11.Цифровые промышленные сети (цпс). Требования к цпс. Характеристики основных стандартных цпс. Иерархия асу тп и цпс.

Промышленная сеть – среда передачи данных. Включает набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих связать воедино технологическое оборудование и обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы управления.

За рубежом коммуникационная технология построения единой информационной сети, объединяющей интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы, определяется одним термином fieldbus .

Fieldbus – это не какой-то определенный протокол передачи данных и не тип сетевой архитектуры, этот термин не принадлежит ни одной отдельно взятой компании и обозначает скорее сферу применения, чем какую-либо конкретную сетевую технологию.

Fieldbus – это, во-первых, некий физический способ объединения устройств и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия.

Промышленные сети применяются на уровне устройств, обслуживающих реальный процесс производства и переработки материалов. Выход в системы представления данных, коммерческие и административные системы организуется, как правило, через стандартные офисные сети типа Ethernet через протокол TCP/IP.

С помощью промышленных сетей решаются следующие задачи:

1. автоматизация на общезаводском уровне;

2. автоматизация на уровне управления конкретными технологическими процессами.

Для решения первой задачи необходимо иметь высокую скорость передачи, короткое время реакции на события, длину сегмента линии до 300 м. Обычно на этом уровне требования по взрывозащищенности не является обязательными.

Вторая задача требует следующие качества: среднее время цикла опроса датчиков (до 100 мс), длина сегмента линии связи до 1,5 км и более, необходима реализация механизмов внутренней и внешней защиты.

К сети предъявляется множество разнообразных, зачастую противоречивых, требований. Некоторые основные требования, предъявляемые к «идеальной» промышленной сети приведены ниже:

1. Производительность.

2. Предсказуемость времени доставки информации.

3. Помехоустойчивость.

4. Доступность и простота организации физического канала передачи данных.

5. Максимальный сервис для приложений верхнего уровня.

6. Минимальная стоимость устройств аппаратной реализации, особенно на уровне контроллеров.

7. Возможность получения «распределенного интеллекта», путем предоставления максимального доступа к каналу нескольким ведущим узлам.

8. Управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций.

Как видно, в получившемся списке первое требование противоречит второму, третье – четвертому и так далее. Подобные противоречия приходится обходить постоянно и на всех уровнях проектирования, начиная с того, какой формат пакета передачи данных выбрать: тот, который позволит осуществлять расширенное управление сетью и удаленную загрузку, или тот, который обеспечит максимально быструю работу с большим числом дискретных сигналов.

Различают следующие типы сетей:

- локальные сети – расположены на ограниченной территории;

- городские сети – предназначены для обслуживания территории крупных городов. Эти сети связывают локальные сети в масштабах города и обеспечивают их выход в глобальные сети;

- глобальные сети – объединяют территориально удаленных пользователей на большой территории.

Промышленные сети можно отнести к типу LAN, но им присущи существенные отличия от LAN-сети, применяемой в офисных приложениях. Поскольку Fieldbus – это сеть для промышленного применения, то она должна отвечать специфическому набору требований:

- жесткая детерминированность (предсказуемость) поведения;

- обеспечение функций реального времени;

- работа на длинных линиях с использованием недорогих физических сред;

- повышенная надежность физического и канального уровней передачи данных для работы в промышленной среде (например, при больших электромагнитных помехах);

- наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов.

Основное здесь – детерминированность поведения, предполагающая, что все возможные события в сети могут быть заранее четко определены, и повышенная надежность передачи данных.

Системы, работающие по уникальным протоколам связи, получили название «закрытых систем». Уникальные системы производятся и поддерживаются одной компанией. Большинство таких систем зародилось в те времена, когда проблемы интеграции изделий от разных производителей не считались актуальными.

Успешно интегрировать в единую систему изделия от различных производителей, позволяет использование принципов открытых систем.

Открытые промышленные сети – сети, на которые распространяются международные стандарты промышленных сетей.

Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим критериям:

- наличием полных опубликованных спецификаций;

- наличием доступных компонентов от ряда независимых поставщиков;

- организацией хорошо определенного процесса ратификации возможных дополнений к стандартам и спецификациям.

То есть, каждый желающий имеет возможность использовать то, что уже наработано, или выполнять собственные разработки, в том числе и такие, которые могут использоваться другими.

