cay / ACYTP_mikro2

1

АСУТП 1-2 Источник http://bookasutp.ru/References.aspx

2. Промышленные сети и интерфейсы

Обмен информацией между устройствами, входящими в состав автоматизированной системы (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнительными устройствами), происходит в общем случае через промышленную сеть

(Fieldbus, "полевую шину") [Cucej].

Промышленные сети отличаются от офисных следующими свойствами:

специальным конструктивным исполнением, обеспечивающим защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов;

широким температурным диапазоном (обычно от -40 до +70 град);

повышенной прочностью кабеля, изоляции, разъемов, элементов креп-

ления;

повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных помех;

возможностью резервирования для повышения надежности;

повышенной надежностью передачи данных;

возможностью самовосстановления после сбоя;

детерминированностью (определенностью) времени доставки сообще-

ний;

возможностью работы в реальном времени (с малой, постоянной и известной величиной задержки);

работой с длинными линиями связи (от сотен метров до нескольких километров).

Промышленные сети обычно не выходят за пределы одного предприятия. Однако с появлением Ethernet и Internet для промышленных сетей стали применять ту же классификацию, что и для офисных [Таненбаум]

LAN (Local Area Network) - сети, расположенные на ограниченной территории (в цехе, офисе, в пределах завода);

MAN (Metropolitan Area Networks) - сети городов;

WAN (Wide Area Network) - глобальная сеть, охватывающая несколько городов или континентов. Обычно для этого используют Internetтехнологию.

В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных сетей

(Modbus, Profibus, DeviceNet, CANopen, LonWorks, ControlNet, SDS, Seriplex, ArcNet, BACnet, FDDI, FIP, FF, ASI, Ethernet, WorldFIP, Foundation Fieldbus, Interbus, BitBus и др.). Однако широко распространенными является только часть из них. В России подавляющее большинство АСУ ТП используют сети Modbus

иProfibus. В последние годы возрос интерес к сетям на основе CANopen и DeviceNet. Распространенность в России той или иной промышленной сети свя-

2

зана, в первую очередь, с предпочтениями и активностью Российских фирм, продающих импортное оборудование.

2.1. Общие сведения о промышленных сетях

Промышленной сетью называют комплекс оборудования и программного обеспечения, которые обеспечивают обмен информацией (коммуникацию) между несколькими устройствами. Промышленная сеть является основой для построения распределенных систем сбора данных и управления.

Поскольку в промышленной автоматизации сетевые интерфейсы могут быть неотъемлемой частью соединяемых устройств, а сетевое программное обеспечение прикладного уровня модели OSI исполняется на основном процессоре промышленного контроллера, то отделить сетевую часть от устройств, объединяемых в сеть, иногда физически невозможно. С другой стороны, смену одной сети на другую часто можно выполнить с помощью замены сетевого ПО и сетевого адаптера или введением преобразователя интерфейса, поэтому часто один и тот же тип ПЛК может использоваться в сетях различных типов.

Соединение промышленной сети с ее компонентами (устройствами, узлами сети) выполняется с помощью интерфейсов. Сетевым интерфейсом называют логическую и (или) физическую границу между устройством и средой передачи информации. Обычно этой границей является набор электронных компонентов и связанного с ними программного обеспечения. При существенных модификациях внутренней структуры устройства или программного обеспечения интерфейс остается без изменений, что является одним из признаков, позволяющих выделить интерфейс в составе оборудования.

Наиболее важными параметрами интерфейса являются пропускная способность и максимальная длина подключаемого кабеля. Промышленные интерфейсы обычно обеспечивают гальваническую развязку между соединяемыми устройствами. Наиболее распространены в промышленной автоматизации последовательные интерфейсы RS-485, RS-232, RS-422, Ethernet, CAN, HART, AS-интерфейс.

Для обмена информацией взаимодействующие устройства должны иметь одинаковый протокол обмена. В простейшей форме протокол - это набор правил, которые управляют обменом информацией. Он определяет синтаксис и семантику сообщений, операции управления, синхронизацию и состояния при коммуникации. Протокол может быть реализован аппаратно, программно или программно-аппаратно. Название сети обычно совпадает с названием протокола, что объясняется его определяющей ролью при создания сети. В России используются сетевые протоколы, описанные в стандартах [ГОСТ - ГОСТ Р].

