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.