Локальные промышленные сети

Информационный обмен между различными уровнями управления, их интеграция в единую систему осуществляются посредством локальных вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети представляют собой системы распределенной обработки данных, охватывающие относительно небольшие территории (до 5 — 10 км) внутри отдельных предприятий и объединяющие с помощью общего канала связи сотни абонентских узлов.

Локальные вычислительные сети, обеспечивающие физическую и логическую связь между распределенными промышленными контроллерами, измерительными преобразователями и исполнительными механизмами и их интеграцию в единую систему управления технологическим процессом, называются локальными промышленными сетями (Fieldbus — «полевая» шина). Основными требованиями, являются простота монтажа, высокая надежность и высокая скорость передачи данных (что отличает их, например, от глобальных сетей, которые могут вносить в передачу данных значительные задержки).

Семиуровневая эталонная модель взаимодействия открытых систем

Стандарты призваны облегчить интеграцию продуктов различных производителей в одной сети.

Международная организация по стандартизации (International Organization of Standardization — ISO) разработала стандарт, описывающий правила соединения аппаратных и программных средств в единую систему. Этот стандарт носит название модели взаимосвязи открытых систем — ВОС (Open System Interconnection — OSI). Как правило, производители сетевого оборудования определяют свои изделия в терминах OSI-модели.

Архитектура OSI-модели разбита на семь независимых уровней. В соответствии с этим передача информации в сети сводится к семи подзадачам, соответствующим определенным уровням модели. Отдельные уровни отличаются по специфике выполняемых процессов и по технологиям реализации. Каждый уровень обеспечивает полный набор услуг для уровня, расположенного выше.

В табл. 1 указаны конкретные примеры реализации всех семи уровней OSI-модели. Нижние два уровня — физический и канальный — реализуются аппаратно-программным способом, остальные пять — в основном программным. Так, сетевой уровень реализуется драйверами операционной системы, а также аппаратными и программными средствами маршрутизаторов. Верхние четыре уровня реализуются средствами сетевой операционной системы.

При передаче информации между прикладными программами, находящимися на разных узлах сети, передаваемая информация проходит вниз через все уровни системы и преобразуется к виду, пригодному для передачи по физическим каналам связи. После доставки по требуемому адресу информация проходит через все уровни наверх и преобразуется в исходный вид.

Таблица 1 Примеры реализации уровней ОSI-модели

Промышленные сети реализуют физический, канальный и прикладной уровни OSI-модели, остальные уровни в большинстве случаев избыточны.

Топологии сетей

Топология сети описывает способ объединения различных сетевых устройств. Выбор топологии влияет на характеристики сети: способ доступа к сети, возможность ее расширения, надежность. Основными топологиями являются шина (Bus), кольцо (Ring) и звезда (Star).

При построении вычислительных сетей используются два варианта подключения сетевых устройств: радиальное и магистральное. Радиальное соединение между двумя сетевыми устройствами (ЭВМ, ПК и т.п.) называется соединением точка к точке (point to point interface). Магистральное соединение сетевых устройств, при котором они независимо выходят на общую линию передачи, называется «многоточечным» соединением (multipoint).

Наиболее простыми и распространенными являются сети с топологией типа шина (магистраль). Для объединения группы устройств в сеть здесь применяется единый кабель. Кабель имеет несколько промежуточных ответвлений, которые используются для соединения магистрального провода с сетевыми устройствами. Тип соединения — многоточечный. Каждое сетевое устройство может передавать данные только в том случае, если другие «молчат». Сеть с такой топологией отличается легкостью расширения, однако чем больше абонентских узлов в сети, тем ниже ее производительность (сетевой абонентский узел — это ЭВМ, ПК, панель визуализации и т.д.). Основной недостаток этой топологии заключается в том, что выход из строя магистрального кабеля влечет за собой остановку всей сети. В то же время выход из строя одного узла не нарушает работоспособности сети.

В топологии типа кольцо информация передается от узла к узлу последовательно по физическому кольцу. Каждый узел передает информацию только одному из узлов. Тип соединения — точка к точке. Приемный узел выступает в роли повторителя, регенерируя полученную информацию. К передатчикам и приемникам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных конфигурациях, где передаваемые данные получают все узлы сети. На различных участках сети могут использоваться разные виды физической передающей среды. Выход из строя линии связи приводит к отказу сети.

Топология типа звезда предполагает, что все сетевые узлы подключены собственным физическим каналом связи к центральному концентратору или контроллеру. Тип соединения — точка к точке. Информация от периферийного передающего узла поступает к другим периферийным узлам через центральный узел. Центральный узел должен отличаться повышенной надежностью, поскольку выход его из строя останавливает всю сеть. Выход из строя периферийного узла или одного физического канала связи отключает только один сетевой узел и не влияет на работоспособность остальной сети.

Канал передачи данных

Локальная промышленная сеть использует последовательную передачу данных по каналу связи. Такой способ обеспечивает надежную передачу данных на большие расстояния и является экономичным.

Среда передачи данных ЛПС. В качестве физической среды передачи данных обычно применяется витая пара, коаксиальный кабель или оптоволокно, реже — канал беспроводной связи.

