Общие сведения о промышленных сетях

Практическая работа

Тема: Промышленные сети и интерфейсы. Изучение схем интерфейсов RS- 232 и RS- 485.

Цель работы: Изучить теоретический материал и  схемы интерфейсов RS-232 и RS-485.

Порядок работы:

1. Ознакомиться с руководством по выполнению практической работы.

2. Изучить материалы методических указаний и литературы.

3 Выполнить задание и ответить на контрольные вопросы.

4. Подготовить отчет.

Отправить отчет преподавателю на почту: shov_tpgk@vtomske.ru

не позднее 27.04.2020

Отчет по работе должен содержать:

1. Титульный лист, Тему и цель работы.

2. Глоссарий

3.Ответы на контрольные вопросы

Ход работы:

Изучите теоретический материал

Прослушайте видио-лекции

Промышленные сети https://youtu.be/QH2QEMocIjc

Модель OSI https://youtu.be/LoaIILWU5TM

Основные стандарты https://youtu.be/O7uBRkgAE4Q

Интерфейс передачи данных RS485 https://youtu.be/6DEfGM6dUxA

RS232 - https://youtu.be/Idn1OvPNvJs

Составьте глоссарий основных понятий по теме

Ответьте на контрольные вопросы

Теоретический материал:

Промышленные сети и интерфейсы

Обмен информацией между устройствами, входящими в состав автоматизированной системы (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнительными устройствами), происходит в общем случае через промышленную сеть (Fieldbus, "полевую шину").

Промышленные сети отличаются от офисных следующими свойствами:

o специальным конструктивным исполнением, обеспечивающим защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов;

o широким температурным диапазоном (обычно от -40 до +70 град);

o повышенной прочностью кабеля, изоляции, разъемов, элементов крепления;

o повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных помех;

o возможностью резервирования для повышения надежности;

o повышенной надежностью передачи данных;

o возможностью самовосстановления после сбоя;

o детерминированностью (определенностью) времени доставки сообщений;

o возможностью работы в реальном времени (с малой, постоянной и известной величиной задержки);

o работой с длинными линиями связи (от сотен метров до нескольких километров).

Промышленные сети обычно не выходят за пределы одного предприятия. Однако с появлением Ethernet и Internet для промышленных сетей стали применять ту же классификацию, что и для офисных

o LAN (Local Area Network) - сети, расположенные на ограниченной территории (в цехе, офисе, в пределах завода);

o MAN (Metropolitan Area Networks) - сети городов;

o WAN (Wide Area Network) - глобальная сеть, охватывающая несколько городов или континентов. Обычно для этого используют Internet-технологию.

В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных сетей (Modbus, Profibus, DeviceNet, CANopen, LonWorks, ControlNet, SDS, Seriplex, ArcNet, BACnet, FDDI, FIP, FF, ASI, Ethernet, WorldFIP, Foundation Fieldbus, Interbus, BitBus и др.). Однако широко распространенными является только часть из них.

В России подавляющее большинство АСУ ТП используют сети Modbus и Profibus. В последние годы возрос интерес к сетям на основе CANopen и DeviceNet. Распространенность в России той или иной промышленной сети связана, в первую очередь, с предпочтениями и активностью Российских фирм, продающих импортное оборудование.

Общие сведения о промышленных сетях

Промышленной сетью называют комплекс оборудования и программного обеспечения, которые обеспечивают обмен информацией (коммуникацию) между несколькими устройствами. Промышленная сеть является основой для построения распределенных систем сбора данных и управления.

Поскольку в промышленной автоматизации сетевые интерфейсы могут быть неотъемлемой частью соединяемых устройств, а сетевое программное обеспечение прикладного уровня модели OSI исполняется на основном процессоре промышленного контроллера, то отделить сетевую часть от устройств, объединяемых в сеть, иногда физически невозможно. С другой стороны, смену одной сети на другую часто можно выполнить с помощью замены сетевого ПО и сетевого адаптера или введением преобразователя интерфейса, поэтому часто один и тот же тип ПЛК может использоваться в сетях различных типов.

