Промышленные сети. Для организации эффективного управления производственным процессом все его этапы должны быть связаны информационными сетями

Для организации эффективного управления производственным процессом все его этапы должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между датчиками, контроллерами и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием «промышленные сети» (FieldBus, полевая шина) [27, 44 - 53].

Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств (например, RS485) и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия.

Сейчас на рынке присутствует около 50 Fieldbus-систем.

Системы, являющиеся продуктом только одного производителя, работающие по уникальным протоколам, носят название «закрытых систем» (closed / proprietary systems). Такие системы не обеспечивают совместимость приборов от разных производителей.

Требованиям современной организации производства соответствуют «открытые системы» (open systems), которые приведены в соответствие специфичным требованиям всех производителей. Только на основе открытых систем может быть решена задача интеграции изделий разных производителей в одну сеть.

Если некоторая fieldbus-технология относится к открытым системам, то она должна обладать следующим рядом принципиальных качеств:

· включаемостью (interconnectivity), то есть возможностью свободного физического включения в общую сеть устройств от различных производителей;

· взаимодействием (interoperability), то есть возможностью построения работоспособной сети на основе включения компонентов от различных поставщиков;

· взаимозаменяемостью (inter-changeability) - возможностью замены компонентов аналогичными устройствами от других производителей.

Fieldbus - это основополагающий термин, определяющий некоторую цифровую сеть, призванную заменить широко использовавшуюся ранее централизованную аналоговую 4-20 мА-технологию. Такая сеть является цифровой, двунаправленной, многоточечной, последовательной коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от друга (по функциям) таких устройств, как контроллеры, датчики, силовые привода и т. п. Каждое field-устройство обладает самостоятельным вычислительным ресурсом, позволяющим относить его к разряду интеллектуальных (smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно самостоятельно выполнять ряд функций по самодиагностике, контролю и обслуживанию функций двунаправленной связи. Доступ к нему возможен не только со стороны инженерной станции, но и со стороны аналогичных ему устройств.

Каждое устройство может выполнять функции управления, обслуживания и диагностики. В частности, оно может сообщать о возникающих ошибках и обеспечивать функции самонастройки. Это существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровождению.

В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня:

1) Field Level - промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению производством, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;

2) Sensor / actuator Level - задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой исполнительных механизмов.

Исторически все промышленные сети являются продуктом эволюции порта RS-232, который предназначался для подключения на двухпроводном шнуре одного периферийного устройства к персональной ЭВМ. Его применение ограничивалось дальностью передачи 15 м, которое удалось снять путем применения токовых петель и низковольтных дифференциальных протоколов RS-422. RS-422 обеспечил полнодуплексный режим (попеременная передача данных в обоих направлениях). Однако связь приемников (10 адресов) обеспечивалась одним передатчиком.

Следующим шагом стало создание серийного протокола RS-485, предполагающего многоточечное подключение (32 адреса). Работая с COM-портом и витой парой, можно выбирать любое из подключенных устройств. Применяя репитеры, можно увеличить количество адресуемых устройств.

Скорость передачи по линии заметно падает на максимальных расстояниях (1300 м - до 90 Кбод, 200 м - 500 Кбод). В настоящее время RS‑485 в чистом виде применяется для создания сетей сбора данных и общения с устройствами, для которых не существенны временные параметры (инертные процессы и низкоскоростные устройства).

Таблица 3.1 - Характеристики стандартных физических интерфейсов
Характеристика	RS-232C	ИРПС	RS-422	RS-485
Вид передачи	синхр./асинхр.	асинхр.	синхр./асинхр.	синхр./асинхр.
Среда передачи	витая пара	четырех проводная связь	2 инф. линии, 1 линия заземл.	витая пара/две витые пары
Помехочувствительность	свойственная двухпроводной передаче	уровень синфазных помех в канале до 3 В
Способ кодирования	12 В	40 мА и 20 мА	12В
Макс. число приемников / передатчиков на линии	1/1	1/10	32/32
Макс. длина линии (без повторителей), м
Макс. скорость передачи, Кбод	38,4	6,6		90...500

Ограниченные скоростные возможности стандартного COM-порта (115 Кбод) привели к появлению новой сетевой идеологии нижнего уровня. В основе физического слоя (physical layer) практически всех полевых шин лежит протокол RS-485 как электрическое содержание среды передачи, различие состоит в своде правил движения информации.

Для дискретных производств больше подходят асинхронные протоколы обмена. Но здесь возникает вопрос о времени отклика устройства и режиме реального времени. Еще необходимо учесть приоритетность запросов от устройств.

Для (циклических) непрерывных производств более приемлемыми оказываются синхронные способы передачи. Обновление информации в контроллере осуществляется за фиксированный промежуток времени для самого удаленного узла. Этот режим позволяет работать на больших скоростях, но на ограниченных расстояниях. Синхронизация обеспечивается специальным MASTER-узлом с использованием еще одной дифференциальной пары проводов.

MASTER-узел - это логический центр любой топологии. Ведомый узел (SLAVE) может активизировать среду передачи только по запросу ведущего узла (MASTER). Данный принцип является наиболее распространенной на контроллерном (Field Level) и датчиковом (Sensor / actuator Level) уровнях.

Помимо принципа доступа MASTER/SLAVE в некоторых сетях реализован метод CSMA/CD. Здесь каждый блок данных содержит дополнительный идентификатор, который является приоритетом данного сообщения. Каждый узел-приемник выбирает предназначенные для него сообщения.

Если вернуться к вопросу о выборе того или иного протокола связи, то здесь однозначного ответа дать нельзя. Выбор должен основываться на специфике следующих признаков:

· непрерывность и дискретность процесса;

· требование работы в реальном времени (РВ);

· разбросанность или сосредоточенность контролируемых точек;

· малая (до 2-3 десятков) или большая (до нескольких сот) информационная плотность;

· степень электрической и(или) электромагнитной зашумленности;

· стоимость варианта.

Наиболее распространенными Fieldbus-шинами являются: CAN, LON, PROFIBUS, Interbus, WorldFIP, HART, ASI, ControlNet и др. Характеристики некоторых из них сведены в таблице 3.1 и приложении А. Сравнительная характеристика промышленных сетей приведена в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Возможные области применения FieldBus
Протокол	Непре-рывное пр-во	Дис-кретное пр-во	Возможность работы в РВ	Даль-ность до 3 км	Даль-ность свыше 3 км	К-во уст-в менее 33	К-во уст-в более 33	Работа в зашумл. зонах
BITBUS	+		+	+		+	+
WorldFIP	+	+	+	+			+
CANBUS		+		+		+		+
LonWorks		+	+	+			+
HART		+		+		+
ASI		+	+	+			+	+
PROFIBUS-
FMS	+	+		+	+		+
OP	+	+	+	+	+		+
PA	+	+		+	+		+	+
INTERBUS-S	+				+		+

При выборе коммуникационной технологии можно руководствоваться количественными параметрами (объем передаваемых полезных данных, максимальная длина шины, допустимое число узлов на шине, помехозащищенность и др.), ценовым критерием (затраты в расчете на один узел), популярностью, эффективностью решения задачи, простотой конфигурирования и т. д. При этом улучшение одного параметра может привести к ухудшению другого. [27]