Техническая реализация сетей

1. Сеть Profibus создана несколькими университетами и промышленными компаниями Германии в виде двух модификаций: DP/PA и FMS. Profibus DP/PA базируется на немецкому (DIN 19245), европейскому (EN 50170) и международному (ІЕС1158-2 для РА) стандартах, причем в стандарт EN 50170 модификации FMS и DP включенные без перемен. Profibus FMS сравнительно с Profibus DP/PA имеет расширенные прикладные функции при аналогичных основных. Эта сеть имеет по стандарту OSI трехуровневую структуру: физический, канальный и прикладной уровни. Она экономична, так как не требует специального оснащения за исключением универсального асинхронного приемника-передатчика; удобна для той сети, где необходимо реализовать гибридный подход с использованием ведущих, ведомых и равноправных узлов. Недостатки связаны с отсутствием гарантий на определенное время реагирования.

Физический уровень. Физической средой для Profibus есть экранированная витая пара с полным сопротивлением 100...130 Ом, длиной не более 1,2 км. Скорость передачи данных (СПД) находится в пределах 9,6 кбит/с... 2 Мбит/с. Для критического времени задач рекомендована система с 32 активными станциями на сегмент и максимальным количеством станций — 126. Кабель — ВП и ОВ. Возможно как ациклическая, так и циклическая передача данных с 255 байтами в кадре. Длину линии и количество узлов можно увеличить с помощью повторителей (не больше 3). Каждая терминальная станция, которой заканчивается линия, может обеспечить напряжение +5 В и ток не менее 10 мА. В Profibus используется такой метод передачи. Каждый бит кодируется без возвращения к нулю и передается дифференциальным напряжением. Во время периода молчания незаземленная дифференциальная линия переводится конечным устройством на единицу. Данные передаются как символьно ориентированные.

Канальный уровень этой сети имеет два подуровня: подуровень управления доступом к среде (МАС: Media Access Control – контроль доступа к сети) и подуровень логического управления каналом (LLC: Logical Link Control – логический контроль сети). Управления доступом к среде выполняется на основе гибридного метода, при котором используют децентрализованный метод передачи маркера за "кольцом", которое образовывают активные станции, и централизованный метод "ведущий/ ведомый" (master/slave principle) для связи активной и пассивной станций. Активная станция с маркером может руководить системой и передавать сообщение. Пассивная станция лишь подтверждает полученное сообщение и пересылает информацию на вопрос. Маркер передается от одного активного узла к другому за логическим кольцом. Система master/slave реализуется, если в это кольцо входят один ведущий узел и несколько ведомых. Для обеспечения оптимального времени отклика в системе использован таймер заданного времени обращения (TTR — Target rotation time). Когда эстафета проходит цикл и возвращается к узлу за время, меньшее чем TTR, узел может передавать сообщения на протяжении той частицы периода, что осталась. Если реальное время цикла больше, чем TTR, узел пересылает лишь одно сообщение высокого приоритета и передает эстафету. В системе существует два равные приоритета, причем сообщения с высоким приоритетом будет передаваться всегда, независимо от мощности потока информации. В нормальных условиях сообщения с высоким приоритетом передается к сообщению с низким приоритетом.

Каждый блок данных символьно ориентированный и передается асинхронно, причем каждый символ имеет 11 бит: стартовый, 8 информационных, бит проверки и стоп-бит. Синхронизация битов приемником начинается с заднего фронта стартового бита. Погрешности в пересылке блоков обрабатываются на уровне каналов передачи данных, кроме исключительных состояний (утраченные эстафеты, станции с поврежденными приемниками-передатчиками и т.п.), обработка которых передается пользователю.

Система Profibus обеспечивает 4 основные услуги:

пересылка данных с подтверждением (ПДП),

пересылка данных без подтверждения (ПДБ),

пересылка и запрос данных с ответом (ПДО),

циклическая пересылка и запрос данных (ЦПД).

Услуга ПДО разрешает локальному пользователю передавать информацию на отдельную отдаленную станцию и в то же время запрашивать информацию, к которой отдаленный пользователь разрешает доступ. Эта услуга обеспечивает получения узлом информации от пассивного узла. Возможность циклической пересылки разрешает локальному пользователю циклически пересылать данные отдаленному пользователю и, в свою очередь, получать информацию от него, что обеспечивает временную и пространственную согласованность данных, причем под первой понимают свойство, связанную с получением пространственно распределенными пользователями одинаковых копий значений сменных, а под второй — свойство, связанную с появлением в один и тот же момент данных пользователя, которые появляются во временном окне и доступны для их использования. Данные отдаленных пользователей по требованию передаются отдаленному сетевому контролеру с помощью услуги обновления ответа. Пользователь собирает данные, циклически посылая ПДО в соответствии со списком отдаленных узлов.