Соединение промышленной сети с ее компонентами (устройствами, узлами сети) выполняется с помощью интерфейсов. Сетевым интерфейсом называют логическую и (или) физическую границу между устройством и средой передачи информации. Обычно этой границей является набор электронных компонентов и связанного с ними программного обеспечения. При существенных модификациях внутренней структуры устройства или программного обеспечения интерфейс остается без изменений, что является одним из признаков, позволяющих выделить интерфейс в составе оборудования.

Наиболее важными параметрами интерфейса являются пропускная способность и максимальная длина подключаемого кабеля. Промышленные интерфейсы обычно обеспечивают гальваническую развязку между соединяемыми устройствами. Наиболее распространены в промышленной автоматизации последовательные интерфейсы RS-485, RS-232, RS-422, Ethernet, CAN, HART, AS-интерфейс.

Для обмена информацией взаимодействующие устройства должны иметь одинаковый протокол обмена. В простейшей форме протокол - это набор правил, которые управляют обменом информацией. Он определяет синтаксис и семантику сообщений, операции управления, синхронизацию и состояния при коммуникации. Протокол может быть реализован аппаратно, программно или программно-аппаратно. Название сети обычно совпадает с названием протокола, что объясняется его определяющей ролью при создания сети. В России используются сетевые протоколы, описанные в серии стандартов ГОСТ.

Обычно сеть использует несколько протоколов, образующих стек протоколов - набор связанных коммуникационных протоколов, которые функционируют совместно и используют некоторые или все семь уровней модели OSI. Для большинства сетей стек протоколов реализован с помощью специализированных сетевых микросхем или встроен в универсальный микропроцессор.

Взаимодействие устройств в промышленных сетях выполняется в соответствии с моделями клиент-сервер или издатель-подписчик (производитель-потребитель). В модели клиент-сервер взаимодействуют два объекта. Сервером является объект, который предоставляет сервис, т. е. который выполняет некоторые действия по запросу клиента. Сеть может содержать несколько серверов и несколько клиентов. Каждый клиент может посылать запросы нескольким серверам, а каждый сервер может отвечать на запросы нескольких клиентов. Эта модель удобна для передачи данных, которые появляются периодически или в заранее известное время, как, например, значения температуры в периодическом технологическом процессе. Однако эта модель неудобна для передачи случайно возникающий событий, например, события, состоящего в случайном срабатывании датчика уровня, поскольку для получения этого события клиент должен периодически, с высокой частотой, запрашивать состояние датчика и анализировать его, перегружая сеть бесполезным трафиком.

В модели взаимодействия издатель-подписчик имеется один издатель и множество подписчиков. Подписчики сообщают издателю список тегов, значения которых они хотят получать по определенному расписанию или по мере появления новых данных. Каждый клиент может подписаться на свой набор тегов. В соответствии с установленным расписанием издатель рассылает подписчикам запрошенную информацию.

В любой модели взаимодействия можно выделить устройство, которое управляет другим (подчиненным) устройством. Устройство, проявившее инициативу в обмене, называют ведущим, главным или мастером (Master). Устройство, которое отвечает на запросы мастера, называют ведомым, подчиненным или слейвом (Slave). Ведомое устройство никогда не начинает коммуникацию первым. Оно ждет запроса от ведущего и только отвечает на запросы. Например, в модели клиент-сервер клиент является мастером, сервер - подчиненным. В модели издатель-подписчик на этапе подписки мастером является клиент, а на этапе рассылки публикаций - сервер.

В сети может быть одно или несколько ведущих устройств. Такие сети называется, соответственно, одномастерными или многомастерными. В многомастерной сети возникает проблема разрешения конфликтов между устройствами, пытающимися одновременно получить доступ к среде передачи информации. Конфликты могут быть разрешены методом передачи маркера, как, например, в сети Profibus, методом побитного сравнения идентификатора (используется в CAN), методом прослушивания сети (используется в Ethernet) и методом предотвращения коллизий (используется в беспроводных сетях).

Во всех сетях применяется "широковещательная рассылка" без определенного адреса, т.е. всем участникам сети. Такой режим используется обычно для синхронизации процессов в сети, например, для одновременного запуска процесса ввода данных всеми устройствами ввода или для синхронизации часов.

