ПЗ АСУ ТП_Гузнин / Лк7

ПЗ АСУ ТП

Тема 2.2. Протоколи обміну даними та середовище передачі.

Лекція 7.

Протоколи обміну даними та середовище передачі.

1. Послідовні та паралельні інтерфейси.

2. Протоколи обміну даними.

3. Польові шини Profibus (FMS, DP, ISP), FIP, CAN, Interbus - S, Bitbus, Foundation, HART.

Впродовж багатьох років системи обміну даними будувалися за традиційною централізованою схемою, в якій був одно потужний обчислювальний пристрій і величезна кількість кабелів, за допомогою яких здійснювалося підключення датчиків і виконавчих механізмів. В умовах бурхливо зростаючого виробництва мікропроцесорних пристроїв альтернативним рішенням стали цифрові промислові мережі (Fieldbus), що складаються з багатьох вузлів, обмін між якими здійснюється цифровим способом. На сьогодні на ринку представлена близько сотні різних типів промислових мереж, протоколів і інтерфейсів, вживаних в системах автоматизації, серед яких Modbus, PROFIBUS, Interims, Bitbus, CAN, LON, Foundation.Fieldbus, Ethernet та ін.

Використання промислової мережі дозволяє розташувати вузли, якими виступають контроллери і інтелектуальні пристрої введення-виводу, максимально близько до крайових пристроїв (датчикам і виконуючим механізмам), завдяки чому довжина аналогових ліній скорочується до мінімуму. Кожен вузол промислової мережі виконує декілька функцій:

• прийом команд і даних від інших вузлів промислової мережі;

• зчитування даних з підключених датчиків;

• перетворення отриманих даних в цифрову форму;

• обробка запрограмованого технологічного алгоритму;

• видача дій, що управляють, на підключені виконавчі механізми по команді іншого вузла або згідно з технологічним алгоритмом;

• передача накопиченої інформації на інші вузли мережі.

АСУ ТП на базі промислових мереж в порівнянні з традиційними централізованими системами мають декілька особливостей:

1. Істотна економія кабельної продукції.

2. Підвищення надійності системи управління досягається за рахунок використання цифрових методів передачі даних, розподілом функцій контролю і управління по різних вузлах мережі.

3. Гнучкість і модифікованість. Додавання або видалення окремих точок введення-виводу і навіть цілих вузлів вимагає мінімальної кількості монтажних робіт і може проводитися без зупинки системи автоматизації.

4. Використання принципів відкритих систем, відкритих технологій, що дозволяє успішно інтегрувати в єдину систему вироби від різних виробників.

1. Послідовні та паралельні інтерфейси.

З'єднання промислової мережі з її компонентами виконується за допомогою інтерфейсів. Мережевим інтерфейсом називають логічну і (чи) фізичну межу між пристроєм і середовищем передачі інформації. Найбільш важливими параметрами інтерфейсу є пропускна спроможність і максимальна довжина кабелю, що під’єднується. У АСУ ТП і телекомунікаціях під послідовним інтерфейсом розуміють процес передачі даних по одному біту за один проміжок часу, послідовно один за одним по одному комунікаційному каналу або комп'ютерній шині. На відміну від паралельної передачі даних, при якій декілька біт пересилаються одночасно по лінії зв'язку з декількох паралельних каналів. Послідовна передача завжди використовується при зв'язку на далекі відстані і у більшості комп'ютерних мереж, оскільки вартість кабелю і труднощі синхронізації роблять паралельну передачу даних не ефективною. Найбільш поширені в промисловій автоматизації послідовні інтерфейси RS - 485, RS - 232, Ethernet, CAN, HART. Обмежений круг завдань, пов'язаних з високою швидкістю доступу до даних, можливістю синхронізації і постійною готовністю до обміну даними, вимагає застосування паралельних інтерфейсів. Такого роду завдання необхідно вирішувати тільки при взаємодії окремих елементів одного і того ж функціонального модуля. Отже, застосування паралельного формату обмежене внутрішніми приладовими інтерфейсами з особливими вимогами до алгоритмів обміну даними.

2. Протоколи обміну даними.

Для обміну інформацією взаємодіючі пристрої повинні мати однаковий протокол обміну (набір правил, які управляють обміном інформацією). Протокол може бути реалізований апаратно, програмно або програмно-апаратно.

У 1978 році Міжнародною організацією по стандартизації (ISO) на противагу закритим мережевим системам і з метою вирішення проблеми взаємодії відкритих систем з різними видами обчислювального устаткування і стандартами протоколів, що розрізняються, була запропонована «Описова модель взаємозв'язку відкритих систем» (OSI -модель, ISO/OSI Model). Модель ISO/OSI розподіляє мережеві функції по семи рівнях.

На фізичному рівні визначаються фізичні характеристики каналу зв'язку і параметри сигналів, наприклад, вид кодування, частота передачі, довжина і тип лінії, тип штекерного роз'єму і так далі. Найбільш широко поширений fieldbus стандарт 1 рівня - це інтерфейс RS - 485.

Канальний рівень визначає правила спільного використання фізичного рівня вузлами мережі. Мережевий рівень відповідає за адресацію і доставку пакету по оптимальному маршруту. Транспортний рівень розбирається з вмістом пакетів, проводить ділення і зборку пакетів.

Сеансовий рівень координує взаємодію між вузлами мережі.

Рівень представлення займається при необхідності перетворенням форматів даних.

Прикладний рівень забезпечує безпосередню підтримку прикладних процесів і програм кінцевого користувача і управління взаємодією цих програм з різними об'єктами мережі передачі даних.

Усе, що знаходиться вище за 7-й рівень моделі, це завдання, що вирішуються в прикладних програмах.

На практиці більшість промислових мереж (fieldbus) обмежуються тільки трьома рівнями, а саме фізичним, канальним і прикладним. Деякі мережі вирішують основну частину завдань апаратно, залишаючи програмний прошарок тільки на сьомому рівні.

Дешеві мережі (наприклад, ModBus) часто використовують на фізичному рівні RS - 232 або RS - 485, а усі інші завдання, починаючи з канального рівня, вирішують програмним шляхом. Як виняток існують протоколи промислових мереж, що реалізують усі сім рівнів OSI -моделей, наприклад LonWorks.