Прикладной уровень Profibus разделяют на подуровни. Первый из них — спецификация сообщений (Fieldbus Message Specification — FMS) описывает объекты связи, сервис и соответствующую модель с точки зрения партнера по коммуникации. Второй подуровень — интерфейс нижнего уровня (Lower Layer Interface — LLI) организует отображения FMS и FMA (Fieldbus Media Access - управления доступом в Fieldbus) на FDL (Fieldbus Data Link - канальный уровень Fieldbus), установления связи, отключения, диспетчеризацию связи и управления потоками. FMA выполняет контекстное конфигурирование и исправления ошибок.

2. Сеть FIP (Factory Instrumentation Protocol) базируется на европейском стандарте (EN 50170) и также имеет трехуровневую структуру с физическим, канальным и прикладным уровнями. Она наиболее сложная, поддерживает большие скорости передачи данных и оптические среды, ее прикладной уровень хорошо приспособлен для поддержки промышленной базы данных реального времени.

Физический уровень. С помощью широкополосного канала связи могут быть соединены до 256 станций, расположенных на расстоянии до 2 км. Используются как ВП, так и ОВ, СПД может быть 31,25 кбит/с, 1 и 2,5 Мбит/с.

Канальный уровень. Трафик системы, в основном, периодический; апериодические сообщения передаются в виде обмена запросами. Арбитраж в FIP реализуется с помощью временного окна, которое назначается каждому узлу для периодических данных. Окно может назначаться по запросу для апериодических данных. Адреса источника информации — это имя точно идентифицированного объекта, поэтому все станции сети знают и вызовут объект по его имени. Поток обмена информацией есть смесь конфигурированных и запрашиваемых (во время рабочего режима) сообщений. Руководя доступом к среде, арбитр приводит в порядок конфигурированные сообщения детерминированным способом.

Запрашиваемые сообщения обрабатываются в то время, которое осталось. Для периодических и апериодических данных определены два окна. FIP имеет жесткие допуски на частоту тактовых генераторов. Сообщения передаются последовательно по периодическому трафику информации двумя блоками, которые содержат имя и данные. Блок данных состоит из 8 бит заголовка, разделителя, начала блока, корректирующего бита, управляющих и информационных бит.

Система FIP имеет не двуточечную (связь узла с узлом), а глобальную модель пересылки. Для получения информации от источника узел использует ПДБ-сервис для передачи имени, для которого источник обеспечивает данные. Апериодическая, двухпунктная передача и т.п. реализуются путем управления потоками и базируются на доступной ширине полосы канала. Приоритет в FIP используют только на верхних уровнях. Погрешностей, связанных с эстафетой, в FIP не существует.

3. Сеть CAN (Controller Area Network) отвечает стандарту ISO 11898 и кроме нижнего уровня АСУТП CAN применяется также в автомобилях Mersedes. Это протокол последовательной связи, которая эффективно поддерживает распределенное управление в реальном времени с высоким уровнем защиты. Информация передается по каналу в виде сообщений фиксированного формата. Сеть CAN пригодная для кабельной связи и создание сетей реального времени на небольших площадях, ее недостатки связаны со сложным расширением существующей инсталляции и возможностью применения только электрического кабеля. Она имеет трехуровневую структуру: физический, канальный и прикладной уровни. Канальный уровень (уровень пересылки) отображает сообщения, которые получены на прикладном (объектном) уровне, и принимает сообщения, которые надо передать на объектный уровень. Канальный уровень отвечает за битовое тактирование и синхронизацию, кадрирование сообщений, арбитраж и т.п. Объектный уровень занимается фильтрацией сообщений, а также обработкой статуса и сообщений.

Физический уровень. Метод передачи данных, связанный с использованием двух взаимодополняющих бит: рецессивного и доминантного. При одновременной передаче рецессивного и доминантного битов результирующий канал становится доминантным. Для аппаратной реализации логической "1" используют логический "О". Бит кодируют без возвращения к "О". Время передачи каждого бита разделяют на такие 4 сегменты, которые не перекрывают друг друга: сегмент синхронизации (СС), сегмент распространения (СР), сегмент фазы 1 (СФ1)и сегмент фазы 2 (СФ2). СС используется для синхронизации отдельных узлов системы, причем фронт импульса находится внутри этого сегмента. СР компенсирует время физической задержки и равняется удвоенной сумме прохождение сигналом линии. СФ1 и СФ2 компенсируют фазовую ошибку фронта импульса и могут изменяться при настраивании. Уровень канала считывается в конце СФ1. Все контролеры CAN синхронизируют на старте кадра при жестких допусках на частоту тактовых генераторов. СПД 1 Мбит/с.