Некоторые сети используют многоабонентский режим, когда одно и то же сообщение посылается нескольким устройствам одновременно.

Передача информации в сети выполняется через канал между передающим и приемным устройством. Канал является понятием теории информации и включает в себя линию связи и приемопередающие устройства. В общем случае вместо термина "линия связи" используют термин " среда передачи ", в качестве которой может выступать, например, оптоволокно, эфир или витая пара проводов.

В распределенных системах на основе промышленных сетей может быть пять типов данных: сигналы, команды, состояния, события, запросы.

Сигналы - это результаты измерений, получаемые от датчиков и измерительных преобразователей. Их "время жизни" очень короткое, поэтому часто требуется получить только последние данные и в максимально короткий срок.

Команды - это сообщения, которые вызывают некоторые действия, например, закрытие клапана или включение ПИД-регулятора. Большинство систем должны обрабатывать потоки команд, которые передаются адресату с высокой надежностью и их нельзя передать повторно.

Состояние показывает текущее или будущее состояние системы, в которое она должна перейти. Требование к времени его доставки может быть не такие жестким, как для команд; непринятое состояние может быть послано повторно.

Событие наступает обычно при достижении текущим параметром граничного значения. Например, событием может быть выход температуры за технологически допустимую границу. За появлением события должны следовать ответные действия, поэтому для событий особенно важно требование гарантированного времени доставки.

Запрос - это команда, посылаемая для того, чтобы получить ответ. Примером может быть запрос серверу, который выдает на него ответ.

Ниже при описании сетей будет использоваться понятие фрейма. Под фреймом понимают набор данных, передаваемых по сети и имеющих строго оговоренную структуру (формат). Термины "кадр", "дейтаграмма" "сегмент", используемые в стандартах на различные промышленные сети, ниже будут использованы как синонимы фрейма.

Сети могут иметь топологию звезды, кольца, шины или смешанную. "Звезда" в промышленной автоматизации используется редко. К ольцо используется в основном для передачи маркера в многомастерных сетях. Шинная топология является общепринятой, что является одной из причин применения термина "промышленная шина" вместо "промышленная сеть". К общей шине в разных местах может быть подключено произвольное количество устройств.

Основными параметрами промышленных сетей являются производительность и надежность.

Производительность сети характеризуется временем реакции и пропускной способностью.

Время реакции сети определяется как интервал времени между запросом ведущего устройства и ответом ведомого при условии, что ведомое устройство имеет пренебрежимо малую задержку выработки ответа на запрос.

Пропускная способность сети определяет количество информации, переносимой сетью в единицу времени. Измеряется в бит/с и зависит от быстродействия сетевых приемопередатчиков и среды передачи.

Важной характеристикой промышленных сетей является надежность доставки данных. Надежность характеризуется коэффициентом готовности, вероятностью доставкиданных, предсказуемостью времени доставки, безопасностью, отказоустойчивостью.

Коэффициент готовности равен отношению времени наработки до отказа к сумме времени наработки до отказа и времени восстановления после отказа.

Вероятность доставки данных определяется помехоустойчивостью канала передачи и детерминированностью доступа к каналу. В беспроводных сетях вероятность потери пакетов при передаче гораздо выше, чем в проводных. В сетях со случайным методом доступа к каналу существует вероятность того, что данные никогда не будут доставлены абоненту.

Время доставки данных в офисных сетях Ethernet является случайной величиной, однако в промышленном Ethernet эта проблема решена применением коммутаторов.

Безопасность - это способность сети защитить передаваемые данные от несанкционированного доступа.

Отказоустойчивость - это способность сети продолжать функционирование при отказе некоторых элементов. При этом характеристики системы могут ухудшиться, но она не теряет работоспособности.

В последнее время появился термин "качество обслуживания" (QoS - "Quality of Service"). QoS определяет вероятность того, что сеть будет передавать заданный поток данных между двумя узлами в соответствии с потребностями приложения.

 

Современные технические средства автоматизации (ТСА) работают в составе промышленных информационно-вычислительных сетей (ИВС). Наряду с аппаратными средствами сети и ТСА должны иметь в своем составе и сложное программное и информационное обеспечение.

