Архитектура промышленных сетей

Промышленные сети

Архитектура промышленных сетей

 

 

Модель OSI

Топологии промышленных сетей

 

 

 

 

 

Физические каналы передачи данных

 

 

 

 

 

 

(Харазов)

 

Общие характеристики промышленных сетей

 

 

 

 

В зависимости от области применения все сети можно подразделить на 3 уровня: полевые (Sensored), управляющие (контроллерные) и информационные сети (на базе протокола TCP/IP).

 

Способы обмена информацией

 

 

 

 

 

Существуют следующие способы обмена сообщениями:

Опрос (Polling): опрашивающее устройство поочередно запрашивает данные из каждого конкретного устройства сети либо посылает данные в это конкретное устройство. Таким образом, каждый узел должен поддерживать как входящие, так и исходящие сообщения. Данный метод является самым совершенным, но, вместе с тем, и самым медленным способом сбора информации.

(Широковещательное) стробирование (Strobing): опрашивающее устройство посылает подчиненным устройствам общий запрос, после чего подчиненные устройства по очереди отсылают главному данные о своем состоянии (первым отвечает узел с номером 1, вторым с номером 2 и т.д.). Меняя порядок нумерации узлов, можно задавать приоритетность сообщений. Опрос и широковещательное стробирование наиболее распространенные способы сбора данных.

Периодическая отсылка (Cyclic): сетевые устройства автоматически с установленной периодичностью передают центральному узлу сведения о своем состоянии. Сообщения данного типа, называемые иногда heartbeat-сообщениями (сообщениями типа "я живой"), нередко используются совместно с сообщениями об изменении состояния (Change of State) для индикации текущей работоспособности устройства.

Изменение состояния (Change of State): отсылка сообщения происходит только по факту изменения состояния устройства. Данный метод отличается наименьшими временными затратами; при этом в крупных сетях его производительность может оказаться выше, чем в сетях с использованием метода опроса и с гораздо более высокой скоростью передачи. Метод Change of State является самым экономичным с точки зрения временных затрат, но, вместе с тем (иногда), и наименее точным, поскольку производительность и время отклика становятся статистическими, т.е. непредсказуемыми величинами.

Явное сообщение (Explicit Messaging): передача сообщения с одновременным указанием способа его интерпретации устройством. Широко используется для связи с такими сложными устройствами, как приводы и контроллеры в целях получения значений параметров, меняющихся не так быстро и часто, как производственная информация. Данный метод представляет собой общее многоцелевое средство обмена информацией между двумя устройствами и обеспечивает выполнение функций типа конфигурирования устройства.

Фрагментированное сообщение (Fragmented Messaging): если размер передаваемого сообщения превышает восемь байт, оно может быть разделено на несколько восьмибайтовых фрагментов с последующим восстановлением сообщения в принимающем устройстве. Отсылка одного большого сообщения требует, таким образом, нескольких операций передачи по шине. Обычно в системе DeviceNet фрагментирование сообщений выполняется автоматически, без вмешательства со стороны пользователя.

 

Полевые сети

 

В полевых сетях (расположенных рядом с технологическим оборудованием) наиболее распространенными способами передачи данных являются:

- токовая петля (наиболее распространен аналоговый вариант. Цифровой вариант сети не получил широкого распространения);

- дифференциальный способ (RS-485, RS-422, CAN и сети построенные на базе технологии CAN – CANopen, SDS, DeviceNet и др.);

- передача информации путем изменения частоты сигнала (HART);

- применение Манчестерского кода во взрывозащищенных сетях – стандарт IEC 1158-2 (AS-Interface, Foundation Fieldbus H1, Profibus PA).

Токовая петля 4-20 мА

 

 

 

 

 Большинство контроллеров можно условно разделить на два типа по способу подключения датчиков с выходом 4–20мА:

1) Контроллеры со встроенными блоком питания и сопротивлением нагрузки, с т. н. прямым подключением датчиков с выходом 4–20мА. Схема подключения к таким контроллерам приведена в табл.1;

Рис – Подключение датчиков 4-20 мА и 0-10 В к модулю Siemens

2) Контроллеры, для подключения к которым датчиков 4–20мА требуется наличие внешних блока питания и сопротивления нагрузки. К такому типу контроллеров, например, относится модуль аналогового ввода МВА8 пр-ва ф.ОВЕН. Схема подключения к таким контроллерам приведена в табл.2.