Витая пара представляет собой пару изолированных проводящих жил, скрученных друг с другом и помещенных в общую диэлектрическую оболочку. Достоинства витой пары — низкая стоимость и простота применения.

Коаксиальный кабель представляет собой медную токоведущую жилу, окруженную слоем диэлектрика и покрытием в виде металлической оплетки или фольги. Существует в двух вариантах: тонкий — 6 мм (10 Base2 /IEEE 802.3) и толстый — 12 мм (10 Base5/IEEE802.3) коаксиальный кабель. Достоинство коаксиального кабеля — возможность прямых ответвлений (путем прокалывания изоляционного слоя), благодаря чему сеть может легко наращиваться, а также помехозащищенность.

Оптоволоконный кабель состоит из оптоволокна и защитного покрытия. Оптоволокно изготавливается из стекла или специального пластика и служит для передачи световых сигналов. Оптоволокно покрывается светоотражающим составом, предотвращающим рассеивание света. Снаружи оптоволокно покрыто поливинилхлоридом или каким-либо другим защитным покрытием, повышающим прочность кабеля.

Используется в основном оптоволокно двух типов. Первый тип предполагает параллельную передачу нескольких световых сигналов и применяется для передач на расстояние до 2 000 м, источник сигнала — диод. Второй тип предусматривает одиночный режим передачи, применяется для передачи сигнала на расстояние до 5 000 м, источник сигнала — лазер.

Достоинства оптокабеля — высокая скорость передачи данных и устойчивость к электромагнитным помехам, так как оптоволокно не является электропроводящим материалом.

Основные характеристики рассмотренных сред передачи данных сведены в табл. 2.

Таблица 2 Основные характеристики сред передачи данных

Физические интерфейсы. Они определяются рядом стандартов. Стандарты устанавливают требования к характеристикам электрических сигналов (фронты и уровни напряжения или тока), способам кодирования данных, типам разъемов и т.д.

Давно и широко используется при передаче данных стандарт RS-232C. Стандарт применяется при относительно медленной передаче сигналов — скорость передачи данных от 50 до 38 400 бит/с; максимальная длина соединения (без повторителей) — 15 м. Информация передается последовательно бит за битом асинхронным способом. Передаваемый байт данных содержит бит паритета и сопровождается стартовым и стоповыми битами. Единица и нуль кодируются импульсами напряжения положительной и отрицательной полярности. Временная диаграмма передачи байта показана на рис. 1.

Рис. 1. Временная диаграмма передачи байта

Стандарт определяет также распайку интерфейсного разъема. Интерфейс RS-232C с передачей по току (current loop — токовая петля) представляет собой двухпроводную линию, образующую токовую петлю. Передающее устройство является дискретно переключаемым источником тока. Данные передаются сигналами постоянного тока 4—20 мА. Токовая петля позволяет увеличить помехозащищенность и передавать сигналы по линии длиной до 3 км.

Разработанные позднее стандарты интерфейсов последовательной передачи данных RS-422 и RS-485 допускают значительно большие скорости и дальность передачи данных (табл. 3). Наибольшее распространение нашел стандарт RS-485. Интерфейсы на базе этого стандарта реализованы практически во всех УВК и промышленных ЭВМ. Схема многоточечного подключения передатчиков, приемников и приемопередатчиков к проводной линии связи по стандарту RS-485 показана на рис. 2.

Логическая организация интерфейса. Информация по ЛПС передается блоками, которые называются пакетами или сообщениями. Типовая структура пакета имеет вид, показанный на рис. 3.

Поля пакета имеют следующее назначение: адрес абонента сети; управляющая информация о последовательности действий (например, запись, чтение данных и др.); передаваемые данные; контрольный код обнаружения ошибок.

Для передачи информации по ЛПС используются манчестерский код, кодирующий 0 и 1 по восходящему и нисходящему фронту сигнала, NRZ-код (Non Return to Zero — без возврата к нулю), в котором логический нуль соответствует изменению, а логическая единица — сохранению полярности сигнала предыдущего бита (рис. 4) и др.

Методы доступа к среде передачи данных. Используются в основном два метода упорядоченного доступа к общей для нескольких взаимодействующих сетевых устройств среде передачи данных (шинной магистрали) — централизованный и децентрализованный.

Таблица 3. Характеристики стандартных физических интерфейсов

Симметричная линия связи

Рис. 2. Многоточечное соединение по стандарту RS-485: G — формирователь; R — приемник; G/R приемопередатчик;

R_C— согласующий резистор; А/А₁ и В/В₁— точки подключения приемников/передатчиков

Рис. 3. Типовая структура пакета

Рис. 4. Кодирование методом невозвращения к нулю

Централизованный метод доступа (метод «ведущий/ведомый» — master/slave) предполагает наделение одного из узлов правами ведущего, или хозяина (master). Другие узлы являются ведомыми (slave). Ведущий узел определяет порядок и время доступа ведомых узлов к шине, инициирует циклы обмена данными по шине с ведомыми узлами. Сообщения могут передаваться только одному узлу или всем узлам одновременно. В последнем случае это Широковещательный (broadcast) режим, не требующий адресации каждого абонента сети. При отказе ведущего узла обмен по Шине приостанавливается. Централизованный метод используйся, как правило, на нижнем уровне управления — уровне контроллеров, датчиков, исполнительных механизмов.

