Тема 2.6. Коммуникационные возможности контроллеров

К параметрам контроллеров, характеризующим их способность взаимодействовать с другими устройствами системы управления, относятся:

- количество и разнообразие портов в процессорных модулях;

- широта набора интерфейсных модулей и интерфейсных процессоров;

- поддерживаемые протоколы;

- скорость обмена данными и протяженность каналов связи.

На рис. 2.6 представлена сетевая архитектура многоуровневой системы управления.

Устройства верхнего уровня (компьютеры, концентраторы) на своем уровне обмениваются большими объемами информации. Эта информация защищена механизмами подтверждений и повторов на уровне протоколов взаимодействия. Пересылаемый массив данных может быть доступен не только центральному устройству, но и другим узлам сети этого уровня. Это означает, что сеть является равноправной (одноранговой), т. е. определяется моделью взаимодействия peer-to-peer (равный с равным). Время доставки информации не является доминирующим требованием к этой сети (речь идет о жестком реальном времени).

Сети, обеспечивающие информационный обмен на этом уровне, называют информационными сетями. Наиболее ярким представителем сетей этого уровня является Ethernet с протоколом TCP/IP.

Рис. 2.6. Сетевая архитектура АСУТП

Сети, обеспечивающие информационные обмен между контроллерами, датчиками и исполнительными устройствами, часто объединяются под общим названием - промышленные сети.

Их можно разделить на два уровня:

- управляющие промышленные сети, решающие задачи сбора и обработки данных на уровне промышленных контроллеров, управления технологическим процессом;

- полевые сети или шины, задачи которых сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных устройств.

Для обеспечения безошибочности и максимального удобства передачи информации сетевые операции регулируются набором правил и соглашений, называемых сетевым протоколом. Сетевой протокол определяет типы разъемов, кабелей, сигналы, форматы данных и способы проверки ошибок, а также алгоритмы для сетевых интерфейсов и узлов, предполагая стандартными в пределах сети принципы подготовки сообщений и их передачи.

На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов промышленных сетей (управляющие и полевые) довольно широк.

CAN, FIP, Profibus, ControlNet, DH+, Modbus, Modbus plus, Genius, DirectNet, DeviceNet, Interbus, SDS, ASI, HART, FF и еще несколько десятков протоколов присутствуют сегодня на рынке промышленных сетей. Каждая из сетей имеет свои особенности и области применения.

Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Для работы со своими устройствами его используют десятки фирм. Протокол привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса (RS-232C, RS-422, RS-485 или же токовая петля 20 мА).

Протокол работает по принципу Master/Slave (ведущий-ведомый). Конфигурация на основе этого протокола предполагает наличие одного Master-узла и до 247 Slave-узлов. Только Master инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов:

- запрос/ответ (адресуется только один из Slave-узлов);

- широковещательная передача (Master через выставление адреса 0 обращается ко всем остальным узлам сети одновременно).

На рис. 2.7 приведен пример взаимодействия контроллеров SCADAPack/Slaves через интерфейс RS-485, используя стандартный протокол обмена Modbus. Для связи контроллеров SCADAPack с рабочей станцией через сеть Ethernet использован модуль/шлюз Ethernet 5905.

Рис. 2.7. Взаимодействие контроллеров по протоколу Modbus

CANbus (Control Area Network) - это последовательная шина с децентрализованным доступом. Возможные коллизии, связанные с одновременным запросом шины, разрешаются на основе приоритетности передаваемых сообщений. В CANbus каждый блок данных содержит дополнительный 11-битовый идентификатор, который и является приоритетом данного сообщения. Право на работу с шиной получит тот узел, который передает сообщение с наивысшим приоритетом.

Протокол CANbus закрывает 1-ый и 2-ой уровни модели OSI. По своим характеристикам он удовлетворяет не только требованиям задач реального времени, но и реализует высокую степень обнаружения и исправления ошибок. В каждом сообщении может быть передано до 8 бит данных. Большие блоки можно передавать за счет использования принципа сегментации.

Протокол BITBUS разработан фирмой INTEL в 1984 году для построения распределенных систем, в которых требовалось обеспечить высокую скорость передачи, детерминизм и надежность. Физический интерфейс основан на RS-485. Информационный обмен организован по принципу "запрос - ответ" (Master /Slave).

Протокол BITBUS определяет два режима передачи данных по шине:

q Синхронный режим используется при необходимости работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях. В этом режиме к шине можно подключить до 28 узлов, но длина шины ограничиваться 30 м. Скорость может быть от 500 Кбод до 2,4 Мбод. Синхронный режим передачи предполагает использование двух пар проводов (одной пары - для данных, другой - для синхронизации).

q Использование режима с самосинхронизацией позволяет значительно удлинить шину. Стандартом определены две скорости передачи: 375 Кбод (до 300м) и 62,5 Кбод (до 1200м). Используя повторители, можно объединять последовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на сегмент). Тогда общее число узлов можно довести до 250, а длину общей шины - до нескольких километров. При этом режиме передачи также используются две пары проводников (одна для данных, другая для управления повторителем).