 

Для контроллеров с прямым подключением датчиков 4–20 мА номиналы напряжения блока питания и сопротивления нагрузки как правило согласованы, для контроллеров с внешними блоком питания и нагрузкой эти номиналы необходимо рассчитывать.

Рекомендуется следующий алгоритм выбора сопротивления нагрузки и напряжения блока питания в зависимости от диапазона аналогового входа контроллера:

а) Из спецификации на применяемый контроллер получают данные о диапазоне входного напряжения аналогового входа контроллера, например, 0-10 В;

б) Для входного диапазона 0-10В выбирают номинал сопротивления нагрузки, равный 500 Ом из расчета, что при максимальном измерительном токе с датчика, равном 20 мА, на сопротивлении нагрузки должно падать 10 В;

в) Рассчитывают минимально допустимую величину напряжения источника питания путем сложения минимально допустимого напряжения на клеммах датчика, равного 9 В, и падения напряжения на сопротивлении нагрузки, равного 10 В. Получают величину 19 В.

В качестве источника питания датчика можно выбрать блок питания со стандартным выходом 24 В.

 

Таблица соответствия между рядом стандартных входных диапазонов контроллеров, сопротивлением нагрузки и необходимым напряжением блока питания приведена ниже.

 

Интерфейсы RS-485, RS-422

 

 

Принцип построения

В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных (рис.1.2.1). Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал (при передачи 1 – высокое напряжение относительно земли - до +12 В, при передаче 0 – низкое напряжение +1,5 В), а по другому (условно B) – его инверсная копия (при передаче 1 – низкое отрицательное напряжение относительно земли -1,5 В, при передаче 0 – высокое отрицательное напряжение относительно земли – до -12 В). Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.

 

 

Рис. 1.2.1. Принцип дифференциальной передачи данных

 

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего провода ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель – дополнительный источник искажений.

 

    Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в

Топологии сети RS-485

Интерфейсы RS-422 и RS-232

Физический уровень

 

 

 

 

Канальный уровень

 

 

Передача сообщений

 

 

 

 

 

 

 

 

Прикладной уровень CANopen

 

 

 

 

 

 

 

HART-протокол

 

 

 

 

 

 

Принцип построения

 

 

 

Физический канал

 

 

 

 

Топология сети

HART-протокол используется в двух режимах подключения. В большинстве случаев применяется соединение ≪точка-точка≫ (рис. 2.7а).

В режиме точка-точка происходит непосредственное соединение прибора низовой автоматики (преобразователя информации, датчика, исполнительного устройства и т.п.) и не более чем двух ведущих устройств.

В качестве первичного ведущего устройства, как правило, используется устройство связи с объектом (УСО) или программируемый логический контроллер, а в качестве вторичного — портативный HART-терминал или отладочный ПК с соответствующим модемом.

При этом аналоговый токовый сигнал передается от ведомого прибора к соответствующему ведущему устройству.

Цифровые сигналы могут приниматься или передаваться как от ведущего, так и от ведомого устройства. Так как цифровой сигнал наложен на аналоговый, процесс передачи аналогового сигнала происходит без прерывания.

 

Возможна комбинация HART с протоколом RS-422/485, ведущее к построению супер HART сети как показано на рисунке. Эта сеть имеет 31 мостовое устройство сети RS-485 (предел) и 15 HART полевых устройств, подключенных к каждому мосту. Таким образом можно построить сеть, включающую 465 полевых прибора.

 

Канальный протокол

 

 

 

 

 

AS-Interface (ASI)

 

Основная задача ASI — интерфейса нижнего уровня — связать в единую инфор­мационную структуру устройства нижнего уровня, а именно датчики и разнообраз­ные исполнительные механизмы, имеющие соответствующий сетевой интерфейс. Название описываемой сети раскрывает се назначение: Actuators Sensors interface (ASI) — интерфейс исполнительных устройств и датчиков.

AS-интерфейс является открытой промышленной сетью нижнего уровня систем автоматизации, которая предназначена для организации связи с исполнительными устройствами. Система на базе AS-интерфейса является независимой от изготовителя, то есть изготовители и пользователи получают возможность самостоятельно разрабатывать системные компоненты, совместимые с изделиями других производителей без дополнительных мер по конфигурированию, и обеспечивать их надежную коммуникацию в единой сети.

 Основные концепции AS-интерфейса регламентированы европейскими нормативами EN 50295, а также международным стандартом IEC 62026, базирующимися на спецификациях Международной ассоциации по AS-интерфейсу (AS International Association).

