Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами. Учебное пособие.pdf
правило, существующая ЛВС завода базируется на стандарте Ethernet.
Использование единого сетевого стандарта позволяет упростить интеграцию АСУ ТП в общую сеть предприятия, что становится особенно
ощутимым при реализации и развертывании систем верхнего уровня
типа MES (Мanufacturing Еxecution System) .
Однако у промышленных сетей верхнего уровня есть своя спе-
цифика, обусловленная условиями промышленного применения. Типичными требованиями, предъявляемыми к таким сетям, являются:
1. Большая пропускная способность и скорость передачи данных.
Объем трафика напрямую зависит от многих факторов: количест-
ва архивируемых
ства серверов и операторских станций, используемых прикладных приложений и т.д.
и визуализируемых технологических параметров, количе-
В отличие от полевых сетей жесткого требования детермини-
рованности здесь нет: строго говоря, неважно, сколько времени займет
передача сообщения от одного узла к другому – 100 мс или 700 мс (естественно, это не важно, пока находится в разумных пределах). Главное, чтобы сеть в целом могла справляться с общим объемом трафика
за определенное время. Наиболее интенсивный трафик идет по участкам сети, соединяющим серверы и операторские станции (клиенты).
Это связано с тем, что на операторской станции технологическая информация обновляется в среднем раз в секунду, причем передаваемых
технологических параметров
может быть несколько тысяч. Но и тут
нет жестких временных ограничений: оператор не заметит, если информация будет обновляться, скажем, каждые полторы секунды вместо положенной одной. В то же время, если контроллер (с циклом сканирования в 100 мс) столкнется с 500-милисекундной задержкой по-
ступления новых данных от датчика, это может привести к некорректной отработке алгоритмов управления.
2. Отказоустойчивость. Достигается, как правило, путем резервирования коммуникационного оборудования и линий связи по схеме
2*N так, что в случае выхода из строя коммутатора или обрыва канала,
система управления способна в кратчайшие сроки (не более 1-3 с) локализовать место отказа, выполнить автоматическую перестройку топологии и перенаправить трафик на резервные маршруты. Далее мы
более подробно остановимся на схемах обеспечения резервирования.
3. Соответствие сетевого оборудования промышленным условиям эксплуатации. Под этим подразумеваются такие немаловажные
технические меры, как: защита сетевого оборудования от пыли и вла-
- 51 -
ги; расширенный температурный диапазон эксплуатации; увеличенный цикл жизни; возможность удобного монтажа на DIN-рейку; низковольтное питание с возможностью резервирования; прочные и износостойкие разъемы и конвекторы. По функционалу промышленное сетевое оборудование практически не отличается от офисных аналогов,
однако, ввиду специального исполнения, стоит несколько дороже (рис.
4.1).
Рис. 4.1. Промышленные коммутаторы SCALANCE X200
производства Siemens (слева) и LM8TX от PhoenixContact (справа)
Говоря о промышленных сетях, построенных на базе технологии Ethernet, часто используют термин IndustrialEthernet, намекая тем
самым на их промышленное предназначение. Сейчас ведутся обширные дискуссии о выделении IndustrialEthernet в отдельный промышленный стандарт, однако на данный момент IndustrialEthernet – это
лишь перечень технических рекомендации по организации сетей в
производственных условиях, и я является, строго говоря, неформализованным дополнением к спецификации физического уровня стандарта
Ethernet.
- 52 -
Есть и другая точка зрения на то, что такое Industrial Ethernet.
Дело в том, что в последнее время разработано множество коммуникационных протоколов, базирующихся на стандарте Ethernet и оптимизированных для передачи критичных ко времени данных. Такие протоколы условно называют протоколами реального времени, имея в виду,
что с их помощью можно организовать обмен данными между распределенными приложениями, которые критичны ко времени выполнения
и требуют четкой временной синхронизации. Конечная цель – добиться относительной детерминированности при передаче данных.
