Особенности промышленных коммуникационных сетей

Современные АСУТП представляют со­бойиерархические распределенные системы, в со­став которых входят различные устройства ввода/вывода, промышленные контроллеры, управляющие технологическими процессами (ТП), базы данных, содержащие архивную информацию о ТП, системы визуализации и т.д. В таких системах все компоненты должны быть связаны между собой, для чего на различных уровнях АСУТП приме­няются разнообразные коммуникационные сети.

Таким образом, промышленные коммуникационные сети (ПКС) используются в АСУТП для связи контроллеров между собой и организации взаимодействия с уст­ройствами ввода/вывода и интеллектуальными модулями.

В связи с тем, что к ниж­нему уровню (уровню контроллеров), как ответственному за управление ТП, предъявляются повышенные требования по надежности функционирования, то и ПКС, ис­пользующиеся на этом уровне также должны отвечать определенным требованиям.

К ПКС предъявляют следующие требования:

высокая надежность (помехоустойчи­вость, способность обнаруживать ошибки при передачи и исправлять их);

хорошая управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций.

работа в масштабе реального времени, обеспечение гарантированного времени доставки пакетов;

обеспечение максимальной длины физических сегментов сети;

небольшая стоимость сетевых устройств особенно на уровне контроллеров;

доступность и простота реализации физического канала передачи данных;

возможность получения «распределенного интеллекта», путем предоставления максимального доступа к каналу нескольким ведущим узлам;

максимальный сервис для приложения верхнего уровня;

управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций.

Существуют также набор требований, свя­занных с возможностью расширения и развития АСУТП. Например, требование открытостисети, т.е. удовлетворение ряду критериев: наличие полных опубликованных спецификаций и ми­нимума доступных компонентов; организация хорошо определенного процесса ратификации возмож­ных дополнений к стандартам и сертификациям.

Если ПКС относится к открытый системам, она должна обладать следующим набором принципиальных качеств: включаемостью, взаимодействием и взаимозаменяемостью.

Включаемость означает, что устройства различных производителей должны иметь возможность свободного физического включения в общую сеть.

Взаимодействие подразумевает возможность построении работоспособной ПКС на основе включения компонентов от различных поставщиков.

Взаимозаменяемость означает возможность замены устройств с одинаковой функциональностью, взятых из разных производителей.

Как и офисные коммуникационные сети, ПКС характеризуются распределенным ха­рактером «интеллекта» и цифровым спо­собом обмена данными между узлами сети. Узлы ПКС должны располагаются макси­мально близко к объектам управления, благодаря чему сокращается длинна аналоговых линии, подключающих датчики и исполнительные устройства.

Каждый узел ПКС является «интеллектуальным» устройством и выполняет несколько функций:

приём команд и данных от других узлов ПКС;

измерение данных с подключенных датчиков;

оцифровка полученных данных;

передача накопленной информации на другие узлы ПКС.

Распределенные АСУТП на базе ПКС обладают рядом преимуществ перед централизованными АСУТП.

Переход на цифровую передачу данных означает возможность замены дорогих кабелей на дешевую витую пару.

По надежности цифровой способ передачи данных намного превосходит аналоговый. Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантирует доставку информации благодаря встроенным в сетевые протоколы алгоритмов вычисления контрольных сумм, квитирования и повторной передачи искаженных пакетов данных.

Надежность функционирования си­стем АСУТП на базе ПКС с интел­лектуальными узлами значительно выше, чем в традиционных структу­рах, так как выход из строя одного узла не влияет, либо влияет незначительно на выполнение технологичес­ких алгоритмов в остальных узлах. Разумное распределение управляющих функций значительно снижает нагрузку па центральную управляющую ЭВМ, что способствует повышению надежности системы в целом.

ПКС обеспечивают дополнительные преимущества распределенным АСУТП по таким показателям как гибкость и масштабируемость.

Важной проблемой является, зашита ПКС от повреждений коммуникационной се­ти, особенно в том случае, если его топология имеет вид шины. Для критически важных технологических участков эта задача должна решаться дублированием линий связи или наличием нескольких альтернативных путей передачи информации.

