Производственная и пожарная автоматика / Shishov - Tekhnologii promishlennoy avtomatizatsii 2007
.pdf
Р и с. 2.7. Состав узлов AS-интерфейса и их развертывание в сеть
Кабель AS-интерфейса имеет профилированную форму (рис. 2.8), исключающую его неправильный монтаж. Быстрое и надежное подключение узлов к кабелю обеспечивается с помощью специальной конструкции. В нижней части корпуса монтируемого устройства (рис. 2.9) находятся ножевые контакты, прорезающие кабель и обеспечивающие непосредственный контакт с токоведущими жилами. Несимметричная форма кабеля гарантирует точное попадание контактов в сердечник проводников и абсолютно надежное соединение в течение всего срока эксплуатации.
Р и с. 2.8. Профилированный кабель
34
Р и с. 2.9. Подключение кабеля к монтируемому устройству.
AS-интерфейс является системой с одним ведущим устройством и работает по принципу "ведущий – ведомый" (master - slave). Это означает, что ведущее устройство AS-интерфейса, подключенное к кабелю, управляет процедурой обмена данными с ведомыми устройствами, также подключенными к этому кабелю.
На рис. 2.10 показано два логических интерфейса коммуникационного процессора, являющегося ведущим устройством. Через интерфейс, объединяющий процессор ПЛК и коммуникационный процессор ведущего устройства, передаются данные процесса и команды задания параметров. В программах пользователя предусматриваются необходимые обращения к функциям, имеются механизмы для чтения и записи данных через этот интерфейс. Обмен данными с ведомыми устройствами осуществляется через интерфейс между коммуникационным процессором ведущего устройства и кабелем AS-интерфейса. Первоначально AS-интерфейс был ориентирован на работу исключительно с бинарными данными (дискретными входами/выходами), поэтому длина информационной посылки всего 4 бита.
35
Ри с. 2.10. Логические интерфейсы коммуникационного процессора.
Вкачестве оконечных устройств сети AS-интерфейса могут выступать как датчики и исполнительные механизмы со встроенным AS-интерфейсом (интеллектуальные устройства), так и обычные оконечные устройства. Первые подключаются к сети напрямую, вторые – через модули ввода/вывода.
Электронная часть ведомого устройства реализуется на базе специализированных микросхем. Два способа использования специализированных интерфейсных микросхем и определяют два вида AS-модулей:
•чип ведомого устройства AS-интерфейса может быть встроен прямо в датчик или исполнительное устройство, в результате чего получается интеллектуальный датчик (исполнительное устройство) с интегрированным ASинтерфейсом (рис. 2.11 а);
•чип ведомого устройства AS-интерфейса может быть встроен в модуль, к которому уже в свою очередь можно подключать обыкновенный датчик или исполнительное устройство (рис. 2.11 б).
а.
36
б
Р и с. 2.11. Состав модулей AS-интерфеса
Специализированная интерфейсная БИС микросхема обеспечивает ASмодуль электропитанием от сети, распознает переданную от ведущего устройства информацию и посылает в ответ собственные данные.
Вкаждом цикле передаются 4 бита данных от ведущего устройства последовательно к каждому ведомому и обратно. Необходимые для этого порты данных каждой БИС можно конфигурировать отдельно как входные, выходные или двунаправленные порты. Конфигурация портов ведомых устройств устанавливается в соответствии с так называемой конфигурацией ввода/вывода.
По команде «Write Parameter» ведомое устройство получает от ведущего 4 бита данных, соответствующих значению параметра. С их помощью можно управлять особыми функциями ведомого устройства. Установка кодов параметров производится ациклично, причем в одном цикле AS-интерфейса она может быть выполнена только для одного ведомого устройства.
Вмодулях ввода/вывода все входные цепи гальванически развязаны относительно AS-интерфейса. В зависимости от типов подключаемых устройств различают несколько разновидностей модулей ввода/вывода:
•4 дискретных входа;
•4 дискретных выхода;
•2 дискретных входа + дискретных 2 выхода;
•4 дискретных входа + 2 дискретных выхода;
•4 дискретных входа + 3 дискретных выхода
•4 дискретных входа + 4 дискретных выхода;
•2 аналоговых входа (ток 0…20/4…20 мА или напряжение 0…10 В);
•2 аналоговых выхода (ток 0…20/4…20 мА или напряжение 0…10 В);
•4 аналоговых входа от термодатчиков типа Pt100.
Интеллектуальные оконечные устройства, такие как датчики приближения, фотоэлектрические датчики и др., как правило, имеют стандартный интер-
37
фейсный разъем М12. На рис. 2.12 показано как выглядит оконечное устройство, рассчитанное для подключения таких устройств, а также назначение контактов разъемов при подключении различных цепей.
Р и с. 2.12 Оконечное устройство для подключения датчиков фирмы Siemens с разъемами М12 и назначение контактов разъемов.
На рис. 2.13 продемонстрирован вид производственной линии со смонтированным сегментом сети AS-интерфейса на рассмотренных модулях.
