Виды промышленных коммуникационных сетей

В отличие от офисных компьютерных сетей, где повсеместно используется технология ЕТНЕRNЕТ, в промышленных сетях в АСУТП применяется множество разных видов коммуникационных сетей, основные из которых рассмотрены ниже.

2.2.1. PROFIBUS. На сегодня PROFIBUS самая распространенная в мире открытая промышленная сеть. Была разработана фир­мой Siemens в начале 90-х годов. Имеется три разновидности архитектуры: DР (главный/подчиненный), FМS (од­норанговая сеть, нескольких ведущих, возможно, со своими ведомыми) и РА (версия DP, адаптированная для подключения ведомых устройств через искроподавляющие барьеры). Носителем сигнала являются витая пара или оптоволокно. Интерфейсы реализованы в виде специализированных микросхем (АSIС), которые выпускаются многими поставщиками. Топологии сети: линия, звезда, кольцо.

На нижнем уровне применяется сеть PROFIBUS-DP (рис.2.1), обеспечивающая высокоскоростной обмен данными с оконечными устройствами. PROFIBUS-DP представляет собой сеть с опросом узлов (выделенное главное устройство периодически опрашивает состояние каждого узла сети), тем самым обеспечивается постоянный контроль состояние каждого устройства в сети (одно устройство за один цикл опроса может передавать до 244 байт полезной информации). ПротоколPROFIBUS-DP допускает наличие в системе нескольких главных устройств и каждое подчиненное устройство при этом выделяется лишь одному главному. Это означает, что читать данные с какого-либо устройства имеют несколько главных устройств, однако записывать информацию в конкретно подчиненное устройство мо­жет лишь одно главное.

Рис.2.1. Структура АСУТП на базе сети PROFIBUS

Каждое сообщение содержит 12 дополнительных байт, вследствие чего максимальная длина всего сообщения составляет 256 байт. Протокол физического уровня соответствует стандарту RS-485, скорость обмена прямо зависит от длины сетевого сегмента и варьируется и варьируется от 100 кбит/c на расстоянии 1200 метров до 12 Мбит/c на дистанции до 100 метров. Максимальное число узлов -127. Взаимодействие узлов в сети определяется моделью Master-Slave. Master сегмента последовательно опрашивает подключенные узлы и выдает команды в соответствии с заложенной в него технологической программой. Протокол обмена данными гарантирует определенное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов в сегменте, что позволяет применять сеть PROFIBUS в системах реального времени.

На более высоком уровне применяется сеть PROFIBUS-FMS, ориентированная на обеспечение информационного обмена одноранговых устройств. На взрывоопасных зонах используется сеть PROFIBUS-PA, которая может иметь длину до 1900 метров со скоростью обмена между узлами 31,25 кбит/c.

Чаще всего PROFIBUS применяется в задачах диспетчерского управления процессами и других АСУТП, требующих управление интеллекту­альными подсистемам и. разбросанными по большой площади на (рис.2.1).

Сеть PROFIBUS – одна из самых распространенных в мире АСУТП, базирующихся на ре­шениях фирмы Siemens. Совокупность версий DР, РА и FМS дает средства решения практически любой задачи промышленной автоматизации.

Недостаткамиэтой ПКС являются: относительно высокие накладные рас­ходы при передаче коротких сообщений, отсутствие возможности передачи питания по сетевому кабелю, слишком длинный заголовок пакета, делающий нерациональной передачу малых объемов данных, более высокая по сравнению с другими ПКС стоимость оборудования.

2.2.2. INTERBUS -один из старейших и наиболее широ­ко распространенных в мире стандартов технологических сетей. ПКС была разработана фирмой Phoenix Contact в 1984 г._,.

