Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами. Учебное пособие.pdf
цо между активными узлами и «ведущий – ведомый» между активными и пассивными узлами). Средой передачи может являться витая пара, волоконно-оптический кабель или беспроводная среда.
Среда передачи
Сети PROFIBUS могут быть реализованы с использованием
одной из следующих сред:
• Экранированная витая пара (волновое сопротивление 150
Ом)
• Искробезопасная экранированная витая пара (для
PROFIBUS–PA)
• Волоконно-оптический кабель
• Беспроводные сети (ИК-технология)
Различные коммуникационные сети могут использоваться независимо или, в случае необходимости, объединяться между собой.
Маркерное кольцо/Ведущий – Ведомый (рис. 4.4).
• Все активные узлы (ведущие) формируют логическое мар-
керное кольцо, имеющее фиксированный порядок, при этом каждый
активный узел «знает» другие активные узлы и их порядок в логическом кольце (порядок не зависит от топологии расположения активных
узлов на шине).
Рис. 4.4. Маркерное кольцо/Ведущий – Ведомый
- 61 -
• Право доступа к каналу передачи данных, так называемый
«маркер», передаётся от активного узла к активному узлу в порядке,
определяемом логическим кольцом.
• Если узел получил маркер (адресованный именно ему), он
может передавать пакеты. Время, отпущенное ему на передачу пакетов, определяется временем удержания маркера. Как только это время
истекает, узлу разрешается передать только одно сообщение высокого
приоритета. Если такое сообщение у узла отсутствует, он передаёт
маркер следующему узлу в логическом кольце. Маркерные таймеры,
по которым рассчитывается максимальное время удержания маркера,
конфигурируются для всех активных узлов.
• Если активный узел обладает маркером, и если для него
сконфигурированы соединения с пассивными узлами (соединения «ведущее устройство – ведомое устройство»), производится опрос пассивных узлов (например, считывание значений) или передача данных
на эти устройства (например, передача уставок).
• Пассивные узлы никогда не принимают маркер.
Описанная технология доступа поддерживает вход и выход узлов из логического кольца во время работы.
Методы передачи RS-485
Маркер передается следующему узлу в логическом кольце.
Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное время
удержания маркера, конфигурируются для всех активных узлов.
• Если активный узел обладает маркером, и если для него
сконфигурированы соединения с пассивными узлами (соединения «ведущее устройство – ведомое устройство»), производится опрос пас-
сивных узлов (например, считывание значений) или передача данных
на эти устройства (например, передача уставок).
• Пассивные узлы никогда не принимают маркер.
Описанная технология доступа поддерживает вход и выход узлов из логического кольца во время работы.
Методы передачи RS-485 указаны табл. 4.1.
Преимущества:
• Гибкая шинная или древовидная топология с повторителя-
ми, шинными терминалами и шинными штекерами для подключения
узлов PROFIBUS.
- 62 -
• Исключительно пассивная передача сигналов, которая обес-
Топология сети
Шинная топология, древовидная структура
Среда передачи
Экранированная витая пара
Возможные длины
1000 м для скорости передачи до 187,5
Количество подклю-
тельно повторителей
Не более 9
Количество узлов
Не более 32 на одном шинном сегменте
Скорости передачи
9.6 кбит/с, 19.2 кбит/с, 45.45 кбит/с, 93.75
Мбит/с, 6 Мбит/с, 12 Мбит/с
печивает отключение узлов без оказания влияния на сеть (за исключением узлов, питающих нагрузочные сопротивления).
• Простота прокладки и подключения шинного кабеля, не
требующая специального опыта.
Таблица 4.1
Физические характеристики технологии передачи RS-485
с использованием повторителей
сегментов (в зависимости от типа кабеля)
ченных последова-
Ограничения:
• Охватываемое расстояние снижается при увеличении скоро-
сти передачи.
по молнии защите.
• При наружной установке требуются дополнительные меры
кбит/с
400 м для скорости передачи до 500 кбит/с
200 м для скорости передачи до 1.5 Мбит/с
100 м для скорости передачи 3.6 и 12
Мбит/с
Не более в 127 в сети при использовании
повторителей
кбит/с,
187.5 кбит/с, 500 кбит/с, 1.5 Мбит/с, 3
- 63 -
Преимущества:
Топология сети:
Шинная топология при использо-
• Независимо от скорости передачи, достигаются большие
расстояния между двумя терминалами передачи данных (ТПД) (расстояния между двумя модулями OLM достигают до 15 км).