Протокол FIP (Factory Information Protocol) обеспечивает высокие скорости передачи и строго определенные интервалы обновления данных. Протокол имеет гибридный централизованный/децентрализованный контроль за шиной, основанный на принципе широкого вещания. Использование режима широкого вещания избавляет от необходимости присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса.

Каждый узел на шине полностью автономен. Все узлы имеют возможность получать предназначенные для них данные. Контроль осуществляется со стороны центрального узла сети, называемого арбитром.

FIP протокол поддерживает уровни 1, 2 и 7 модели OSI. В качестве среды передачи используются витая пара или оптоволокно. Максимальная протяженность сети - 1000м без повторителей (до 15 км с оптическими повторителями) при скорости обмена 1 Мбит/с. Сеть поддерживает до 128 устройств.

Контроллеры семейства Premium (Schneider Electric) используют разновидность сети FIP (FIPIO) для организации удаленного ввода/вывода. По этой сети к центральному процессору (через встроенный порт) могут быть подключены (рис. 2.8):

- удаленный ввод/вывод контроллеров Momentum;

- панель управления оператора CCX 17;

- персональные компьютеры и другие устройства.

Рис. 2.8. Контроллеры Momentum в сети FIPIO

Протокол PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) разработан в Германии. Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели. В PROFIBUS используется гибридный метод доступа Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть Master-узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания. В среде Master-узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/записи на шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя. Рабочая скорость передачи может быть выбрана в диапазоне 9,6-12 000 Кбит/с.

При построении многоуровневых систем автоматизации часто возникают задачи организации информационного обмена между уровнями. В одном случае необходим обмен комплексными сообщениями на средних скоростях. В другом - быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена (уровень датчиков). В третьем требуется работа в опасных участках производства (нефтегазовые технологии, химическое производство). Для всех этих случаев PROFIBUS имеет решение. Под общим названием понимается совокупность трех отдельных протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.

Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Здесь требуется высокая степень функциональности, и этот критерий важнее критерия скорости. Основное его назначение - передача больших объемов данных.

В задачах управления, требующих реального времени, на первое место выдвигается такой параметр, как продолжительность цикла шины. Реализация протокола PROFIBUS-DP дает увеличение производительности шины (например, для передачи 512 бит данных, распределенных по 32 станциям, требуется всего 6 мс).

Протокол PROFIBUS-PA - это расширение DP-протокола в части технологии передачи, основанной не на RS-485, а на реализации стандарта IEC1158-2 для организации передачи во взрывоопасных средах. Он может использоваться в качестве замены старой аналоговой технологии 4-20мА. Для коммутации устройств нужна всего одна витая пара, которая может одновременно использоваться и для информационного обмена, и для подвода питания к устройствам полевого уровня.

Протокол PROFIBUS-DP поддерживается устройствами разных производителей. Для контроллеров компании Siemens этот протокол является основным (рис.2.9). Некоторые контроллеры семейств S7-300 и S7-400имеют встроенный порт PROFIBUS-DP, другие взаимодействуют с сетью посредством коммуникационных процессоров.

Рис. 2.9. Контроллеры Simatic S7 в сети Profibus-DP

Сеть DH+ (Allen-Bradley) поддерживает передачу данных и удаленное программирование контроллеров в дополнение к одноранговой связи между другими процессорами и устройствами (рис.2.10).

Рис.2.10. Контроллеры Allen-Bradley в сети DH+

Магистральная линия сети DH+ может иметь протяженность до 3048м, ответвления – до 30м. К одной сети DH+ можно подключить до 64 устройств. Скорость передачи данных зависит от длины шины и может настраиваться от 57.6 Кбод (3048м) до 230.4 Кбод (750м).

Характеристика одноранговой связи:

- отсутствие “мастера”;

- минимальный сетевой трафик;

- любой контроллер инициализирует связь с любым сетевым узлом;

- простота наращивания контроллеров в сети.

Сеть Genius фирмы GE Fanuc предназначена для объединения в законченную систему контроллеров GE Fanuc серий 90-70 и 90-30, удаленной периферии Genius и Field Control (рис. 2.11). Взаимодействие различных устройств с сетью Genius осуществляется посредством контроллеров шины Genius (GBC), интерфейсных модулей (GCM), блоков интерфейса с шиной Genius (BUI).Физически устройства объединяются в сеть экранированной витой парой. Сеть имеет топологию "шина", к которой может быть подключено до 32 устройств. Максимальная длина шины составляет 2,3 км при скорости обмена 38,4 Кбод. Максимальная скорость передачи данных 153,6 Кбод достигается при длине линии до 600 м.

Рис. 2.11. Контроллеры фирмы GE Fanuc в сети Genius

Сеть Genius поддерживает передачу как глобальных данных (Global Data) так и дейтаграмм (при каждом акте сканирования).

Для обмена данными по Global Data каждому входящему в состав сети контроллеру выделяется участок адресного пространства. В этот участок он передает данные, указанные при конфигурировании его контроллера шины. Передача данных осуществляется без указания контроллера, который должен их получить. Этот участок доступен всем подключенным к шине PLC только для чтения. Таким образом, для всей сети создается единый набор данных, используемый для обмена. Один контроллер шины обеспечивает прием/передачу до 128 байт данных от каждого из узлов.