Сеть INTERBUS имеет оригиналь­ную топологию - "кольцевой регистр сдвига", при ко­торой, каждое включенное в сеть устройство имеет не постоянный, а динамический адрес, рекурсивно вы­числяемый на каждом шаге управлявшей програм­мы. Максимальное расстояние, которое может охватывать эта сеть - до 13 километров (рис. 2.2). Максимальное число узлов - 512. Физический канал - витая пара, оптоволокно, беспроводной ИК-канал, используемый кабель Belden 3119А. Расстояние между узлами сети - до 400 метров, диаметр сети в целом - до 12,8 км.Узлы-ретрансляторы образуют основу топологииINTERBUS, оконечные устройства подключаются к дополнительным кольцевым сегментам, в которых питающее напряжение передается вместе с данными. Длина дополнительных сегментов может составлять до 200 метров, для их прокладки используется обычная неэкранированная витая пара.Скорость передачи данных 500 Кбод. Размер сообщения до 512 байт от одного устройства (узла)при неограниченном размере пакета. Формат диалога - циклический опрос входов/выхо­дов/

Рис.2.2. Топология сети INTERBUS.

Сеть INTERBUS может работать с устройствами как аналогового, так и цифрового ввода/вывода. Доступ к среде передачи данных в сети INTERBUS организован по принципу суммирующего фрейма и обеспечивает гарантированное время передачи информации.

Достоинством этой ПКС являются: автоматическая адресация узлов, существенно упрощающая задачи пользователей; короткий заголовок пакета; эффективное исполь­зование пропускной способности физического канала; возможность передачи электропитания питания по каналам этой ПКС.

Недостатком этой ПКС является меньшая надежность по сравнению с другими ПКС. Действительно, сбой одного узла останавливает весь процесс передачи, так как делает невыполнимым оче­редное формирование динамического стека адресов. 2.2.3. FOUNDATION Fieldbus была разработана в 1995 г. По многим параметрам эта ПКС схожа с PROFIBUS-PA:возможность установки на взрывоопасных зонах, передача информационного сигнала вместе с питающим напряжением по одной паре проводов, двухуровневая иерархия.

В сети FOUNDATION Fieldbus на верхнем уровне используется высокоскоростная магистраль Ethernet, а на нижнем - технология передачи по стандарту IEC, как и в PROFIBUS - PA.

Для исключения ошибок создатели FOUNDATION Fieldbus попытались предусмотреть все мыслимые нештатные ситуации и снабдили всеми возможными средствами самоконтроля, вплоть до встроенного программного обеспечения (ПО), оценивающего в реальном времени вероятность сбоя при передаче отдельного конкретного пакета данных. В результате получился сложный объектно-ориентированный протокол Н1, использующий многочисленные формы пересылки данных и позволяющий контроллеру надежно распознавать подключенные к шине устройства самой разнообразной конфигурации.

В состав ПО сети FOUNDATION Fieldbus входит планировщик, гарантирующий точно указанное время прохождения и интерпретации каждого пакета данных. Физический протокол Н1 использует двухпроводную линию, аналогичную используемой для передачи аналогового сигнала 4…20мА, что позволяет решать проблему искробезопасного подключения удаленной периферии. Скорость передачи данных по такой линии составляет 31,25 Кбод, максимальная длина линии до 1900м.

Выделяют две особенности FOUNDATION Fieldbus среди других ПКС.

Во-первых, был разработан специальный язык описания оконечных устройств (Device Description Language), использование которого позволяет подключать новые углы к сети по широко применяемой в обычных IВМ РС совместимых компьютерам технологии plug-and-play. Достаточно физически подключить новое устройств, и оно тут же самоопределится на основании заложенного описания DD (Device Description), после чего все функцио­нальные возможности нового узла ста­новится доступными в сети. При кон­фигурировании инженеру достаточно соединить входы и выходы имеющих­ся в его распоряжении функциональ­ных блоков, чтобы реализовать требуе­мый алгоритм. Пользователям доступны как типовые DD для стандартных устройств (клапанов, датчи­ков температуры и т.д.), так и возмож­ность описания нестандартных изде­лий.

Во-вторых, в отличие от других промышленным сетей, FOUNDATION Fieldbus ориентирована на обеспечение одноранговой связи между узлами без центрального ведущею устройства. Этот подход даст возможность реали­зовать системы управления, распреде­ленные не только физически, но и логически, что во многих случаях позволяет повысить надежность АСУТП. В FOUNDATION Fieldbus реализованы самые сложные технологии обмена информацией: подписка на данные, режим «клиент-сервер», синхронизация распределенного процес­са.