38
Р и с. 2.13. Вид производственной линии со смонтированным сегментов сети AS-интерфейса на рассмотренных модулях.
Модули ввода/вывода могут быть приспособлены для монтажа в электрических шкафах, в распределительных коробках с обычными и с кабельными выводами. Примеры того, как могут выглядеть такиe устройства, показаны на рис. 2.14.
Р и с. 2.14. Внешний вид модулей AS-интерфейса.
39
Сетевой протокол CAN – Controller Area Network – (ISO 11898) был разработан в 80-х годах фирмами BOSCH и INTEL для создания бортовых мультипроцессорных систем реального времени. Определяет только первые два уровня ISO/OSI – физический и уровень доступа к среде передачи данных. CAN-интерфейс обеспечивает высокую надёжность, компактность и хорошие динамические характеристики, необходимые распределённым системам управления. Элементную базу для построения CAN систем выпускают многие известные фирмы: Intel, Motorola, Siemens, Philips и др. На основе этого протокола реализовано огромное количество полнофункциональных сетей, например таких как SDS, CANOpen, DeviceNet и др. Практически у каждого крупного производителя контроллеров есть изделие с CAN-интерфейсом.
Основными достоинствами, определившими высокую популярность этого протокола у разработчиков встраиваемых и промышленных систем, являются высокая скорость (до 1 Мбит/с), метод доступа CSMA/CA, возможность иметь в сети несколько ведущих устройств, надежная система обнаружения и исправления ошибок. CSMA/CA сочетает минимальную задержку передачи информации с эффективным арбитражем ситуаций, когда несколько узлов начинают передавать данные одновременно. Благодаря этому гарантируется доставка сообщения, то есть система является детерминированной.
Прокомментируем это более детально:
•Протокол нижнего уровня реализован аппаратно, что позволяет существенно упростить программирование, уменьшает затраты процессорного времени системы, а также обеспечивает полную совместимость с изделиями, производимыми многими изготовителями.
•Гибкая система задания приоритетов и аппаратный арбитраж устройств, работающих на CAN-шине, обеспечивают быстрое время реакции на возникающие в системе события. Обычно в CAN-системе наивысший приоритет задается для каналов, обрабатывающих аварийные ситуации или генерирующих синхросигналы.
•Идентификатор сообщения позволяет задавать 211 (короткий) или 229 (длинный) адреса сообщений. CAN-контроллер каждого из сетевых устройств позволяет одновременно обрабатывать несколько идентификаторов, т.е., фактически, в каждом из устройств может быть организована группа независимых каналов обмена информацией. При этом программно можно изменять идентификаторы каждого канала, что обеспечивает CAN-сети большую гибкость.
•Аппаратная коррекция ошибок при обмене и дифференциальный приёмопередатчик, подавляющий синфазные помехи, обеспечивают высокую помехозащищённость. Если во время работы на приемном конце было принято неверное сообщение, CAN-контроллер автоматически реинициализирует передачу того же сообщения. Этот процесс происходит без участия программиста и продолжается до тех пор, пока сообщение будет передано без ошибок или пока не переполнится счётчик ошибок.
40
•Система гибкой адаптации к используемой линии передачи (программирование задержек и скорости передачи в зависимости от качества и длины линии передачи). Максимальная длина CAN-шины до 1 км. Используя дополнительные контроллеры в качестве ретрансляторов, можно увеличить расстояние обмена.
•Скорость обмена до 1 Мбит/с вполне достаточна для систем управления реального времени, учитывая, что обмен ведётся между интеллектуальными устройствами.
Вкачестве краткого примера приведем технические характеристики сети для DeviceNet, реализованной на основе CAN-протокола: максимальное расстояние 500 м, максимальное количество узлов 64, длина информационной посылки 8 байт, используемый кабель Belden 3082А.
INTERBUS. Спецификация Interbus была разработана фирмой Phoenix Contact в 1984 году и быстро завоевала прочные позиции в сфере распределенных АСУ ТП благодаря целому ряду интересных структурных решений. Прежде всего следует отметить максимальное расстояние, которое может охватывать эта ЦПС, – до 13 километров. Для сетей, физический уровень которых основан на стандарте RS-485, этот показатель просто феноменальный, и обеспечивается он благодаря ретрансляции сигнала в каждом узле. Максимальное количество узлов 512, расстояние между узлами до 400 метров. Узлы-ретрансляторы образуют основу топологии Interbus, оконечные же устройства подключаются к дополнительным кольцевым сегментам, в которых питающее напряжение передается вместе с данными. Длина дополнительных сегментов может составлять до 200 метров, для их прокладки используется обычная неэкранированная витая пара.
Доступ к среде передачи данных в Interbus организован по принципу суммирующего фрейма и обеспечивает гарантированное время передачи информации. Таким образом, Interbus является хорошим решением для унифицированной автоматизации производства, компоненты которого территориально разнесены на большое расстояние.
PROFIBUS – семейство ЦПС, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных проблем предприятия, было разработано фирмой Siemens в начале 90-х годов.