В качестве примера IndustrialEthernet можно привести:
1. Profinet;
2. EtherCAT;
3. Ethernet Powerlink;
4. Ether/IP.
Эти протоколы в различной степени модифицируют стандартный стек TCP/IP, добавляя в него новые алгоритмы сетевого обмена,
диагностические функции, методы самокорректировки и функции синхронизации. Оставляя при этом канальный и физический уровни
Ethernet неизменными. Это позволяет использовать новые протоколы
передачи данных в существующих сетях Ethernet с использованием
стандартного коммуникационного оборудования.
Теперь рассмотрим конкретные конфигурации сетей операторского уровня. На рис.4.2 показана самая простая – базовая конфигурация. Отказ любого коммутатора или обрыв канала связи (link) ведет к
нарушению целостности всей системы. Единичная точка отказа изображена на рисунке красным крестиком.
Такая простая конфигурация подходит лишь для систем управления, внедряемых на некритичных участках производства (водоподготовка для каких-нибудь водяных контуров или, например, приемка
молока на молочном заводе). Для более ответственных технологических участков такое решение явно неудовлетворительно.
- 53 -
Рис. 4.2. Нерезервированная конфигурация
сети серверного уровня
На рис. 4.3 показана отказоустойчивая конфигурация с полным
резервированием. Каждый канал связи и сетевой компонент резервируется. Обратите внимание, сколько отказов переносит система прежде, чем теряется коммуникация с одной рабочей станцией оператора.
Но даже это не выводит систему из строя, так как остается в действии
вторая, страхующая рабочая станция.
Резервирование неизбежно ведет к возникновению петлевидных участков сети – замкнутых маршрутов. Стандарт Ethernet, строго
говоря, не допускает петлевидных топологий, так как это может привести к зацикливанию пакетов особенно при широковещательной рассылке. Но и из этой ситуации есть выход. Современные коммутаторы,
как правило, поддерживают дополнительный прокол Spanning Tree
Protocol (STP, IEEE 802.1d), который позволяет создавать петлевидные
- 54 -
Рис. 4.3. Полностью резервированная конфигурация сети
верхнего уровня
маршруты в сетях Ethernet. Постоянно анализируя конфигурацию сети,
STP автоматически выстраивает древовидную топологию, переводя
избыточные коммуникационные линии в резерв. В случае нарушения
целостности построенной таким образом сети (обрыв связи, например),
STP в считанные секунды включает в работу необходимые резервные
линии, восстанавливая древовидную структуры сети. Примечательно
то, что этот протокол не требует первичной настройки и работает автоматически. Есть и более мощная разновидность данного протокола
Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP, IEEE 802.1w), позволяющая снизить время перестройки сети вплоть до нескольких миллисекунд. Протоколы STP и RSTP позволяют создавать произвольное количество
избыточных линий связи и являются обязательным функционалом для
промышленных коммутаторов, применяемых в резервированных сетях.
- 55 -
Изображена резервированная конфигурация сети верхнего
уровня, содержащая оптоволоконное кольцо для организации связи
между контроллерами и серверами. Иногда это кольцо дублируется,
что придает системе дополнительную отказоустойчивость.
Мы рассмотрели наиболее типичные схемы построения сетей,
применяемых в промышленности. Вместе с тем следует заметить, что
универсальных конфигураций сетей попросту не существует: в каждом
конкретном случае проектировщик вырабатывает подходящее техническое решение исходя из поставленной задачи и условий применения.
4.2. HART-протокол
HART-протокол – цифровой промышленный протокол пере-
дачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить
его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4-20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его
первичных показаний и вторичной информации осуществляется по
двум проводам. HART-протокол это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HARTкоммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков. По этим же проводам может передаваться сигнал
4-20 мА.
