Виды полевых шин в АСУ ТП
Главной функцией полевой шины является обеспечение сетевого взаимодействия между контроллерами и удаленной периферией (например, узлами ввода/вывода). Помимо этого, к полевой шине могут подключаться различные контрольно-измерительные приборы (FieldDevices), снабженные соответствующими сетевыми интерфейсами. Такие устройства часто называют интеллектуальными (IntelligentFieldDevices), так как они поддерживают высокоуровневые протоколы сетевого обмена.
Пример полевой шины представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Полевая шина.
Существует множество стандартов полевых шин, наиболее распространенные из которых приведены ниже:
1. Profibus DP
2. Profibus PA
3. FoundationFieldbus
4. Modbus RTU
5. HART
6. DeviceNet
Несмотря на нюансы реализации каждого из стандартов (скорость передачи данных, формат кадра, физическая среда), у них есть одна общая черта – используемый алгоритм сетевого обмена данными, основанный на классическом принципе Master-Slave или его небольших модификациях. Более подробная информация содержится здесь.
Современные полевые шины удовлетворяют строгим техническим требованиям, благодаря чему становится возможной их эксплуатация в тяжелых промышленных условиях. К этим требованиям относятся:
1. Детерминированность. Под этим подразумевается, что передача сообщения из одного узла сети в другой занимает строго фиксированный отрезок времени.
2. Поддержка больших расстояний.
3. Защита 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 неузнаваемости. Для защиты от таких помех применяют специальные экранированные кабели, а также оптоволокно, которое, в силу световой природы информационного сигнала, вообще нечувствительно к электромагнитным наводкам. Кроме этого, в промышленных сетях должны использоваться специальные методы цифрового кодирования данных, препятствующие их искажению в процессе передачи или, по крайней мере, позволяющие эффективно детектировать искаженные данные принимающим узлом.
4. Упрочненная механическая конструкция кабелей и соединителей. Здесь тоже нет ничего удивительного, если представить, в каких условиях зачастую приходиться прокладывать коммуникационные линии. Кабели и соединители должны быть прочными, долговечными и приспособленными для использования в самых тяжелых окружающих условиях (в том числе агрессивных атмосферах).
По типу физической среды полевые шины делятся на два типа:
1. Полевые шины, построенные на базе оптоволоконного кабеля. Преимущества использования оптоволокна очевидны: возможность построения протяженных коммуникационных линий (протяженностью до 10 км и более); большая полоса пропускания; иммунитет к электромагнитным помехам; возможность прокладки во взрывоопасных зонах. Недостатки: относительно высокая стоимость кабеля; сложность физического подключения и соединения кабелей. Эти работы должны выполняться квалифицированными специалистами.
2. Полевые шины, построенные на базе медного кабеля. Как правило, это двухпроводной кабель типа “витая пара” со специальной изоляцией и экранированием. Преимущества: удобоваримая цена; легкость прокладки и выполнения физических соединений. Недостатки: подвержен влиянию электромагнитных наводок; ограниченная протяженность кабельных линий; меньшая по сравнению с оптоволокном полоса пропускания..
На рисунке 2 изображена базовая архитектура полевой шины – одиночная (нерезервированная). Шина связывает контроллер С1 и четыре узла ввода/вывода IO1-IO4. Очевидно, что такая архитектура наименее отказоустойчива, так как обрыв шины, в зависимости от его локализации, ведет к потере коммуникации с одним, несколькими или всеми узлами шины. В нашем случае в результате обрыва теряется связь с двумя узлами.
Рис. 2. Нерезервированная шина.
Здесь важное значение имеет термин “единичная точка отказа” (SPOF, singlepointoffailure). Под этим понимается место в системе, отказ компонента или обрыв связи в котором приводит к нарушению работы всей системы.
На рисунке 3 показана конфигурация в виде дублированной полевой шины, связывающей резервированный контроллер с узлами ввода/вывода. Каждый узел ввода/вывода снабжен двумя интерфейсными модулями. Если не считать сами модули ввода/вывода, которые резервируются редко, в данной конфигурации единичной точки отказа нет.
Рис. 3. Резервированная шина.
Вообще, при построении отказоустойчивых АСУ ТП стараются, чтобы единичный отказ в любом компоненте (линии связи) не влиял на работу всей системы. В этом плане конфигурация в виде дублированной полевой шины является наиболее распространенным техническим решением.
18. Стек TCP/IP.
IP (Internet Protocol)- протоколе передачи данных. Этот протокол осуществляет негарантированную передачу пакетов от одного узла к другому. Негарантированная передача означает, что протокол IP не заботит результат передачи. Отправитель один раз отправляет пакет получателю и забывает о нем, его не интересует - получил ли его получатель или нет. Этот протокол относится к 3 - сетевому - уровню сетевой модели.
Протокол TCP (TransmissionControlProtocol) - обеспечивает гарантированную передачу данных между узлами, установившими соединение. Гарантированная передача означает, что отправителя интересует результат передачи данных. Пока от приемника не придет подтверждение получения, отправитель будет отправлять пакет снова и снова. Этот протокол обычно относят к 4 - транспортному - уровню сетевой модели.
