Глава 3. Промышленные сети

3.1. Общие сведения

В 70-80х г.г. в промышленности преобладала централизованная архитектура сетей, представлявшая один мощный компьютер (mainframe), соединенныйcоборудованием нижнего уровня кабельными линиями. Такая структура диктовалась высокой ценой ВТ. Недостатки: высокая стоимость кабельной сети, сложный монтаж и реконфигурация, низкая надежность.

Распространение микропроцессорной техники дало возможность перейти к распределенной архитектуре. Вычислительные мощности максимально близко располагаются к технологическому оборудованию, сокращая длину линий до минимума. Достоинства: снижение стоимости линий благодаря дорогих медных кабелей для передачи аналогового сигнала на дешевую витую пару. Надежность и гибкость. Информационный канал становится двунаправленым.

В настоящее время на верхнем уровне управления используется преимущественно Ethernet.

На нижнем уровне для связи промышленных компьютеров и контроллеров применяют специальные промышленные сети (или fieldbus- полевые шины). Особенностями функционирования промышленных сетей являются режим реального времени, детерминированность поведения, повышенная надежность при работе в производственных условиях (перепады температур –40…+85 С, влажность до 95-98%, запыленность, электромагнитные помехи, вибрации, ударные нагрузки). На нижнем уровне сетьEthernetне применяется, так как не удовлетворяет данным требованиям.

На среднем уровне (диспетчерского управления или SCADA) в зависимости от требований могут применяться какEthernet, так и промышленные сети.

В настоящее время в мире распространены около десятка видов промышленных сетей. Выбор сети зависит от области применения, уровня автоматизация и пр. Со временем классическая иерархия АСУТП становится более сложной и размытой по уровням. АСУТП все более интегрируется в АСУП, а через нее выходит в Internet.

Виды связи: 

1) Симплексная - позволяет передавать данные только в одну сторону, с передатчика на приемник. Пример: радио или телевидение.

2) Полудуплексная - позволяет двум устройствам поочередно обмениваться информацией, (классический RS-485 является полудуплексным). 

3) Дуплексная – позволяет двум устройствам одновременно обмениваться информацией.

Чаще всего на нижнем уровне применяется режим обмена данными типа "ведущий – ведомый" (Master/Slave) – ведущий узел последовательно опрашивает подчиненные узлы. Роли ведущего и ведомого закрепляются жестко. Ведущим узлом обычно является контроллер, опрашивающий датчики и приводы или контроллер верхнего уровня, опрашивающий локальные контроллеры.

3.2. Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Модель ISO/OSI(OpenSystemInterconnection- взаимодействие открытых систем) разработана в 1974 году. Регламентирует взаимодействие локальных и глобальных сетей, путем стандартизации сетевых программных и аппаратных средств.

1) Физический уровень(physicallayer) определяет физические характеристики канала связи и параметры сигналов. Реализация: кабельная система, разъемы, мультиплексоры, концентраторы, репитеры, шлюзы.

2) Канальный уровень(datalinklayer) формирует основную единицу передаваемых данных (пакет, кадр, фрейм) и отвечает за дисциплину доступа устройства к каналу связи и установление логического соединения. Контроль ошибок циклическим избыточным кодом (CRC). Реализация: сетевые адапторы, коммутаторы, мосты, шлюзы.

3) Сетевой уровень(networklayer) отвечает за адресацию и доставку пакета по оптимальному маршруту. Реализация: маршрутизаторы, протоколы маршрутизации, мосты и коммутаторы, шлюзы.

4) Транспортный уровень(transportlayer) обеспечивает надежную передачу данных, подбор оптимальной скорости передачи, гарантирующей доставку пакета данных без потерь. Реализация: драйверы сетевого оборудования, программы и средства управления потоком данных, шлюзы.

5) Сеансовый уровень(сессий) (sessionlayer) отвечает за установление и поддержку связи между двумя узлами, обеспечивает очередность работы узлов. Реализация: драйверы сетевого оборудования, ПО поиска имен компьютеров, средства для полу- и дуплексного режимов работы, средства запуска программ на удаленных компьютерах, шлюзы.

6) Уровень представления(presentationlayer) управляет форматированием данных, если это необходимо. Реализация: программы преобразования и шифрования данных, форматирования графики, шлюзы.

7) Прикладной уровень(applicationlayer) непосредственно управляет доступом к приложениям и сетевым службам (например к файлам и принтерам). Реализация: программные интерфейсы, браузеры Интернета, программы передачи сообщений и электронной почты, удаленного доступа к компьютерам, шлюзы.

На практике большинство промышленных сетей ограничивается физическим, канальным и прикладным. Качественные сети решают основную часть задач аппаратно, решая программно только седьмой уровень. Дешевые сети (ModBus) используют на физическом уровнеRS-485, а остальные задачи решают программным путем.