8.4. Прикладний рівень.

Забезпечує комунікацію між пристроями типу «мастер/слейв». Прикладний рівень незалежить від фізичного і канального рівнів, зокрема, він може використовувати протоколи Ethernet Тср/ip (Modbus Тср/ip), Modbus Plus (багатомастерна мережа з передачею маркера), інтерфейси RS-232, RS-422, RS-485, оптоволоконні, радіоканали і інші фізичні середовища для передачі сигналів.

Прикладний рівень Modbus базується на запитах за допомогою кодів функцій. Код функції вказує слейв-пристрою, яку операцію він повинен виконати.

При використанні протоколу прикладного рівня з різними протоколами транспортного і канального рівнів зберігається незмінним основний блок Modbus-повідомлення, що включає код функції і дані. Цей блок називається PDU (Protocol Data Unit) — елемент даних протоколу. До блоку PDU можуть додаватися додаткові поля при використанні його в різних промислових мережах і тоді він називається ADU (Application Data Unit) — елемент даних додатку.

Коди функцій. Стандартом Modbus передбачено три категорії кодів функцій: встановлені стандартом, такі, що задаються користувачем і зарезервовані.

Коди функцій є числами в діапазоні від 1 до 127. Коди в діапазоні від 65 до 72 і від 100 до 110 відносяться до користувацьких, що задаються, функції, в діапазоні від 128 до 255 зарезервовані для пересилки кодів помилок у відповіді повідомлення. Код «0» не використовується.

Коди помилок використовуються слейв-пристроєм, щоб визначити, яку дію виконати для їх обробки. Значення кодів і їх сенс описані в стандарті на Modbus RTU.

Поле даних (див. рис. 8.1) в повідомленні, посланому від голованого пристрою залежному, містить додаткову інформацію, яку слейв-пристрій використовує, щоб виконати функцію, вказану в полі «код функції».

Поле даних може містити значення станів дискретних входів/виходів, адреси регістрів, з яких треба зчитувати (записувати) дані, кількість байт даних, посилання на змінні, число змінних, код підфункцій і тому подібне. Якщо слейв-пристрій нормально виконав прийняту від головного пристрою функцію, то у відповіді поле «код функції» містить ту ж інформацію, що і в запиті. Інакше слейв-пристрій повертає код помилки. У разі помилки код функції у відповіді рівний коду функції в запиті, збільшеному на 128.

Зміст поля даних. У повідомленні головного пристрою слейв-пристрою поле даних містить додаткову інформацію, необхідну для виконання вказаної функції. Наприклад, якщо код функції вказує, що необхідно прочитати дані з групи регістрів пристрою введення (код функції 03 hех), то поле даних містить адресу початкового регістру і кількість регістрів. Якщо головний пристрій посилає команду запису даних в групу регістрів (код функції 10 hех), то поле даних повинне містити адресу початкового регістра, число регістрів, кількість байтів даних і дані для запису в регістр.

Конкретний зміст поля даних встановлюється стандартом для кожної функції окремо.

У деяких повідомленнях поле даних може мати нульову довжину.

ЛЕКЦІЯ 9. Промисловий Ethernet.

9.1. Особливості Ethernet.

9.2. Фізичний рівень.

9.3. Канальний рівень.

9.1. Особливості Ethernet.

Ethernet з'явився більше 30 років тому. В даний час під Ethernet розуміють сімейство продуктів для локальних мереж, які відповідають стандарту IЕЕ 802.3. Промисловому застосуванню стандарту довгий час заважав метод випадкового доступу до мережі, що не гарантував доставку повідомлення в короткий і заздалегідь відомий час. Проте це проблема була вирішена застосуванням комутаторів. Частка Ethernet серед встановлених промислових мереж в 2000 році складала 11%, в 2005 р. — вже 23%. В даний час ринок промислового Ethernet росте із швидкістю 51 % у рік, він став промисловим стандартом, і є великий вибір устаткування, що задовольняє промисловим вимогам. Недоліком промислового Ethernet є відносно висока ціна: Ethernet модулі вводу-виводу в середньому в 2 рази дорожче за аналогічні Mоdbus-пристрої.

