Обзор некоторых промышленных сетей
В зависимости от области применения весь спектр промышленных
сетей можно разделить на два уровня: 1) сети верхнего (операторско-
го) уровня (terminal buses)-, 2) сети для системного уровня, или по-
левые шины (field buses), которые решают задачи по управлению
процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне
промышленных контроллеров. К этой же группе относятся сети так
называемого датчикового уровня (sensor/actuator buses), чьи задачи
сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных
исполнительных механизмов. Сегодня известно более 30 стандартов
коммуникационных сетей, специально адаптированных для про-
мышленного применения, каждый год появляются новые прогрес-
сивные технологии передачи данных.
Главной функцией полевой шины (рис. 14.2) является обеспе-
чение сетевого взаимодействия между контроллерами и удаленной
периферией (например, узлами ввода/вывода). Помимо этого к
полевой шине могут подключаться различные контрольно-измери-
тельные приборы, снабженные соответствующими сетевыми ин-
терфейсами. Такие устройства часто называют интеллектуальными,
так как они поддерживают высокоуровневые протоколы сетевого
обмена.
Современные полевые шины должны удовлетворять определенным
техническим требованиям, возникающим из-за их эксплуатации в
тяжелых промышленных условиях. К этим требованиям относятся:
1) работа в реальном времени, т. е. передача сообщения из одного
узла сети в другой за строго фиксированный отрезок времени, кото-
рый в общем случае с учетом количества узлов, скорости передачи
данных и длины сообщений может быть рассчитан заранее;
2) возможность использования в сетях большой протяженности,
так как расстояние между объектами управления может порой до-
стигать нескольких километров;
3) наличие защиты от электромагнитных наводок. Длинные линии
в особенности подвержены пагубному влиянию электромагнитных
помех, излучаемых различными электрическими агрегатами. Сильные
помехи в линии могут исказить передаваемые данные до неузнавае-
мости. Для защиты от таких помех применяют специальные экрани-
рованные кабели, а также оптоволокно, которое в силу световой
природы информационного сигнала вообще нечувствительно к
электромагнитным наводкам. Кроме этого в промышленных сетях
используются специальные методы цифрового кодирования данных,
препятствующие их искажению в процессе передачи или, по крайней
мере, позволяющие эффективно детектировать искаженные данные
принимающим узлом.
По типу физической среды полевые шины делятся на два типа:
на базе оптоволоконного кабеля и на базе медного кабеля. Преиму-
щества использования оптоволокна очевидны: возможность по-
строения протяженных коммуникационных линий (протяженностью
до 10 км и более); большая полоса пропускания; иммунитет к
электромагнитным помехам; возможность прокладки во взрыво-
опасных зонах. Недостатки: относительно высокая стоимость кабе-
ля; сложность физического подключения и соединения кабелей,
снижение надежности в условиях низких температур. Полевые шины
второго типа обычно представляют собой двухпроводной кабель типа
«витая пара» со специальной изоляцией и экранированием. Преиму-
щества: приемлемая стоимость; легкость прокладки и выполнения
физических соединений. Недостатки: подверженность влиянию
электромагнитных наводок; ограниченная протяженность кабельных
линий; меньшая по сравнению с оптоволокном полоса пропуска-
ния.
Существует множество стандартов полевых шин, наиболее рас-
пространенными являются Profibus (DP, PA), Foundation Fieldbus,
Modbus, HART.
Коммуникационный протокол Modbus разработан для построения
промышленных распределенных систем управления. Специальный
физический интерфейс для него не определен. Возможность его вы-
бора предоставлена самому пользователю: RS-232C, RS-422, RS-485
или же токовая петля 20 мА. Работает по принципу централизован-
ного доступа (master—slave). Конфигурация на основе этого про-
токола предполагает наличие одного master-узла и до 247 slave - узлов
(рис. 14.3, а). Циклы обмена данными инициирует только master-узел.
Ни одно подчиненное устройство не может самостоятельно запро-
сить или передать данные другому устройству. Существует два типа
запросов: 1) запрос/ответ (адресуется только один из slave-узлов);
2) широковещательная передача (master-узел через выставление
адреса 0 обращается ко всем остальным узлам сети одновременно без
квитирования). Протокол Modbus можно назвать наиболее распро-
страненным в мире. Для работы со своими изделиями его использу-
ют десятки фирм, поэтому на его основе легко осуществить интегра-
цию системы автоматизации. Все универсальные SCADA/HMI-
системы поддерживают данный протокол. Хотя ограничения этого
протокола достаточно очевидны, он привлекает простотой логики и
независимостью от типа интерфейса.
Протокол Profibus представляет собой сеть на базе общей шины
с гибридным методом доступа: централизованным (master—slave)
и децентрализованным с передачей маркера. Сеть может состоять
из 122 узлов, из которых 32 могут быть master-узлами (рис. 14.3, б).
Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания. Существует
в трех основных вариантах. Proflbus-DP — быстрый (до 12 Мбит/с)
одномастерный протокол. Служит для обмена данными между кон-
троллерами и промышленными компьютерами со SCADA-системами.
Физическая среда передачи — экранированная витая пара, физиче-
ский интерфейс RS-485. Profibus-FMS служит для связи контролле-
ров и интеллектуальных устройств и предназначен для передачи
больших объемов данных. Proflbus-PA — сетевой интерфейс, при-
меняемый для построения/сети, соединяющей исполнительные
устройства, датчики и контроллеры, расположенные непосредствен-
но во взрывоопасной зоне.
