note1_2000_4.pdf
(
480 KB
)
Pobierz
В
ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА
Сергей Гусев
Краткий экскурс в историю
промышленных сетей
В
ВЕДЕНИЕ
В статье на примере популярных
стандартных решений рассмотрена
проблема практического применения
промышленных сетевых технологий.
Хочется сразу предупредить вас, ува
жаемый читатель, что статья не претен
дует стать обзором всех доступных про
мышленных сетей. Такие обзоры регу
лярно публикуются практически всеми
изданиями, имеющими отношение
к промышленной автоматизации или
компьютерному рынку. В данной рабо
те автор попытался сделать анализ наи
более часто применяемых в современ
ных условиях решений. Возможно, не
которые из них вызовут интерес специ
алистов отделов АСУП и системных
интеграторов, стоящих перед пробле
мой выбора направления дальнейшего
развития своих систем.
стыми пучками
кабелей, ведущи
ми к датчикам
и исполнитель
ным механизмам.
Сегодня в боль
шинстве случаев
становится эко
номически целе
сообразной уста
новка на площади цеха или участка не
скольких локальных контроллеров или
интеллектуальных УСО, объединенных
в единую сеть, чем прокладка разветв
ленных кабельных систем.
2.
Стоимость работ по установке, тес
тированию, вводу в эксплуатацию
и сопровождению централизованной
системы гораздо выше, чем у распреде
ленной.
когда в составе объекта управления по
является еще несколько входных или
выходных каналов. Добавление новых
линий связи к уже проложенной ка
бельной системе — занятие не из про
стых.
3.
Растущая потребность в «распреде
ленном интеллекте».
Сегодня, когда микропроцессоры
и другие специализированные микро
схемы стали достаточно дешевыми, ста
ло целесообразным выделять в общей
системе АСУ отдельные локальные за
дачи, решение которых поручать ло
кальным контроллерам. Контур управ
ления, таким образом, замыкается на
нижнем уровне. Сеть же позволяет кон
троллерам в качестве аргументов для
вычисления управляющего вектора ис
Объект
Объект
П
ОЧЕМУ
?
Рискуя повторить в сотый раз ба
нальную истину, все таки приведем три
основные предпосылки, создающие
поистине революционную ситуацию,
которая вызывает сегодня повсемест
ный переход разработчиков систем
АСУ к применению распределенных
сетевых технологий.
1.
Изделия из кремния дешевеют, изде
лия из меди дорожают.
За последние годы эта тенденция
стала особенно заметна. Прошли те
времена, когда нормой жизни считался
огромный шкаф, напичканный авто
матикой, с выходящими из него тол
Объект
Объект
Клеммные
колодки
Объект
Кросссекция
Объект
Объект
Интеллектуальные УСО
Объект
Объект
Контроллер
Объект
Контроллер
Промышленная сеть
Централизованная система
Распределенная система
Рис. 1. Принципы построения централизованных и распределенных сетей
Количество проводных соединений
в централизованной системе, как ми
нимум, в два раза больше, чем в рас
пределенной (рис. 1). Нужно учиты
вать многократно возрастающую ве
роятность ошибки при монтаже про
водников в многочисленных кроссо
вых клеммных колодках и сложность
поиска и устранения неисправностей.
Отдельно стоит упомянуть о ситуации,
пользовать переменные других кон
троллеров, обеспечивая связанность си
стемы управления в целом. Такая архи
тектура существенно увеличивает про
изводительность, надежность и масшта
бируемость систем. Кроме того, совре
менные исполнительные механизмы,
как правило, уже сами являются интел
лектуальными и законченными «субъ
ектами» промышленных сетей.
Si
Cu
78
www.cta.ru
СТА 4/2000
© 2000 CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 3303650 http://www.cta.ru
В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА
Ч
ТО ТАКОЕ
F
IELDВUS
?