Обычно сеть использует несколько протоколов, образующих стек протоколов - набор связанных коммуникационных протоколов, которые функционируют совместно и используют некоторые или все семь уровней модели OSI [Руководство]. Для большинства сетей стек протоколов реализован с помощью

3

специализированных сетевых микросхем или встроен в универсальный микропроцессор.

Взаимодействие устройств в промышленных сетях выполняется в соответствии с моделями клиент-сервер или издатель-подписчик (производительпотребитель) [Thomesse]. В модели клиент-сервер взаимодействуют два объекта. Сервером является объект, который предоставляет сервис, т. е. который выполняет некоторые действия по запросу клиента. Сеть может содержать несколько серверов и несколько клиентов. Каждый клиент может посылать запросы нескольким серверам, а каждый сервер может отвечать на запросы нескольких клиентов. Эта модель удобна для передачи данных, которые появляются периодически или в заранее известное время, как, например, значения температуры в периодическом технологическом процессе. Однако эта модель неудобна для передачи случайно возникающий событий, например, события, состоящего в случайном срабатывании датчика уровня, поскольку для получения этого события клиент должен периодически, с высокой частотой, запрашивать состояние датчика и анализировать его, перегружая сеть бесполезным трафиком.

Вмодели взаимодействия издатель-подписчик имеется один издатель и множество подписчиков. Подписчики сообщают издателю список тегов, значения которых они хотят получать по определенному расписанию или по мере появления новых данных. Каждый клиент может подписаться на свой набор тегов. В соответствии с установленным расписанием издатель рассылает подписчикам запрошенную информацию.

Влюбой модели взаимодействия можно выделить устройство, которое управляет другим (подчиненным) устройством. Устройство, проявившее инициативу в обмене, называют ведущим, главным или мастером (Master). Устройство, которое отвечает на запросы мастера, называют ведомым, подчиненным (слейвом — Slave). Ведомое устройство никогда не начинает коммуникацию первым. Оно ждет запроса от ведущего и только отвечает на запросы. Например, в модели клиент-сервер клиент является мастером, сервер - подчиненным.

Вмодели издатель-подписчик на этапе подписки мастером является клиент, а на этапе рассылки публикаций — сервер.

Всети может быть одно или несколько ведущих устройств. Такие сети называется, соответственно, одномастерными или многомастерными. В многомастерной сети возникает проблема разрешения конфликтов между устройствами, пытающимися одновременно получить доступ к среде передачи информации. Конфликты могут быть разрешены методом передачи маркера, как, например, в сети Profibus, методом побитного сравнения идентификатора (используется в CAN), методом прослушивания сети (используется в Ethernet) и методом предотвращения коллизий (используется в беспроводных сетях).

Во всех сетях применяется "широковещательная рассылка" без определенного адреса, т.е. всем участникам сети. Такой режим используется обычно для синхронизации процессов в сети, например, для одновременного запуска

4

процесса ввода данных всеми устройствами ввода или для синхронизации часов.

Некоторые сети используют многоабонентский режим, когда одно и то же сообщение посылается нескольким устройствам одновременно.

Передача информации в сети выполняется через канал между передающим и приемным устройством. Канал является понятием теории информации и включает в себя линию связи и приемопередающие устройства. В общем случае вместо термина "линия связи" используют термин "среда передачи", в качестве которой может выступать, например, оптоволокно, эфир или витая пара проводов.

В распределенных системах на основе промышленных сетей может быть пять типов данных: сигналы, команды, состояния, события, запросы [Xi].

Сигналы - это результаты измерений, получаемые от датчиков и измерительных преобразователей. Их "время жизни" очень короткое, поэтому часто требуется получить только последние данные и в максимально короткий срок.

Команды - это сообщения, которые вызывают некоторые действия, например, закрытие клапана или включение ПИД-регулятора. Большинство систем должны обрабатывать потоки команд, которые передаются адресату с высокой надежностью и их нельзя передать повторно.

Состояние показывает текущее или будущее состояние системы, в которое она должна перейти. Требование к времени его доставки может быть не такие жестким, как для команд; непринятое состояние может быть послано повторно.