Протокол Foundation Fieldbus представляет собой двухуровневый
сетевой протокол. Верхний уровень сети объединяет в себе мощную
информационную магистраль для объединения компьютеров верх-
него уровня и управляющую сеть, охватывающую датчики, исполни-
тельные механизмы и контроллеры. Предоставляет полный сервис,
от передачи файлов и больших объемов информации до замыкания
контуров управления контроллеров, включая загрузку в них управ-
ляющих программ и доступ к пассивному оборудованию. Нижний
уровень сети позволяет использовать ее на взрывоопасных произ-
водствах. Особенностью сети является наличие дополнительного
пользовательского уровня, предоставляющего дополнительные воз-
можности управления оборудованием полевого уровня (датчиками и
исполнительными механизмами) без участия PLC.
Сети верхнего (операторского) уровня служат для передачи данных
между контроллерами, серверами и операторскими рабочими стан-
циями. Иногда в состав таких сетей входят дополнительные узлы:
центральный сервер архива, сервер промышленных приложений,
инженерная станция и т.д. Большинство сетей верхнего уровня, при-
меняемых в современных АСУ ТП, базируется на стандарте Ethernet
или на его более быстрых вариантах FE (Fast Ethernet) и GE {Gigabit
Ethernet).
У промышленных сетей верхнего уровня есть своя специфика,
обусловленная условиями промышленного применения. Во-первых,
требуются большая пропускная способность и скорость передачи
данных. Объем трафика напрямую зависит от многих факторов: ко-
личества архивируемых и визуализируемых технологических параме-
тров, количества серверов и операторских станций, используемых
прикладных приложений и т. д. В отличие от полевых сетей жесткого
требования детерминированности здесь нет: строго говоря, неважно,
сколько времени займет передача сообщения от одного узла к друго-
му — 100 или 700 мс. Главное, чтобы сеть в целом могла справляться
с общим объемом трафика за определенное время. Наиболее интен-
сивный трафик идет по участкам сети, соединяющим серверы и
операторские станции (клиенты). Это связано с тем, что на опера-
торской станции технологическая информация обновляется в среднем
один раз в секунду, причем передаваемых технологических параме-
тров может быть несколько тысяч. Но и тут нет жестких временных
ограничений: оператор не заметит, если информация будет обнов-
ляться, скажем, каждые полторы секунды вместо положенной одной.
В то же время если контроллер (с циклом сканирования в 100 мс)
столкнется с 500-миллисекундной задержкой поступления новых
данных от датчика, это может привести к некорректной отработке
алгоритмов управления. Во-вторых, необходима отказоустойчивость.
Она достигается, как правило, путем резервирования коммуникаци-
онного оборудования и линий связи таким образом, что в случае
выхода из строя коммутатора или обрыва канала система управления
способна в кратчайшие сроки (не более 1... 3 с) локализовать место
отказа, выполнить автоматическую перестройку топологии и пере-
направить трафик на резервные маршруты. В-третьих, сетевое обо-
рудование должно соответствовать промышленным условиям экс-
плуатации.
Ethernet — стандарт для локальных сетей, объединяющих ПЭВМ.
Особенность этого очень распространенного стандарта состоит в
методе доступа передающего устройства к среде передачи. В Ethernet
все устройства равнозначны. Устройство прослушивает линию и на-
чинает передачу при отсутствии сигнала. В процессе передачи устрой-
ство контролирует правильность передачи собственным приемником.
При обнаружении в это время чужой передачи (по искажению при-
нимаемого сигнала) устройство прерывает передачу и выдерживает
паузу случайной длительности, после чего повторяет попытку пере-
дачи. Стандартной средой для передачи сигнала является кабель из
нескольких витых пар. Компьютеры подключают не напрямую друг
к другу, а через концентраторы, так называемые хабы (от англ. hub)
или коммутаторы («свич» — от англ. switch). Максимальная скорость
передачи данных составляет от 10 Мбит/с до 1 Гбит/с, в зависимости
от используемого оборудования и кабелей.
Недостатком сети является то, что используемый метод доступа
создает неопределенность времени доступа к сети, что делает ее не-
удобной для решения некоторых задач управления в реальном мас-
штабе времени, где требуется гарантированное время реакции систе-
мы на внешнее воздействие.
Поскольку Ethernet используется в сфере промышленной автома-
тизации, многие промышленные контроллеры имеют соответствую-
щие интерфейсы. Для подключения приборов, не имеющих интер-
фейса Ethernet, используются специальные преобразователи, напри-
мер конвертор RS-232 в Ethernet.
Говоря о промышленных сетях, построенных на базе технологии
Ethernet, часто используют термин промышленный Ethernet (Industrial
Ethernet). Дело в том, что в последнее время разработано множеЬтво
коммуникационных протоколов, базирующихся на стандарте Ethernet
и оптимизированных для передачи критичных ко времени данных.
Такие протоколы условно называют протоколами реального времени,
имея в виду, что с их помощью можно организовать обмен данными
между распределенными приложениями, которые критичны ко вре-
мени выполнения и требуют четкой временной синхронизации.
Конечная цель — добиться относительной детерминированности при
передаче данных. Эти протоколы включают новые алгоритмы сете-
вого обмена, диагностические функции, методы самокорректировки
и функции синхронизации, оставляя при этом канальный и физиче-
ский уровни Ethernet неизменными. Это позволяет использовать
новые протоколы передачи данных в существующих сетях Ethernet с
использованием стандартного коммуникационного оборудования.
Именно эта разновидность сетей получила название промышленно-
го Ethernet.
Человекомашинные интерфейсы