Цифровые промышленные сети

Промышленная сеть – среда передачи данных. Включает набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих связать воедино технологическое оборудование и обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы управления.

За рубежом коммуникационная технология построения единой информационной сети, объединяющей интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы, определяется одним термином fieldbus (дословно полевая шина или промышленная сеть).

Fieldbus – это не какой-то определенный протокол передачи данных и не тип сетевой архитектуры, этот термин не принадлежит ни одной отдельно взятой компании и обозначает скорее сферу применения, чем какую-либо конкретную сетевую технологию.

Fieldbus – это, во-первых, некий физический способ объединения устройств и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия.

Промышленные сети применяются на уровне устройств, обслуживающих реальный процесс производства и переработки материалов. Выход в системы представления (визуализации) данных, коммерческие и административные системы организуется, как правило, через стандартные офисные сети типа Ethernet через протокол TCP/IP.

С помощью промышленных сетей решаются следующие задачи:

1. автоматизация на общезаводском уровне;

2. автоматизация на уровне управления конкретными технологическими процессами.

Для решения первой задачи необходимо иметь высокую скорость передачи, короткое время реакции на события, длину сегмента линии до 300 м. Обычно на этом уровне требования по взрывозащищенности не является обязательными.

Вторая задача требует следующие качества: среднее время цикла опроса датчиков (до 100 мс), длина сегмента линии связи до 1,5 км и более, необходима реализация механизмов внутренней и внешней защиты.

К сети предъявляется множество разнообразных, зачастую противоречивых, требований. Некоторые основные требования, предъявляемые к «идеальной» промышленной сети приведены ниже:

1. Производительность.

2. Предсказуемость времени доставки информации.

3. Помехоустойчивость.

4. Доступность и простота организации физического канала передачи данных.

5. Максимальный сервис для приложений верхнего уровня.

6. Минимальная стоимость устройств аппаратной реализации, особенно на уровне контроллеров.

7. Возможность получения «распределенного интеллекта», путем предоставления максимального доступа к каналу нескольким ведущим узлам.

8. Управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций.

Как видно, в получившемся списке первое требование противоречит второму, третье – четвертому и так далее. Подобные противоречия приходится обходить постоянно и на всех уровнях проектирования, начиная с того, какой формат пакета передачи данных выбрать: тот, который позволит осуществлять расширенное управление сетью и удаленную загрузку, или тот, который обеспечит максимально быструю работу с большим числом дискретных сигналов.

Различают следующие типы сетей:

- локальные сети (LAN – Local Area Networks) – расположены на ограниченной территории;

- городские сети (MAN – Metropolitan Area Networks) – предназначены для обслуживания территории крупных городов. Эти сети связывают локальные сети в масштабах города и обеспечивают их выход в глобальные сети;

- глобальные сети (WAN – Wide Area Networks) – объединяют территориально удаленных пользователей на большой территории.

Промышленные сети можно отнести к типу LAN, но им присущи существенные отличия от LAN-сети, применяемой в офисных приложениях. Поскольку Fieldbus – это сеть для промышленного применения, то она должна отвечать специфическому набору требований:

- жесткая детерминированность (предсказуемость) поведения;

- обеспечение функций реального времени;

- работа на длинных линиях с использованием недорогих физических сред;

- повышенная надежность физического и канального уровней передачи данных для работы в промышленной среде (например, при больших электромагнитных помехах);

- наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов.

Основное здесь – детерминированность поведения, предполагающая, что все возможные события в сети могут быть заранее четко определены, и повышенная надежность передачи данных.

Системы, работающие по уникальным протоколам связи, получили название «закрытых систем». Уникальные системы производятся и поддерживаются одной компанией. Большинство таких систем зародилось в те времена, когда проблемы интеграции изделий от разных производителей не считались актуальными.

Успешно интегрировать в единую систему изделия от различных производителей, позволяет использование принципов открытых систем.

Открытые промышленные сети – сети, на которые распространяются международные стандарты промышленных сетей.

Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим критериям:

- наличием полных опубликованных спецификаций;

- наличием доступных компонентов от ряда независимых поставщиков;

- организацией хорошо определенного процесса ратификации возможных дополнений к стандартам и спецификациям.

То есть, каждый желающий имеет возможность использовать то, что уже наработано, или выполнять собственные разработки, в том числе и такие, которые могут использоваться другими.

Таким образом, fieldbus-технология относится к открытым системам если она обладает следующими возможностями:

- свободным физическим включением в общую сеть устройств от различных производителей, (включаемость, interconnectivity);

- построение работоспособной сети на основе включения компонентов от различных поставщиков (взаимодействие, interoperability);

- замена компонентов аналогичными устройствами от других производителей (взаимозаменяемость, interchangeability).

Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев:

- объем передаваемых полезных данных;

- время передачи фиксированного объема данных;

- удовлетворение требованиям задач реального времени;

- максимальная длина шины;

- допустимое число узлов на шине;

- помехозащищенность;

- денежные затраты в расчете на узел.

При выборе протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности, т.к. улучшение одного параметра часто приводит к снижению качества другого.

Промышленные сети, в зависимости от области применения подразделяются на два уровня:

1) контроллерные сети (Field level) – промышленные сети этого уровня используются для управления процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;

2) сенсорные сети (Sensor/actuator level) или сети низовой автоматики – применяются для опроса датчиков и управления работой исполнительных устройств.

Сравнение двух классов сетей в самом общем виде приведено в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Сравнительные характеристики сетей типов Fieldbus и Sensor bus

Типичные представители промышленных сетей контроллерного уровня:

- PROFIBUS (Process Field Bus);

- BITBUS;

- ControlNet.

Типичные сети низовой автоматики:

- HART;

- Modbus;

- ASI (Actuator/Sensor Interface)

- Interbus-S;

- DeviceNet.

Промышленная сеть организует физическую и логическую связь датчиков с ПЛК или промышленными компьютерами таким образом, чтобы информация с этого уровня была доступна общезаводской информационной системе. На рис.2.1 показан пример многоуровневой сети, на базе PROFIBUS.

Рис. 2.1. Структура АСУ ТП на базе PROFIBUS