Событие наступает обычно при достижении текущим параметром граничного значения. Например, событием может быть выход температуры за технологически допустимую границу. За появлением события должны следовать ответные действия (см. раздел "Программное обеспечение"), поэтому для событий особенно важно требование гарантированного времени доставки.

Запрос - это команда, посылаемая для того, чтобы получить ответ. Примером может быть запрос серверу, который выдает на него ответ.

Ниже при описании сетей будет использоваться понятие фрейма. Под фреймом понимают набор данных, передаваемых по сети и имеющих строго оговоренную структуру (формат). Термины "кадр", "дейтаграмма" "сегмент", используемые в стандартах на различные промышленные сети, ниже будут использованы как синонимы фрейма.

Сети могут иметь топологию звезды, кольца, шины или смешанную. "Звезда" в промышленной автоматизации используется редко. Кольцо используется в основном для передачи маркера в многомастерных сетях. Шинная топология является общепринятой, что является одной из причин применения термина "промышленная шина" вместо "промышленная сеть". К общей шине в разных местах может быть подключено произвольное количество устройств.

5

Основными параметрами промышленных сетей являются производительность и надежность. Производительность сети характеризуется временем ре-

акции и пропускной способностью [Олифер].

Время реакции сети определяется как интервал времени между запросом ведущего устройства и ответом ведомого при условии, что ведомое устройство имеет пренебрежимо малую задержку выработки ответа на запрос.

Пропускная способность сети определяет количество информации, переносимой сетью в единицу времени. Измеряется в бит/с и зависит от быстродействия сетевых приемопередатчиков и среды передачи.

Важной характеристикой промышленных сетей является надежность доставки данных. Надежность (см. раздел "Аппаратное резервирование") характе-

ризуется коэффициентом готовности, вероятностью доставки данных, предсказуемостью времени доставки, безопасностью, отказоустойчивостью

[Олифер].

Коэффициент готовности равен отношению времени наработки до отказа к сумме времени наработки до отказа и времени восстановления после отказа.

Вероятность доставки данных определяется помехоустойчивостью канала передачи и детерминированностью доступа к каналу. В беспроводных сетях вероятность потери пакетов при передаче гораздо выше, чем в проводных. В сетях со случайным методом доступа к каналу существует вероятность того, что данные никогда не будут доставлены абоненту.

Время доставки данных в офисных сетях Ethernet является случайной величиной, однако в промышленном Ethernet эта проблема решена применением коммутаторов.

Безопасность - это способность сети защитить передаваемые данные от несанкционированного доступа.

Отказоустойчивость - это способность сети продолжать функционирование при отказе некоторых элементов. При этом характеристики системы могут ухудшиться, но она не теряет работоспособности.

В последнее время появился термин "качество обслуживания" (QoS - "Quality of Service"). QoS определяет вероятность того, что сеть будет передавать заданный поток данных между двумя узлами в соответствии с потребностями приложения [Олифер].

2.2. Модель OSI

Поскольку основной функцией сети является соединение между собой различного оборудования, проблема открытости, в частности, стандартизации, для сетей приобретает особое значение. В связи с этим в начале 80-х годов международной организацией по стандартизации ISO (International Standardization Organization) совместно с рядом других организаций была сформулирована и принята модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Intercon-

6

nection), которая сыграла и играет до сих пор важную роль в развитии сетей [Таненбаум - Олифер].

Полное описание модели OSI занимает более 1000 страниц текста. Это связано с тем, что сетевое взаимодействие устройств является сложной задачей. Для решения таких задач обычно используется декомпозиция сложной задачи на более простые. Декомпозиция выполняется таким образом, чтобы количество и сложность связей, а также поток данных между подзадачами были минимальными. В модели OSI было использовано 7 подзадач (уровней), причем декомпозиция выполнена таким образом, что взаимодействие осуществляется только между соседними уровнями.

Такой подход обеспечил возможность решения задачи взаимодействия систем для каждого уровня отдельно, в том числе независимыми группами разработчиков. В частности, для сетевого взаимодействия устройств необходимо согласовать между собой электрические уровни сигналов, задержки и длительности импульсов, типы соединителей, способы кодирования информации, способы обеспечения достоверности передачи, формы и форматы адресации, форматы данных, способы доступа к сети, способы буферизации данных, способы деления их на пакеты и восстановления целостности сообщений и др.