В ПКС используются следующие виды топологий: общая шина, кольцо и радиальная топология («звезда»).­

Общая шина­­­ - наиболее распространенный тип сетевой топологии Основное преимущество этой топологии - простота и дешевизна, легкость переконфигурирования. Общая шина имеет ряд недостатков, таких как присутствие, в каждой точке сети общего трафика, опасность потери связи при одиночном обрыве канала связи или фатальном выходе из строя одного узла.

Топология типа «кольцо» получается в ПКС соединением оконечных узлов шины, что позволяет получить дублирование канала связи при его одиночном обрыве, т.е повысить надежность ПКС.

Радиальная топология обеспечивает дополнительную защиту всей коммуникационной сети от выхода из строя или отключения узлов, позволяет оптимизировать трафик, передавая пакеты только в те «лучи», где находятся получатели пакетов.

Большинство ПКС ограничиваются только тремя уровнями информационного сервиса, определяемого семиуровневой моделью (ISO/OSI). Это физический, канальный и прикладной уровни.

На физическом уровне определяются физические характеристики канала связи и параметры сигналов.

Канальный уровень формирует основную единицу передаваемых данных - пакет и отвечает за дисциплину доступа устройства к каналу связи и установление логического соединения.

Прикладной уровень - это набор интерфейсов, доступных программе пользователя.

Известно, что в коммуникационных сетях применяют два основных способов доступа к физическому каналу – детерминированный и случайный.

В первом способе доступа используется принцип «запрос – ответ». Центральный компьютер по очереди опрашивает и получает ответы от узлов (локальных контроллеров). Очевидно, что при этом способе порядок опроса позволяет легко определить гарантируемое время получения данных от узла сети, что очень важно для задач управления. Недостатком этого способа доступа является избыточный трафик в сети из-за высокой частоты запросов от центрального компьютера к узлам сети, требуемой для гарантируемого определения изменения состояния объекта управления

При втором способе доступа инициатива обмена с центральным компьютерам принадлежит узлам сети, которые запрашивают доступ к каналу только при возникновении тех или иных событий в объекте. Такой способ доступа позволяет эффективно использовать пропускную способность каналов и предоставлять доступ в сеть нескольким активным узлам. Недостатком такого способа являются коллизии, когда несколько узлов одновременно пытаются получить доступ к каналу и мешают друг другу. Для разрешения коллизий используют различные приемы, например, технология CSMA/CD. Технология основана на постоянном прослушивании линий всеми узлами и генерации повторной попытки занятия канала через случайный промежуток времени, в случае, если обнаружена попытка одновременного доступа к каналу нескольких узлов. Конечно, на разрешение коллизий затрачивается время, величину которого априори предсказать нельзя. В задачах управления это обстоятельство может повлиять на своевременное формирование управляющих сигналов на объект и привести к аварии. Поэтому особенности случайного доступа необходимо учитывать в особо ответственных системах управления.

Существующие сейчас промышленные коммуникационные сети условно можно разделить на два класса: сети полевого класса (Fieldbus) и датчикового уровня.

Сети первого класса, как правило, применяются для сбора, обработки и обмена данными на уровне промышленных контрол­леров, а задачи сетей датчикового уровня сводятся к оп­росу датчиков и управлению различными интеллектуальными модулями.

Сети датчикового уровня характеризуются более короткими линиями связи и временем цикла передачи, малыми объемами передаваемых данных и относительно низкими ценами на среду передачи и подключение узла по сравнению с сетями полевого уровня. Обычной задачей сетей датчикового уровня яв­ляется получение данных от всех устройств за время_, не превышающее времени технологического цикла. От се­тей полевого уровня, требуется большая функциональность; синхронная/асинхронная передача в реальном времени блоков данных, превосходящих размер одного па­кета, передача больших объемов данных без требований реального времени (например, копирование файлов).

Дата добавления: 2015-07-24