Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А
.pdfПод этим общим названием понимается совокупность трех различных, но совместимых протоколов:
PROFIBUS-FMS, предназначавшийся для работы на так называемом цеховом уровне. Основное его назначение – передача больших объемов данных;
PROFIBUS-DP, используемый для высокоскоростного обмена данными между программируемым логическим контроллером и распределенными устройствами связи с объектом. Физическая среда передачи – экранированная витая пара стандарта RS-485. Скорость обмена прямо зависит от длины сети и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 м до 12 Мбит/с на дистанции до 100 м. Взаимодействие узлов в сети определяется моделью Master – Slave («ведущий – ведомый»);
PROFIBUS-PA – сетевой интерфейс, физическая среда передачи данных которого соответствует стандарту IEC 61158-2. Может применяться для построения сети, соединяющей исполнительные устройства, датчики и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне.
Верхний уровень (информационно-вычислительный) состоит из оборудования для визуализации технологических процессов. Для передачи данных на этом уровне используются технологии
Industrial Ethernet.
Промышленная сеть Industrial Ethernet обеспечивает эффективную связь верхнего уровня и базируется на международных стандартах (IEEE 802.3/IEEE 802.3u).
На современном этапе развития систем автоматизации технологических процессов все более актуальной становится задача реализации единого информационного пространства предприятия, объединяющего технологические и производственные уровни с бизнес-системами. При интеграции приложений различного уровня управления предприятием применение Ethernet дает неоспоримые преимущества. Нельзя забывать и о том, что, в отличие от поддерживаемых одним производителем промышленных
191
полевых протоколов, Ethernet распространен очень широко, а высокая конкуренция среди производителей оборудования обусловливает постоянное повышение качества и снижение стоимости технологий.
Для построения сетей Ethernet используются кабельные системы на базе медных кабелей из скрученных пар UTP (неэкранированные) и STP/FTP (экранированные) либо оптических кабелей (одноили многомодовых). Кабельная система, построенная в соответствии со стандартами (TIA/EIA-568, ISO/IEC 11801), обеспечивает надежную работу, в том числе в промышленных условиях, не требуя какого-либо обслуживания. Выбор кабеля осуществляется с учетом физических интерфейсов оборудования, уровня электромагнитных помех, протяженности линий. Для работы в агрессивных средах выпускаются специальные типы кабелей и коммутационных узлов (разъемов).
Интерфейсы Ethernet в настоящее время представляют собой однокристальные модули (микросхемы), которые обеспечивают надежную работу в самых разных условиях и не требуют обслуживания или настройки.
Таким образом, при корректной разработке схемы сети и организации структурированной кабельной системы в соответствии с современными стандартами необходимость в какой-либо настройке и обслуживании сети Ethernet на физическом уровне исключается.
12.5. Промышленные стандарты сетей
Организация сетей в промышленности на уровне оборудования, использующего полевую шину (fieldbus), призвана решить проблемы, связанные с автоматизацией производства в гетерогенных системах.
192
Fieldbus (полевая шина, промышленная сеть), как ее понимают на Западе, есть коммуникационная технология построения единой информационной системы (не путать с КИС), объединяющая интеллектуальные аппаратные и программные средства управления, технологические датчики, исполнительные механизмы. При более близком рассмотрении в термин fieldbus вкладывается физический способ коммутации производственных узлов и протокол их взаимодействия.
Неизбежно, так же как и при организации офисной LAN, на производстве возникает необходимость расширения или объединения части установленных систем fieldbus, например, при создании распределенных систем. Скорее всего, при таких действиях не возникнет проблем, когда применяется оборудование одного производителя, но если система гетерогенна, тогда без применения открытых стандартов не обойтись. Вполне естественно, что когда производителей fieldbus было небольшое количество, выбрать одного было гораздо проще. Но в то время не придавалось большого значения возможности дальнейшей интеграции и совместимости, и поэтому разработчики применяли свои уникальные технологии. В настоящее же время потребители не хотят зависеть от конкретного вендора и стараются придерживаться использования открытых стандартов. Под открытой fieldbusтехнологией будем понимать возможности свободного физического включения в гетерогенную fieldbus, построения работоспособной fieldbus на основе узлов различных производителей, замены элементов аналогичными элементами других производителей.
