Приложение. Обзор промышленных сетей

С начала восьмидесятых годов идеи децентрализованного управления стали воплощаться в АСУ ТП. Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, называются «промышленными сетями» (FieldBus).

Совместимая технология Fieldbus и ее преимущества

Совместимая технология Fieldbus (полевая шина) включает три основных компонента:

1) физический интерфейс;

2) коммуникационный «стек»;

3) уровень пользователя.

Применение технологии Fieldbus дает значительные преимущества на всех стадиях жизненного цикла системы, включая планирование, установку, функционирование и техническое обслуживание. Эти преимущества подтверждены при натурных испытаниях автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Концепция интеллектуализации устройств полевого уровня является закономерным результатом исторического развития основных тенденций АСУ ТП.

1. В течение длительного начального периода (70-80 гг.) развития АСУ ТП единственно возможным был централизованный принцип построения (рис. 1).

Рис. 1. Централизованный принцип построения АСУ ТП

Основными недостатками этой концепции являются следующие:

– огромные объёмы потоков информации, отсюда – требование высокой производительности центральной вычислительной машины;

– для территориально распределённых типов АСУ ТП, большая длина коммуникационных магистралей;

– низкая надёжность АСУ ТП, определяющаяся надёжностью единственной централизованной ЭЦВМ;

– информационный режим работы АСУ ТП, поскольку ЭЦВМ не в состоянии выполнять ещё и управляющие функции вследствие большой протяжённости коммуникационных магистралей. Для выполнения задач управления используются отдельные локальные регуляторы, часто - аналоговые.

2. На втором этапе развития основой АСУ ТП служили распределенные вычислительные системы с использованием локальных вычислительных сетей (рис. 2).

Рис. 2. АСУ ТП с использованием локальных вычислительных сетей

Исполнительные и измерительные периферийные устройства подключались к коммуникационной магистрали через локальные контроллеры. При использовании такой конфигурации АСУ ТП повысилась их надёжность, они стали открытыми и наращиваемыми в рамках установленного конструктивного исполнения.

3. АСУ ТП с распределёнными по периферийным устройствам вычислительными ресурсами. Такие интеллектуальные устройства нижнего уровня объединяются в распределенную полевую сеть. Само технологическое оборудование выполняется в соответствии с концепцией открытых систем. При этом включение в систему или исключение из системы внешних устройств не изменяют её конфигурацию. Применительно к объединению в сеть интеллектуальных устройств нижнего уровня, это и есть концепция Fieldbus – концепция цифровых сетей нижнего уровня.

Основные достоинства таких сетей следующие:

– низкая стоимость сети;

– детерминированные во времени операции в сети, т.к. они выполняются по заданному конфигурацией системы фиксированному временному графику;

– по линиям Fieldbus подаётся и электропитание устройств;

– как для целей передачи информации, так и для электропитания используется одна витая пара;

– сеть эксплуатируется в сложных условиях и даже при большом уровне помех обеспечивает высокую надёжность передачи;

Рис. 3 АСУ ТП с использованием сетей полевого уровня

– сеть Fieldbus допускает параллельное подключение множества устройств;

– устройства могут взаимодействовать между собой по сети, разгружая ЭВМ и сеть верхнего уровня;

– конфигурация системы упрощается, а стоимость АСУ ТП уменьшается на 30-40%.

Информация в системе, построенной по технологии Fieldbus, передается следующим образом:

– назначается ведущее устройство (link master, host);

– выбираются ведомые устройства (slave).

Ведущие устройства управляют потоком цифровой информации на шине Fieldbus, разрешая каждому устройству передавать информацию согласно временному расписанию, которое задается при конфигурировании системы. Цифровой способ связи позволяет передавать многомерные сигналы, что открывает путь к созданию сложных многокомпонентных систем, все устройства которых обмениваются информацией по одной магистрали.

Классификация промышленных сетей⁴⁹

«Закрытые системы» (closed/proprietary systems) работают по уникальным протоколам связи, их делает и поддерживает только один производитель.

«Открытые системы» (open systems) решают проблему интеграции разных производителей в одну сеть, отвечая специфическим интересам всех.

Основные сетевые топологии

Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого объединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основным критериям:

– режим доступа к сети;

– средства контроля передачи и восстановления данных;

– возможность изменения числа узлов сети.