Так пишется оригинальный термин,
который в русском переводе звучит как
«промышленная сеть». Fieldbus — это
не какойто определенный протокол
передачи данных и не тип сетевой архи
тектуры, этот термин не принадлежит
ни одной отдельно взятой компании и
обозначает скорее сферу применения,
чем какуюлибо конкретную сетевую
технологию. Промышленные сети —
это сегмент рынка, где сталкиваются
интересы крупнейших корпораций, со
здаются и внедряюстя самые передовые
технологии, ведется война стандартов,
появляются новые участники и стара
ются удержаться старые. Промышлен
ная сеть — это среда передачи данных,
которая должна отвечать множеству
разнообразных, а зачастую противоре
чивых требований. Промышленная
сеть — это набор стандартных протоко
лов обмена данными, позволяющих
связать воедино оборудование различ
ных производителей, а также обеспе
чить взаимодействие нижнего и верх
него уровней АСУ. Наконец, промыш
ленная сеть — это образ мысли инжене
ра, определяющий конфигурацию и
принципы построения системы. От то
го, какая сетевая архитектура выбира
ется сегодня, будут зависеть не только
затраты на создание системы, но и срок
ее жизни, ее способность к развитию,
то есть, как принято сейчас говорить,
интегральная стоимость владения.
Давайте попробуем сформулировать
лишь некоторые основные требования,
которые можно предъявить к «идеаль
ной» промышленной сети.
1.Производительность.
2.Предсказуемость времени доставки
информации.
3.Помехоустойчивость.
4.Доступность и простота организации
физического канала передачи данных.
5.Максимальный сервис для приложе
ний верхнего уровня.
6.Минимальная стоимость устройств
аппаратной реализации, особенно на
уровне контроллеров.
7.Возможность получения «распреде
ленного интеллекта», путем предо
ставления максимального доступа
к каналу нескольким ведущим узлам.
8.Управляемость и самовосстановле
ние в случае возникновения нештат
ных ситуаций.
Как видно, в получившемся списке
первое требование противоречит вто
рому, третье — четвертому и так далее.
Более того, подобные противоречия
приходится обходить постоянно и на
всех уровнях проектирования, начиная
с того, какой формат пакета передачи
данных выбрать: тот, который позволит
осуществлять расширенное управле
ние сетью и удаленную загрузку, или
тот, который обеспечит максимально
быструю работу с большим числом
дискретных сигналов, заканчивая ре
шением философской проблемы, что
лучше: применить не самое современ
ное, но проверенное годами решение,
или применить кажущееся блестящим
и современным решение, которое по
чемуто оказывается дороже и еще до
сих пор не применяется на предприя
тииконкуренте.
Таким образом, можно полагать, что
промышленная сеть — суть один боль
шой компромисс. И от того, как рас
ставлены акценты в этом компромиссе,
зависит успешность решения задач,
стоящих перед сетевой архитектурой. К
промышленным сетям вполне приме
нимы результаты теоретических изыс
каний в области коммуникационных
сетей общего назначения, поэтому ста
новятся вполне понятными постоян
ные ссылки на Модель взаимодействия
открытых систем (Open System Intercon
nection model), принятую Международ
ной организацией по стандартизации
(ISO). Уместно напомнить назначение
всех семи уровней этой модели. Попро
буем кратко проанализировать приве
денные далее сетевые решения именно
с этой точки зрения. А именно, постара
емся понять, для решения каких основ
ных задач создавались эти сети, чем раз
работчики жертвовали, что выдвигали
на первый план и какие возможности
это дает конечным пользователям.
пределенных объектов. Имеет ряд «ге
нетических» недостатков, а именно:
присутствие в каждой точке сети обще
го трафика, опасность потери связи при
одиночном обрыве канала связи или
фатальном выходе из строя одного узла.
