Промышленные сети
Введение
С начала восьмидесятых годов идеи децентрализованного управления стали воплощаться в АСУ ТП. Однако, если административный уровень системы управления производством сегодня представлен целым рядом протоколов, то для более низких уровней (field level) стандартной информационной системы не существует. В данный момент эта область развивается усилиями отдельных компаний.
Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, называются «промышленными сетями» (FieldBus). Ниже приведен краткий обзор данных сетей.
Краткий обзор промышленных сетей
«Закрытые» и «открытые» системы связи
«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».
Табл. 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 |
| Расширяемость | Ограничено числом физических портов на центральном узле | Возможно расширение числа узлов, но время ответа снижается | Возможно расширение числа узлов, но время ответа снижается |
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.
Табл. 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 |
Кроме типа физического интерфейса при построении промышленной сети не менее важно учитывать особенности и ограничения физической среды передачи данных (см. табл. 3).
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).
Для совместной работы сетей типа CSMA/CD и Token Model необходим так называемый межсетевой шлюз.
Табл. 3. Сравнительные характеристики различных сред передачи данных
| Характеристики | Витая пара | Радиоканал | Коаксиальный кабель | Оптоволокно |
| Типовой диапазон | 1 — 1000 | 50 — 10000 | 10 — 10000 | 10 — 10000 |
| Типовая скорость передачи | 0,3 — 2000 | 1,2 — 9,6 | 300 — 10000 | 1 — 100000 |
| Относительная цена узла | $10 — $30 | $50 — $100 | $30 — $50 | $75 — $200 |
| Затраты на установку | Низкие | — | Средние | Средние-высокие |
Области применения
В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня:
· Field level (промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров);
· Sensor/actuator level (задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механизмов).
Другими словами, необходимо различать промышленные сети для системного уровня (field busses) и датчикового уровня (sensor/actuator busses). Сравнение этих двух классов см. в табл. 4.
Табл. 4. Сравнительные критерии промышленных сетей типов Fieldbus и Sensorbus
| Основные критерии | Fieldbus | Sensorbus |
| Расширение сети | от 100 м до 1 км | до 100 м |
| Время цикла | от 10 мс до 10с | от 1 мс до 1 с |
| Объем передаваемых данных за цикл | от 8 байт до нескольких сотен байт | от 1 до 8 байт |
| Доступ к шине | фиксированный/свободный | свободный |
| Цена среды передачи | низкая | очень низкая |
| Цена подсоединения одного узла | 300 — 1500 DM | 30 — 200 DM |
Типичные открытые промышленные сети:
· PROFIBUS (Process Field Bus)
· BITBUS
Типичные открытые сенсорные (датчиковые) сети:
· ASI (Actuator/Sensor Interface)
· Interbus-S
· PROFIBUS-DP (Profibus for Distributed Periphery)
· SERCOS interface
Типичные открытые сети для обоих уровней применения:
· CAN (Controller Area Network)
· FIP (Factory Instrumentation Protocol)
· LON (Local Operating Network
Табл. 5. 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 | Более 2500 | |
| ASI | США | * | витая пара ASI-кабель | до 32 | до 167 | до 1000 м | линия; звезда; дерево; кольцо | MASTER/ SLAVE | ||
| HART | США | Bell202 FSK | витая пара, выделенный тел. канал | до 15 (multidrop) | до 3 км | звезда | MASTER/ SLAVE | |||
| LonWorks | США | * | витая пара, коаксиал, оптокабель, радиоканал | до 127 | 4,88-1250 | до 2 км | произвольн. топология | произвольн. доступ (CSMA/CD) | ||
| 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) | ||
| WorldFIP | Франция | UTE46 | витая пара, оптокабель | до 256 | 31,25; 1000; 2500; 5000 | до 2 км | шина | MASTER/ SLAVE/ TOKEN | ||
| MODBUS | США | PI-MBUS-300 | не специф. | 1 master, до 247slaves | 0,6-19,2 | 15 м — RS232C; 1200 м — RS422; 1000 м — т. петля | звезда; шина | MASTER/ SLAVE/ TOKEN | * | |
| 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 | ||
| * — нет доступа |
Промышленная сеть BITBUS
Историческая справка
1983 г. — первая публикация с описанием протокола BITBUS фирмы INTEL.
1985 г. — на рынок поступили первые микроконтроллеры семейства RUPI-44 (i8044, i8344, i8744) со встроенной поддержкой интерфейса BITBUS, имеющие систему команд популярной серии MCS-51. Одновременно появились первые модули ввода-вывода (RCB-44) для распределенных систем управления и адаптеры для микроЭВМ.
1986 г. — начало широкого применения протокола BITBUS в системах автоматизации в Европе.
1989 г. — учрежден специальный комитет в рамках IEEE для подготовки стандарта на основе BITBUS.
1991 г. — опубликован стандарт по сетям уровня «fieldbus», получивший номер IЕЕЕ 1118, который базируется на существующем де-факто стандарте BITBUS фирмы INTEL.
1992 г. — была основана международная организация BITBUS European Users Group (BEUG) с постоянно действующим секретариатом в городе Баден-Баден (Германия).