Впервые ASI-протокол вышел на рынок в конце 1989 г. и сегодня поддержан рядом известных фирм: IBM, Siemens, Pepperl+ Fuchs, Allen- Bradley, Limberg и др. Существует и одноименная ассоциация по поддержке этой сети — ASI. С помощью ASI можно стро­ить системы, в которых датчики и контроллеры связаны одной сетью, причем ASI имеет шлюзы в другие промышленные сети: ModBus, Profibus, Interbus, Device Net и др.

 

Физический уровень

 

Для развертывания сегмента AS-сети необходимо следующее оборудование (рис. 2.7):

- источник электропитания - электропитание напряжением 30 В постоянного тока;

- кабель – неэкранированный двух проводной с сечением 2х1,5 мм² или специальный плоский, используется как для обмена данными, так и для подачи напряжения питания на датчики/исполнительные механизмы;

- ведущее устройство - число ведущих устройств (master) – 1;

- ведомые устройства для подключения датчиков и исполнительных механизмов;

- повторители (при необходимости);

- сервисный прибор для адресации и диагностирования.

 

 

 

Рис. 2.7 - Состав узлов AS-интерфейса и их развертывание в сеть

 

AS-интерфейс позволяет решить задачу подключения датчиков и приводов к системе управления на основе построения сети с использованием одного двухжильного кабеля, с помощью которого обеспечивается как питание всех сетевых устройств, так и опрос датчиков и выдача команд на исполнительные механизмы.

 

Кабель AS-интерфейса имеет профилированную форму (рис. 2.8), исключающую его неправильный монтаж. Быстрое и надежное подключение узлов к кабелю обеспечивается с помощью специальной конструкции. В нижней части корпуса монтируемого устройства находятся ножевые контакты, прорезающие кабель и обеспечивающие непосредственный контакт с токоведущими жилами. Несимметричная форма кабеля гарантирует точное попадание контактов в сердечник проводников и абсолютно надежное соединение в течение всего срока эксплуатации.

 

 

Рис. 2.8 - Профилированный кабель

На рис. 2.5 схематически показано подключение источника питания к двухпроводной симметричной линии передачи данных. Источник питания имеет выходное напряжение 29.5…31.6 В постоянного тока и выполнен в соответствии с международными стандартами безопасности IEC для цепей сверхнизкого напряжения (система изоляции PELV — protective extralow voltage). Рабочий ток источника от 0 до 2,2 А. Источник должен быть оснащен защитами от длительного короткого замыкания и перегрузок.

 

 

Схема связи с линией передачи данных, выполненная по рациональному способу в одном корпусе с источником питания, состоит из двух индуктивностей, каждая по 50 мкГн, и двух параллельно включенных сопротивлений по 39 Ом. RL-цепочки служат для того, чтобы токовые импульсы, которые производит передатчик AS-интерфейса, посредством дифференцирования были преобразованы в импульсы напряжения.

AS-интерфейс представляет собой симметричную незаземленную систему.

 

Количество узлов

 

AS-интерфейс является системой с одним ведущим устройством и работает по принципу "ведущий – ведомый" (master - slave). Это означает, что ведущее устройство AS-интерфейса, подключенное к кабелю, управляет процедурой обмена данными с ведомыми устройствами, также подключенными к этому кабелю.

На рис. 2.10 показано два логических интерфейса коммуникационного процессора, являющегося ведущим устройством. Через интерфейс, объединяющий процессор ПЛК и коммуникационный процессор ведущего устройства, передаются данные процесса и команды задания параметров. В программах пользователя предусматриваются необходимые обращения к функциям, имеются механизмы для чтения и записи данных через этот интерфейс. Обмен данными с ведомыми устройствами осуществляется через интерфейс между коммуникационным процессором ведущего устройства и кабелем AS-интерфейса.

 

Рис. 2.10 - Логические интерфейсы коммуникационного процессора

 

До недавнего времени в локальной вычислительной система низкого уровня на базе AS-интерфейса можно было подключить к ведущему устройству до 31 ведомого устройства (slave).  По новой спецификации версии 2.1 стандарта на AS-интерфейс, появившейся весной 2000 года, количество ведомых устройств в одной сети увеличено до 62 за счёт разделения адресного пространства ведущего сетевого устройства на две подобласти: А и В.