Основные топологии — это «звезда», «кольцо» и «шина».

Таблица 1

Сравнительные характеристики основных топологий

Сравнительные характеристики	Звезда	Кольцо	Шина
Режим доступа	Доступ и управление через центральный узел	Децентрализованное управление. Доступ от узла к узлу	Возможен централизованный и децентрализованный доступ
Надежность	Сбой центрального узла — сбой всей системы	Разрыв линии связи приводит к сбою всей сети	Ошибка одного узла не приводит к сбою всей сети

Передача данных

Основными достоинствами промышленных сетей являются недорогие линии и надежность передачи данных. Данные передаются последовательно, как правило, по одному физическому каналу (одному проводнику). Такой режим передачи не только экономит кабельное оборудование, но и позволяет решать задачи по надежной передаче данных на большие расстояния.

Таблица 2

Сравнительные характеристики стандартных физических интерфейсов

Сравнительные характеристики	RS-232	RS-422	RS-485
Макс. число приемников передатчиков на линии	1/1	1/10	32/32
Макс. длина линии (без повторителей)	15 м	1220 м	1220 м
Макс. скорость передачи	38,4 кбод	90 кбод	90-500 кбод

Методы доступа к шине

Существуют два метода упорядоченного доступа: централизованный и децентрализованный.

В случае централизованного контроля за доступом к шине выделяется узел с правами Мастера. Он назначает и отслеживает порядок и время доступа к шине для всех других участников. При непредвиденном отказе Мастера циклы обмена по шине останавливаются.

Именно по этой причине децентрализованный контроль с переходящими функциями мастера от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее внимание и развитие. Здесь права мастера назначаются группе устройств сети. Во всем мире широко приняты и используются следующие модели децентрализованного доступа:

– модель CSMA/CD (например, Ethernet) как стандарт IEEE 802-3 (случайный метод доступа к шине);

– модель с передачей маркера как стандарт IEEE 802.4 (Token Passing Model).

Обобщенные данные промышленных сетей приведены в таблице 3.

Таблица 3

Промышленные сети. Таблица обобщенных данных

Протокол	Страна	Стандарт	Среда передачи	Число узлов	Скорость передачи данных, кбод	Длина линий	Топология сети	Принцип доступа к сети	Год рождения	Узлов на сер. 1995 г (тыс.)
BITBUS	США	IEEE 1118	витая пара, радиоканал, оптопара	28 синхр.; 250 самост.	500-1400 (синхр.), 64-375 (самосинхр.)	30м (синхр.); до 1200 м (самосинхр.)	шина	MASTER/ SLAVE	1984	Более 2500
ASI	США	*	витая пара ASI-кабель	до 32	до 167	до 1000 м	линия; звезда; дерево; кольцо	MASTER/ SLAVE	1989	10
HART	США	Bell202 FSK	витая пара, выделенный тел. канал	до 15 (multidrop)	1200	до 3 км	звезда	MASTER/ SLAVE	1986	600
LonWorks	США	*	витая пара, коаксиал, оптокабель, радиоканал	до 127	4,88-1250	до 2 км	произвольн. топология	произвольн. доступ (CSMA/CD)	1987	1000
CANBUS	Германия	ISO 11898, ISO 11519	витая пара	до 30	50-1000	до 1 км — 20 кбод; до 40 м — 1 Мбод	шина	произвольн. доступ по приорит. (CSMA/ CM)	1988	4000

Продолжение таблицы 3

WorldFIP	Франция	UTE46	витая пара, оптокабель	до 256	31,25; 1000; 2500; 5000	до 2 км	шина	MASTER/ SLAVE/ TOKEN	1985	30
MODBUS	США	PI-MBUS-300	не специф.	1 master, до 247 slaves	0,6-19,2	15 м — RS232C ; 1200 м — RS422; 1000 м — т. петля	звезда; шина	MASTER/ SLAVE/ TOKEN	1985	*
PROFIBUS	Германия	DIN 19245 ч. 1, 2, 3, 4	витая пара, оптокабель	до 126	500-1500 (FMS); 1500-12000 (DP); 31 (РА)	1200 м; 4800 м с повт.; до 23 км оптокабель	звезда; шина	MASTER/ SLAVE/ TOKEN	1986	350
* — нет доступа