Физический уровень

Физический уровень (англ. Physical layer) предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Используемые протоколы: RS-232, RS-422, RS-423, RS-449, RS-485, ITU-T, xDSL, ISDN, T1, E1, 10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-T, 1000BASE-T, 1000BASE-TX, 1000BASE-SX.

Как вы могли заметить, многие протоколы упоминаются сразу на нескольких уровнях. Это говорит о недоработанности и отдаленности теоретической модели от реальных сетевых протоколов, поэтому привязка некоторых из них к уровням OSI является условной.

В мировой практике, среди сетей общего применения, наиболее широко распространен протокол HTTP (англ. HyperText Transfer Protocol — «протокол передачи гипертекста»). Относится к прикладному и представительскому уровням теоретической модели OSI. HTTP базируется на технологии «клиент-сервер», то есть существует потребитель (клиент), который инициирует соединение и посылает запрос, и поставщик (сервер), который ожидает соединения для получения запроса, производит необходимые действия и возвращает обратно сообщение с результатом. Основным типом НТТР-клиента является браузер, например Mozilla Firefox, Opera или Microsoft Internet Explorer. HTTP в настоящее время повсеместно используется во Всемирной паутине для получения информации с веб-сайтов.

Рис. 2. Технология клиент сервер.

На базе HTTP разработаны расширенные протоколы: HTTPS (англ. Hypertext Transfer Protocol Secure), поддерживающий шифрование, и HTTP-NG (англ. HTTP Next Generation), увеличивающий быстродействие Web и расширяющий возможности промышленного применения.

Положительные стороны: простота разработки клиентских приложений, возможность расширения протокола путем добавления собственных заголовков, распространенность протокола.

Отрицательные стороны: большой размер сообщений, по сравнению с двоичными данными, отсутствие навигации в ресурсах сервера, невозможность использования распределенных вычислений.

Области промышленного применения: создание удаленных диспетчерских пунктов, Web-приложения для SCADA систем, программное обеспечение промышленных контроллеров, организация видеонаблюдения.

На сегодняшний день протокол HTTP и его модификации поддерживаются оборудованием и программным обеспечением большинства производителей. Рассмотрим некоторые из них.

В оборудовании компании Korenix серий JetNet, JetRock, JetPort, JetI/O, JetBox (построение сетей на базе промышленного Ethernet), JetWave (беспроводные решения) протоколы семейства HTTP используются для организации доступа, конфигурирования и управления устройствами.

Компания ICPDAS для работы с протоколом HTTP предлагает следующее оборудование и программное обеспечение. Контроллеры серии ХРАК, WinPAC, WinCon, LinPAC, ViewPAC работают под управлением операционных систем Windows и Linux, с встроенным HTTP-сервером. Программные пакеты InduSoft (SCADA), ISaGRAF, Web HMI, VXCOMM, MiniOS7 Studio, также используют HTTP-сервер для связи и взаимодействия с устройствами.

Управляемые коммутаторы, встраиваемые компьютеры, оборудование промышленных беспроводных сетей, производства компании Моха, не обходятся без использования протоколов семейства HTTP.

Рис. 3. Совместимость протоколов семейства Modbus.

Для организации взаимодействия между элементами автоматизации в промышленных сетях передачи данных широко применяется коммуникационный протокол Modbus. Существуют три основные реализации протокола Modbus, две для передачи данных по последовательным линиям связи, как медным EIA/TIA-232-E (RS-232), EIA-422, EIA/TIA-485-A (RS-485), так и оптическим и радио: Modbus RTU и Modbus ASCII, и для передачи данных по сетям Ethernet поверх TCP/IP: Modbus TCP.

Различие между протоколами Modbus ASCII и Modbus RTU заключается в способе кодирования символов. В режиме ASCII данные кодируются при помощи таблицы ASCII, где каждому символу соответствует два байта данных. В режиме RTU данные передаются в виде 8-ми разрядных двоичных символов, что обеспечивает более высокую скорость передачи данных. ASCII допускает задержку до 1 секунды в отличии от RTU, где сообщения должны быть непрерывны. Также режим ASCII имеет упрощенную систему декодирования и управления данными.

Протоколы семейства Modbus (Modbus ASCII, Modbus RTU и Modbus TCP/IP) используют один прикладной протокол, что позволяет обеспечить их совместимость. Максимальное количество сетевых узлов в сети Modbus – 31. Протяженность линий связи и скорость передачи данных зависит от физической реализации интерфейса. Элементы сети Modbus взаимодействуют, используя клиент-серверную модель, основанную на транзакциях, состоящих из запроса и ответа.