Протокол TCP обеспечивает надежность передачи, устанавливает связь между сетевыми устройствами, организует повторную передачу в случае обнаружения ошибок, выстраивает пакеты в нужном порядке.
Каждый узел сети, построенной на стеке TCP/IP имеет свой уникальный адрес - т.н. IP-адрес. Он представляет собой 32-разрядное двоичное число. При написании IP-адрес делится на 4 октета. Каждый октет - это число в диапазоне 0-255 (10), представляемое в двоичной, восьмеричной, десятичной или шестнадцатиричной системе счисления. Октеты отделяются друг от друга точками.
212.193.011.100
Каждый адрес конкретного узла в конкретной сети состоит из префикса - адреса всей сети и хост-части - адреса узла.
Префикс - часть адреса, одинаковая для всех узлов данной сети. Хост-часть - уникальная часть адреса для каждого узла.
Префиксную часть дальнейшем будем обозначать буквой n, часть хоста - буквой h.
Соотношение размеров частей адреса определяется в зависимости от принятого способа адресации.
Все современные сети IP делятся на пять классов в зависимости от соотношения префиксной и хостовой части.
Кроме деления на основные классы все хосты одной сети одного префикса могут быть разделены на подсети. Адреса одной сети обозначаются буквой С.Для того чтобы указать узлам сколько разрядов (байт) отводится на адрес подсети, используется маска подсети. Она записывается в 4 актета по 8 бит.
Маска подсети — битовая маска, определяющая, какая часть IP-адреса узла сети относится к адресу сети, а какая — к адресу самого узла в этой сети (при этом, в отличие от IP-адреса, маска подсети не является частью IP-пакета)
Компьютерам маска подсети нужна для определения границ — ни за что не угадаете чего — подсети. Чтоб каждый мог определить, кто находится с ним в одной [под]сети, а кто — за ее пределами. (Вообще-то можно говорить просто «сети», часто этот термин используют именно в значении «IP-подсеть».) Дело в том, что внутри одной сети компьютеры обмениваются пакетами «напрямую», а когда нужно послать пакет в другую сеть — шлют их шлюзу по умолчанию (третий настраиваемый в сетевых свойствах параметр, если вы помните).
Маски подсети являются основой метода бесклассовой маршрутизации (англ. CIDR). При этом подходе маску подсети записывают вместе с IP-адресом в формате «IP-адрес/количество единичных бит в маске». Число после знака дроби (т. н. длина префикса сети) означает количество единичных разрядов в маске подсети.
19. Техническое обеспечение АСУ ТП. Современные ПТК. DCS – системы.
Техническое (аппаратное) обеспечение АСУ ТП— это комплекс технических средств, обеспечивающих выполнение всех функций АСУ ТП, а также обеспечивающих взаимодействие персонала с техническими средствами системы и с технологическим процессом.В состав технического обеспечения АСУ ТП входят:
· средства сбора информации (измерительные преобразователи, счетчики, сигнализаторы, устройства ручного ввода);
· исполнительные устройства;
· программируемые логические контроллеры;
· устройства распределенного ввода/вывода;
· операторские станции;
· инженерные станции;
· серверы;
· панели оператора;
· программаторы;
· сетевые адаптеры;
· преобразователи частоты;
· пускатели;
· концевые выключатели;
· кабели связи;
· табло;
· устройства световой и звуковой сигнализации.
Программно-технический комплекс (ПТК) — неразделимая совокупность программных и технических средств, образующая систему телемеханики или АСУТП.Программная составляющая комплекса включает в себя программное обеспечение для ПЭВМ и контроллеров:
· универсальный SCADA-пакет для отображения информации и управления (для ПЭВМ);
· драйверы или OPC-серверы для связи с аппаратурой (ПЭВМ);
· специализированные рабочие места для технических специалистов (ПЭВМ);
· программы для диагностирования и конфигурирования системы (ПЭВМ);
· программы функционирования контроллеров (контроллеры);
· тестовое и отладочное программное обеспечение (ПЭВМ и контроллеры).
Программы комплекса тесно взаимодействуют друг с другом и аппаратной частью комплекса. Например, OPC-сервер, функционирующий на ПЭВМ, должен обеспечивать связь с аппаратурой комплекса через один из интерфейсов ПЭВМ по согласованным протоколам с одной стороны, и с программой обработки данных (SCADA-пакетом) по программным интерфейсам, с другой стороны. Программы конфигурирования контроллеров должны быть согласованы с программами функционирования по совместно используемым структурам данных, и т.п.
К аппаратной части комплекса относятся контроллеры, выполняющие работу по сопряжению с объектом контроля и управления (сбор данных с датчиков и преобразователей), передачу данных по каналам связи на пункт управления системой, прием данных на пункте управления, обработку и передачу данных в ЭВМ. Все современные контроллеры оснащены микропроцессорами, поэтому реализация всех перечисленных функций является программно-аппаратной. В современных ПТК наблюдается смешение функций. Например, к базовым функциям телемеханики и АСУТП (телесигнализация, телеизмерения, телеуправление) добавляют функции энергоучета, обеспечивают доставку данных от специализированных устройств и дистанционную настройку и т.п. Это позволяет улучшить использование имеющихся каналов связи и расширить функциональность системы в целом.