Если обобщить вышесказанное, получим, что fieldbus – цифровая, двунаправленная, многоточечная, последовательная коммуникационная сеть, используемая для связи функционально изолированных друг от друга устройств. Причем каждое коммуникационное fieldbus-устройство обладает определенными интеллектуальными ресурсами, обеспечивающими его самодиагностику и взаимодействие с аналогичными устройствами fieldbus
193
без привлечения устройств и дополнительных протоколов высокого уровня.
Архитектура fieldbus похожа на LAN, однако должна отвечать целому ряду специфических требований, среди которых жесткая детерминированность поведения, обеспечение real-time-функций, возможность работы в сильно распределенных в пространстве системах при использовании недорогого физического уровня, высокая устойчивость физического и канального уровней к помехам различной природы, наличие высоконадежных механических коммутационных компонентов.
Учитывая приведенные требования и свойства fieldbus, можно отметить, что применение промышленных полевых шин позволит существенно улучшить качество, снизить затраты и повысить эффективность конечной системы за счет возможности узлов выполнять ряд операций по самодиагностике и обслуживанию, а применение цифровой передачи данных позволяет значительно снизить количество используемых проводников. Благодаря указанным особенностям архитектура конечной системы получается довольно простой за счет количественного уменьшения используемых компонентов.
Рассмотрим наиболее распространенные в настоящее время протоколы, стандарты и их основные спецификации.
AS-i. Технология полевой шины предназначена для связи в единую систему устройств нижнего уровня (датчиков и исполнительных узлов, работающих в дискретном режиме) с контроллерами.
К достоинствам AS-i (Actuator-Sensor interface) fieldbus следу-
ет отнести возможность питания исполнительных и регистрирующих устройств (суммарный ток до 10 А) по тем же физическим каналам, по которым происходит передача данных. Скорость передачи информации при подключении максимального количества Slave-устройств (не более 31) не превышает 5 мс. При подключении или остановке определенных компонент fieldbus нет необхо-
194
димости останавливать работу всей сети; перенастройка происходит в автоматическом режиме. Обмен данными организован путем последовательной передачи информации в режиме MasterSlave при максимальном подключении до 124 входов и 124 выходов на сегмент для устройств типа Slave со встроенной защитой от ошибок передачи. Однако без дополнительных повторителей максимальное расстояние, на которое может передаваться информация, составляет 100 метров. Также устройства AS–i fieldbus требуют специального блока питания. В настоящее время эта технология поддерживается рядом известных фирм, среди которых Siemens, Westlock Control Corp, Bihl+Wiedemann,
Topworx, Pepperl+Fuchs.
CAN. Технология полевой шины разрабатывалась фирмой BOSCH для объединения в единую систему большого количества датчиков транспортного средства и бортового компьютера и используется преимущественно в мобильных системах и при организации сети устройств с искусственным интеллектом.
CAN (Controller Area Network) представляет собой систему с последовательной распределенной передачей сообщений, т. е. посредством программного или аппаратного фильтра происходит идентификация сообщения узлом (для какого компонента оно предназначено), установка приоритета и реакция на него. Передача информации по CAN fieldbus может проходить без участия устройств верхнего уровня. Согласно CAN–протоколу, если передачу CAN–сообщения начинает более чем один узел, после арбитража передачу продолжает только тот узел, который передает сообщение с наивысшим приоритетом.