Наиболее перспективным направлением развития этого стандарта на сегодня считается адаптация протокола Н1 под технологию высокоскоростной сети Ethernet, в результат чего должен получится продукт пол названием FOUNDATION Fieldbus HSE, допускаю­щий скорость передачи данных до 100 Мбод и размер сети до 240 узлов на сегмент при 65000 доступных сег­ментов.

2.2.4. CANopen разработана в 1993г. компанией Bosch для управления оборудованием автомобиля. Цель разработки CAN заключалась в замене громозд­ких пучков проводов (до 7,5 сантиметров в диаметре) единственным кабелем, призванным соединить все основные компоненты управления автомобилем: аварийные и сигнальные огни, подушки безопасности, фары, электроприводы стекол, дверные замки и т.д. CAN находит применение ав­томатизированных линиях (сборочные, упаковоч­ные, сварочные автоматы) для решения таких задач, как управление перемещением и пози­ционирование, управление пневмоклапанами и интеллектуальными датчиками, чтение штрихового кода и связи с операторской панелью.

Физический канал - ви­тая пара, оптоволокно, физически CAN допускает даже использование линий электропередач. Число адресуемых узлов до 64 ед. Скорость передачи 125…1000 Кбод. Дли­на линии от 30 м (1Мбод) до 500 м (125 Кбод), допускается длина линии до 5 км, но скорость при этом падает до 9600 бод. Размер данных - 8 слов (байт) от одного узла за один сеанс связи при суммар­ной длине служебных полей 44/64 бит. Форматы диалогов: запрос-ответ, периодическая посылка, посылка по изменению состояния, цикл опроса и другие.

Сеть CAN хорошо приспособлена для управ­ления высокоскоростными устройствами при повы­шенных требованиях к надежности. Сеть CAN отличают эффективные средства обнаружения ошибок на физическом уров­не, исключительно высокая помехоустойчивость, эф­фективное использование пропускающей способнос­ти линии, возможность передачи электропитания по сети.

Недостатками CAN являются сложность протокола, ограниченный размер сообщения и небольшая максимальная длина линии связи. Эта ПКС в основном используется для управления сравнительно небольшими объектами. Сеть CAN применяется в ОАО «РЖД» для управления и контроля оборудованием локомотивов.

2.2.5. DeviceNet – разработана фирмойAllen-Bradley в 1994 г. для заводских АСУТП нижнего и среднего уровней. По своим техническим и потребительским характеристикам практически не отличается от сети CANopen, применяемой в автомобильной промышленности.Максимальное число узлов в сети 64. Длина линий связи от 100 до 500 метров. Скорость передачи данных: 125, 250 и 500 Кбит/с. Максимальный размер сообщения для одного узла 8 байт.

DeviceNet - промышленная сеть, удовлетворяющая 80%. стандартных требований, предъявляемых к прокладке кабелей внутри промышленных установок и цехов. Питающее напряжение для устройств автоматики подается по сетевому кабелю, общее число используемых кабелей и сложность проводки минимальны. Протокол DeviceNet поддерживается сотнями |разнотипных устройств (от интеллектуальных датчиков до вентилей и операторских пультов) и различных производителей.

Одним из самых основных достоинствDeviceNet является поддержка нескольких типов обмена сообщениями, причем в ПКС одновременно могут использоваться несколько протоколов. Кроме того, эта ПКС отличается невысокой стоимостью оборудования, высокой надежностью, возможностью передачи питающего напряжения по сетевому кабелю.

Недостатками этой ПКС являются ограниченная пропускная способность, ограниченный размер сообщений, ограниченная длина сегментов сети.

ПКС DeviceNet в основном применяется на промышленном сварочном и транспортировочном оборудовании.

2.2.6.Приведенные примеры описывают сетевые решения, получившие на сегодняшний день широкие признание. Наличие на рынке разнообразных наборов программно-аппа­ратных решений позволяет решить технологические проблемы практически любого производства.

Дата добавления: 2015-07-24