Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Промышленные сети ИАСУ ТП
8.1. Архитектура промышленных сетей Промышленной сетью называется среда передачи данных, состоящая из набора стандартных протоколов, обеспечивающих взаимодействие нижних и верхних уровней АСУ ТП, а также связывающих оборудование различных производителей. Стандартный цифровой протокол должен отвечать следующим требованиям: - возможности подключения нескольких приборов к одной цифровой шине; - возможности совместной работы приборов разных производителей; - равноправия в процессе связи между приборами, подключенными к общей шине; - увеличению производительности и скорости передачи данных по сравнению с аналоговой связью. Сети с информационными потоками между контроллерами, датчиками сигналов и исполнительными механизмами имеют общее название «промышленные сети». К настоящему времени в мире насчитывается более 300 типов сетей различного назначения. В 1979 году Международной организацией по стандартизации (ISO) для разрешения проблемы взаимодействия сетевых систем с различными типами вычислительного оборудования и различающимися протоколами была введена эталонная «Модель взаимодействия открытых систем» (OSI – Open System Interconnection). Различные уровни и функции модели OSI представлены в табл. 8.1. Таблица 8.1
Большинство промышленных сетей поддерживают 1-ый, 2-ой и 7-ой уровни OSI:-физический, - прикладной и канальный. Протокол модели OSI представляет собой набор правил, определяющих начало, сам процесс связи и его окончание. Сетевая топология описывает тип сетевого соединения различных устройств. Основными сетевыми топологиями являются звезда, кольцо и шина (рис. 8.1).
В структуре звезда (рис.8.1,а), называемой также радиальной структурой, вся информация передается через центральный узел. Все периферийные абоненты могут обмениваться только через центральный узел.
В кольцевой структуре (рис. 8.1,б) информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник копирует данные, и пересылает их вместе с квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Существует также структура «двойное кольцо», в котором одно кольцо является рабочим, а другое - резервным. В структуре шина (рис. 8.1,в) все устройства присоединены к общей среде передачи данных (шине). Шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи. В промышленных сетях существует два метода упорядоченного доступа пользователя к информации: - централизованный, - децентрализованный. Централизованный метод (MASTER – SLAVE) применяется в сетях на уровне контроллеров и на уровне датчиков и исполнительных механизмов. В рамках протокола решаются такие задачи, как защита данных, обнаружение ошибок при передаче, восстановление данных, Децентрализованный доступ использует две модели доступа: - CSMA/CD и модель с передачей маркера. Модель CSMA/CD (Ethernet, протокол IEEE 802.3). Более всего известен механизм управления локальной сетью, называемый методом множественного доступа. Широко известна реализация этого метода – спецификация Ethernet. Все станции на шине имеют право передачи данных. Каждая из них «прослушивает» шин. Если шина свободна, любой пользователь может занять шину под свой сеанс передачи. В случае, когда на шину претендуют несколько абонентов одновременно, это приводит к конфликту, и тогда претенденты снимают свои заявки на случайный промежуток времени, задаваемый генератором случайных чисел. Через удвоенный промежуток времени претенденты снова выходят в сеть. Модель с передачей маркера. Сети, использующие эту модель, относятся к детерминированным сетям с предсказанием времени передачи. Этот метод предлагает каждому участнику сети разделение шинных ресурсов в соответствии с их запросами. 