Семь уровней модели OSI представлены в табл. 2.1.

Модель OSI не включает средства взаимодействия между собой приложений, расположенных на разных компьютерах сети, такие, как, например, DDE, OPC или CORBA, а описывает только средства, реализуемые операционной системой, системными утилитами и аппаратурой. Поэтому прикладной уровень нельзя путать с уровнем взаимодействия приложений, который в модель OSI не входит.

Если приложение обращается с запросом к прикладному уровню, то на основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня фор-

7

мирует сообщение, состоящее из заголовка и поля данных, и передает его вниз, на уровень представления. Протокол представительного уровня выполняет требуемые действия, содержащиеся в заголовке прикладного уровня и добавляет к сообщению свою служебную информацию - заголовок представительного уровня, в котором содержатся инструкции для соответствующего уровня получателя сообщения. Сформированное таким образом сообщение с уже двумя заголовками передается вниз сеансовому уровню, который также добавляет к нему свой заголовок. Таким образом, дойдя до физического уровня, сообщение обрастает семью заголовками, после чего оно передается по сети адресату. Когда сообщение достигнет адресата, оно проходит весь стек протоколов в обратном порядке, от физического уровня до прикладного. На каждом уровне выполняются соответствующие функции, содержащиеся в заголовке каждого уровня.

Большинство уровней модели OSI имеют смысл только в сетях с коммутацией пакетов (а не каналов). Тем не менее, отдельные ее уровни и термины используются практически во всех сетях. Сеансовый уровень и уровень представления на практике используются редко, а сетевой уровень и канальный - практически всегда и сильно перегружены [Таненбаум].

2.2.1. Физический уровень

На физическом уровне (Physical layer) происходит передача данных по таким линиям связи, как витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель или радиоканал. Основная функция физического уровня - обеспечить прием логической единицы (а не нуля) на стороне получателя в том случае, если на стороне отправителя передана единица. На физическом уровне используются понятия: длительность импульса и паузы, длительности фронтов импульсов, количество проводов и цоколевки разъемов, помехозащищенность, волновое сопротивление, полоса пропускания, кодирование информации, синхронизация, модуляция, определение начала кадра, уровень логической единицы и логического нуля.

2.2.2. Канальный уровень

На физическом уровне не учитывается, что канал передачи может быть занят другими устройствами, подключенными к сети. Проверка доступности канала передачи осуществляется на канальном уровне (Data Link Layer). Канальный уровень разбивает передаваемые данные на кадры и выполняет функции обнаружения и коррекции ошибок с помощью контрольной суммы, помещаемой в начало или конец каждого кадра. Кадр считается полученным, если контрольная сумма, вычисленная на стороне получателя, совпадает с контрольной суммой, приписанной к переданному кадру. При обнаружении ошибки канальный уровень может выполнить повторную передачу поврежденного кадра.

8

Функция исправления ошибок не является обязательным требованием стандарта.

2.2.3. Сетевой уровень

Основное назначение сетевого уровня (Network Layer) - определение маршрутов пересылки пакетов от источника к приемнику сообщений. Маршруты могут быть жестко заданы или меняться динамически в зависимости от текущей загруженности сети. Сетевой уровень отвечает также за объединение нескольких разных сетей в единую транспортную систему, причем эти сети могут использовать различные принципы передачи сообщений, методы адресации и обладать произвольной структурой связей.

2.2.4. Транспортный уровень

Транспортный уровень (Transport Layer) обеспечивает доставку сообщений с требуемым уровнем качества (надежности). В модели OSI выделяют на выбор пользователя пять классов сервиса, которые отличаются срочностью доставки сообщений, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи (таких как искажение, потеря или дублирование пакетов).

На транспортном уровне выполняется разбивка сообщений сеансового уровня на пакеты, их нумерация, буферизация принимаемых пакетов, упорядочивание прибывающих пакетов, управление потоками.

2.2.5. Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session Layer) управляет диалогом (сеансом связи): отслеживает очередность передачи сообщений участниками сети; вставляет метки в длинные сообщения, чтобы в случае потери связи выполнит повторную передачу только утерянной части сообщения; устанавливает способ обмена (дуплексный или полудуплексный).

Этот уровень редко используется на практике, а его функции часто объединяются с функциями прикладного уровня.

