Открытые протоколы промышленных сетей

Сегодня на рынке промышленных сетей существует несколько десятков открытых протоколов – HART, Foundation Fieldbus, Profibus, Interbus, CAN, LON, As-i, ControlNet и др. Так как не существует одной совер­шенной технологии, всегда будет несколько возможных решений. Коммуникационные стандарты для промышленных предприятий не могут быть созданы по принципу «один подходит всем». Каждый из них – это лишь инструмент, который имеет свои области применения.

Сравнение технологий неизбежны, особенно когда вы пытаетесь выбрать подходящее для вашего произ­водства решение. Классификация протоколов позволит вам сделать правильный выбор. В зависимости от об­ласти использования весь спектр промышленных сетей можно разделить на три уровня.

Стандартная сеть Foundation Fieldbus. Сеть образована ассоциацией Fieldbus Foundation. Эта ассоциация опубликовала и поддерживает стандарт сети и производит сертификацию устройств на соответствие стандарту. В неё входят порядка 90% производителей средств и услуг в области ав­томатизации. Сейчас эта сеть включена в международный стандарт IEC 61158, принятый в 1999 г. и по многим далее перечисленным её свойствам может считаться наиболее перспективной стандартной полевой сетью.

Сеть обеспечивает связь контроллеров с выносными блоками ввода-вывода и с интеллектуальными приборами при учете специфики работы приборов во взрывоопасной среде. По сети передается питание от контроллера к приборам, подключенным к сети.

Для более полного и рационального использования всё возрастающей мощности микропроцессоров, встраиваемых в интеллектуальные приборы, применительно к сети Foundation Fieldbus, разработана специальная идеология Fieldbus Foundation, которая ставит своей целью перенос типовых алгоритмов переработки измерительной информации (фильтрации, масштабирования, линеаризации и т. п.), регулирования (стабилизации, слежения, каскадного управления и т. п.), логического управления (пуска, останова, блокировки группы механизмов и т. п.) на самый нижний уровень управления: уровень интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. В соответствии с этой идеологией в стандарт Foundation Fieldbus внесены специальные правила работы и обмена информацией между интеллектуальными приборами в сети при учёте, что каждый прибор в сети, кроме обычных функций аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразований может реализовывать типовые функции контроля и управления.

Базовый вариант сети – Foundation Fieldbus HI (FF HI); он реализует безопасную работу приборов во взрывоопасной среде. Кроме него суще­ствует вариант Foundation Fieldbus H2 (FF H2), близкий по характеристикам к варианту FF HI, в котором специфика работы приборов во взрывоопасной среде не учитывается.

Основные характеристики сети FF HI: топология сети – шина или дерево; физически передача данных в сети осуществляется через порт RS-485 и экранированную витую пару; длина линии передачи – 1,9 км; скорость передачи данных – 31,25 Кбита/с; число подключаемых к сети устройств до 32; протокол сети использует три уровня по модели OSI: первый (физический уровень), второй (канальный уровень) и седьмой (прикладной уровень), а также добавочный пользовательский уровень, на котором фиксируется ряд важных функций и правил (см. далее); метод доступа к сети –маркер; управление сетью может быть распределено между несколькими активными планировщиками связей, которые могут резервировать друг друга; периодический цикл передачи информации с учетом отработки в приборах контуров управления составляет 50 мс; аналогично HART протоколу здесь используется понятие "статус", которое каждый цикл может передаваться каждым прибором по сети вместе с его данными.

Как указано ранее, в стандарт FF HI введен пользовательский уровень. Он определяет связи, с помощью которых оператор может взаимодейст­вовать с приборами либо через, так называемую, серию блоков, либо через описатели приборов.

Через серию блоков пользователь может определять работу приборов по вводу и выводу сигналов, по их преобразованию, по реализации функций контроля и управления. Функциональные блоки могут при их соответствующем соединении друг с другом реализовывать простейшие цепи управления как в отдельном приборе, так и распределено через сеть в нескольких приборах.

Стандартная сеть PROFIBUS. Данная сеть (международный стандарт IEC 61158, принят в 1999 г.) получает всё более широкое распространение среди европейских производителей средств автоматизации. Специальная организация пользователей сетей PROFIBUS PUO (Profibus User Organization) проводит сертификацию устройств на соответствие утвержденному стандарту PROFIBUS.

На полевом уровне сеть поддерживает два вида протоколов: протокол Profibus DP для быстрой коммуникации контроллеров с удаленными блоками ввода-вывода и с интеллектуальными приборами; протокол Profibus PA, который используется для тех же целей во взрывоопасных средах. Последний имеет иную физическую реализацию: безопасное низковольтное исполнение. По сети может передаваться питание от контроллера к приборам, подключенным к сети.

Основные характеристики сети PROFIBUS: физически передача данных в сети осуществляется через порт RS-485 и экранированную витую пару, либо через оптоволоконный кабель; сеть обеспечивает любые виды соединений (шина, дерево, звезда, кольцо); метод доступа к сети – ве­дущий/ведомый; в сети возможно наличие нескольких ведущих устройств, общающихся между собою с помощью маркера; по модели OSI протокол сети использует первый (физический), второй (канальный), седьмой (прикладной) уровни; общее число устройств на сети до 126, из которых 32 узла могут быть ведущими; скорость передачи данных на витой паре варьируется от 9,6 Кбит/с до 1,5 Мбита/с (при протоколе Profibus PA скорость передачи данных на витой паре до 31 Кбит/с); длина сети на витой паре до 1,2 км или до 4,8 км с повторителями, на оптоволокне – до 23 км.

Передаваемые устройствами диагностические сообщения имеют три уровня иерархии: диагностика всего устройства (например, упало напряжение питания), диагностика модуля устройства (например, отказал восьмиканальный цифровой модуль выходных сигналов), диагностика канала (например, в канале А модуля Б не проходит сигнал). В сети реализована коррекция ошибок: в любой посылке данных три ошибочных бита будут обнаружены, а один ошибочный бит может быть восстановлен.