8.2. Характеристики физических каналов передачи данных. Для организации сетевого обмена в промышленности используются следующие физические каналы: коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно, радиоканал, ИК-канал. Коаксиальные кабели (марки иностранного производства – RG-58A/U и подобные) имеют центральный сплошной, но гибкий, проводник диаметром 0,89мм, волновое сопротивление 50 Ом. Указанный в скобках провод – единственный многожильный. Достоинством коаксиального кабеля является сравнительно большое расстояние передачи информации (до 10 км), недостатком – сложность в монтаже и высокая стоимость. Наиболее часто используемой физической средой для создания современных сетей является витая пара. Витая пара – это изолированные проводники, попарно свитые между собой некоторое число раз на определенном расстоянии, что требуется для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Обычно, кабель имеет 4 пары в одной оболочке. Проводники из медной проволоки диаметром 0,5; 0,65 мм. Изоляция проводников – поливинилхлорид, полипропилен, полиэтилен. По наличию или отсутствию экрана кабели различаются: - UTP – незащищенная витая пара (витые пары не имеют индивидуального экранирования); - FTP – фольгированная витая пара (кабель имеет общий экран из фольги, но у пар –нет защит); - STP – защищенная витая пара (каждая пара имеет экран); - ScTP – экранированный кабель (кабель может иметь, так и не иметь защиту отдельных пар). Оптоволоконный кабель. Оптоволоконные линии связи имеют следующие преимущества: - нечувствительность к внешним магнитным полям, колебаниям температуры и влажности; - высокая пропускная способность(более 30Гбит/с); - малое затухание в полосе частот(до 0,2 дБ/км); - отсутствие коротких замыканий; - малые габариты и масса. К недостаткам оптоволоконной линии связи относят: более высокую стоимость, учитывая стоимость различных аксессуаров. Формирование светового потока на передающем конце линии осуществляется полупроводниковым лазером или светодиодом, на приемном конце линии – фотоприемником. При используются кремниевые фотодиоды; при - германиевые. Основой световода является оболочка из плавленого кремнезема, сердцевина из кварцевого стекла, легированного оксидами. Различают три типа волоконных световодов: - многомодовый световод со ступенчатым изменением показателя преломления (ПП); - многомодовый световод с плавным изменением показателя преломления; - одномодовый световод. Полоса пропускания многомодовых световодов – от 500МГц и более; одномодовых – до сотен ГГц/км. Основные характеристики волоконных световодов приведены в табл.8.2. Таблица 8.2.
Для передачи и приема сигналов по оптическому кабелю применяются различные волоконно- оптические соединительные изделия: -коннекторы, соединительные и переходные розетки, адаптеры, аттенюаторы, разветвители и т.д. 8.3. Открытые промышленные сети. Открытые промышленные сети – это те сети, на которые распространяются стандарты промышленных сетей. В зависимости от области применения весь объем промышленных сетей можно разделить на две части: - контроллерные сети – промышленные сети, решающие задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров; - сенсорные сети или сети низовой автоматики, решающие задачи опроса датчиков и управления работой различных исполнительных механизмов. К контроллерным сетям относятся: PROFIBUS, BITBUS, ControlNet, CANbus. К сетям низовой автоматики принадлежат: ASI, HART, Modbus, Interbus-S, Device Net. Кроме рассмотренных двух основных частей существуют так называемые универсальные сети. К этой группе сетей относятся: LON, FIP, Foundation Fidelis, Ethernet. 8.3.1. Сети низовой автоматики. ASI – интерфейс исполнительных устройств и датчиков. С помощью ASI можно строить системы, в которых датчики и контроллеры связаны одной сетью. Притом ASI имеет выходы в другие промышленные сети: Modbus, Interbus, Device Net, PROFIBUS и др. Каждый узел ASI – сети должен иметь интерфейсную микросхему с поддержкой ASI – протокола. Master–узел ASI –сети контролирует работу сети, организует обмен данными с ПЛС. Зачастую ASI –Master оформляется в виде отдельной платы контроллера или компьютера. Максимальное число устройств (SLAVE), подключаемых к одному Master -узлу, до 62 устройств. Скорость передачи ограничена до 156 Кбит/с, дальность передачи – до 300м. HART – протокол реализует принцип частотной модуляции для организации цифровой передачи, основанной на топологии 4-20 мА. На аналоговый сигнал 4-20 мА накладывается частотно модулированный цифровой сигнал с амплитудой колебаний . HART – протокол позволяет передавать данные со скоростью до 1200 бит/с. В нем реализована схема