Промышленные сети контроллеров

Промышленная сеть — это среда передачи данных, которая должна отвечать множеству разнообразных требований, набор стандартных протоколов об­мена данными, позволяющих связать воедино обо­рудование различных производителей, а также обес­печить взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы управления предприятием.

Основные требования, предъявляемые к промышленной Сети:

Высокая производительность.

Предсказуемость времени доставки информации.

Помехоустойчивость.

Доступность и простота организации физического канала передачи дан­ных.

Максимально широкий сервис для приложений верхнего уровня.

Минимальная стоимость устройств аппаратной реализации, особенно на уровне контроллеров.

Максимальный доступ к каналу с минимальным временем ожидания в очереди.

Возможность резервирования сети и сетевых устройств.
Различают следующие типы сетей:

локальные сети LAN (Local Area Networks) — сети, расположенные на ограниченной территории;

городские сети MAN (Metropolitan Area Networks) — сети, предназна­ченные для обслуживания территории крупных городов (мегаполисов). Эти сети связывают локальные сети в масштабах города и обеспечивают их выход в глобальные сети;

глобальные сети WAN (Wide Area Networks) — сети, объединяющие территориально удаленных пользователей на большой территории (за пределами городов).

Архитектура промышленных сетей. Модель ISO/OSI. В 70-х годах XX века технология аналоговой приборной связи 0(4)...20 мА стала стандартной, в результате чего производители контрольно-измерительной аппаратуры получили средство коммуникации, на основе ко­торого их продукты можно было интегрировать в единые системы управле­ния. С развитием цифровой технологии ситуация в этой области изменилась. Благодаря таким преимуществам, как экономичность решений, информатив­ность, надежность и безопасность, наблюдается бурный переход от аналого­вой технологии к цифровой.

В 80-х годах цифровая технология проникла на все уровни промыш­ленного производства начиная с офисов и кончая датчиками. При разра­ботке стандартного цифрового протокола были поставлены следующие тре­бования:

возможность подключения нескольких приборов к одной полевой шине;

возможность совместного функционирования приборов разных произво­дителей;

равноправная связь между интеллектуальными приборами, подключенны­ми к полевой шине;

расширение возможностей передачи данных по сравнению с аналоговой связью (увеличение производительности и скорости передачи).

1994 г. организацией Fieldbus Foundation, объединяющей более .425 компаний, по согласованию с Европейскими компаниями был введен стандарт Fieldbus (IEC-61158-2), включающий восемь подстандартов на сети Foundation Fieldbus, Control Net, Profibus, P-Net, Interbus и др.

"Любая производственная технология представляет собой ряд шагов от обработки сырья до организации системы хранения продукции, и все эти операции должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечи­вающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим на­званием "промышленные сети" (FieldBus, или "полевая" шина). Промышленная сеть должна решать две основные задачи:

обеспечивать совместимость на уровне сели приборов от разных произво­дителей;

обеспечивать выход в коммерческие системы обработки данных, например MAP или ТОР.

Стандартной промышленной сети сейчас не существует, так как эта область развивалась благодаря усилиям отдельных компаний или их грушу В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) с целью разрешения проблемы взаимодействия сетевых систем с различными видами, вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была предложена "Описательная модель взаимосвязи открытых систем" (OSI-модель, ISO/OSI Model или семиуровневая модель). В табл. 17.1. представлены все уровни и функции этой модели. Большинство промышленных сетей поддерживают 1, 2 и 7-ой уровни OSI-модели — физический, уровень передачи данных и прикладной уровень.

Физический уровень обеспечивает необходимые механические, функциональные и электрические характеристики для установления, поддержа­ния и размыкания физического соединения (стандарт Х.21 ICCTT— Меж­дународный консультативный комитет по телефонии и телеграфии).

Канальный уровень гарантирует передачу данных между устройствами. Этот уровень управляет не только сетевым доступом, но также механиз­мами защиты и восстановления данных в случае ошибок при передаче (стандарт HDLC ISO).

Сетевой уровень определяет функции маршрутизации "пакета" через не­сколько логических каналов по одной или нескольким сетям. Принадлеж­ностью пакета является сетевой адрес (стандарт Х.25 ICCTT).

Транспортный уровень решает задачи прокладки маршрута в сети и про­движения пакета данных по маршруту. Используется механизм "окна" с подтверждением получения данных от отправителя (стандарт Европейской организации производителей ЭВМ- ЕСМА-72).

5. Сеансовый уровень определяет синхронизацию информационного взаимодействия прикладных процессов обмена данными, т. е. поддержание диалога между процессами определенного типа (стандарт F-CMA-75).