Таким образом, fieldbus-технология относится к открытым системам если она обладает следующими возможностями:

- свободным физическим включением в общую сеть устройств от различных производителей, (включаемость, interconnectivity);

- построение работоспособной сети на основе включения компонентов от различных поставщиков (взаимодействие, interoperability);

- замена компонентов аналогичными устройствами от других производителей (взаимозаменяемость, interchangeability).

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.

При выборе протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности, т.к. улучшение одного параметра часто приводит к снижению качества другого.

Промышленные сети, в зависимости от области применения подразделяются на два уровня:

1) контроллерные сети (Field level) – промышленные сети этого уровня используются для управления процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;

2) сенсорные сети или сети низовой автоматики – применяются для опроса датчиков и управления работой исполнительных устройств.

Сравнение двух классов сетей в самом общем виде приведено в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Сравнительные характеристики сетей типов Fieldbus и Sensor bus

Основные критерии	Fieldbus	Sensor bus
Протяженность сети	от 100 м до 10 км	до 1 км
Время цикла	от 10 мс до 10 с	от 1 мс до 1 с
Объем данных передаваемых за цикл	от 8 до нескольких сотен байт	от 1 до 8 байт
Доступ к шине	фиксированный/ свободный	свободный

Типичные представители промышленных сетей контроллерного уровня:

- PROFIBUS;

- BITBUS;

- ControlNet.

1) уровень технических средств САУ – управляющие устройства, к которым относятся:

- первичные измерительные преобразователи , предназначенные для преобразования контролируемого параметра в сигнал определенной формы, удобной для дальнейшей обработки и преобразований;

- нормирующие преобразователи , осуществляющие преобразование сигналов от ПИП в эквивалентные унифицированные сигналы;

- локальные автоматические регуляторы;

- исполнительные устройства в составе исполнительных механизмов, предназначенных для усиления мощности командного сигнала, полученного от регулятора, и регулирующих органов, представляющих собой технические средства изменения материального или энергетического потока, влияющего на регулируемую величину ТОУ;

2) уровень технических средств АСУ ТП – контроллеры и управляемые автоматические регуляторы;

3) уровень оперативного персонала АСУ ТП – автоматизированные рабочие места оператора-технолога и инженера, реализованные с использованием персональных компьютеров.

Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном промышленном объекте, имеют аналоговый или дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые величины только в аналоговый вид, а также много исполнительных механизмов, имеющих только аналоговые входные сигналы. С другой стороны, новейшие средства автоматизации, которые находят все большее применение в системах управления, используют цифровое представление обрабатываемых величин. Для того, чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом/дискретном и цифровом виде, используются устройства связи с объектами. Таким образом, УСО являются неотъемлемой частью любой системы управления, в том числе использующей цифровые устройства. Для представления места УСО в процессе автоматизации производства подобные системы можно теоретически изобразить в виде схемы (см. рисунок 3.3).

Рисунок 3.3

Датчики, устанавливаемые на объекте, предназначены для первичного преобразования параметров в выходной сигнал для передачи в УСО. Исполнительные механизмы принимают управляющие сигналы, прошедшие через УСО, для воздействия на процесс. Связь между датчиками, исполнительными механизмами и УСО может быть аналоговой, дискретной или цифровой.

Промышленный компьютер (РС) в системе играет роль управляющего элемента, принимающего цифровую информацию от УСО и вырабатывающего управляющие сигналы. Для связи между ним и УСО используется любой из цифровых интерфейсов (ЦИ), к числу которых относятся RS-232, RS-422, RS-485 и др.

Данная схема является условной, поскольку в реальных системах модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельного устройства, а входить в состав датчиков или промышленных компьютеров. Примером служат датчики, которые осуществляют двойное преобразование измеряемой величины и выдающие на вход готовый цифровой сигнал. В этом случае граница между собственно первичным преобразователем и УСО проходит где-то внутри него. С другой стороны, УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-платы, вставляемой в ISA-слот компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой код.

В дальнейшем в качестве УСО будем рассматривать модули, платы и другие устройства, предназначенные для приема аналоговых и дискретных сигналов от объекта , преобразования его в цифровой вид для передачи в компьютер, а также для приема цифровых управляющих данных от РС и преобразования их в вид, соответствующий исполнительным механизмам объекта.