Топология типа «кольцо» очень по
пулярна со времен выхода на рынок се
ти Token Ring фирмы IBM. Использо
вание протокола с циклической пере
дачей маркера (IEEE802.5) позволяет
сетям с такой топологией обеспечить
абсолютную предсказуемость и хоро
шую пропускную способность. Основ
ными недостатками топологии явля
ются высокая стоимость организации
канала связи, нерациональное (в боль
шинстве случаев) использование сете
вого трафика и потеря всей синхрони
зации сети в случае сбоя и отключения
хотя бы одного из узлов.
Топология «звезда», являясь логичес
ким продолжением моноканала, обеспе
чивает дополнительную защиту всей се
ти от выхода из строя или отключения
узлов, позволяет существенно оптими
зировать трафик, передавая пакеты толь
ко в те «лучи», где находятся их получа
тели. Последнее особенно существенно
для сетей, где допускаются коллизии.
Полнота информационного
сервиса
Существует хорошо известная модель
Международной организации по стан
дартизации (ISO/OSI), призванная раз
граничить и формализовать функции,
выполняемые различными уровнями
аппаратного и программного обеспече
ния сетевой структуры. Данная модель
определяет семь уровней сервиса, пре
доставляемого сетью (таблица 1).
На физическом уровне
определяются
физические характеристики канала
связи и параметры сигналов.
Канальный уровень
формирует ос
новную единицу передаваемых дан
ных — пакет и отвечает за дисциплину
доступа устройства к каналу связи
(Medium Access Control) и установле
Э
КСКУРС В ТЕОРИЮ
Предлагаю выделить три наиболее
значимых параметра, по которым мож
но некоторым образом сравнивать сети
и которые послужат основой для даль
нейшей классификации, а именно: то
пология сети, объем информационно
го сервиса, предоставляемого сетью,
и способ доступа к физическому кана
лу передачи данных.
Таблица 1. Уровни, определяемые моделью
взаимодействия открытых систем (ISOOpen
System Interconnection Model)
Application
Топология сети
Наиболее распространенный тип се
тевой топологии — это общая шина.
Основное преимущество — простота
и дешевизна, легкость переконфигури
рования. Не боится отключения или
подключения устройств во время рабо
ты. Хорошо подходит для сильно рас
7
Прикладной уровень
6
Presentation
Уровень представления
5
Session
Уровень сессий
4
Transport
Транспортный уровень
3
Network
Сетевой уровень
2
Data Link
Канальный уровень
79
1
Physical
Физический уровень
www.cta.ru
СТА 4/2000
© 2000 CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 3303650 http://www.cta.ru
В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА
Тип доступа к физическому
каналу
Говоря языком ISO/OSI, это второй,
канальный, уровень модели. На самом
деле, по большому счету, существует
два типа доступа: с коллизиями и без.
Доступ к каналу с коллизиями исполь
зуют Ethernet, CAN и LON. Такой тип
доступа позволяет эффективно ис
пользовать пропускную способность
канала и предоставлять доступ в сеть
нескольким активным узлам.
Единственным минусом такого под
хода являются собственно коллизии,
которые не позволяют указанным се
тям на равных конкурировать с детер
минированными протоколами в ряде
задач. Для разрешения коллизий при
меняются различные приемы.
Например, в сетях Ethernet применя
ется технология CSMA/CD (Carrier
Sense Multiple Access with Collision
Detection). Технология основана на по
стоянном прослушивании линии все
ми узлами и генерации повторной по
пытки занятия канала через случайный
промежуток времени в случае, если об
наружена попытка одновременного до
ступа к каналу нескольких станций.
Принципиально другую форму разре
шения коллизий демонстрирует CAN.
ние логического соединения (Logical
Link Control).
Сетевой уровень
отвечает за адреса
цию и доставку пакета по оптимально
му маршруту.
Транспортный уровень
разбирается
с содержимым пакетов, формирует от
веты на запросы или организует запро
сы, необходимые для уровня сессий.
Уровень сессий
оперирует сообщени
ями и координирует взаимодействие
между участниками сети.
