Промышленные сети

Сведения о промышленных сетях, их отличие от офисных. Значение и параметры сетевого интерфейса. Свойства, преимущества и недостатки, принципы работы протоколов Hart, Modbus, Profibus, Can. Отличительные признаки Ethernet. Полевая шина Foundation fieldbus.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Содержание

• Введение
• 1. Общие сведения о промышленных сетях
• 2. HART-протокол
• 3. Modbus
• 4. PROFIBUS
• 5. CAN
• 6. Промышленный Etherne
• 7. FOUNDATION Fieldbus
• Заключение
• Введение

Наибольшее распространение в АСУ ТП получили распределенные системы, элементы которых (контроллеры, модули ввода-вывода) разнесены в пространстве, независимы друг от друга, но взаимодействуют между собой для выполнения общей задачи. Основой для построения распределенных систем сбора данных и управления является промышленная сеть.

сеть протокол шина интерфейс

1. Общие сведения о промышленных сетях

Обмен информацией между устройствами, входящими в состав автоматизированной системы (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнительными устройствами), происходит в общем случае через промышленную сеть (fieldbus, "полевую шину").

Промышленные сети отличаются от офисных следующими свойствами:

· специальным конструктивным исполнением, обеспечивающим защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов;

· широким температурным диапазоном (обычно от -40 до +70 град);

· повышенной прочностью кабеля, изоляции, разъемов, элементов крепления;

· повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных помех;

· возможностью резервирования для повышения надежности;

· повышенной надежностью передачи данных;

· возможностью самовосстановления после сбоя;

· детерминированностью (определенностью) времени доставки сообщений;

· возможностью работы в реальном времени (с малой, постоянной и известной величиной задержки);

· работой с длинными линиями связи (от сотен метров до нескольких километров).

Промышленные сети обычно не выходят за пределы одного предприятия. Однако с появлением Ethernet и Internet для промышленных сетей стали применять ту же классификацию, что и для офисных:

· LAN (Local Area Network) - сети, расположенные на ограниченной территории (в цехе, офисе, в пределах завода);

· MAN (Metropolitan Area Networks) - сети городов;

· WAN (Wide Area Network) - глобальная сеть, охватывающая несколько городов или континентов. Обычно для этого используют Internet-технологию.

В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных сетей (Modbus, Profibus, DeviceNet, CANopen, LonWorks, ControlNet, SDS, Seriplex, ArcNet, BACnet, FDDI, FIP, FF, ASI, Ethernet, WorldFIP, Foundation Fieldbus, Interbus, BitBus и др.). Однако широко распространенными является только часть из них. В России подавляющее большинство АСУ ТП используют сети Modbus и Profibus. В последние годы возрос интерес к сетям на основе CANopen и DeviceNet. Распространенность в России той или иной промышленной сети связана, в первую очередь, с предпочтениями и активностью Российских фирм, продающих импортное оборудование.

В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня:

· контроллерные сети, которые решают задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;

· полевые или сенсорные сети, которые решают задачи опроса датчиков и управления работой разнообразных исполнительных механизмов).

Иногда полевые сети называют сетями низовой автоматики.

Для полевых сетей характерна передача небольшого объема данных на небольшие расстояния за короткое время.

Для контроллерных сетей наоборот характерна передача больших объемов данных за большие расстояния.

Поскольку в промышленной автоматизации сетевые интерфейсы могут быть неотъемлемой частью соединяемых устройств, а сетевое программное обеспечение прикладного уровня модели OSI исполняется на основном процессоре промышленного контроллера, то отделить сетевую часть от устройств, объединяемых в сеть, иногда физически невозможно. С другой стороны, смену одной сети на другую часто можно выполнить с помощью замены сетевого ПО и сетевого адаптера или введением преобразователя интерфейса, поэтому часто один и тот же тип ПЛК может использоваться в сетях различных типов.