Канальный уровень. Любое количество станций может получать и одновременно обрабатывать одно и одно и то же сообщение. Содержанию сообщения дается имя (идентификатор), а станция сети, фильтруя сообщение, решает, обрабатывать или нет информацию сообщения. Всегда, когда канал свободный, любой узел может начать передачу сообщения. Если два или больше узла передают сообщения одновременно, то доступ к каналу разрешается на основе поразрядного арбитража. Во время арбитража каждый узел сравнивает уровень сообщения, что он передает, с уровнем сообщения, текущий контроль которого осуществляется в канале. Если оба равные совпадают, узел продолжает передача. Когда посылается сообщения рецессивного уровня, а выявленное сообщение доминантного уровня, узел проигрывает арбитраж и должен отключиться.

Блок данных состоит из одного доминантного стартового бита; арбитражного поля, которое создается 11-битовым идентификатором; битов данных и конца блока. Все станции синхронизируются по переднему фронту импульса, вызванного запуском блока той станции, которая первой начала передачу. CAN предоставляет услуги лишь по пересылки идентифицированных сообщений или CAN-объектов (СОВ), которые распознаются по своим идентификаторам (COB-ID). Данные не пересылаются приложениям на заданный узел связи. Каждое приложение само решает, будет ли он получать данные, которые есть у СОВ. Временная и пространственная согласованность в системе поддерживается путем передачи идентификатора, который обеспечивает доступ всем заинтересованным абонентам до одних и одних и тех же данных. Гарантированное время ожидания настраивается корректированием битов идентификатора, который определяет статический приоритет сообщения: идентификаторы с более высоким приоритетом имеют меньшее время ожидания в случае конфликтов в системе. Погрешностей, связанных с эстафетой, в CAN не существует. Погрешности в блоках данных проявляют с помощью циклического избыточного кода (CRC), а для проверки используют блок сообщений, заполненный битами.

4. Сети контролеров MODICON TSX. Фирма Shnaider Electric (SE) выпускает функционально полный набор средств управления Modicon TSX Momentum для подключения к разнообразным стандартным шинам Modbus Plus, WorldFip, Ethernet TCP/IP, Interbus S, Profibus DP, DeviceNet и интеграции в архитектурах TSX Premium/Quantum. В набор входят базовые модули распределенного ввода/вывода (аналоговые, дискретные, многофункциональные и двунаправленные дискретные) и адаптеры (процессорный АП, коммуникационный АК и расширения АР). Адаптеры устанавливают непосредственно на модулях, а модули можно располагать возле технологического оснащения. Когда на модуле распределенного ввода/вывода (МРВВ) устанавливают АК, то получается выносной узел ввода/вывода, который может быть подключен к любой стандартной полевой шине. При этом такой узел поддерживает системы управления на базе ПК, ПЛК и процессоров TSX Momentum. АП — это функционально полный ПЛК с процессором, ОЗП и флешью-памятью, поэтому при установлении его на МРВВ получают контроллер малой канальности, а АР добавляет АП дополнительные коммуникационные функции.

Все АП имеют один стандартный порт Modbus и возможность дооснащения вторым дополнительным портом. Это может быть порт Modbus или порт I/O bus, что дает возможность подключить до 80 МРВВ, расположенных на расстояния 15 км. Кроме того, при применении АР возможная связь по каналу Modbus Plus или последовательный обмен данными с модемами, операторскими терминалами и плоскими дисплейным панелями.

Краткая характеристика сети Modbus: максимальное количество узлов — 247, максимальная дистанционность — 5 км, максимальная СПД — 19,2 кбит/с, кабель — ВП. Все передачи в сети инициируются главным узлом (ПК или один из ПЛК сети).

Возможны три варианта сети:

первый — двухузловая сеть через интерфейс RS-232 на расстояние 15 м;

второй — многоузловая (до 32 узлов) сеть на расстояние до 5 км через интерфейс RS-485 с помощью ВП;

третий — многоузловая (до 247 узлов) на расстояние более чем 5 км через интерфейсы RS-232 с помощью линий связи общего пользования, например, телефонных.

Краткая характеристика сети Modbus Plus: все узлы „равноправны" и имеют доступ к сети, после получения маркера. Пока узел имеет маркер, он может инициировать передачу сообщений. Сегмент сети имеет до 32 узлов и длину до 500 м, с помощью повторителей количество узлов можно увеличить до 64, а длину до 2 км. Дальнейшее увеличение количества узлов (до 15 тыс.) требует использования шлюзов Modbus Plus. Для устройств, что прямо не поддерживают Modbus Plus, применяют мост-мультиплексор с 4-мя портами RS-232. Обычный ПК через этот порт может программировать или считывать данные из любого узла этой сети. Максимальная СПД — 1 Мбит/с, кабель — ВП, при передаче на большие расстояния и на взрывоопасных установках — оптоволокно. Для повышения надежности используют Modbus Plus с резервированием, то есть двухкабельную сеть.