Децентрализованный метод доступа к шине предполагает наделение правами ведущего группы устройств сети. Этот метод получил наибольшее развитие. Функции ведущего в этом случае Могут передаваться от одного узла к другому. Используются два варианта децентрализованного доступа: метод передачи маркера (Token Passing Method) и множественный метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD).

В методе передачи маркера право доступа к шине (маркер) передается циклически от одного узла сети к другому. Узел, получивший маркер, становится ведущим. Метод, как правило, используется в распределенных сетях с большой загрузкой шины.

При множественном методе доступа к шине право мастера имеет в равной степени каждый узел. Это право реализуется случайным образом. Всем узлам необходимо прослушать канал и определить, является ли он свободным или занят. Если шина свободна, каждый узел может занять ее для передачи своих данных. Если одновременно несколько узлов претендуют на право доступа к шине, это приводит к конфликту (коллизии). В этом случае все узлы снимают свои заявки, и в каждом из них включается генератор случайных чисел, задающий временной интервал до следующего запроса на доступ к шине. Возможен механизм разрешения коллизии на основе приоритета сообщений: право на доступ к шине получает узел, передающий сообщение с наибольшим приоритетом. Множественный метод доступа наиболее широко используется при относительно низкой загрузке магистрали передачи данных.

Сетевые устройства

Основными специализированными сетевыми устройствами, используемыми в локальных сетях, являются:

• трансивер (tranceiver) - приемопередатчик, который служит для подключения сетевого узла к основной магистрали сети из коаксиального кабеля или оптоволокна;

• концентратор (hub) — используется при создании инфраструктуры сети. Соединяет сегменты кабеля, восстанавливает и усиливает передаваемый сигнал;

• интеллектуальный концентратор (switcher) — обладает возможностью коммутировать приходящие пакеты, т.е. ретранслировать их по сегментам, выделенным на основе анализа адресной информации. Трансивер и концентратор реализуют функции физического уровня OSI-модели;

• мост (bridge) — интеллектуальное устройство, которое служит для соединения двух различных сетей, например Profibus иEthernet. Реализует функции канального уровня OSI-модели. Передает пакеты из одной сети в другую по адресу назначения;

• маршрутизатор (router) — используется в сложных сетях в точках разветвления маршрутов для определения дальнейшего наилучшего пути пакета, функционирует на сетевом уровне OSI-модели. В качестве маршрутизатора может использоваться сетевая станция, имеющая несколько сетевых интерфейсов и соответствующее программное обеспечение.

Каждый из узлов сети содержит сетевой адаптер (плату или микросхему интерфейсного контроллера) для сопряжения сети со средой передачи данных. Организация физической и логической связи по сети регламентируется протоколом, который устанавливает базовые правила реализации сети и обмена данными между ее абонентами. Сетевой адаптер поддерживает соответствующий протокол. Сетевые адаптеры реализуют функции физического и канального уровней OSI-модели.

В функции сетевого адаптера входят:

• контроль возможности доступа к сети;

• идентификация адреса;

• кодирование и декодирование сигнала;

• преобразование параллельного кода в последовательный и обратное преобразование соответственно при передаче и приеме;

• промежуточное хранение данных в буферной памяти;

• контроль ошибок.

Сравнительные характеристики ЛПС

В настоящее время существует большое разнообразие промышленных сетей. Каждая из них имеет свои параметры и области применения.

Система управления производством реализуется в общем случае на основе иерархии промышленных сетей. Различают обычно два уровня: уровень датчиков и уровень производственного процесса.

Задача уровня датчиков (Sensor/actuator level) — объединение простых устройств: датчиков и исполнительных механизмов распределенной АСУ. Каждое из этих устройств должно иметь специальную интерфейсную микросхему. Сети данного уровня обеспечивают высокоскоростную передачу коротких сообщений. Длина сегмента сети обычно порядка 100 м, число узлов — несколько десятков, цикл опроса шины — порядка 10 мс, объем передаваемых данных за цикл — от одного до нескольких десятков байт. Примерами этих сетей являются ASI и Profibus DP.

Задача уровня производственного процесса (Field level) — объединение промышленных контроллеров для сбора, обработки информации и управления технологическим процессом. Сеть может объединять сотни узлов. Она предназначена для передачи больших объемов данных (цикл шины — порядка 100 мс). Примерами таких сетей являются Profibus FMS и Bitbus.

Эти сетевые уровни связаны посредством мостов между собой и с верхними уровнями комплексной АСУ предприятия.

Сравнительные характеристики наиболее распространенных промышленных сетей представлены в табл. 4. Некоторые из них рассмотрены подробнее в следующих разделах на примере конкретных разработок.

Таблица 4 Сравнительные характеристики промышленных сетей