отношений между узлами сети по принципу Master/ SLAVE. Стандартная топология организована по принципу «точка-точка» или «звезда». Возможно построение топологии типа «шина» (до 15 узлов). Modbus – протокол сети, разработанный группой Schneider Electric для сбора данных контроллерами Modicon. Специальный физический интерфейс для него не определен. Эта возможность предоставлена самому пользователю: RS-232C, RS-422, RS-485 или токовая петля 4-20 мА. Чаще всего используют интерфейс RS-485. Протокол Modbus работает по принципу Master/ SLAVE. Master -узел инициирует циклы обмена данными. Скорость передачи данных в сети Modbus - 19,2 кбит/с. Протокол Modbus является наиболее распространенным в мире. Он привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса. Interbus – сеть, одна из первых промышленных шин, получивших широкое распространение. Физический уровень Interbus основан на стандарте RS-485. Благодаря необычной сетевой топологии Interbus имеет два дополнительных преимущества: - кольцевая топология дает главному устройству возможность самому себя конфигурировать; в некоторых случаях данный процесс не требует вмешательства со стороны пользователя; - точность сведений о сетевых отказах и месте их возникновения значительно упрощает процесс их поиска и устранения. Максимальное число узлов в сети – 512, расстояние между узлами – до 400м. Общая дальность охвата сети – до 12,8 км, скорость передачи – 500кбит/с. Длина магистрали соответственно 500, 250 и 100м. Device Net – протокол, разработанный фирмой Allen-Bradley (USA). Имеет шинную топологию, физический канал – 4-проводный кабель. Помимо функции чтения состояния дискретных датчиков и управления пусковыми устройствами, сеть позволяет передавать значение температуры и тока нагрузки пусковых устройств, изменять скорость приводов и регулировать порог срабатывания датчиков. К сети могут быть подключены 64 узла (всего до 2048 устройств по 32 на узел). Определены три значения скорости передачи данных: 125, 250, 500 кбит/с. Длина магистрали соответственно 500, 250 и 100м. Информационный обмен в сети организован принципу Master/ SLAVE. Протокол 8.3.2. Контроллерные сети. PROFIBUS – протокол был разработан группой немецких компаний. Основные задачи протокола следующие: - организация связи с устройствами, гарантирующими быстрый ответ; - создание простой и экономичной системы передачи данных, основанной на использовании открытых стандартов; - реализация интерфейса между уровнями 2 и 7 (табл.8.1) OSI-модели. В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре Master/ SLAVE и децентрализованная процедура передачи. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть Master-узлами. В среде Master-узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения процедур чтения/записи на шине. Нужно иметь ввиду, что PROFIBUS является совокупностью трех различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-DP, PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-PA. BITBUS – протокол был разработан фирмой Intel в 1984 году для построения распределенных систем высоких скоростей передач и надежности. Сеть использует принцип Master/ SLAVE. Физический интерфейс основан на стандарте RS-485 и представляет собой экранированную витую пару. Максимальная длина локальной сети составляет 13,2 км, общее число абонентов в сети – до 240. Протокол BITBUS определяет два режима передачи данных по шине: - синхронный режим используется при необходимости работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях; скорость передачи о 500 до 2400 кбит/с; - режим с самосинхронизацией позволяет значительно удлинить шину; скорости передачи; 375кбит/с (до 300м) и 62,5 кбит/с (до 1200м). ControlNet – сеть, происхождением из фирмы Allen-Bradley (USA), основана на топологии общей шины. Однако она может быть трансформирована как в звезду, так и в древовидную структуру. Сеть ControlNet это управляющая сеть, удовлетворяющая требованиям приложений реального времени с высокой пропускной способностью. Все устройства ControlNet имеют прямой доступ к данным в сети. Сеть ControlNet обеспечивает избыточность носителя, что позволяет системе функционировать при повреждении кабеля, и взрывобезопасно использовать оптоволоконный канал передачи. Скорость передачи данных 5Мбит/с. CANbus – протокол разработан компанией Bosch (Германия). Он отвечает требованиям задач реального времени и способен обнаруживать, и исправлять ошибочные сообщения с высокой степенью вероятности. CANbus – это последовательная шина, работа которой описывается моделью децентрализованного контроля за доступом к шине, так называемой моделью CSMA/CM (модернизированный вариант модели CSMA/CD). Возможные затруднения, связанные с одновременным запросом шины, разрешаются на основе приоритетности сообщений. 