При использовании TSX Premium и Micro можно также использовать и дешевые шины фирмы SE: Uni-Telway или Fipway.

Шина Uni-Telway работает с интерфейсом RS-485, обеспечивая СПД 19,2 кбит/с. Метод доступа — master-slave (ведущий-ведомый). Контролер master (TSX Premium и Micro) руководит распределением времени доступа к шине между другими контролерами slave, причем к одному контролеру master, на котором может быть установлена PCMCIA карта TSX SPC 114, может быть подключено 32 контролера slave. Пример формирования сети Uni-Telway приведен на рис. 4.8. К аппаратурному и коммуникационному обеспечению этой сети принадлежат: ПЭВМ — Celeron-500/128M/10Gb/8M CD/S/ATX; МКП-П — контролер TSX Premium; МКП-М — контролер TSX Micro; АК — PCMCIA карта TSX SCP114 для подключения контролеров к шине Uni-Telway; MK — модуль коммуникационный TSX SCY 21601; КП1 — пассивная Т-коробка TSX SCA 50; КП2 — пассивная двухканальная коробка TSXSCA 62; КПЗ — коробка подключения TSX Р АСС 01; ПДУ1 панель оператора ССХ 17; ПДУ2 — панель оператора Magelis; ФСА — кабель связи с встроенным адаптером RS-232-RS-485; ФС1 — кабель подключения TSX SCP CU 4030; ФС2 — кабель подключения TSX SCY CU 6530;

Рис. 4.8

УРСП — устройство регулирования скорости привода Altivar; ФСШ — двойная экранированная витая пара TSX CSA.

Двойная экранированная витая пара, которая используется как основная физическая среда шины ФСШ, может быть подключена к земле каждого устройства. Коробки КП1, КП2 и КПЗ могут быть применены как конечная нагрузка шины, причем коробка КПЗ используется для подключения контролеров TSX Micro/Premium к шине Uni-Telway через терминальный порт и имеет в комплекте кабель подключения длиной 1 м. КПЗ применяется также для гальванической развязки (при L > 10 м) и установления режима работы терминального порта шины (master, slave или символьный режим). Кабель ФС1 соединяет коробку КЦ1 с картой TSX SCP 114, установленной на процессорном или коммуникационном модуле.

Шина Fipway отвечает стандарту WorldFip с организацией доступа через арбитра шины и имеет СПД 1 Мбит/с. Принцип действия Fipway обеспечивает надежный и постоянный цикл опрашивания станций сети независимо от трафика и количества станций (от 2 до 64), из-за чего можно прибавлять или изымать станции без снижения производительности сети. Характеристики сети дают возможность передавать до 210 сообщений со скоростью 128 байт/с, причем база общих слов возобновляется через каждые 40 мс. TSX Premium и Micro присоединяются к сети с помощью платы Fipway PCMCIA, которая устанавливается в каждом процессорном или коммуникационном модуле. Пример формирования сети Fipway приведенный на рис. 4.9. К аппаратурному и коммуникационному обеспечению этой сети принадлежат: ПЭВМ — Celeron-500/128M/10Gb/8M CD/ S/ATX; МКП-П — контролер TSX Premium; МКП-М — контролер TSX Micro; AK1 — карта TSX FPC 10 для подключения компьютера к шине Fipway; AK2 — Fipway PCMCIA карта TSX FPP 20 для подключения контролеров к шине Fipway; MK — модуль коммуникационный TSX SCY 21601; КП1 — Т-коробка ответвления TSX FP АСС 4; АК1 — карта TSX FPC 10 для подключения компьютера к шине Fipway; AK2 — Fipway PCMCIA карта TSX FPP 20 для подключенияконтролеров к шине Fipway; MK — модуль коммуникационный TSX SCY 21601; КП1 -т-коробка ответвления TSX FP АСС 4; КП2 — коробка TSX FP АСС 3 для подключения 2 PC или PCMCIA карт; ПДУ1 — панель оператора ССХ 17; ПДУ2 — панель оператора Magelis; П — повторитель TSX FP АСС 6; ТЛ — терминатор линии TSX FP АСС 7; ФС1 — кабель подключения (КП) TSX FP CGO.O; ФС2 — КП TSX FP СИЕ 030; УРСП — устройство регулирования скорости привода Altivar; ФСО1 — экранированное ВП TSX CA.OO для внутреннего монтажа; ФСО2 — экранированная ВП TSX CR.OO для внешнего монтажа.

Кабель ФС01 и ФСО2 есть основным кабелем FIP и имеет волновое сопротивление 150 Ом. Компьютеры и контролеры Micro-Premium подключают к шине через коробки КП1 и КП2 с девятиштекерным соединителем SUB-D, причем карта АК1 может быть установлена только на ISA-шину.

Рис. 4.9

Дата добавления: 2015-08-18