В протокол встроен сложный алгоритм обнаружения ошибок. Его в общих чертах можно описать следующим образом: CAN– протокол сигнализирует об искаженном сообщении посредством кадра ошибки (Error Frame), передача Error Frame происходит после того, как будет обнаружено состояние ошибки передающим или принимающим узлом. Ранее переданное сообщение уничтожа-
195
ется и повторно передается после получения кадра ошибки, что и обеспечивает общесетевую последовательность данных. Другими словами, если передающий узел посылает или получает кадр ошибки, он автоматически начинает повторную передачу текущего сообщения. Еще одной особенностью этой технологии является зависимость скорости передачи от длины физического канала связи. И если ранее разработка CAN–протоколов велась как для устройств низкого, так и высокого уровней, то в настоящее время, так как не было четкой стандартизации для CAN–протоколов высокого уровня, то компании–разработчики предлагают и внедряют собственные модификации высокоуровневых CAN–протоколов. Наиболее популярные протоколы этого типа: CANopen, Kingdom (Kvaser), DeviceNet (Allen Brandley), SDS (Honeywell), CAL (CAN Application Layer), SAE J1939. Эта технология поддерживается целым рядом производителей, среди которых EMS Dr. Thomas Wuensche, Kvaser, Philips Semiconductors, Intel, Robotics, BOSCH.
HART. Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer) был разработан на заре развития fieldbus-технологий американской компанией Rosemount Inc. Спустя непродолжительное время протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. В настоящее время он поддерживается специально созданной организацией HCF (HART Communication
Foundation).
Архитектура HART предусматривает одновременное использование цифрового сигнала (преимущественно для передачи служебной информации) и управляющего сигнала 420 мА. Оба сигнала, аналоговый и цифровой, могут одновременно передаваться по одному физическому каналу.
Топология промышленной сети, организованной по этой технологии, может представлять собой соединения типа точка-точка и шина. В первом случае система может включать в себя одно устройство типа Slave и максимум два (основное и вторичное) устройства Master. В этом случае сначала проходит запрос Master-
196
устройства, после чего начинается передача ответа устройством Slave. В другом случае могут присутствовать те же два устройства Master и до 15 устройств Slave, тогда обмен информацией происходит только в цифровой форме без возможности передачи управляющих сигналов, т. е. данные передаются только устройствами Slave. В случае шинной организации в сеть дополнительно включается вспомогательный источник питания, обеспечивающий ток питания 4 мА на каждое устройство Slave. Для передачи цифровой информации HART-протокол использует принцип частотной модуляции (FSK, Frequency Shift Keying). Протяжен-
ность линий связи может составлять до 3 км в режиме точкаточка и не более 100 м при шинной топологии.
Наиболее весомым недостатком протокола HART является низкая скорость передачи – всего 1,2 Кбит/с. Одной из особенностей HART-сети является необходимость наличия HART-модема для каждого компонента сети, участвующего в обмене-передаче данных, однако в отдельных случаях (когда отсутствует токовая петля) наличие HART-модема необязательно.
Работать по рассматриваемому протоколу могут устройства очень большого количества компаний, среди которых Fluke
Electronics Corp., Fuji Electric Instruments Corp., Honeywell,
Microflex, Toshiba, Siemens и др.
LONWorks. Протокол LONWorks (LON, Local Operating Networks) был разработан компанией Echelon Corp. для обеспечения автоматизации производства, в частности для поддержки интеллектуального управления системами жизнеобеспечения зданий. Позднее Echelon Corp. заключила договор с компаниями Toshiba и Motorola, согласно которому только эти компании имели право на его производство.
На сегодняшний день технология LON является максимально детализированным протоколом. Согласно его архитектуре, в нем реализованы семь уровней модели OSI, за управление которыми отвечает специальный интерфейсный чип Neuron. В этом чипе
197
интегрированы три микропроцессора MAC, NET, APP, каждый из которых выполняет определенные задачи. Так, микропроцессор MAC отвечает за доступ к среде передачи (первый и второй уровни OSI), NET – за сетевое управление (третий-шестой уровни OSI), APP – за управление средой приложений, в частности, за ретрансляцию языка Neuron-C (прикладной уровень OSI). Благодаря такой организации обеспечивается определенный уровень открытости технологии и значительно упрощаются методы решения проблем, связанных с этим. Интересной особенностью рассматриваемой технологии является возможность ее применения на различных физических линиях связи, в том числе и в гетерогенной физической составляющей системы. В этом случае для каждого однородного сегмента сети применяются специализированные контроллеры, протоколы и коммутаторы.