PROFIBUS существует в трех модификациях.
На нижнем уровне применяется сеть PROFIBUS-DP (рис. 2.15), обеспечивающая высокоскоростной обмен данными с оконечными устройствами. Протокол физического уровня соответствует стандарту RS-485. Скорость обмена прямо зависит от длины сетевого сегмента и варьируется от 100 Кбит/с на расстоянии 1200 метров до 12 Мбит/с на дистанции до 100 метров. Взаимодействие узлов в сети PROFIBUS определяется моделью «Master-slave». Master сегмента последовательно опрашивает подключенные узлы и выдает команды в соответствии с заложенной в него технологической программой.
41
Р и с. 2.15. Структура АСУ ТП на базе семейства ЦПС PROFIBUS
На более высоком уровне применяется сеть PROFIBUS-FMS, ориентированная на обеспечение информационного обмена одноранговых устройств. PROFIBUS-FMS включает в себя дополнительные типы пакетов (Fieldbus Message Specification). Позволяет организовывать в одной сети работу нескольких активных станций.
PROFIBUS-PA – сетевой интерфейс, физическая среда передачи данных которого соответствует требованиям стандарта IEC 61158-2. Может применяться для построения сети, соединяющей исполнительные устройства, датчики и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне. Сегмент PROFIBUS-PA может иметь длину до 1900 метров со скоростью обмена между узлами 31,25 Кбит/с.
На прикладном и канальном уровнях PROFIBUS-PA использует весь сервис, доступный в PROFIBUS-FMS. На физическом уровне они используют одинаковую витую пару, одинаковые уровни сигналов и скорости передачи и позволяют оконечным устройствам запитываться непосредственно от канала связи. Более того, два этих протокола могут одновременно уживаться на одном и том же физическом участке сети. Просто канальный уровень каждого из протоколов «не понимает» пакеты конкурента.
Выбор конфигурации сети на основе PROFIBUS определяется поставленной задачей. Если требуется объединить в детерминированную сеть несколько контроллеров, оптимальным вариантом будет PROFIBUS-FMS. Для создания сети с централизованным интеллектом и распределенным вводом/выводом лучше всего подойдет PROFIBUS-DP.
42
FOUNDATION FIELDBUS – стандарт ЦПС, появившийся в 1995 году. По многим параметрам эта система схожа с PROFIBUS-PA: возможность установки во взрывоопасных зонах, передача информационного сигнала вместе с питающим напряжением по одной паре проводов, двухуровневая иерархия и т.д.
Среди других ЦПС Foundation Fieldbus выделяют две особенности. Вопервых, был разработан специальный язык описания оконечных устройств (Devise Description Language), использование которого позволяет подключать новые узлы к сети по широко применяемой в обычных IBM PC совместимых компьютерах технологии plug-and-play. Пользователи могут пользоваться как типовыми дескриптами для стандартных устройств (клапанов, датчиков температуры и т.д.), так и описывать нестандартные изделия. Во-вторых, в отличие от других промышленных сетей, Foundation Fieldbus ориентирована на обеспечение одноранговой связи между узлами без центрального ведущего устройства. Этот подход даёт возможность реализовать системы управления, распределенные не только физически, но и логически, что во многих случаях позволяет повысить надежность и живучесть АСУ ТП.
ETHERNET – наиболее широко распространенная технология построения локальных сетей, ставшая де-факто стандартом в области офисных приложений, и все более активно завоевывающая промышленную сферу. Все большее количество производителей встраиваемых вычислительных систем оснащают свои контроллеры сетевым интерфейсом, совместимым со стандартом Ethernet. Для существующих промышленных сетей разрабатываются шлюзы, позволяющие комплексировать отдельные производственные участки в единую систему автоматизации с применением Ethernet.
Сама технология Ethernet постоянно развивается и совершенствуется, приобретая функциональность, максимально отвечающую требованиям современного этапа развития систем автоматизации, контроля и управления. Эта технология прошла длинный и непростой путь
Первый экспериментальный прототип Ethernet был создан инженерами фирмы Xerox в начале 70-х годов прошлого столетия. Работала эта сеть со скоростью всего около 3 Мбит/с и объединяла несколько компьютеров и один лазерный принтер. Подобные опыты проводились и другими крупными компаниями, и в конце 70-х годов три из них – DEC, Intel и Xerox – объединили усилия для стандартизации разработок в области сетевых протоколов. В конце 1980 года это дало результат в виде первой спецификации Ethernet 10Base5. Основными решениями, заложенными в спецификацию 10Base5, были шинная топология с ответвлениями на базе коаксиального кабеля, скорость передачи данных 10 Мбит/с и протокол доступа к разделяемой среде CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий). Системы, отвечающие этой спецификации, специалисты сразу окрестили «толстым» Ethernet, из-за диаметра применяемого кабеля.
Несмотря на многочисленные недостатки, популярность новорожденной системы оказалась столь высока, что в 1983 году инициатива стандартизации была перехвачена Институтом инженеров по электротехнике и электронике
43