6. Уровень представления данных обеспечивает представлении данных в требуемом формате. Хранение и обработка данных осуществляется СУБД (стандарт ЕСМА-84, -86, -88).

7. Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддержку при­кладных процессов и программ конечного пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных (реализуются функции "объект-объект", "объект-оператор", "оператор-объект", “объект-архив”

Протокол модели OSI представляет набор правил, определяющих нача­ло, сам процесс связи и его окончание между одноранговыми объектами промышленных сетей.

Административный уровень системы управления производством представлен целым рядом протоколов, среди которых наиболее известны следующие:

Протокол автоматизации производства MAP 3.0 (Manufacturing Automa­tion Protocol) фирмы General Motors. Протокол использует все семь уров­ней модели OSI. На физическом уровне для передачи выделены три час­тотных диапазона в полосе 12 МГц со скоростью передачи 10 Мбит/с в ка­ждом из диапазонов. В случае концепции полностью автоматизированного производства для каждого из уровней модели OSI разработаны стандарты ISO (для 1-го уровня — ISO 8802/4, для 2-го — ISO 8802/2, для 3-го — ISO 8473 и т.д.). На 7-м используются производственные сообщения MMS по стандарту ISO 9506.

Протокол деятельности учреждения ТОР 3.0 (Technical Office Protocol) фирмы Boeing. Отличие от MAP 3.0 только на 1, 2 и 7-м уровнях. На физи­ческом уровне скорость передачи составляет 4 Мбит/с по витой паре с то­пологией "кольцо" или 10 Мбит/с по коаксиальному кабелю с топологией "шина" (стандарты ISO 8802/3 и 8802/5 соответственно). На 7-м уровне обеспечивается обмен электронной почтой, обработка учрежденческих до­кументов, служба виртуального терминала (обмен программами ЭВМ) и др.

Топология промышленных сетей

Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого соединения раз­личных устройств. Существует несколько видов топологии, отличающихся друг от друга по трем основным критериям: режим доступа к сети; сред­ства контроля передачи и восстановления данных; возможность изменения числа узлов сети. Основными сетевыми топологиями являются звезда, коль­цо и шина. Известны также древовидная (иерархическая) топология, ячеистая и смешанная топологии.

Сравнение характеристик рассмотренных топологий представлено в таблице.

Методы организации доступа к линиям связи

Метод доступа - набор правил, позволяющий пользователям работать с ло­кальной сетью, не мешая друг другу. Метод доступа реализуется на физическом уровне. Существует два метода упорядоченного доступа: централизо­ванный и децентрализованный.

В случае централизованного контроля над доступом к шине выделяется узел с правами Мастера. Он назначает и отслеживает порядок и время досту­па к шине для всех других участников. Если на Мастере произошла авария, то и циклы обмена по шине останавливаются. Именно по этой причине децентрализованный контроль с переходящими функциями мастера от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее распространение. Здесь права Мастера назначаются группе устройств сети.

Две модели децентрализованного доступа: Модель CSMA/CD и Модель с передачей маркера.

Модель CSMA/CD.

Наибо­лее широко известная реализация этого метода – спецификации Ethernet. Все станции на шине имеют право передавать данные. Каждая из них прослуши­вает шину. Если шина свободна, любая из станций сети может занять шину под свой цикл передач. В том случае, когда несколько станций претендует на шину одновременно, это приводит к так называемому конфликту, и тогда станции снимают свою «заявку» на случайный промежуток времени, зада­ваемый случайным генератором, и затем через удвоенный промежуток вре­мени снова выходят в сеть. Возможен аналог широковещательной передачи, когда какая-то станция обращается ко всем одновременно.

Модель с передачей маркера. Право на доступ к шине передает цикле от устройства к устройству. Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на стадии планирования системы. Этот метод предла­гает каждому участнику сети «справедливое» разделение шинных ресурсов в соответствии с их запросами. Принцип передачи маркера используется в сис­темах, где реакция на события, возникающие в распределенной системе, должна проявляться за определенное время.

Централизованный метод реализован в методе Master-Slave. Применяется в промышленных сетях как на контроллерном уровне, так и на уровне датчиков и исполнительных механизмов. Право инициировать циклы чтения/записи на шине имеет только Master-узел. Он адресует каждого пассивного участника (Slave-узел), обеспечивает их данными и запрашивает у них данные.

Для того, чтобы увеличить пропускную способность шины, команды протокола должны быть как можно проще. В рамках протокола решаются такие задачи, как: защита данных, обнаружение ошибок при передаче, восстановление данных. На скорость и объем передаваемой информации естественным образом влияет среда передачи.