Дейтаграмма (Datagram) представляет собой направленную посылку данных от одного контроллера к другому. Прием/передача дейтаграмм происходит под управлением программы пользователя. Момент отправки дейтаграммы может быть задан с требуемой периодичностью или по наступлению какого-либо события.

В последние годы проявилась тенденция применения в системах управления технологий сквозного сетевого доступа: от мощных супервизорных компьютеров и многофункциональных контроллеров до интеллектуальных полевых устройств (датчики, исполнительные устройства и т. п.). При этом такая связь должна удовлетворять всем современным требованиям по функциональности, надежности и открытости. Рассмотренные выше сети и протоколы не предназначены для непосредственного взаимодействия с устройствами полевого уровня.

Полевые шины (шины уровня датчиков и исполнительных устройств) должны удовлетворять двум требованиям. Во-первых, необходимо передавать данные в соответствии с жестким временным регламентом. Во-вторых, объем данных должен быть минимальным, чтобы обеспечить работоспособность сети в критические по нагрузкам моменты. Сеть уровня датчиков обеспечивает непосредственный интерфейс между реальным технологическим процессом и промышленными контроллерами.

Передаваемую в такой сети информацию можно разделить на два основных типа: данные о процессе и параметрические данные. Оба типа данных принципиально различны и предъявляют к коммуникационной системе разные требования.

Данные о процессе (изменение состояния кранов, переключателей, управляющих сигналов и т. п.) не являются сложными и, как правило, определяются несколькими информационными битами. Объем такой информации имеет четкую тенденцию к сокращению. Совсем недавно эти данные для одного простого устройства занимали 8-16 бит. Но уже сейчас развитие технологии привело к тому, что с простейших датчиков (дискретного типа) приходит всего 1-2 бита информации.

Данные о процессе имеют явно выраженный циклический характер. Более того, для реализации задач автоматического управления необходимо, чтобы опрос каналов и выдача команд на управление проводились через регламентируемые интервалы времени. Это так называемое требование детерминированности коммуникационной системы. Благодаря небольшому объему передаваемых данных системы промышленной связи способны действительно удовлетворять временным требованиям со стороны реальных процессов.

Параметрические данные необходимы как для отображения текущего состояния сетевых устройств (интеллектуальных), так и их перепрограммирования. В противоположность данным о процессе параметрическая информация не имеет циклического характера. Доступ к ней реализуется по запросу, в ациклическом режиме. Передача параметрических данных требует и реализует методы специальной защиты, а также механизмов подтверждений. Комплексный параметрический блок для интеллектуальных устройств занимает от нескольких десятков байт до нескольких сотен килобайт. В сравнении с быстро меняющимися данными временные требования для передачи параметров можно считать некритичными. В зависимости от типа устройств и протяженности сети требования по времени простираются от нескольких сотен миллисекунд до нескольких минут.

Рассмотрим несколько промышленных шин уровня датчиков и исполнительных устройств (полевых шин), успешно применяемых при автоматизации технологических процессов.

Первые продукты, работающие по технологии ASI, вышли на рынок 1993 году. Сегодня эта технология поддерживается рядом известных фирм: Allen-Bradley, Siemens, Schneider Electric и др.

Основная задача этой сети – связать в единую информационную структуру устройства нижнего уровня автоматизируемого процесса (фотоэлектрические датчики, исполнительные устройства, реле, контакторы, емкостные переключатели, приводы и т.п.) с системой контроллеров. Это подтверждается и названием сети - ASI (Actuator Sensor Interface).

ASI-интерфейс позволяет через свои коммуникационные линии не только передавать данные, но и подводить питание (24 VDC) к датчикам и исполнительным устройствам. Здесь используется принцип последовательной передачи на базовой частоте. Информационный сигнал модулируется на питающую частоту.

Топологией ASI-сети может быть шина, звезда, кольцо или дерево. К одному контроллеру можно подключить до 31 устройства. Протяженность сегмента ASI - шины может достигать 100м. За счет повторителей длину сети и число узлов можно увеличивать. Цикл опроса 31 узла укладывается в 5 мс. Максимальный объем данных с одного ASI-узла – 4 бита.

На рис. 2.12 контроллеры Micro (Schneider Electric) взаимодействуют с полевыми устройствами по шине ASI. Функции ведущего обеспечиваются интерфейсным модулем SAZ 10.

Рис. 2.12. Полевые устройства на шине ASI

SDS (Smart Distributed System) - протокол систем ввода/вывода, предложенный компанией Honeywell для построения сетей, объединяющих периферийные устройства различных производителей.

Эта сеть позволяет работать с такими устройствами ввода/вывода, как концевые выключатели, фотоэлектрические и бесконтактные датчики, позиционеры, и осуществлять обмен информацией на высоких скоростях.

Преимущества сети:

- одна и та же сеть для контроллеров и источников информации;

- питание осуществляется по проводам сетевого кабеля;

- диагностика на уровне физических устройств;

- время прохождения данных по сети может достигать 0.1 мс.