Вопрос №4. Выбор коммуникационных протоколов в АС. Особенности протоколов

MODBUS, ProfiBUS, CAN, Ethernet, MPI, HART.

Коммуникационный протокол -совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими независимыми устройствами, компьютерами, программами или процессами.

Протокол MODBUS обладает простой логикой и независимостью от типа интерфейса (RS-232C, RS-422, RS-485 или же токовая петля 20 мА). Протокол работает по принципу Master/Slave (ведущий-ведомый). Конфигурация на основе этого протокола предполагает наличие одного Master-узла и до 247 Slave-узлов. Только Master инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов:

· запрос/ответ (адресуется только один из Slave-узлов);

· широковещательная передача (Master через выставление адреса 0 обращается ко всем остальным узлам сети одновременно).

Протокол CAN (Control Area Network) закрывает 1-й и 2-й уровни так называемой базовой эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI). По своим характеристикам он удовлетворяет не только требованиям задач реального времени, но и реализует высокую степень обнаружения и исправления ошибок. В каждом сообщении может быть передано до 8 байт данных. Большие блоки можно передавать за счет использования принципа сегментации. В CAN каждый блок данных содержит дополнительный 11-битовый идентификатор, который определяет приоритет данного сообщения. Право на работу с шиной получит тот узел, который передает сообщение с наивысшим приоритетом. Среди многообразия CAN наибольшее распространение получили SDS (Smart Distributed System), CAL/CANopen, CAN Kingdom и DeviceNet.

Протокол PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) разработан в Германии. Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели. В PROFIBUS используется гибридный метод доступа Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть Master-узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания. В среде Master-узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/записи на шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Рабочая скорость передачи может быть выбрана в диапазоне 9,6–12 000 Кбит/с.

PROFIBUS представляет собой совокупность трех отдельных протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA. Каждый назначается для своей задачи: FMS – для передачи больших объемов информации; DP – для решения задач реального времени; PA – для опасного производства.

Протокол MPI является наиболее распространённым стандартом интерфейса обмена данными в параллельном программировании. Существуют его реализации для большого числа компьютерных платформ. Основным средством коммуникации между процессами в MPI является передача сообщений друг другу. Стандартизацией MPI занимается MPI Forum. В стандарте MPI описан интерфейс передачи сообщений, который должен поддерживаться как на платформе, так и в приложениях пользователя. В настоящее время существует большое количество бесплатных и коммерческих реализаций MPI. Существуют реализации для языков Фортран 77/90, Си и Си++.

HART-интефейс (см. вопрос №3).

Ethernet – это асинхронный, основанный на использовании кадров, протокол, разработанный для обеспечения связи между более чем двумя устройствами через разделяемую среду передачи. Он поддерживает неявный обмен сообщениями (обмен сообщениями ввода/вывода в реальном времени), явный обмен (обмен сообщениями) или оба и использует широко распространённые коммерческие чипы связи Ethernet и физические носители.

Ethernet использует стандарт IEEE 802.3 для физического носителя и уровня данных, блок протоколов стандарта Ethernet TCP/IP (протокол контроля передачи/протокол Internet), информационно-управляющий протокол (CIP), который обеспечивает обмен сообщениями ввода/вывода в реальном времени и прямой обмен информационными сообщениями.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде – на канальном уровне модели OSI.