• Узлы и среда передачи данных электрически развязаны ме-
жду собой.
• При соединении компонентов, имеющих разные потенциалы
относительно земли, отсутствуют токи экрана.
• Отсутствие электромагнитных помех.
• Не требуются дополнительные средства молнии защиты.
• Простота прокладки волоконно-оптических кабелей.
• Высокая надёжность ЛВС благодаря использованию коль-
цевой топологии.
• Чрезвычайно простая техника подключения при использо-
вании пластиковых волоконно-оптических кабелей на коротких дистанциях.
Ограничения:
• Общее время передачи пакета увеличено по сравнению с се-
тями на витой паре.
• Для монтажа стеклянных волоконно-оптических кабелей к
штекерам требуется специальный опыт и инструменты. Отсутствие
питания в точках сочленения (в приспособлениях для подключения
узлов, в OLM, или в OBT) приводит к прерыванию передачи сигнала,
приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Физические характеристики технологии передачи
по волоконно-оптическому каналу
вании встроенных оптических
портов и ОВТ;
шинная топология, топология типа «звезда» или «кольцо» при использовании OLM
- 64 -
Окончание табл. 4.2
Среда передачи:
Волоконно-оптические кабели с
Длина сегментов
До 15 км при использовании
OBT: 1 м – 50 м
Скорость передачи
9.6 кбит/с, 19.2 кбит/с, 45.45
12 Мбит/с.
Количество узлов
Не более 127 в сети (126 для
зованием OLM)
Топология сети
Точка – точка
Точка – многоточка
Среда передачи:
Открытое пространство с прямой видимостью
Максимальная длина сегмента
15 м
волокнами из стекла, с пластиковым покрытием или с пластиковыми волокнами
(точка – точка)
Технология беспроводной передачи в инфракрасном диапазоне
Характеристики технологии передачи в инфракрасном диапазоне приведены в табл. 4.3.
Физические характеристики технологии передачи
в инфракрасном диапазоне
стекловолокна в зависимости от
типа волокна и OLM
при использовании пластиковых
волокон:
OLM: 0 м – 80 м
кбит/с, 93.75
кбит/с, 187.5 кбит/с, 500 кбит/с,
1.5 Мбит/с, 3 Мбит/с, 6 Мбит/с,
кольцевой топологии с исполь-
Таблица 4.3
- 65 -
Окончание табл. 4.3
Скорость передачи модуля
9.6 кбит/с, 19.2 кбит/с, 45.45 кбит/с,
500 кбит/с, 1.5 Мбит/с.
Количество узлов
Не более 127 в сети
ILM
Преимущества:
• Высокая мобильность подключенных компонентов производ-
ственного участка (например, тележек).
• Отсутствие износа при подключении и отключении в сетях с
фиксированными компонентами.
• Объединение узлов без монтажа кабеля (временное подклю-
чение, подключение к труднодоступным участкам).
• Не зависит от протокола.
• Электрическая развязка между узлами и проводной сетью.
Ограничения:
• Скорость передачи <= 1.5 Мбит/с.
• Требуется открытое пространство и прямая видимость между
узлами.
• Максимальное расстояние не превышает 15 м.
• В сетях может быть только одно ведущее устройство.
Подключение оконечной нагрузки
На обоих концах сегмента шины необходимо включать согласующую нагрузку, сопротивление которой соответствует волновому
сопротивлению кабеля. Оконечная нагрузка встроена в повторители
RS-485, шинные терминалы, модули ILM и шинные штекеры, в которых предусмотрена возможность ее включения/отключения. Включение согласованной нагрузки можно выполнять только после того, как
на устройство подано напряжение питания. На шинные терминалы и
штекеры питание подается от подключенного устройства, а повторители RS-485, модули ILM и модули активной оконечной нагрузки (терминаторы) имеют свои собственные источники питания. Техника передачи RS-485 допускает подключение не более 32-х устройств (терминалов данных и повторителей) на один сегмент шины. Максимальная допустимая длина кабеля в пределах одного сегмента зависит от
скорости передачи и используемого кабеля ЛВС.
Объединение сегментов с помощью повторителей RS-485
Сегменты можно объединить между собой с помощью повторителей RS-485. Повторитель RS- 485 увеличивает мощность сигналов,
93.75 45 кбит/с, 187.5 кбит/с,
- 66 -
передаваемых по кабелям ЛВС. Использование повторителя RS- 485
требуется тогда, когда к сети необходимо подключить более 32-х узлов
или тогда, когда должна быть достигнута длина сегмента, превышающая допустимую. Между двумя узлами допускается использование не
более 9-ти повторителей. Может быть реализована как шинная, так и
древовидная топология.
Также при проектировании следует учитывать емкостные показатели устройств: не рекомендуется подключать устройства короткими
отрезками кабеля, т.е. практически это значит, что отрезки кабеля между узлами должны быть не меньше 2-3 метров.
4.4. Foundation Fieldbus
Краткий обзор
Аппаратура и автоматизированные системы управления
Fieldbus положили начало новой эры в развитии систем управления
технологическими процессами. Эволюция, начало которой положила
эта новая технология, затронула такие области, как пневматическое
управление, аналоговые схемы, и распределенное управление, предложив принципиально новое решение вместо этих методов управления.
FOUNDATION Fieldbus представляет собой цифровую, последовательную, дуплексную систему передачи данных, соединяющую и поддерживающую взаимодействие полевого оборудования - датчиков,
пускателей и контроллеров. Fieldbus представляет собой локальную
сеть (LAN) для устройств, используемых для автоматизации производственных процессов и автоматизации производства, обладающую возможностью распределять управление по всей сети.
Компания Fieldbus Foundation – мировой лидер в области разработки единого международного стандарта полевых шин, обладающих широкой функциональной совместимостью с другими устройствами. Эта независимая, некоммерческая организация объединяет более
чем 125 крупных компаний, являющихся мировыми лидерами в области поставки, производства и эксплуатации оборудования для систем
управления процессами и управления производством. Благодаря совместным усилиям этих компаний, создан и поддерживается уникальный, не имеющий аналогов протокол fieldbus, используемый во многих
странах мира, а также был разработан стандарт IEC/ISA fieldbus.
- 67 -
Введение
В настоящее время на мировом рынке существует несколько
промышленных технологий для полевых шин; в названиях многих из
них встречается термин «fieldbus»; многие из этих технологий имеют
несколько общих характеристик с FOUNDATION fieldbus и обладают
рядом общих с FOUNDATION fieldbus преимуществ. Большинству
пользователей уже знакомы эти преимущества: существенно уменьшен
объем соединительных кабелей и проводов, необходимых для поддержки работы системы, уменьшение модуля ввода-вывода, расширенный доступ к данным, высокий уровень комплексируемости оборудования, устойчивость и чистота сигнала, и т.д. Все эти протоколы
реализуют отдельные преимущества, заложенные в технологию полевой шины (fieldbus), но только FOUNDATION fieldbus реализует весь
спектр преимуществ. Протокол FOUNDATION fieldbus также имеет
несколько уникальных характеристик и особенностей, которыми не
обладают другие технологии, используемые производителями шин,
благодаря которым пользователи FOUNDATION fieldbus получают
дополнительные преимущества и средства повышения конкурентоспособности эксплуатируемых установок. Несмотря на определенное
сходство между различными технологиями полевых шин, архитектура,
функциональные характеристики и степени комплексируемости этих
устройств различны. Также между этими технологиями существует
существенные различия в степени реализации данных преимуществ.
Кроме того, существенно различаются организации-разработчики,
поддерживающие данные протоколы. Чтобы помочь пользователю в
выборе оборудования и протокола, в данной статье разъясняются различия между существующими технологиями и их значение с технической, экономической, инженерной и функциональной точки зрения.
Технические перспективы
Одним из первых и важнейших вопросов, при обсуждении новой технологии являются особенности и возможности этой технологии. Далее будут обсуждаться характеристики, благодаря которым
FOUNDATION существенно отличается от других протоколов fieldbus.
Обзор технологии
Международные стандарты технологии полевой шины
(fieldbus) соответствуют спецификациям базовых протоколов полевых
шин ISA/ANSI S50.02 и IEC DIS 61158 (ISA/ANSI S50.02 и IEC DIS
61158 являются аналогами друг друга). Данный стандарт разработан
- 68 -
ведущими специалистами в области коммуникаций более чем из 17
стран. Работая совместно с комиссиями по стандартизации ISA и IEC,
международное объединение Fieldbus FOUNDATION разработала ряд
спецификаций для реализации стандарта на двух уровнях приложений:
H1 (взаимодействие полевых устройств управления процессом) и H2
(высокоскоростная сеть с использованием шлюзов для связи сетей устройств управления процессом H1).
FOUNDATION fieldbu s – это законченное решение проблемы автоматизации в масштабе всей установки, разработанное для
поддержки сетей, в которых питание подводится к шине, и обеспечивается безопасность с точки зрения их внутренней структуры. Шина
H1 (скорость передачи данных 31.25 кбит/с) идеально подходит для
сбора данных и управления технологическими процессами. Реализация
полевой шины с высокой скоростью обмена данными объединяет открытую промышленную технологию Ethernet и стандарт полевых шин
IEC/ISA, обеспечивает экономически эффективные решения для таких
областей индустрии, как производство отдельных деталей и непрерывные процессы.
Выпуску версии полевой шины FOUNDATION H1, поддерживающей скорость обмена данными 31.25 кбит/с, в 1996 г. предшествовала напряженная работа разработчиков, в которой участвовали несколько поставщиков систем и устройств управления технологическими процессами, а также интенсивное тестирование в полевых условиях. Была разработана полная спецификация приложения управления
процессом - функционального блока, предусматривающая поддержку
управления полевой шиной на нижних уровнях протокола обмена данными. Она основана на стандартах ISA SP50.02 и IEC 61158 для полевых шин. В сетях, использующих протокол H1, питание может подводиться к шине, причем такие сети обеспечивают безопасность с точки
зрения их внутренней структуры, что означает их пригодность для работы в потенциально опасных условиях. В безопасной зоне к одному
кабелю может подключаться до 32 устройств. Число устройств, которые могут подключаться к одному кабелю в потенциально опасной
зоне эксплуатации, зависит от потребляемой мощности, а также от
электроемкости устройств и кабеля, а также от правил и ограничений,
действующих в опасной зоне.
Во многих странах ограничения, определяемые местными регулирующими органами, ограничивают число устройств, которые мо-
- 69 -
гут подключаться к одному кабелю при работе в потенциально опасной зоне, четырьмя устройствами, хотя в других странах допустимо
подключать большее число устройств. Делегированный маркер, передача данных от узла к узлу FOUNDATION fieldbus основывается на
модели делегированного маркера, позволяющего передать функции
управления на уровень полевых устройств. Другие полевые шины
опираются на устаревшую централизованную архитектуру управления,
в которой весь обмен данными между устройствами осуществляется
через хост. При такой устаревшей архитектуре управление на уровне
полевых устройств невозможно реализовать, и преимущества использования полевой шины сводятся к замене аналоговой схемы передачи
данных, рассчитанной на амплитуду 4-20мА. Устройство Fieldbus по-
зволяет использовать несколько хостов в сети, причем хосты можно
добавлять во время цикла просмотра без прерывания этого цикла.
Прежние технологии не предоставляют этих возможностей.
Модель «публикация и подписка»
Централизованно планируемая передача данных между функциональными блоками гарантирует возможность передачи данных от
одного устройства к другим устройствам в одно действие и в строго
запланированное время. Эти возможности служат для улучшения
управления системой: минимизации задержек и гарантии того, что используются не устаревшие данные, а также для гарантии одновременного обновления информации на всех узлах. В устаревшей модели архитектуры «главный-подчиненный», главное устройство опрашивает
подчиненные. Время синхронизации контура управления является
программируемой функцией главной станции, которая выполняет все
вычисления, необходимые для осуществления управления.
Клиент-серверная архитектура
Уровень приложений в FOUNDATION fieldbus обеспечивает
полностью подтверждаемую модель обмена данными клиент-сервер.
Эта модель может использоваться для изменения операторами значений уставки и других параметров, а также для разгрузки, загрузки и
конфигурирования в режиме on-line, без отключения других контуров
управления. Обеспечивается полная поддержка распределения и подтверждения алармов, а также функциональность FMS. Возможности
удаленного конфигурирования, чтения и записи для протоколов, использующих нестандартные FMS для приложений, существенно ограничены.
- 70 -