устройств. Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 Мбод/сек. Максимальное расстояние - 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители (репитеры)