 

В качестве ведомых устройств сети AS-интерфейса могут выступать как датчики и исполнительные механизмы со встроенным AS-интерфейсом (интеллектуальные устройства), так и обычные оконечные устройства. Первые подключаются к сети напрямую, вторые – через модули ввода/вывода.

Электронная часть ведомого устройства реализуется на базе специализированных микросхем. Два способа использования специализированных интерфейсных микросхем и определяют два вида AS-модулей:

- чип ведомого устройства AS-интерфейса может быть встроен прямо в датчик или исполнительное устройство, в результате чего получается интеллектуальный датчик (исполнительное устройство) с интегрированным AS-интерфейсом (рис. 2.11 а);

- чип ведомого устройства AS-интерфейса может быть встроен в модуль, к которому уже в свою очередь можно подключать обыкновенный датчик или исполнительное устройство (рис. 2.11 б).

 

а)

б)

Рис. 2.11 - Состав модулей AS-интерфеса

 

Специализированная интерфейсная БИС микросхема обеспечивает AS-модуль электропитанием от сети, распознает переданную от ведущего устройства информацию и посылает в ответ собственные данные.

Первоначально AS-интерфейс был ориентирован на работу исключительно с бинарными данными (дискретными входами/выходами), поэтому длина информационной посылки всего 4 бита. В каждом цикле передаются 4 бита данных от ведущего устройства последовательно к каждому ведомому и обратно. Необходимые для этого порты данных каждой БИС можно конфигурировать отдельно как входные, выходные или двунаправленные порты. Конфигурация портов ведомых устройств устанавливается в соответствии с так называемой конфигурацией ввода/вывода.

По команде «Write Parameter» ведомое устройство получает от ведущего 4 бита данных, соответствующих значению параметра. С их помощью можно управлять особыми функциями ведомого устройства. Установка кодов параметров производится ациклично, причем в одном цикле AS-интерфейса она может быть выполнена только для одного ведомого устройства.

 

В AS-интерфейсе более ранних версий каждое ведомое устройство могло иметь до 4 входов и 4 выходов. Так называемые A/B-устройства (устройства, адресуемые в соответствии со спецификацией версии 2.1) могут иметь до 4 входов и 3 выходов.

В модулях ввода/вывода  все входные цепи гальванически развязаны относительно AS-интерфейса (рис. 2.9). В зависимости от типов подключаемых устройств различают несколько разновидностей модулей ввода/вывода:

- 4 дискретных входа; 

- 4 дискретных выхода; 

- 2 дискретных входа + дискретных 2 выхода; 

- 4 дискретных входа + 2 дискретных выхода; 

- 4 дискретных входа + 3 дискретных выхода

- 4 дискретных входа + 4 дискретных выхода; 

- 2 аналоговых входа (ток 0…20/4…20 мА или напряжение 0…10 В); 

- 2 аналоговых выхода (ток 0…20/4…20 мА или напряжение 0…10 В); 

- 4 аналоговых входа от термодатчиков типа Pt100.

 

 

Рис. 2.9 - Подключение кабеля к монтируемому устройству.

 

Интеллектуальные оконечные устройства, такие как датчики приближения, фотоэлектрические датчики и др., как правило, имеют стандартный интерфейсный разъем М12. На рис. 2.12 показано как выглядит оконечное устройство, рассчитанное для подключения таких устройств, а также назначение контактов разъемов при подключении различных цепей.

 

Рис. 2.12 - Оконечное устройство для подключения датчиков фирмы Siemens с разъемами М12 и назначение контактов разъемов.

 

Модули ввода/вывода могут быть приспособлены для монтажа в электрических шкафах, в распределительных коробках с обычными и с кабельными выводами. Примеры того, как могут выглядеть такиe устройства, показаны на рис. 2.14.

 

Рис. 2.14 - Внешний вид модулей AS-интерфейса

 

Время опроса

AS-интерфейс использует метод доступа к ведомым устройствам, основанный на их циклическом опросе (polling). При опросе системы, состоящей из 31 ведомого устройства, время цикла составляет 4,7 мс.

Таким образом, не позднее чем через каждые 5 мс каждый датчик или исполнительный механизм системы будет опрошен ведомым устройством. Если в AS-интерфейсе версии 2.1 используются только ведомые устройства подобласти адресного пространства А или В, то время цикла опроса также не превышает 5 мс. В случае использования всего адресного пространства, доступного для данной версии, ведомые устройства подобластей А и В обслуживаются по очереди: в первом цикле производится опрос ведомых устройств подобласти А, во втором – подобласти В, и в такой последовательности циклический процесс опроса повторяется далее. Таким образом, в этом случае суммарное время обслуживания всех ведомых устройств не превышает 10 мс.