Соединение промышленной сети с ее компонентами (устройствами, узлами сети) выполняется с помощью интерфейсов. Сетевым интерфейсом называют логическую и (или) физическую границу между устройством и средой передачи информации. Обычно этой границей является набор электронных компонентов и связанного с ними программного обеспечения. При существенных модификациях внутренней структуры устройства или программного обеспечения интерфейс остается без изменений, что является одним из признаков, позволяющих выделить интерфейс в составе оборудования.

Наиболее важными параметрами интерфейса являются пропускная способность и максимальная длина подключаемого кабеля. Промышленные интерфейсы обычно обеспечивают гальваническую развязку между соединяемыми устройствами. Наиболее распространены в промышленной автоматизации последовательные интерфейсы RS-485, RS-232, RS-422, Ethernet, CAN, HART, AS-интерфейс.

Для обмена информацией взаимодействующие устройства должны иметь одинаковый протокол обмена. В простейшей форме протокол - это набор правил, которые управляют обменом информацией. Он определяет синтаксис и семантику сообщений, операции управления, синхронизацию и состояния при коммуникации. Протокол может быть реализован аппаратно, программно или программно-аппаратно. Название сети обычно совпадает с названием протокола, что объясняется его определяющей ролью при создания сети. В России используются сетевые протоколы, описанные в серии стандартов [ГОСТ - ГОСТ].

Обычно сеть использует несколько протоколов, образующих стек протоколов - набор связанных коммуникационных протоколов, которые функционируют совместно и используют некоторые или все семь уровней модели OSI. Для большинства сетей стек протоколов реализован с помощью специализированных сетевых микросхем или встроен в универсальный микропроцессор.

Взаимодействие устройств в промышленных сетях выполняется в соответствии с моделями клиент-сервер или издатель-подписчик (производитель-потребитель). В модели клиент-сервер взаимодействуют два объекта. Сервером является объект, который предоставляет сервис, т. е. который выполняет некоторые действия по запросу клиента. Сеть может содержать несколько серверов и несколько клиентов. Каждый клиент может посылать запросы нескольким серверам, а каждый сервер может отвечать на запросы нескольких клиентов. Эта модель удобна для передачи данных, которые появляются периодически или в заранее известное время, как, например, значения температуры в периодическом технологическом процессе. Однако эта модель неудобна для передачи случайно возникающий событий, например, события, состоящего в случайном срабатывании датчика уровня, поскольку для получения этого события клиент должен периодически, с высокой частотой, запрашивать состояние датчика и анализировать его, перегружая сеть бесполезным трафиком.

В модели взаимодействия издатель-подписчик имеется один издатель и множество подписчиков. Подписчики сообщают издателю список тегов, значения которых они хотят получать по определенному расписанию или по мере появления новых данных. Каждый клиент может подписаться на свой набор тегов. В соответствии с установленным расписанием издатель рассылает подписчикам запрошенную информацию.

2. HART-протокол

HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer - "магистральный адресуемый удаленный преобразователь") является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который включает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи, поэтому устоявшийся термин "протокол", означающий алгоритм взаимодействия устройств, применен здесь не совсем корректно. Стандарт HART был разработан в 1980 году фирмойRosemount Inc., которая позже сделала его открытым. В настоящее время стандарт поддерживается международной организацией HART Communication Foundation (HCF), насчитывающей 190 членов (на декабрь 2006 г.). HART находит применение для связи контроллера с датчиками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным оборудованием.

Несмотря на свое низкое быстродействие (1200 бит/с) и ненадежный аналоговый способ передачи данных, а также появление более совершенных сетевых технологий, устройства с HART-протоколом разрабатываются до сих пор и объем этого сегмента рынка продолжает расти. Однако применение HART в России довольно ограничено, поскольку внедрение датчиков с HART-протоколом требует одновременного применения HART-совместимых контроллеров и специализированного программного обеспечения. Типовой областью применение HART являются достаточно дорогие интеллектуальные устройства (электромагнитные клапаны, датчики потока жидкости, радарные уровнемеры и т. п), а также взрывобезопасное оборудование, где низкая мощность HART-сигнала позволяет легко удовлетворить требованиям стандартов на искробезопасные электрические цепи.

Стандарт HART включает в себя 1-й, 2-й и 7-й уровни модели OSI. Полное описание стандарта можно куп...