8.3.3. Универсальные промышленные сети. Ярким представителем универсальных промышленных сетей является сеть Ethernet/Industrial Ethernet. Протокол Ethernet – открытый промышленный сетевой стандарт, который поддерживает неявный обмен сообщениями, явный обмен и использует широко распространенные связи Ethernet и физические носители. Поскольку технология Ethernet используется с конца 70-х годов ХХ века, и широко распространена во всем мире, продукты Ethernet поддерживают большое число поставщиков оборудования для автоматизации. Сеть Ethernet использует двухуровневый протокол стандарта Ethernet ТСР/IP-протокол управления и передачи. Поскольку технология Ethernet и стандартные блоки протокола ТСР/IP опубликованы для общественного пользования, стандартизованные сервисные программы и физические носители производятся массово и легко доступны. Стандарты ТСР/IP являются открытыми и постоянно совершенствуются. Протокол ТСР/IP является двухуровневым. IP – протокол является протоколом нижнего уровня общего протокола ТСР/IP. IP – протокол- это протокол сетевого уровня, который отвечает за передачу информации по сети. Совместно с протоколом межсетевых управляющих сообщений IP – протокол образует отдельный межсетевой уровень. Протокол ТСР является основным транспортным протоколом. Он располагается над протоколом. IP и обеспечивает передачу пакета данных.. Протоколы ТСР/ IP охватывают верхние уровни модели OSI-модели (табл.8.1), начиная с 3-го. Типичные устройства, обменивающиеся данными по сети Ethernet: - ПЛК, ПК, роботы, устройства человеко-машинного интерфейса, адаптеры входов/выходов, устройства ввода/вывода. Сеть Ethernet использует различные физические среды: витые пары, волоконно-оптический кабель, реже коаксиальный кабель Основная топология – звездообразная с центральным узлом. Обычно сеть Ethernet использует топологию «активная звезда», в которой устройства связаны непосредственно с коммутатором. Преимуществом такой сети является возможность поддерживать скорости передачи данных как 10Мбит/с так и 100Ьбит/с. Наметившаяся тенденция интеграции систем управления на базе единой широко распространенной сети Ethernet привела к необходимости разработки специального программного и аппаратного обеспечения, способного работать в жестких условиях эксплуатации, характерных для нижних уровней АСУ ТП. Таким ПО стал Industrial Ethernet. Оно появилось на рынке в 1985 году и принято основными производителями средств автоматизации (Siemens, Schneider Electric, Rockwell Automation). Industrial Ethernet использует технологию множественного доступа к шине с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий. Повышение скорости передачи в сетях Industrial Ethernet достигается применением стандарта сетей Fast Ethernet. При скорости передачи данных 100Мбит/с это приводит к уменьшению длины сети. Так для витой пары эта длина составляет 205 м, а при использовании оптоволокна – 320м. Все большее применение в системах промышленной автоматики находят сети GigabitEthernet. со скоростью передачи данных до 10Гбит/с в дуплексном режиме. В состав сетевого оборудования Industrial Ethernet входят трансиверы, хабы, коммутаторы. Сети Industrial Ethernet используют топологии шина, звезда и кольцо, в том числе двойное. Основными отличительными чертами оборудования Industrial Ethernet являются: 1) повышенная надежность, связанная с отсутствием вентиляторов; 2) расширенный диапазон рабочих температур: от -40 до +600С; 3) повышенная механическая прочность; 4) пониженное напряжение питания (в основном 24 VDC); 5) резервирование сетей и оборудования.
|