Впровадженню Ethernet в промисловість сприяли наступні його якості:

• висока швидкість передачі (до 10 Гбіт/с) і відповідність вимогам жорсткого реального часу при високій швидкодії (наприклад, при управлінні рухом);

• простота інтеграції з Інтернет і Інтранет, зокрема по протоколах прикладного рівня SNMP (Simple Network Management Protoco1), FTP,MIME ( Multipurpose Internet Mail Extensions), НТТР;

• простота інтеграції з офісними мережами;

• наявність великого числа фахівців з обслуговування Ethernet;

• по-справжньому відкриті рішення;

• можливість організації багатомастерних мереж;

• необмежені можливості з організації мереж найрізноманітніших топологій;

• широке застосування в офісних мережах, що забезпечило економічну ефективність технічної підтримки стандарту з боку міжнародних організацій зі стандартизації;

• поява недорогих комутаторів, що вирішили проблему недетермінованості Ethernet.

Просуванням і технічною підтримкою промислового Ethernet займається асоціація Industrial Ethernet Association (IEA), яка була організована в 1999 р. за ініціативою шести компаній (Synergetic Micro Systems, Grayhil, HMS Fieldbus Systems, Hilscher, Contemporary Controls Richard Hirchmann).

Існують чотири стандартні швидкості передачі даних в мережах Ethernet через оптоволоконний кабель і виту пару проводів: 10 і 100 Мбіт/с, 1 і 10 Гбіт/с. Ethernet має декілька модифікацій, структура найменувань яких має наступний вигляд: <швидкість передачі>BASE<додаткові позначення>. Швидкість указується цифрою в Мбіт/с або в Гбіт/с, в останньому випадку до цифри додається буква С. Букви після «Ваsе» означають тип кабелю: Т (Twisted Paiг) — кручена пара, F Fiber optic — оптоволоконний, S (Short wavelenth optic) — оптичний короткохвильовий, L (Long wavelength;) — довгохвильовий, C (Short copper cable — короткий мідний кабель. Символ «X» означає наявність блоку кодування на фізичному рівні. У тексті стандарту IEEE 802.3-2005 приводиться 44 варіанти таких позначень. Наприклад, 10ВАSЕ-Т означає специфікацію фізичного рівня для швидкості 10 Мбіт/с з методом доступу CSМА/СD і з використанням двох витих пар проводів; 100ВАSЕ-FХ — для швидкості 100 Мбіт/с, Сsма/сd із застосуванням двох багатомодових оптичних кабелів.

У промисловій автоматизації найбільшого поширення набули стандарти 10ВАSЕ-Т і 100ВАSЕ-ТХ, а також 100ВАSЕ-FХ, які і будуть розглянуті нижче.

Рівні 1 і 2 Ethernet-протоколу зазвичай втілюються апаратно, останні — програмно.

При використанні стандартного Ethernet; час реакції мережі часто перевищує 100 мс. У локальних сегментах мережі з малою кількістю пристроїв він знижується до 20 мс при використанні протоколу ТСР і до 10 мс — для UDP. Використання прямої МАС адресації в локальних сегментах мережі може зменшити час реакції до 1 мс. Проте час в Ethernet; є випадковою величиною. Тому основною відмінністю промислового Ethernet; від офісного є наявність комутаторів, які перетворюють Ethernet на мережу з детермінованою поведінкою.

Для промислових застосувань не годяться кабелі і роз'єми, використовувані в офісних мережах. Тому ряд виробників представляє на ринку роз'єми RJ-45 із ступенем захисту IР67 від дій навколишнього середовища.

Надійність промислового Ethernet; забезпечується резервуванням кабельних ліній і мережевих карт, а також спеціальним програмним забезпеченням для резервування.

Для підвищення ступеня захисту системи управління від несанкціонованого доступу магістральну мережу Industrial Ethernet; відокремлюють від офісної брандмауером.

Відмітні ознаки промислового Ethernet:

• відсутність колізій і детермінована поведінки завдяки застосуванню комутаторів;

• індустріальні кліматичні умови;

• стійкість до вібрацій;

• відсутність вентиляторів в устаткуванні;

• підвищені вимоги до електромагнітної сумісності;

• компактність, кріплення на DIN рейку;

• зручне підключення кабелів;

• діагностична індикація на панелі приладу;

• електроживлення від джерела напруги в діапазоні від 10 до 30 В;

• можливість резервування;

• роз'єми і устаткування із ступенем захисту до IР67;

• захист від електростатичних зарядів, електромагнітних імпульсів, від перевищення напруги живлення;

• повнодуплексна передача.

Недоліком Ethernet; є значний рівень «накладних витрат» в протоколах Тср/iр, які розраховані на пересилку даних великих об'ємів. Якщо ж пристрій пересилає всього 8 байт, що типово для АСОВІ ТП, то корисна інформація в протоколі складає всього 11%, оскільки кожен пакет Тср/iр містить 68 байт службової інформації. Проте це часто можна компенсувати великою пропускною спроможністю мережі.