Обслуживание ведомых А/B-устройств способны выполнять только ведущие сетевые устройства, поддерживающие спецификацию версии 2.1.

Устройства, не поддерживающие данную версию, способны обслуживать не более 31 ведомого устройства (подобласть адресного пространства А).

 

Топология сети

Топология сети AS-интерфейса очень проста и позволяет подключать ведомые устройства по схемам шина, звезда, кольцо или дерево (рис. 2.2).

 

 

 

Единственный пункт, который необходимо учитывать, — это ограничение общей длины кабеля 100 м. Под общей длиной понимается сумма длин всех ветвей сегмента сети, обслуживаемого одним ведущим устройством. Специальный расширитель позволяет удлинить кабель или разделить ветвь на группы.

Если требуется большая длина кабеля, то можно использовать до двух повторителей, что обеспечит надежное соединение при суммарной протяжённости линий связи до 300 м. При этом необходимо учитывать, что каждый сегмент требует отдельного источника электропитания.

Для сетевых устройств должны использоваться только специальные источники, предназначенные для работы с AS-интерфейсом.

 

На рис. 2.13 продемонстрирован вид производственной линии со смонтированным сегментом сети AS-интерфейса на рассмотренных модулях.

 

 

Рис. 2.13 - Вид производственной линии со смонтированным сегментов сети AS-интерфейса на рассмотренных модулях

 

Канальный уровень

 

Протокол AS-интерфейса (рис. 2.4) состоит из запроса ведущего устройства, паузы ведущего устройства, ответа ведомого устройства и, соответственно, паузы ведомого устройства.

 

Условные обозначения:

ST — стартовый бит;

SB — управляющий бит;

A4…A0 — адрес ведомого устройства;

I4…I0 — информационная часть (данные) от ведущего устройства к ведомому и от ведомого к ведущему;

PB — бит паритета;

EB — признак конца телеграммы (конечный бит).

 

Большое значение для безошибочной передачи данных по неэкранированным и неперевитым проводам AS-интерфейса имеет надежное распознавание ошибок, которое предусмотрено в процессе приема информации.

В основе безопасности передачи данных по AS-интерфейсу лежит, прежде всего, обмен очень короткими кадрами: запрос ведущего устройства содержит 11 информационных битов, а ответ ведомого устройства — 4 бита.

Для контроля целостности данных используется контрольная сумма (CRC).

Достаточная избыточность кода и знание фиксированных длин кадров позволяют распознавать:

- ошибки стартового или конечного бита, бита паритета, кода Манчестера, а также выход за пределы времени передачи (time-out) и задержки времени паузы;

- задержку модуляции;

- нарушение длины кадров.

С помощью всех названных механизмов для AS-интерфейса достигается высокий показатель Хэмминга HDeff = 3, который характеризует устойчивость кода к помехам и оценивается по формуле HD= e+1 (е — число достоверно обнаруживаемых ошибок).

 

Сеть Profibus PA

 

Этот протокол используется в устройствах, работающих в опасных произ­водствах, и позволяет подключать к одной шине датчики и преобразователи изолированно друг от друга.

В основе протокола PA (Process Automation) лежит протокол ISP (Interoperable Systems Project). Физический уровень (уровень 1 OSI-модели) реализует стандарт IEC 61158-2 (с внутренней защитой данных). Уровень 2 — это функциональное подмножество стандарта DIN 19245.

Технология передачи предоставляет взрывозащищенность и питание устройств через шину. Она базируется на следующих основных принципах:

- у каждого сегмента только один источник питания;

- при передаче данных, питания не происходит;

- пассивная терминация линии с обоих концов основной шины и т.д.

 

С помощью PROFIBUS-PA могут быть реализованы отдельные структуры: линейные, древовидные, звездообразные, а также их комбинации.

Количество шинных сегментов, занятых участниками шины зависит от установленных источников питания, тока, потребляемого участниками, типа кабеля и экрана шинной системы. Чтобы повысить надежность системы, можно сделать сегмент резервированным.

Технология передачи PROFIBUS-PA предназначена для взрывоопасных помещений с обеспечением внутренней безопасности и поэтому работает, используя синхронный, низкоэнергетический метод передачи. Во взрывоопасных помещениях с обеспечением внутренней безопасности на одном сегменте PROFIBUS-PA могут работ<