книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации
.pdfские сообщения передаются по шине и собираются в ведущем устройстве. Они работают на трех уровнях:
♦диагностика станции: эти сообщения касаются основного рабочего состояния всего устройства (например, низкое напряжение на устройстве);
♦диагностика модуля: эти сообщения указывают на неисправность в конкретной части станции, связанной с В/В (например,
в8-разрядном модуле вывода);
♦диагностика канала: эти сообщения указывают на неисправность в одном входном или выходном разряде (канале) (например, короткое замыкание в выходном канале 7).
Вследствие широкого спектра приложений Profibus DP необхо-
димо снабдить системы очень эффективной защитой от сбоев параметризации или сбоев работы шины. В ведущих и ведомых DP-уст- ройствах стандарта Profibus DP используются механизмы контроля. Они реализуются в виде сторожевых таймеров. Контрольные интервалывремениопределяютсявовремяконфигурированиясистемы.
В ведущем DP-устройстве устройство типа DPM1 следит за передачей пользовательских данных ведомым DP-устройством с помощью функции Data_Control_Timer. Для каждого ведомого DP-уст- ройства используется отдельный контролирующий таймер. Если в течение одного интервала времени контроля данных не происходит успешной передачи пользовательских данных, таймер выключается. Об этом извещается пользователь. Если было разрешено автоматическое реагирование на ошибки (Auto_Clear = истина), устройство DPM1 выходит из состояния «Работа», переключает выходы всех связанных с ним ведомых DP-устройств в состояние защиты от сбоев
ипереходит в состояние «Сброс».
Введомых DP-устройствах сторожевой таймер используется
для выявления неисправностей в связанном с ними DPM1 или в шине. Если ведомое DP-устройство не обнаружит в течение одного контролирующего интервала времени успешной передачи данных устройством DPM1, оно автоматически переключает свои выходы в состояние защиты от сбоев.
261
Для обеспечения безопасной работы в системах с несколькими ведущими устройствами необходимо осуществить защиту доступа к входам и выходам ведомых DP-устройств. Эта защита гарантирует, что непосредственный доступ к этим входам и выходам возможен только от назначенного DPM1. Для всех других ведущих DP-устройств ведомые DP-устройства предлагают образ реальных входов и выходов, который может считываться любым другим ведущим DP-устройством, не обладающим правами доступа.
Характеристики каждого ведомого DP-ycтройства и каждого DPM1 должны документироваться поставщиками и предлагаться пользователю в форме паспорта устройства и файла с базой данных. Структура, содержание и кодирование этой информации стандартизированы. Это способствует удобному конфигурированию любого ведомого DP-устройства с помощью конфигурирующих устройств любого производителя. PNO поддерживает эту информацию независимо от поставщика и предлагает ее по требованию.
У каждого типа ведомого DP-устройства должен быть отдельный номер идентификации. Этот номер необходим для того, чтобы любое устройство типа DPM1 могло без значительных накладных расходов протокола идентифицировать тип связанных с ним ведомых DP-устройств. DPM1 сравнивает номер идентификации каждого связанного с ним ведомого DP-устрой- ства с номером идентификации в информации о конфигурации, определяемой конфигурационным устройством. Передача пользовательских данных в рабочей фазе системы начинается только при соединении правильного ведомого DP-устройства с правильным адресом на шине. Это дает очень высокую защиту от ошибок параметризации. PNO просит поставщиков обращаться в эту организацию для получения индивидуального номера идентификации для каждого типа ведомого DP-устройства. PNO поддерживает этот номер вместе с базой данных соответствующего устройства.