Распределённая система управления (англ. Distributed Control System, DCS) — система управления технологическим процессом, характеризующаяся построением распределённой системы ввода вывода и децентрализацией обработки данных.РСУ применяются для управления непрерывными и гибридными технологическими процессами (хотя, строго говоря, сфера применения РСУ только этим не ограничена). К непрерывным процессам можно отнести те, которые должны проходить днями и ночами, месяцами и даже годами, при этом остановка процесса, даже на кратковременный период, может привести к порче изготавливаемой продукции, поломке технологического оборудования и даже несчастным случаям.
Виды ПТК.
Все выпускаемые универсальные микропроцессорные ПТК подразделяются на классы, каждый из которых выполняет определенный набор функций. Рассмотрим ПТК: начиная с простейшего класса, минимального по функциям и объему автоматизируемого объекта, и кончая классом, который может охватывать задачи планирования и технического управления навеем предприятии.
г) РСУ малого масштаба. Этот класс микропроцессорных средств превосходит большинство сетевых комплексов контроллеров по мощности и сложности выполняемых функций, но имеет ряд ограничений по объему автоматизируемо го производства. Основные отличия этих средств от сетевых комплексов контроллеров заключаются в несколько большем разнообразии модификаций контроллеров, блоков ввода/вывода, панелей оператора; большой мощности центральных процессоров, позволяющих им обрабатывать более 10000 входных/выходных сигналов: выделении удаленных блоков ввода/ вывода, рассчитанных на работу в различных условиях окружающей среды , более развитой и гибкой сетевой структуре. Зачастую они имеют несколько уровней промышленных сетей, соединяющих контроллеры между собою и с пультами операторов (например, нижний уровень, используемый для связи контроллеров и пульта отдельного компактно расположенного технологического узла, и высший уровень, реализующий связи средств управления отдельных узлов друг с другом и с пультом оператора).
д). Полномасштабные РСУ. Это наиболее мощный класс микропроцессорных ПТК, практически не имеющий границ ни по выполняемым функциям, ни по объему автоматизируемого объекта. Одна такая система может использоваться для автоматизации производственной деятельности крупномасштабно го предприятия. Данный класс ПТК включает все особенности перечисленных микропроцессорных средств управления и дополнительно имеет ряд свойств , влияющих на возможности их использования: - наличие промышленных сетей, позволяющих подсоединять к одной шине сотни узлов (контроллеров и пультов.) и распределять их на значительные расстояния: - существование модификаций контроллеров, наиболее мощных по вычислительным возможностям, что позволяет кроме обычных функций реализовать в них сложные и объемные алгоритмы, контроля, диагностики, управления ; - широкое использование информационных сетей (Ethernet) для связи пультов операторов друг с другом, с серверами БД, для взаимодействия ПТК с сетью предприятия и построения управляющих центров (планирования, диспетчеризации, оперативного управления); - взаимодействие пультов управления в режиме клиент-сервер;
а) Контроллер на базе ПК. Это направление существенно развилось в последнее время с повышением надежности работы ПК, наличия их модификаций в обычном и промышленном исполнении; открытой архитектуры, легкости включения в них любых блоков ввода вывода; возможности использования уже наработанной широкой номенклатуры ПО (ОС РВ; БД; ППП контроля и управления). Основные сферы использования контроллеров на базе ПК - специализированные системы автоматизации в медицине, научных лабораториях, средствах коммуникации для небольших замкнутых объектов в промышленности. Общее число входов/ выходов такого контроллера обычно не превосходит нескольких десятков, а функции выполняют достаточно сложную обработку измерительной информации с расчетом управляющих воздействий
б)Локальный ПTK. В настоящее время распространяются несколько их типов : - встраиваемый в оборудование и являющийся его неотъемлемой частью ; примеры такого интеллектуального оборудования: станки с ЧПУ, автомашинисты, современные аналитические приборы; - автономный, реализующий функции контроля и управления небольшим, достаточно изолированным технологическим объектом.
в) Сетевой комплекс контролеров. Этот класс ПТК является наиболее широко внедряемым средством управления ТП во всех отраслях промышленности. Минимальный состав ПТК имеет ряд контроллеров, несколько дисплейных пульт ов операторов, промышленную сеть, соединяющую контроллеры и пульты между собой. Контроллеры определенного сетевого комплекса обычно содержат ряд модификаций. отличающихся друг от друга мощностью, быстродействием, объемом памяти. возможностями резервирования, приспособлением к разным условиям окружающей среды, максимальным числом каналов входов/выходов. Эго облегчает использование сетевого комплекса для разнообразных технологических объектов , поскольку позволяет наиболее точно подобрать контроллеры требуемых характеристик под отдельные узлы автоматизируемого агрегата и разные функции контроля и управления.