Обычно в сети есть только один клиент, так называемое, «главное» (англ. master) устройство, и несколько серверов — «подчиненных» (slaves) устройств. Главное устройство инициирует транзакции (передаёт запросы). Подчиненные устройства передают запрашиваемые главным устройством данные, или производят запрашиваемые действия. Главный может адресоваться индивидуально к подчиненному или инициировать передачу широковещательного сообщения для всех подчиненных устройств. Подчиненное устройство формирует сообщение и возвращает его в ответ на запрос, адресованный именно ему.

Области промышленного применения: организация связи датчиков и исполнительных механизмов с контроллером, связь контроллеров и управляющих компьютеров, связь с датчиками, контроллерами и корпоративными сетями, в SCADA системах.

Простота применения протоколов семейства Modbus в промышленности обусловило его широкое распространение. На сегодняшний день, оборудование практически всех производителей поддерживает протоколы Modbus.

Компания ICPDAS предлагает широкий спектр коммуникационного оборудования для организации сетей на базе протоколов семейства Modbus: серия I-7000 (шлюзы DeviceNet, серверы Modbus, адресуемые коммуникационные контроллеры); программируемые контроллеры серий ХРАК, WinPAC, WinCon, LinPAC, ViewPAC.

Операторские панели производства компании Weintek, частотные преобразователи Control Techniques для связи с контроллерами также используют протокол Modbus.

Традиционно протоколы семейства Modbus поддерживаются OPC серверами SCADA систем (Clear SCADA, компании Control Microsystems, InTouch Wonderware, TRACE MODE)для связи с элементами управления (контроллерами, ЧРП, регуляторами и др.).

Рис. 4. Сеть Profibus.

В Европе широкое распространение получила открытая промышленная сеть PROFIBUS (PROcess FIeld BUS). Изначально, прототип этой сети был разработан компанией Siemens для своих промышленных контроллеров.

PROFIBUS объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов. Сеть PROFIBUS основывается на нескольких стандартах и протоколах, использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS).

Сеть PROFIBUS можно ассоциировать с тремя уровнями модели OSI: физический, канальный и уровень приложений.

Единым протоколом для доступа к шине для всех версий PROFIBUS является реализованный на втором уровне модели OSI протокол PROFIBUS-FDL. Данный протокол использует процедуру доступа с помощью маркера (token). Так же, как и сети на базе протоколов Modbus, сеть PROFIBUS состоит из ведущих (master) и ведомых (slave) устройств. Ведущее устройство может управлять шиной. Когда у ведущего (master) устройства есть право доступа к шине, оно может передавать сообщения без удаленного запроса. Ведомые устройства – это обычные периферийные устройства, не имеют прав доступа к шине, то есть они могут только подтверждать принимаемые сообщения или передавать сообщения ведущему устройству по его запросу. В минимальной конфигурации сеть может состоять либо из двух ведущих, либо из одного ведущего и одного ведомого устройства.

Одни и те же каналы связи сети PROFIBUS допускают одновременное использование нескольких протоколов передачи данных. Рассмотрим каждый из них.

PROFIBUS DP (Decentralized Peripheral - Распределенная периферия) — протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между ведущими DP-устройствами и устройствами распределённого ввода-вывода. Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей. Оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем.

PROFIBUS PA (Process Automation - Автоматизация процесса) — протокол обмена данными с оборудованием полевого уровня, расположенным в обычных или взрывоопасных зонах. Протокол позволяет подключать датчики и приводы на одну линейную шину или кольцевую шину.

PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification - Спецификация сообщений полевого уровня) - универсальный протокол для решения задач по обмену данными между интеллектуальными сетевыми устройствами (контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса) на полевом уровне. Некоторый аналог промышленного Ethernet, обычно используется для высокоскоростной связи между контроллерами и компьютерами верхнего уровня.

Все протоколы используют одинаковые технологии передачи данных и общий метод доступа к шине, поэтому они могут функционировать на одной шине.

Положительные стороны: открытость, независимость от поставщика, распространенность.

Области промышленного применения: организация связи датчиков и исполнительных механизмов с контроллером, связь контроллеров и управляющих компьютеров, связь с датчиками, контроллерами и корпоративными сетями, в SCADA системах.