Управление таким сложным, использующим многочисленную и разнообразную аппаратуру процессом, как передача и обработка данных в разветвленной сети, требует формализации и стандартизации множества процедур.

Указанные задачи решаются с помощью системы протоколов, стандартов и программ в рамках сетевой операционной системы (СОС), регламентирующих нормализованные процедуры взаимодействия элементов сети при установлении связи и передаче данных.

Протокол – это набор правил и методов взаимодействия объектов вычислительной сети, охватывающий основные процедуры, алгоритмы и форматы взаимодействия, обеспечивающие корректность согласования, преобразования и передачи данных в сети. Реализацией протокольных процедур обычно управляют специальные программы, реже – аппаратные средства.

Протоколы для ИВС – то же самое, что язык для людей. Говоря на разных языках, люди могут не понимать друг друга, – так же ведут себя и сети, использующие разные протоколы. Но и внутри сети протоколы обеспечивают разные варианты обращения с информацией, разные виды сервиса при работе с ней. От эффективности этих сервисов, их надежности, простоты, удобства и распространенности зависит то, насколько эффективна и комфортна вообще работа в сети.

HART протокол. Обмен данными между системой управления и интеллектуальными первичными датчиками может осуществляться с помощью стандартного коммуникационного протокола HART (Highway Addressable Remote Transducer - адресуемый дистанционный магистральный преобразователь). Протокол HART является "открытым" и доступен для всех производителей приборов и систем управления, желающих его использовать.

Интеллектуальные первичные устройства с HART протоколом позволяют аналоговым и цифровым сигналам сосуществовать в одной и той же паре проводов, не портя аналоговый сигнал.

Эти устройства обеспечивают преимущества цифровой связи и в то же время сохраняют совместимость и надежность аналоговых входных сигналов, которые требуются для существующих систем.

HART протокол разработан компанией Rosemount Inc. Для распространения цифровой связи компания Rosemount Inc. сделала HART протокол открытым для любого желающего его использовать.

HART протокол использует стандарт BELL 202 кодировки сигнала методом частотного сдвига (FSK) для обмена данными на скорости 1200 Бод; сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4–20 мА, на нижнем уровне. Поскольку среднее значение частотного сигнала равно нулю, цифровая связь не влияет на токовый сигнал (рис.1).

Рис. 1. Аналоговый и цифровые сигналы по HART протоколу

HART протокол построен по принципу главный (Master)–подчиненный (Slave). Это означает, что первичное устройство только отвечает на запросы. Но может оказаться двое главных (система управления и ручной коммуникатор, например). К одной линии моноканала можно подсоединить до 15 подчиненных устройств (в неискробезопасных цепях). Состояние первичного устройства передается по мере того, как каждую секунду выполняются две-три транзакции ответного сообщения.

Интерфейс - это стандартизованная среда или способ обмена информацией между двумя или более единицами оборудования: приборами, контроллерами, персональный компьютером и т.п.

Интерфейсы информационного обмена между приборами, применяемые в промышленности, могут быть двух типов:

· «точка-точка», соединяющий два прибора между собой;

· мультиприборный, позволяющий подключать более двух приборов на одну линию передачи данных.

Основная характеристика интерфейса - пропускная способность, которая показывает, сколько бит информации передается по интерфейсу за 1 секунду и измеряется в bit per second (bps, Mbps), или бит в секунду (бит/с, Мбит/с). Необходимо учитывать, что эта пропускная способность включает «накладные расходы», связанные со способом передачи данных. Для разных интерфейсов и протоколов доля полезной информации, передаваемой в секунду, может быть от 30 % до 90 % от общей пропускной способности.

Применительно к взаимодействию ЦР и промышленной сети протокол - это стандартизованный набор правил передачи информации по какому-либо интерфейсу.

Для сложных протоколов принята практика разделения их на несколько уровней (слоев). При этом каждый уровень реализуется отдельно и дополнительно стандартизуется обмен между уровнями. Это также позволяет заменять какие-то уровни (например, для адаптации к разным интерфейсам), оставляя неизменными другие. Интерфейсы и протоколы, используемые в приборах и контроллерах представлены в табл. 1.

 

 

Таблица 1.