Уровень представления
занимается
преобразованием форматов данных,
если это необходимо.
Прикладной уровень
— это набор ин
терфейсов, доступных программе
пользователя.
На практике большинство промыш
ленных сетей ограничивается только
тремя из них, а именно физическим,
канальным и прикладным. Наиболее
«продвинутые» сети решают основную
часть задач аппаратно, оставляя про
граммную прослойку только на седь
мом уровне. Дешевые сети (например
ModBus) зачастую используют на фи
зическом уровне RS232 или RS485, а
все остальные задачи, начиная с ка
нального уровня, решают программ
ным путем.
10011011011 — Передача 1 станции
100110111… — Передача 2 станции
момент прекращения передачи
10011011011 —
Резу
Резу
ль
ль
та
тат
Рис. 2. Разрешение коллизий по CANпротоколу
Его протокол относится к классу
CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access
with Collision Resolution). Разрешение
коллизий производится аппаратурой по
принципу побитового сравнения сете
вых адресов конфликтующих устройств
(рис. 2). Станция, пытающаяся передать
очередную «единичку» из своего адреса,
видя, что реально в канале передается
«ноль», понимает, что конфликтует, и
откладывает попытку занять канал до
лучших времен. Станция, передающая
«нолик», спокойно продолжает свое де
ло. Таким образом, хотя коллизии и воз
никают, но разрешаются предсказуемо и
в предсказуемое время. Именно это поз
волило сетям на основе CANпротокола
занять достойное место в различных от
раслях, особенно в автомобилестрое
нии, где важны мультимастерные сети с
распределенным интеллектом.
Дальнейшее развитие данная техно
логия получила в сетях LON. Только
в отличие от CAN аргументами в споре
за канал являются не сетевые адреса,
а динамически изменяемые приори
тетные уровни пакетов, что позволяет,
например, пакету, несущему важную
информацию и требующему немедлен
ного ответа, легко «пробиться» через
поток низкоприоритетных информа
ционных обменов.
Но основная масса промышленных
сетевых протоколов использует всетаки
детерминированный способ доступа к
каналу по принципу «запросответ» или
с помощью передачи маркера. Это эф
фективный путь для организации чет
кого и ритмичного сетевого взаимодей
ствия. В основе протоколов с передачей
маркера лежит принцип постоянного
наличия в сети синхронизирующего па
кета, называемого маркером (рис. 3).
Перейдем к краткому рассказу о не
скольких конкретных сетевых решени
ях, представляющих, с точки зрения
автора, наибольший интерес по попу
1
23
Рис. 3. Последовательность прохождения
маркера среди активных участников сети
80
www.cta.ru
СТА 4/2000
© 2000 CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 3303650 http://www.cta.ru
В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА
PROFIBUS
В развернутом представлении не
нуждается. Весьма популярен в Европе
и особенно в Германии. Активно про
двигается в качестве стандартного ре
шения компанией Siemens. Представ
ляет собой классическую сеть на базе
общей шины с передачей маркера.
PROFIBUS существует в трех основ
ных вариантах:
PROFIBUSDP — быстрый (до
12 Мбит/с) одномастерный протокол.
Физическая среда передачи — экрани
рованная витая пара стандарта RS485.
Хорошо подходит для построения быс
трых детерминированных распреде
ленных систем сбора данных и управ
ления с одним ведущим узлом.
PROFIBUSFMS включает в себя до
полнительные типы пакетов (Fieldbus
Message Speсification). Позволяет орга
низовывать в одной сети работу не
скольких активных станций.
PROFIBUSPA — сетевой интер
фейс, физическая среда передачи дан
ных которого соответствует требовани
ям стандарта IEC 611582. Может при
меняться для построения сети, соеди
няющей исполнительные устройства,
датчики и контроллеры, расположен
лярности на нашем рынке в ближай
шее время.
ные непосредственно во взрывоопас
ной зоне.