262
5.8. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОТОКОЛА PROFIBUS
Какие же задачи наиболее просто решаются с помощью Profibus? Во-первых, это модернизация и расширение возможностей существующих систем. Предположим, что имеется программируемый контроллер Simatic S7, в который можно добавить только один модуль расширения, а количество каналов, которые необходимо добавить в систему, превышает максимально возможное для данного типа модуля. Лучшим решением в данном случае будет приобретение мастер-карты Profibus DP для S7 и интеллектуальных распределенных устройств связи с объектом (УСО) типа WAGO I/O. Причем с точки зрения программирования не заметна разница между данными, получаемыми PLC из локального модуля, и информацией от удаленных УСО. Более того, если вообще не устанавливать в S7 модулей, кроме сетевой карты, а весь ввод-вывод сделать на распределенных УСО WAGO I/O, можно получить не только существенную экономическую выгоду, но и более гибкую, распределенную и легко масштабируемую систему. Именно по этому пути сегодня производится модернизация классических, построенных на традиционных PLC европейских производств. Следующая задача, которую часто приходится решать разработчику, – это создание новой распределенной системы сбора данных и управления с чистого листа.
Выбор Profibus в качестве сетевой среды сегодня выглядит вполне оправданным. Столь же оправданным оказывается выбор IBM РС совместимых контроллеров в качестве основных управляющих узлов сети. Возможны несколько приемлемых конфигураций, выбор которых определяется поставленной задачей.
Благодаря большому выбору аппаратных средств, оконечных устройств и ПО решения на базе Profibus являются сегодня одними из наиболее распространенных. Необходимо упомянуть, что контроллеры и компьютеры, объединенные промышленной сетью, могут одновременно выполнять роль шлюзов в сети других уровней. Например, один из slave-контроллеров Profibus может одновремен-
263
но быть ведущим для сети более низкого уровня, связывающей элементарные датчики, УСО или исполнительные механизмы (сети ASI, Seriplex, простые протоколы на базе RS-485 и т.п.). В то же время информация с уровня АСУТП должна поступать на уровень управления предприятием в целом (АСУП), где в подавляющем числе случаев применяется Ethernet.
Самая простая форма реализации протокола – исполнение ведомого устройства на одной микросхеме. В настоящее время она доступна только для ведомых устройств Profibus DP. Примером является специальная прикладная микросхема (ASIC) SPM2 фирмы Siemens. Она полностью обеспечивает протокол DP с аппаратной поддержкой уровней 1 и 2. Часть функций может реализовываться программно микроконтроллером. За исключением драйверов шинных интерфейсов, электронных схем питания и обслуживания микросхемы, для реализации ведомого Profibus DP никаких дополнительных компонентов не нужно. Поставщику не нужно специальных знаний о протоколе Profibus DP, и стоимость шинного соединения сводится к минимальной. Это решение предлагает самое минимальное время задержки на выполнение протокола и очень высокую скорость передачи данных, включая скорость передачи 1,5 Мбит/с. Применяемость этой микросхемы ограничивается разрядностью входных/выходных данных.
Аппаратная поддержка может обеспечиваться другой внешней ASIC (например, микросхемами SPC фирмы Siemens или PBS01 фирмы IAM) либо дополнительными функциями внутри стандартного микроконтроллера (например, Motorola 68302). Этот метод реализации дает хорошую производительность. Есть много доступных реализаций ведущих и ведомых устройств Profibus DP или Profibus FMS на базе специальной прикладной микросхемы Siemens SPC и микроконтроллера NEC V25. Все они включают небольшие, полностью смонтированные дочерние платы (Siemens CP 5480), содержащие все необходимые аппаратные и программные компоненты. Для пользовательского применения в них имеется интерфейс двухпортового ОЗУ (RAM). Есть доступные программные решения
264
для Profibus FMS, базирующиеся на микропроцессоре Motorola 68302 (например, от Softing). Этот способ реализации применим к составным ведомым устройствам с возможностями FMS и DP. Доступны также различные реализации на базе микроконтроллера Intel 8031 и специальнойприкладноймикросхемыSPC (например, отTMG i-tec).
В компактной реализации протокол и прикладная задача выполняются в одном микропроцессоре. Это хороший вариант выбора для простых ведомых устройств с максимальной скоростью передачи 500 кбит/с, чьи прикладные программы могут на определенное время прерываться для выполнения функций связи. Доступно много вариантов реализации на различных микроконтроллерах. В зависимости от используемого микропроцессора и качества разработки можно получить производительность от низкой до средней.
Возможна реализация с отдельным связным процессором. В этом варианте для реализации протокола Profibus используется отдельный процессор. Такие реализации пригодны для сложных ведущих устройств. Благодаря разделению функций связи и прикладной задачи можно реализовать все функции протокола без ограничений. В зависимости от выбранного микропроцессора можно добиться от средней до высокой производительности. Уже есть различные реализации (например, на базе контроллера NEC-V25, Intel 80186).
Гарантией того, что устройства различных производителей будут совместно работать на одной шине, является открытое взаимодействие с сертифицированными Profibus-устройствами. PNO установила квалифицированную процедуру сертификации. Обязательным условием получения сертификата Profibus является прохождение устройствами в уполномоченных тестовых лабораториях испытаний на соответствие стандарту и/или на взаимодействие устройств. Эти тесты гарантируют способность устройства к совместной работе с устройствами разных производителей и соответствие его стандарту Profibus и соглашениями по реализациям, принятым в PNO. В настоящее время многие производители сертифицировали свои Profibus-изделия.
265
Для реализации протокола Profibus существует много способов. Данный протокол можно реализовать на любом микропроцессоре, у которого есть асинхронный последовательный интерфейс (UART). Как правило, для реализации протокола Profibus на скорость передачи более 1,5 Мбит/с не требуется специальных аппаратных компонентов. Необходимые аппаратные/программные компоненты различных производителей уже есть (см. информацию PNO). Это отменяет необходимость дорогой индивидуальной программной/аппаратной реализации данного протокола и способствует быстрому выходу на рынок. Решение, касающееся конкретного метода реализации, существенным образом зависит от того, какой нужен вариант протокола, а также от требуемой производительности и функциональности.
Многие из программных средств конфигурирования сети Profibus ориентированы непосредственно на того или иного производителя и часто содержат, помимо средств конфигурирования сети, дополнительные средства (например, средства для программирования контроллеров и т.д.). Среди таких программ– Step 7 (пакет программирова-
ния контроллеров Simatics 7-300 и Simatics 7-400 фирмы Siemens AG).
Есть также много программ, работающих с оборудованием разных фирм, таких как ComProfibus (для конфигурирования сети Profibus) или Sinec Scope L2 (средстводляпассивного, т.е. безкакого-либовлиянияна сеть, наблюдениязаобменомданнымивсетиProfibus).
Существуют несколько хорошо развитых протоколов, позволяющих осуществлять дистанционное программирование полевых устройств по цифровой шине из операторской комнаты. Системы EDD/PDM, принятые Siemens, являются одним из таких протоколов. Вторым подходом является применение не зависимой от производителя технологии FDT/DTM. FDT является стандартом интерфейса для связи цифровой шины с программными средствами, разработанными разными производителями. Вобщем концепция FDT/DTM не относит- сястрогоккакому-либоцифровому протоколу.
Для внедрения данной технологии требуются: ♦ протокол цифровой шины Profibus DPV1;
266
♦устройства, поддерживающие службы DPV1;
♦сконфигурированные DTM (менеджер типа устройств) для полевых устройств.
Принципиально, что DTM являются драйверами устройства, которые устанавливаются на компьютер в операторской. С этого компьютера параметры всех устройств, которые поддерживают DTM, доступны для чтения и записи. DTM – это программа (exe),
которая устанавливает средство программирования. При принятии решения использовать DTM производители полевых устройств могут добавлять в полевые устройства дополнительные функции, помогающие оператору: онлайн-справку, электронные инструкции по эксплуатации и сервисную информацию.
В лаборатории кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» Пермского национального исследовательского политехнического университета для организации сети Profibus DP использованы следующие компоненты:
–ПЛК S7-200;
–slave-модуль EM 277 Profibus DP – интеллектуальный мо-
дуль расширения;
–коммуникационный процессор CP 5613 – используется для подключения программаторов, офисных и промышленных компьютеров к сети Profibus (для установки коммуникационного процессора необходим один PCI-слот РС).
Комплект программного обеспечения DK-5613 обеспечивает:
–доступ к функциям ведущего DP устройства класса 1, включая расширения для асинхронного обмена данными;
–дистанционное программирование контроллеров Simatics 5/S7 через сеть Profibus (требует наличия на компьютере/программаторе пакетов Step 5 или Step 7);
–обмен данными для диагностики и обслуживания сетевых станций Simatic S5.
OPC-сервер входит в комплект поставки коммуникационного программного обеспечения CP 5613. Он может быть использован в качестве стандартного программируемого интерфейса для связи
267
между системами автоматизации и OPC-совместимыми приложениями Windows (Microsoft Office, системы человеко-машинного интерфейса и т.д.).
Конфигурирование коммуникационных систем, использующих функции связи S7, функции совместимой связи S5, протоколы DP (DPV0/DPV1/DPV2) и FMS, выполняется инструментальными средствами пакетов Step 7 или NCM PC.
Инструментальные средства конфигурирования NCM PC включеныв комплектпоставкипрограммногообеспечениядляProfibus.
Программное обеспечение NCM PC является составной ча-
стью пакета Advanced PC Configuration.
На этапах монтажа, выполнения пусконаладочных работ и эксплуатации готовой системы коммуникационный процессор CP 5613 позволяет использовать набор инструментальных средств диагностики всехсетевыхкомпонентов.
Более полное описание технических характеристик СА на основе Profibus DP приводится в методических указаниях к лабораторным работам кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» Пермского национального исследовательского политехнического университета.
268
ГЛАВА 6
ТЕХНОЛОГИЯ FOUNDATION FIELDBUS
6.1. ИСТОРИЯ FOUNDATION FIELDBUS
Foundation Fieldbus (FF) представляет собой открытый протокол, позволяющий использовать программно-аппаратные средства различных производителей (1996 год).
Fieldbus Foundation является ассоциацией, появившейся в результате слияния и работы ряда компаний на основе протоколов
ISP Foundation (Fisher Rosemount, Yokogawa, Foxboro, Siemens) и WorldFIP (Honeywell, Groupe Schneider, Allen-Bradley и др.).
На нижнем уровне (HI) в качестве физической среды передачи данных за основу взят стандарт IEC 61158-2, который позволяет использовать сеть FF на взрывоопасных производствах с возможностью питания датчиков непосредственно от канала связи (см. гл. 1.7.5). Скорость передачи на уровне HI составляет 31,25 кбит/с (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Cтандарт IEC 61158-2 (сеть Н1)
269
Вначале предполагалось для верхнего уровня разработать отдельный высокоскоростной вариант (Н2), обеспечивающий скорость передачи от 1 до 2,5 млн бит в секунду (МБод). Однако впоследствии совет директоров Fieldbus Foundation принял решение сфокусировать усилия разработчиков на использовании высокоско-
ростной магистрали Ethernet (High-Speed Ethernet = HSE), прове-
ренного существующего протокола передачи, используемого при высокой скорости обмена информацией.
Проект HSE был одобрен советом директоров организации Fieldbus Foundation в марте 1998 года. HSE дает возможность связи с сетью Н1 без обращения к главной системе, устраняя необходимость прокладки лишних кабелей, работает на скорости передачи 100 МБод, дает возможность использовать дешевые кабели 10/100BASE-T, обеспечивает совместимость со всем коммерческим оборудованием Ethernet и использование протоколов Internet. Было решено дополнительно ввести поддержку TCP/IP и основных протоколов Internet, таких как FTP, HTTP, SMPT, SNMP и UDP, для обеспечения полной интеграции полевых устройств. Использование компонентов стандарта 10/100BASE-T обеспечит возможность установки сетевых концентраторов, устраняющих переполнения и поддерживающих стабильную работу сети (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Технология FF (HSE)
270