2.2.6. Уровень представления

Уровень представления (Presentation Layer) оперирует с формой представления передаваемой по сети информации, не изменяя ее содержания. На этом уровне может задаваться тип кодирования символов (например, ASCII или ANSI), может изменяться синтаксис передаваемых сообщений, задаваться тип шифрования и дешифрования данных для обеспечения их секретности. Приме-

9

ром такого протокола является Secure Socket Layer (SSL), обеспечивающий секретность сообщений для протокола TCP IP.

2.2.7. Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application Layer) представляет собой набор популярных протоколов, с помощью которых осуществляется доступ к файлам (например, с помощью протокола FTP) или веб-страницам (с помощью HTTP), к электронной почте (SMTP).

2.2.8. Критика модели OSI

Несмотря на то, что модель OSI является общепризнанным стандартом, она очень несовершенна [Таненбаум]. Как мы увидим далее, в промышленных сетях используются только два или три уровня этой модели, и даже сеть Ethernet не использует уровни 5 и 6. Существуют четыре причины, объясняющие это: [Таненбаум]

несвоевременность - модель OSI появилась слишком поздно, когда начали появляться и быстро завоевали популярность протоколы TCP/IP, которые не нуждались в уровнях 5 и 6 этой модели;

плохая технология - выбор семиуровневой структуры был скорее политическим, чем техническим. Эталонная модель OSI оказалась невероятно сложной. Если сложить в стопку распечатку официального описания ее стандарта, то получится кипа бумаги высотой в один метр [Таненбаум];

неудачная реализация - в результате сложности модели и протоколов неудачу потерпели все фирмы, которые пытались реализовать эту модель;

неудачная политика - OSI считался детищем европейских телекоммуникационных министерств и правительства США, и, хотя это было не совсем верно, мысль об этом не способствовала продвижению этой модели на фоне растущего интереса к модели TCP/IP [Таненбаум], которая ассоциировалась с популярной в то время операционной системой UNIX.

Тем не менее, методологически модель OSI очень актуальна до сих пор и все сетевые стандарты начинают свое описание с указания соответствия между этой моделью и конкретным стандартом.

Модель OSI будет использована ниже при рассмотрении ряда промышленных сетей

2.3. Интерфейсы RS-485, RS-422 и RS-232

Интерфейсы RS-485 и RS-422 описаны в стандартах ANSI EIA/TIA*-485- А и EIA/TIA-422. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным в промышленной автоматизации. Его используют промышленные сети Modbus, Profibus DP, ARCNET, BitBus, WorldFip, LON, Interbus и множество нестан-

дартных сетей. Связано это с тем, что по всем основным показателям данный

10

интерфейс является наилучшим из всех возможных при современном уровне развития технологии. Основными его достоинствами являются:

двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;

работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т. е. возможность организации сети;

большая длина линии связи;

достаточно высокая скорость передачи.

2.3.1. Принципы построения

Дифференциальная передача сигнала

В основе построения интерфейса RS-485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от "земли", а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data+ и Data- (рис. 2.1). При этом напряжение каждой линии относительно "земли" может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7...+12 В [RS - TIA].

Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии Data+ и Data-. При разности напряжений более 200 мВ, до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В - логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5 В, поэтому при пороге срабатывания приемника 200 мВ помеха (в том числе падение напряжения на омическом сопротивлении линии) может иметь размах 1,3 В над уровнем 200 мВ. Такой большой запас необходим для работы на длинных линиях с большим омическим сопротивлением. Фактически, именно этот запас по напряжению и определяет максимальную длину линии связи (1200 м) при низких скоростях передачи (менее 100 кбит/с).

Благодаря симметрии линий относительно "земли" в них наводятся помехи, близкие по форме и величине. В приемнике с дифференциальным входом сигнал выделяется путем вычитания напряжений на линиях, поэтому после вычитания напряжение помехи оказывается равным нулю. В реальных условиях, когда существует небольшая асимметрия линий и нагрузок, помеха подавляется не полностью, но ослабляется существенно.

Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних витках вследствие явления электромагнитной индукции, по "правилу буравчика" оказываются направленными навстречу друг-другу и взаимно компенсируются. Степень компенсации определяется качеством изготовления кабеля и количеством витков на единицу длины.