На прикладном и канальном уровнях
PROFIBUSPA использует весь сервис,
доступный в PROFIBUSFMS. На фи
зическом уровне интерфейсы Н1
Foundation Fieldbus и PROFIBUSPA
используют одинаковую витую пару,
одинаковые уровни сигналов и скоро
сти передачи и позволяют оконечным
устройствам запитываться непосредст
венно от канала связи.
Более того, два этих протокола могут
одновременно уживаться на одном
и том же физическом участке сети (!).
Просто канальный уровень каждого из
протоколов «не понимает» пакеты кон
курента.
Какие же задачи наиболее просто ре
шаются с помощью PROFIBUS?
Вопервых, это модернизация и рас
ширение возможностей существующих
систем. Предположим, что вы уже име
ете Simatic S7, в который можно доба
вить только один модуль расширения,
а количество каналов, которые необхо
димо добавить в систему, превышает
максимально возможное для данного
типа модуля. После несложных расче
тов вы поймете, что лучшим решением
F
OUNDATION
F
IELDBUS
Несмотря на отсутствие широкой
практики внедрения в Росии, хочется
немного остановиться на данном ре
шении, так как подкупает его необык
новенная красота и продуманность.
Foundation Fieldbus (далее FF) — са
мый молодой и быстро растущий стан
дарт на промышленную сеть. Он во
брал в себя самые современные техно
логии построения управляющей сети
масштаба предприятия. Представляет
собой двухуровневый сетевой прото
кол, объединяющий в себе черты мощ
ной информационной магистрали для
объединения компьютеров верхнего
уровня и управляющей сети, объединя
ющей контроллеры, управляющие
компьютеры, датчики и исполнитель
ные механизмы. Предоставляет пол
ный сервис, от передачи файлов
и больших объемов информации до за
мыкания контуров управления кон
троллеров, включая обеспечение за
грузки в контроллеры управляющих
программ и доступ к пассивному обо
рудованию. И все это в рамках одного
стандарта. Звучит просто фантастичес
ки. Еще невероятнее выглядят прогно
зы на ближайшее будущее. По оценкам
Ассоциации интеграторов управляю
щих систем (Control System Integrators
Assotiation — CSIA), в 2000 году не ме
нее 80% вновь создаваемых систем бу
дет в части сетевых технологий совмес
тимо со стандартом FF.
Практически стандарт определяет
два уровня сети. На нижнем уровне
(Н1) в качестве физической среды пе
редачи данных за основу взят стандарт
IEC 611582, который позволяет ис
пользовать сеть FF на взрывоопасных
производствах с возможностью запит
ки датчиков непосредственно от кана
ла связи.
Скорость передачи информации на
уровне H1 составляет 31,5 кбит/с.
На верхнем уровне (бывший H2) в
настоящее время, как правило, исполь
зуется FF HSE (High Speed Ethernet),
основанный, как видно из названия, на
сети Ethernet со скоростью 100 Мбит/с.
Особенностью стандарта FF являет
ся то, что в нем определен дополни
тельный пользовательский уровень
(User Layer), позволяющий, применяя
предопределенные функциональные
блоки, строить промышленные сети с
распределенным интеллектом.
81
www.cta.ru
СТА 4/2000
© 2000 CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 3303650 http://www.cta.ru
В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА
в данном случае будет приобретение
мастеркарты PROFIBUSDP для ва
шего S7 и интеллектуальных распреде
ленных УСО типа WAGO I/O.
Причем, с точки зрения программи
рования, вы не заметите разницы меж
ду данными, получаемыми PLC из ло
кального модуля, и информацией от
удаленных УСО. Более того, если вооб
ще не устанавливать в S7 никаких мо
дулей, кроме сетевой карты, а весь
вводвывод сделать на распределенных
УСО WAGO I/O, вы получите не толь
ко существенный «экономический эф
фект», но и более гибкую, распреде
ленную и легко масштабируемую сис
тему. Именно по этому пути сегодня
производится модернизация «класси
ческих», построенных на традицион
ных PLC европейских производств.