Архитектура fieldbus, основанная на технологии LON, представляет собой среду, в которой каждому контроллеру присвоены уникальный идентификационный номер (UIN), тип и определенное количество входов и выходов. LON-технология прекрасно подходит для организации многомерного управления, вследствие встроенного алгоритма распределения функций управления между контроллерами, а также благодаря устойчивости системы к отказу отдельных компонентов. Другими словами, узлы сети постоянно оценивают работоспособность системы и автоматически оптимизируют алгоритм управления в соответствии с текущим состоянием системы. В зависимости от числа незавершенных заданий каждого узла MAC-процессор определяет порядок доступа конкретного узла к каналу передачи исходя из его загрузки.
Пропускная способность сети исходя из возможностей технологии будет зависеть от степени неоднородности сети, количества узлов (до 32 тысяч) и организованной сетевой топологии.
Foundation Fieldbus (FF). Это название промышленной шины, поддерживаемой организацией Fieldbus Foundation. Как и CiA, Fieldbus Foundation тоже является ассоциацией, появившей-
198
ся в результате слияния североамериканских компаний ISP-
Foundation и WorldFIP.
После многих лет безуспешной деятельности комитетов IEC (МЭК) и ISA по стандартизации единой универсальной промышленной шины в Fieldbus Foundation решили определить собственную шину, объединив несколько уровней самого разного происхождения. Таким образом, в Foundation Fieldbus используются:
базовый физический уровень (H1 FF), обеспечивающий скорость передачи 31,25 Кбит/с, на основе модифицированной версии физического уровня IEC 1158-2;
скоростной физический уровень (H2 FF) с максимальной скоростью передачи в 1 Мбит/с на основе IEC 1158-2;
уровень сетевого протокола, в котором используются элементы проекта стандарта унифицированной промышленной ши-
ны IEC/ISA SP 50;
прикладной уровень, включающий элементы концепции
ISP/PROFIbus (версии 3.0).
Шина Foundation Fieldbus ориентирована на непрерывное управление во «влажных» производствах, в потенциально взрывоопасных средах и поэтому должна проектироваться на базе низковольтной малоточной логики. Шина Foundation Fieldbus очень похожа на шину PROFIbus-PA (описывается ниже), которая также имеет встроенные средства защиты. Кроме того, в ней имеются средства поддержки высокоуровневого супервизорного контроля, аналогичные средствам шины PROFIbus-FMS.
Век «частнофирменных» систем управления различными технологическими процессами быстро близится к закату. Сегодня никакой производитель не может поставлять всю номенклатуру требующихся в современных системах управления устройств. Для построения собственных систем от специалистов по автоматике требуется умение применять высокотехнологичные изделия разных компаний, и, естественно, эти изделия должны быть совместимыми.
199
Для гарантии совместимости продукции различных производителей необходимы открытые стандарты аппаратных и программных средств.
Одним из замечательных примеров реализации этой парадигмы в производстве систем управления является концепция OMAC (Open Modular Architecture Controller), разрабатываемая «большой тройкой» американских производителей автомобилей. В этой концепции для упрощения применения и повышения общности программирования систем управления производственными процессами определяется новый стандарт контроллеров. В качестве шины, обеспечивающей взаимодействие компонентов системы и снижение затрат на обслуживание и обучение персонала, выбрана шина PROFIbus.
Вобласти систем управления эта новая парадигма отнюдь не уникальна. Для настольных компьютеров уже разработаны новые стандарты последовательных шин с распределенным интеллектом (типа FireWire и USB), которые, возможно, также будут использоваться как в управленческих, так и промышленных системах.
12.6.Технологии беспроводной передачи данных
Внастоящее время существует большое многообразие промышленных сетей для автоматизации производства, представляющих собой законченные программно-аппаратные решения, значительно отличающиеся по своим параметрам и сферам применения.
По оценкам экспертов, только сбор данных в реальном времени о различных аспектах производственных процессов приведет в ближайшие годы к многократному увеличению трафика в распределенных системах промышленного управления. Причем возрастут не только потоки данных между датчиками, управляющими контроллерами и системой диспетчерского управления АСУ ТП,
200