HART-протокол использует принцип частотной модуляции для
обмена данными на скорости 1200 бод. Для передачи логической «1»
HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» – два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая накладывается на токовую петлю 4-20 мА. Поскольку среднее
значение синусоиды за период равно «0», то HART сигнал никак не
влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА. HART протокол построен по
принципу «Ведущий – Ведомый», то есть полевое устройство отвечает
по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих
устройств (управляющая система и коммуникатор). Существует два
режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART
протоколу.
- 56 -
Режим передачи цифровой информации одновременно с
аналоговым сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в ана-
логовых АСУТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно
удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и
конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить
все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно
со своего рабочего места. В многоточечном режиме – датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только
питание устройства – 4 мА) и не содержит информации об измеряемой
величине. Информация о переменных процесса считывается по HARTпротоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а так
же мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном
режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система
управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может
работать с любым из них.
HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов американской компанией Rosemount. В начале 1990-х годов протокол был
дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Однако,
полных официальных спецификаций протокола в открытом доступе
нет – их необходимо заказывать за деньги на сайте фонда HARTкоммуникаций. На март 2009 года доступна спецификация версии
HART 7.2, поддерживающая технологию беспроводной передачи данных.
4.3. Profibus
Хорошая скорость передачи, большая длина соединения и широкие возможности по обработке данных превращают Profibus в одну
из лучших шин, предназначенных для систем управления многими
технологическими процессами и интенсивной обработки информации.
Наиболее часто используемый формат обмена сообщениями Profibus
DP представляет собой сеть с опросом узлов (выделенное главное устройство периодически опрашивает состояние каждого узла сети); тем
самым обеспечивается постоянный контроль состояния каждого устройства в сети (одно устройство за один цикл опроса может передавать
до 244 байт полезной информации). Каждое сообщение содержит 12
- 57 -
дополнительных байт, вследствие чего максимальная длина всего сообщения составляет 256 байт.
Основные характеристики:
Происхождение: правительственные органы Германии в сотрудничестве с производителями средств автоматизации, 1989 год.
Интерфейсы реализованы в виде специализированных микросхем (ASIC), которые выпускаются множеством поставщиков. Основывается на спецификации интерфейса RS485 и европейской электрической спецификации EN50170.
Разновидности: Profibus DP (главный/подчиненный), Profibus
FMS (несколько главных устройств/одноранговые устройства),
Profibus PA (внутренне безопасная шина).
Коннекторы: 9-штырьковый разъем типа D-Shell (с оконечной
нагрузкой импеданса) или 12-миллиметровый быстроразборный разъём IP67.
Максимальное число узлов: 127.
Длина соединения: от 100 м до 24 км (с ретрансляторами и оптоволоконными кабелями).
Скорость передачи: от 9600 бит/с до 12 М бит/с.
Размер сообщения: до 244 байт на сообщение для одного узла.
Методы обмена сообщениями: опрос (DP/PA) и одноранговый
(FMS).
Поддерживающая организация: Profibus Trade Organization
консорциум производителей и пользователей продуктов в стандарте
Profibus.
Термины:
Поддержка нескольких главных устройств
Протокол Profibus DP допускает наличие в системе нескольких
главных устройств; каждое подчиненное устройство при этом выделяется лишь одному главному. Это означает, что читать данные с какоголибо устройства имеют право несколько главных устройств, однако
записывать информацию в конкретное подчиненное устройство может
лишь одно главное.
Одноранговые устройства
Протокол Profibus FMS это формат обмена информацией между одноранговыми устройствами, обеспечивающий взаимодействие
главных устройств. Главными устройствами при необходимости могут
- 58 -
быть все устройства, подключенные к шине. Данная шина отличается
более высокими накладными расходами на передачу сообщений по
сравнению с Profibus DP. Допускается совместное использование FMS
и DP в рамках одной и той же сети (режим «COMBI»). В таком режиме, как правило, функционируют системы, в составе которых наряду с
программируемыми контроллерами есть персональные компьютеры.
Основное главное устройство взаимодействует со вспомогательным
главным при помощи FMS, обмен с устройствами ввода/вывода осуществляется по той же сети посредством DP-сообщений.
Расширения Profibus DP V1
Старая спецификация FMS стала основой нового подхода: спецификация DP с расширениями V1, ориентированными на новые, более сложные устройства. Консорциум Profibus (Profibus Trade
Organization) выпустил новую спецификацию, в которой многие функции Profibus FMS (поддержка нескольких главных устройств, одноранговый обмен) были объединены с Profibus DP (обмен по принципу
«главный/подчиненный»), что обеспечило возможность оперативного
конфигурирования устройства одновременно с передачей данных ввода/вывода. В прошлом одновременное применение FMS и DP также
имело место, однако решаемые с помощью этих двух протоколов задачи были совершенно разные. Подобная интеграция позволяет технологии Profibus эффективно противостоять своим конкурентам с более
развитыми возможностями: Device Net и Foundation Fieldbus.
Profibus DP V2 для управления перемещением
Последним расширением спецификации Profibus является вариант Profibus DP V2, включающий такие новые возможности, как:
1) функция синхронизации, позволяющая нескольким устрой-
ствам и осям перемещения зависеть от одного и того же генератора
синхроимпульсов;
2) обмен сообщениями по принципу «издатель/подписчик», позволяющий создавать связи между устройствами типа «один к одному» или «один ко многим». Тем самым обеспечивается согласованная
работа синхронизированных осей перемещения.
Безопасность
Протокол Profibus PA практически идентичен последнему протоколу Profibus DP с диагностическими расширениями V1 за исключением более низких уровней напряжения и тока, соответствующих требованиям обеспечения внутренней безопасности (Класс I разд. II),
- 59 -
принятых в обрабатывающей промышленности. Протокол Profibus PA
поддерживается большинством плат главных устройств, однако использование данного протокола предполагает наличие развязывающих
преобразователей между DP и PA (такие преобразователи поставляются целым рядом компаний). Питание PA-устройств от сети осуществляется с использованием напряжений и токов, гарантирующих внутреннюю безопасность.
Ведущие устройства класса 1 (Master)
Ведущие сетевые устройства класса 1 осуществляют управление циклическим обменом данными с ведомыми сетевыми устройствами. Помимо скоростного циклического обмена данными ведущие
устройства класса 1 способны поддерживать асинхронный обмен.
Асинхронный обмен используется для передачи параметров настройки
или результатов измерений ведомых устройств и имеет более низкий
приоритет по сравнению с циклическим обменом. Функции ведущих
сетевых устройств класса 1 могут выполнять программируемые контроллеры SIMATIC S7-300/S7-400, системы автоматизации SIMATIC
C7, промышленные компьютеры и т.д.
Ведущие устройства класса 2 (Master)
Ведущие сетевые устройства класса 2 (программаторы, компьютеры и т.д.) используются для программирования, конфигурирования, настройки параметров и диагностирования сетевых станций. Ведущие устройства этого класса способны считывать содержимое областей ввода вывода, диагностическую информацию, параметры настройки и другие данные сетевых станций. Ведущие устройства класса
2 способны поддерживать циклический и асинхронный обмен данными с ведомыми устройствами.
Ведомые устройства (Slave)
Ведомые устройства предназначены для организации связи с
объектом управления. С их помощью производится сбор информации
о текущем состоянии объекта управления, а также формируются необходимые управляющие воздействия. В каждом цикле обмена данными
с ведущим сетевым устройством ведомые устройства способны передавать или принимать до 244 байт.
Основные принципы сети PROFIBUS определение
Коммуникационная сеть полевого уровня и уровня отдельных
производственных участков, базирующаяся на стандарте EN 50170–1–
2 и использующая гибридный метод доступа к шине (маркерное коль-
- 60 -