Следующая задача, которую часто
приходится решать разработчику, —
это создание «с чистого листа» новой
распределенной системы сбора данных
и управления.
Выбор PROFIBUS в качестве сетевой
среды сегодня выглядит вполне оправ
данным. Столь же оправданным ока
зывается выбор IBM РС совместимых
контроллеров в качестве основных уп
равляющих узлов сети. Возмож
ны несколько приемлемых кон
фигураций, выбор которых опре
деляется поставленной задачей.
Если требуется объединить в
детерминированную сеть не
сколько контроллеров, опти
мальным вариантом будет
PROFIBUSFMS. Для создания
сети с централизованным интеллектом
и распределенным вводомвыводом
лучше всего подойдет PROFIBUSDP.
Наиболее простой способ построе
ния системы показан на рис. 4. В этом
случае цикл управления замыкается
внутри рабочей станции, которая вы
ступает одновременно в роли опера
торской станции и программного ана
лога PLC. Для этого в ней устанавлива
ется мастеркарта PROFIBUSDP, а ве
домые (slave) узлы, такие как WAGO
I/O или ЕТ200, подключаются к ней по
топологии «общая шина».
Логически потоки данных в такой
сети делятся на три основных цикла.
1.
Цикл вводавывода выполняется под
управлением контроллера ведомого уз
ла. В этом цикле происходит автомати
ческий опрос модулей ввода, установ
ленных в УСО, и строится таблица по
Объект
Цикл
управления
HMI/SCADA
УСО
Profibus
OPCсервер
Объект
Интерфейс
с оператором
Мастеркарта
Profibus DP
Рабочая станция
Рис. 4. Централизованное управление,
распределенные УСО
следних значений, готовых к передаче
в сеть. Одновременно с этим происхо
дит передача выходным модулям УСО
новых значений, полученных из сети.
Длительность этого цикла зависит от
количества установленных модулей
и, как правило, измеряется единицами
миллисекунд.
2.
Цикл сетевого обмена реализуется
по инициативе ведущего узла, в дан
ном случае по маркеру мастеркарты
рабочей станции. В этом цикле веду
щий формирует пакеты, содержащие
данные для модулей вывода каждого из
абонентов, и принимает от них пакеты,
в которых передается информация от
входных модулей. Пакеты оптимизи
рованы настолько, что на передачу
данных отводится ровно столько места,
сколько эти данные занимают. Напри
мер, передача аналогового сигнала за
нимает в сетевом пакете два байта,
а передача дискретного — один бит.
Служебная информация в пакетах пре
дельно мала, поэтому теоретическая
пропускная способность сети умень
шается в основном только в связи с из
держками на передачу и обработку
маркера, а также изза того, что пара
метры передаются по сети независимо
от того, изменилось их значение со
времени предыдущего цикла опроса
или нет. Цикл сетевого обмена осуще
ствляется без участия центрального
процессора рабочей станции и начина
ется сразу после подачи напряжения
питания на сетевую карту и сетевые
УСО. Данные, которые передаются ве
домым абонентам, ведущий постоянно
берет из определенного поля адресов
специальной двухпортовой памяти. В
эту же память после каждого цикла об
мена по сети помещаются новые зна
чения, полученные от каналов ввода.
Для ускорения сетевого обмена данные
в пакетах передаются подряд, без ука
зания их источника или, наоборот, ад
ресата. Для того чтобы ведущий «знал»,
82
www.cta.ru
СТА 4/2000
© 2000 CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 3303650 http://www.cta.ru
Plik z chomika:
fred1144
Inne pliki z tego folderu:
note1_2000_4.pdf
(480 KB)
hardware1_2000_4.pdf
(532 KB)
Inne foldery tego chomika:
1996-1
1997-1
1997-2
1997-3
1997-4
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin