Системы диспетчерского управления и сбора данных

Современные системы управления характеризуются территориальной и функциональной распределенностью устройств сбора данных и управления. Контроль хода технологического процесса и управление низовой автоматикой осуществляется оператором с автоматизированного рабочего места оператора (АРМ) или операторской станции, состоящей, как правило, из цветного графического дисплея с клавиатурой, установленных в операторском помещении. При необходимости установки АРМ-оператора в цеху используются промышленные рабочие станции со встроенной клавиатурой или выполненной в пыле - влагозащищенном исполнении.

Представление данных в реальном масштабе времени о ходе технологического процесса, визуализация процесса в виде мнемосхем, составление отчетов и графиков, сигнализация отклонений параметров и другие необходимые функции осуществляются с помощью специального программного обеспечения SCADA -систем. SCADA -система (Supervisory Control And Date Acquisition – система сбора данных и оперативного диспетчерского управления) разрабатывалась, как универсальное многофункциональное программное обеспечение систем верхнего уровня, позволяющее оперативному персоналу наиболее эффективно управлять технологическим процессом. По мере развития программных и аппаратных средств наблюдается применение SCADA -систем на нижнем, контроллерном, уровне.

Основные функции SCADA - систем:

1) сбор данных о параметрах процесса, поступающих от контроллеров или непосредственно от датчиков и исполнительных устройств, например, значения температуры, давления и других параметров, положение клапана или вала исполнительного механизма;

2) обработка и хранение (архивирование) полученной информации. Под обработкой информации понимается выполнение функций фильтрации, нормализации, масштабирования, линеаризации для приведения данных к нужному формату;

3) графическое представление в цифровой, символьной или иной форме информации о ходе технологического процесса, например, представление значений переменных в виде графиков в функции времени (трендов), гистограмм, анимация;

4) сигнализация изменений хода технологического процесса, особенно в предаварийных и аварийных ситуациях в виде системы алармов. При этом может осуществляться регистрация действий обслуживающего персонала в аварийных ситуациях;

5) формирование сводок, журналов и других отчетных документов о ходе технологического процесса на основе информации, собранной в архивах;

6) формирование команд оператора по изменению параметров настройки и режима работы контроллеров, исполнительных устройств (пуск-останов, открытие-закрытие);

7) автоматическое управление ходом технологического процесса в соответствии с имеющимися в SCADA -системах алгоритмами управления (ПИ– ПИД–регулирование, позиционное, нечеткое регулирование). Данные функции рекомендуется использовать для решения задач невысокого быстродействия.

Таким образом, SCADA -системы являются мощным инструментом для разработки ПО верхнего уровня АСУ ТП. При этом от разработчика не требуется больших знаний в области программирования на языках высокого уровня.

8.1. SCADA-система InTouch ("Wonderware", США)

Программное обеспечение InTouch является объектно-ориентированным человеко-машинным интерфейсом (HMI – Human Machine Interface) для процессов сбора данных и управления, которое позволяет контролировать и управлять объектами и системами, используя графические объекты.

Основные функции HMI: отображение параметров объекта управления; отображение текущих и исторических трендов; отображение и регистрация аварийных сигналов. Средства объектно-ориентированного проектирования позволяют создавать динамические изображения, поддерживают их вращение, дублирование, копирование, вставку, стирание и др. операции. Анимационные связи поддерживают работу с дискретными, аналоговыми и строковыми переменными, горизонтальными и вертикальными движками и кнопками, а также связаны с размером и цветом текста, его местоположением, вращением и мерцанием. InTouch содержит библиотеку мастер-объектов (Wizard), включающую предварительно сконфигурированные вспомогательные средства – переключатели, ползунковые регуляторы, счетчики. Возможно создание собственных мастер-объектов применительно к конкретной системе.

Приложение Productivity Pack, являющееся дополнением к InTouch, содержит библиотеку более чем на 2000 мастер-объектов, универсальные средства просмотра на 200 файловых форматов, генератор мастер–объектов и пр.

InTouch позволяет организовать взаимодействие с другими приложениями, используя следующие стандартные средства:

- DDE -обмен (Dynamic Date Exchange – динамический обмен данными). Большинство серверов ввода-вывода (например, контроллеры) поддерживают DDE -обмен для передачи данных в InTouch -приложение, известное приложение Excel также использует DDE -механизм. Используя NetDDE, поставляемый с InTouch, пользователь получает возможность связи по DDE между задачами на разных компьютерах через сеть. Поддерживается связь между Windows, VNS и UNIX с помощью протоколов NetBIOS, TCP / IP и DecNET, а также через последовательный канал;

- OLE -технология (Object Linking and Embedding – включение и встраивание объектов). Используется для взаимодействия с др. пользовательскими приложениями;

- ОРС - программы (OLE for Process Control – OLE для управления процессами).

InTouch 7.11, поддерживаемая ОС Windows NT, является одним из компонентов интегрированного пакета программного обеспечения для полной автоматизации производства Factory Suite 2000.

Компоненты Factory Suite используются на трех уровнях автоматизации:

- на контроллерном уровне (управление процессом с помощью ПЛК, УСО, рабочих станций);

- на уровне SCADA -систем (супервизорное управление технологическим процессом);

- на уровне MES -систем (оперативно-диспетчерское управление процессом).

Factory Suite построен на открытых технологиях COM, DCOM, OPC, ActiveX и содержит большое число серверов ввода-вывода, обеспечивающих связь с оборудованием, приборами и устройствами связи. Вся информация накапливается в реляционной базе данных реального времени Industrial SQL Server. За счет использования протокола SuiteLink обеспечивается высокое быстродействие (запись около 40000 параметров в секунду с частотой записи до 1мс), компактность хранения данных (2-х месячный архив из 4000 параметров занимает около 2 Мбайт дискового пространства). IndustrialSQL Server использует возможности Microsoft SQL Server, в том числе его возможности фильтрации, объединения и обработки данных для удобства их запроса и выборки. IndustrialSQL Server может автоматически обновлять статистические данные в виде сводных таблиц с заданной производительностью, фиксируя средние, а также максимальные и минимальные значения параметров. Данные из SQL сервера в виде отчетов могут передаваться путем Web -файла в Internet и далее удаленным пользователям, а также через GSM-модем запрашиваться и передаваться потребителям. Кроме IndustrialSQL Server в FactorySuite входят приложения-клиенты FactoryOffice, предназначенные для создания текущих и архивных трендов, графиков и таблиц.

Помимо объектно-ориентированной графики, анимационных связей и библиотеки мастер–объектов, InTouch дает пользователям возможность удаленного доступа к источникам данных ввода-вывода (например, Microsoft Excel) без необходимости создания тэга (тэг – это запись базы данных, содержащая информацию о параметре процесса) в локальной базе данных тэгов. Другими функциями InTouch являются одновременная поддержка многочисленных источников алармов (поддержка от 1 до 999 приоритетов алармов). Алармы могут быть выведены на экран, записаны на диск и выведены на печать. Также InTouch позволяет создавать исторические тренды и тренды реального времени с возможностью одновременного отображения до 8-ми переменных (тренд реального времени поддерживает работу с четырьмя переменными). При этом каждая переменная читается из собственного файла. Возможен экспорт данных в Excel, файл данных или в канал DDE. Кроме того, пользователь может генерировать отчеты напрямую из проекта InTouch путем прямого форматирования экрана, выводить на печать или рассылать по электронной почте.

Благодаря наличию функции SPC (Statistical Process Control – Статистическое Управление Процессом) InTouch предоставляет возможность статистического управления процессом на уровне оператора. Также функции пакета поддерживают логические и математические выражения. Пользователь может выводить на экран действительные числа с одним знаком после запятой (при вычислениях используется плавающая арифметика с двойной точностью). Кроме того, пользователь может описывать свои собственные функции с добавлением их в меню.

Система паролей InTouch предоставляет встроенную систему доступа на 10000 уровней, гарантирующую надежную защиту системы.

Проекты с использованием InTouch широко используются в различных отраслях промышленности.

Пакет InControl – это система программирования и управления с открытой архитектурой реального времени, позволяющая создавать архитектуру SoftPLC с заменой традиционного ПЛК на PC, подключенный к устройствам ввода-вывода через локальные сети Profibus, Modbus и др. InControl поддерживает языки релейной логики (LD), последовательных функциональных схем (SFC) и структурированного текста (ST) по стандарту IEC 61131-3. Поддерживается технология ActiveX (ПИ-, ПИД-регуляторы, нечеткая логика и др.). Также допускается программирование с использованием традиционных языков программирования. Встроенный менеджер проектов позволяет организовать приложения по проектам, редактировать все программы в рамках одного проекта, присваивать приоритеты на управление разным задачам. InControl поддерживает различные промышленные интерфейсы и сети – Profibus, DeviceNet, Interbus, DDE, SDS, Internet и др. Подобно другим компонентам FactorySuite InControl через набор мастер-объектов интегрируется с InTouch.

Пакет InTrack – система управления производственными процессами: от закупки сырья, материалов и комплектующих до выпуска готовой продукции. Различные схемы производственных процессов создаются в специальном графическом редакторе и включают мастер–объекты, среди которых есть производственные цепочки, материальные ресурсы, продукты и пр. Таким образом, в рамках одной прикладной программы совмещаются функции SCADA-системы и MES-системы (Manufacturing Execution System – Производственная исполнительная система). Использование DDE-обмена и OLE-технологии позволяют организовать связь с устройствами ввода-вывода, а также с системами верхнего уровня MRP (Management and material Resource Planning- система планирования ресуров предприятия). InTrack включает в себя, подобно InTouch, тэги, текущие и исторические тренды, алармы, сценарные функции и мастер-объекты. За счет встроенных функций открывается возможность автоматизации задач учета, планирования и диспетчеризации производства.

InBatch – гибкая система управления процессами дозирования и смешения в металлургической, химической, пищевой и др. отраслях промышленности. Имеется возможность моделировать процессы, создавать рецепты и имитировать их исполнение, а также управлять реальным процессом. InBatch тесно интегрирован с InTouch, что позволяет оператору вести мониторинг периодических процессов дозирования и смешения. Кроме того, InBatch имеет набор функций для интеграции с ERP-системами (Enterprise Resource Planning – система планирования производства), в том числе осуществлять планирование сроков, материалов и производственных результатов производственных процессов.

FactorySuite Web Server с помощью утилиты Application Publisher выполняет функции преобразования созданных InTouch приложений в вид, доступный для просмотра с любого удаленного узла, и управления производственным процессом в режиме реального времени через Internet и Intranet.

В январе 2003 г. появилась новая версия InTouch 8.0 пакета FactorySuite A2 на платформе ArchestrA компании Invesys, объединяющей все компоненты FactorySuite А2. В числе новых компонентов – сервер приложений Industrial Application Server (IAS), пришедший на смену IndustrialSQL Server. IAS включает БД Galaxy со средой разработки приложений IDE (Integrated Development Environment) и средой исполнения. IAS обеспечивает сбор и обработку информации в режиме РВ, управление подсистемами алармов и событий, сервисы управления данными и может быть полнофункциональным или распределенным (БД, компоненты, среда разработки и среда исполнения разнесены по рабочим станциям). IAS в отличие от InTouch 7.11 оперирует не с тэгами, а с объектами ("аналоговое устройство", "дискретное устройство", "платформа", "переключатель" и др.). Использование платформы ArchestrA обеспечивает интеграцию IAS, БД IndustrialSQL Server и SCADA-системы InTouch 8.0, сокращая время разработки приложений для автоматизации всего производства. ArchestrA, таким образом, заполняет нишу между АСУ ТП и ERP - системами верхнего уровня.

8.2. SCADA-система Trace Mode ("AdAstra Research Group", Россия)

Trace Mode – это 32-разрядная SCADA-система, имеющая сертификат Госстандарта РФ и широкое распространение в России и странах СНГ. Trace Mode является интегрированной SCADA/HMI и SoftLogic системой, когда разработка приложений для операторских станций и контроллеров производится в рамках одного проекта на базе единого ПО. За счет использования принципов автопостроения проекта сокращаются время его разработки и стоимость.

Архитектура системы Trace Mode – это клиент-серверная архитектура с использованием общей модели объектов DCOM для ОС Windows NT/2000/XP. Основу Trace Mode составляет мощный сервер и БД реального времени. Связь с клиентскими модулями, приложениями SCADA-систем, УСО и СУБД осуществляется через стандартные интерфейсы DCOM, OPC,HTTP, DDE, T-COM, ActiveX, SQL/ODBC.

Основные функции системы Trace Mode 5:

1) Модульная структура с числом каналов от 128 до 64000x16.

2) Встроенная поддержка российских контроллеров Ремиконт, Ломиконт, Ш711, КРУИЗ, МФК, ЭК2000 и др.

3) Поддержка международного стандарта на средства программирования контроллеров IEC 61131-3.

4) Библиотека драйверов контроллеров фирм Rockwell Automation, Siemens, Schneider Electric, Moeller, PEP, Fisher Rosemount и др.

5) Средства программирования PC-base контроллеров М1С2000, ROBO, Lagoon, TREI и др.

6) Встроенная система более 150 алгоритмов АСУТП, в том числе алгоритмы фильтрации, ПИ- и ПИД-регулирования, нечеткое и позиционное регулирование, ШИМ-преобразование и др., а также адаптивная настройка регуляторов.

7) Открытость для встраивания пользовательских алгоритмов и форм отображения ActiveX.

8) Возможность резервирования локальных сетей, датчиков, архивов с автоматическим восстановлением после сбоя.

Суть автопостроения, ускоряющего разработку проекта, заключается в автоматическом генерировании баз каналов операторских станций и контроллеров на основе информации о числе точек ввода-вывода, номенклатуре контроллеров и УСО, характере связи между ПК и ПЛК.

Благодаря автопостроению, разработка АСУ ТП сводится к следующему:

- В рабочем поле Редактора базы каналов размещаются иконки (объекты) контроллеров и операторских станций.

- Указываются число сигналов ввода-вывода и наличие информационного обмена между узлами.

- Запускается автопостроение, которое автоматически формирует базы каналов проекта.

Разработка графического интерфейса осуществляется с помошью Редактора представления данных (аналогичного Редактору базы каналов), который позволяет создавать мнемосхемы технологических объектов и динамические объекты (гистограммы, тренды, бегущие дорожки и пр.). Библиотека объектов включает емкости, теплообменники, кнопки и др. Пользователь может на языке Visual Basic (VB) написать собственные формы как ActiveX и встроить их в Trace Mode. Возможна отладка проекта из редактора Trace Mode в режиме реального времени.

По протоколам TCP/IP, IPX/SPX, DCOM, DDE/NetDDE, OPC и др. осуществляется связь с офисными приложениями Excel, Access, MS SQL Server, Oracle, SyBase, BaseStar, R/3, программами ПАРУС и ГАЛАКТИКА на уровне АСУП.

Основу ПО диспетчерского уровня управления составляют МРВ. МРВ Trace Mode – это сервер реального времени, осуществляющий прием данных с контроллеров, управление процессом, визуализацию информации, расчет ТЭП, ведение архивов (с дискретностью 0,001 с).

Trace Mode содержит средства для разработки АРМ руководителя с помощью модулей Supervisor, которые предоставляют руководителю всю необходимую информацию о параметрах и состоянии технологического процесса.

Trace Mode позволяет создавать резервированные многоуровневые АСУ ТП масштаба предприятия на базе ведущих сетевых ОС с обменом по протоколу NetBios, NetBEUI, IPX/SPX, TCP/IP. Сетевые комплексы допускают структурирование с выделением следующих уровней: контроллеров, диспетчерского и административного.

Оформление отчетов о ходе технологического процесса осуществляется с помощью Сервера документирования. Сервер принимает данные от удаленных модулей и обрабатывает их в соответствии со сценариями. Готовые отчеты могут быть записаны в файл, выведены на печать, экспортированы в СУБД или представлены в Internet. Для обмена информацией по сети Internet используется Web-сервер Trace Mode. Технология тонкого клиента позволяет осуществлять визуализацию процесса, формировать тренды и алармы, формировать управляющие воздействия с помощью Web-броузера.

Trace Mode поддерживает технологии телеуправления через GSM и SMS. GSM-активатор для Windows NT предоставляет пользователям на сотовые телефоны отчеты тревог, позволяет передавать с сотового телефона команды управления, получать информацию по запросу с сотового телефона.

8.3. SCADA-система SIMATIC WinCC ("Siemens", Германия)

Основу WinCC составляет базовая система, поддерживающая основные интерфейсы SCADA-систем,- ОРС, ActiveX, ODBC, SQL и др.

В состав базовой системы входят следующие компоненты: Control Center, Graphics Designer, Alarm Logging, Tag Logging, User Archiv, Report Designer, Global Scripts, User Administration.

Control Center выполняет следующие функции:

1) Обзор данных проекта и глобальных установок системы;

2) Запуск среды разработки или исполнения; формирование общей базы данных переменных и сообщений с контроллеров Simatic; осуществление коммуникаций с контроллерами;

3) Конфигурацию многопользовательской клиент-серверной сетевой системы.

4) Graphics Designer используется для создания мнемосхем и динамических графических элементов с использованием:

5) Стандартных объектов (текстов, линий, прямоугольников, кругов, статической графики и пр.);

6) Пользовательских объектов управления, ActiveX объектов;

7) Режима On-line, поддержки OLE Automation.

Alarm Logging применяется для сбора и архивации событий в системе. Поступающие сообщения отображаются, а также могут генерировать звуковые сигналы тревоги. Сообщения могут подтверждаться оператором (квитироваться) в зависимости от степени важности.

Tag Logging используется для архивирования измеряемых величин. Архивация производится по выбору или в базу данных Sybase Anywhere, или в DBASE формат. Данные из архива отображаются в виде кривых или таблиц. Возможно формирование данных для статистической оценки работы системы, а также импорт и экспорт архивов на внешний носитель.

User Archiv служит для хранения пользовательских данных в форме записей со свободно–параметрируемой структурой, определяемой пользователем. Доступ к базам данных осуществляется как через ODBC и SQL, так и через WinCC API.

Report Designer служит для генерации отчетов в свободно-программируемом формате, управляемых событиями или по времени. Генерируются протоколы поступающих сообщений, измеряемых величин и архивов, протоколы пользовательских отчетов, распечатки списков переменных и т.д.

Global Scripts служит для программирования действий, производимых с объектами, а также программ, выполняющихся в фоновом режиме. Функции, написанные пользователем на языке ANSI-C, могут считывать и устанавливать значения переменных, вызывать на экран новые изображения, генерировать сообщения об ошибках, генерировать протоколы, подключать динамические библиотеки (DLL) и пр.

User Administration служит для управления правами доступа пользователей в системе.

Ко всем перечисленным модулям WinCC имеет API интерфейс. Система поддерживается ОС Windows NT SP6 или Windows 2000 SP2 (системная шина PCI).

Список литературы

1. Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микроконтроллеры / Авторы: В.И. Бойко, А.Н. Гуржий, В.Я. Жуйков, А.А. Зори, В.М. Спивак, Т.А. Терещенко, Ю.С. Петергеря. – СПб.: БХВ – Петербург, 2004. – 464 с: ил.

2. Анашкин А.С., Кадыров Э.Д., Харазов В.Г. Техническое и программное обеспечение распределенных систем управления. – С. Петербург: «П-2», 2004. – 368 с, ил.

3. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Энциклопедия. – СПб.: Питер, 2002. – 528 с: ил.

4. Мячев А.А. Интерфейсы систем обработки данных: Справочник /А.А. Мячев, В.Н. Степанов, В.К. Щербо / Под ред. А.А. Мячева. – М.: Радио и связь, 1989. – 416 с.

5. Основные понятия и базовые компоненты AS -интерфейса / В. Половинкин // Современные технологии автоматизации – 2002. – №4. – С. 18-29.

6. Практика построения промышленных сетей на базе AS -интерфейса / К. Кругляк // Современные технологии автоматизации – 2002. – №4. – С. 30-39.

7. Датчик давления «Метран-100» / Руководство по эксплуатации СПГК.5070.000.00 РЭ // Версия 4.1. – Челябинск – 2004. – 161 с.

8. LOGO! Руководство A5E00380835-01 / © Siemens AG 2004. Редакция 02/2005

9. Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем. – М.: Горячая линия - Телеком, 2000. – 256 с.

10. Киреева Э.А. Микропроцессорные устройства, повышающие надежность работы защиты и автоматики: Учебное пособие по курсу «Автоматизация управления системами электроснабжения» – М.: Издательство МЭИ, 2004. – 28 с.

11. Блок микропроцессорный релейной защиты БМРЗ. Руководство по эксплуатации ДИВГ.648228.001 РЭ / НТЦ «Механотроника»

12. Микропроцессоры. В 3-х кн. Кн. 1. Архитектура и проектирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов: Учеб. для втузов / П.В. Нестеров, В.Ф. Шаньгин, В.Л. Горбунов и др.; Под редакцией Л.Н. Преснухина. М.: Высш. шк., 1986.– 495 с: ил.

13. Микропроцессоры: В 3-х кн. Кн. 2. Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы: Учеб. для втузов / В.Д. Вернер, Н.В. Воробьев, А.В. Горячев и др.; Под ред. Л.Н. Преснухина. – М.: Высш. шк., 1986.–383 с: ил.

14. Микропроцессоры: В 3-х кн. Кн. 3. Средства отладки, лабораторный практикум и задачник: Учеб. для втузов / Н.В. Воробьев, В.Л. Горбунов, А.В. Горячев и др.; Под ред. Л. Н. Преснухина. – М.: Высш. шк., 1986.– 351 с: ил.

15. Майоров С. А. и др. Введение в микроЭВМ / С.А. Майоров, В.В. Кириллов, А.А. Приблуда. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988.– 304 с: ил.

16. Дж.Ф. Уэйкерли. Проектирование цифровых устройств, том 1. Москва: Постмаркет, 2002. - 544с.

17. Дж.Ф. Уэйкерли. Проектирование цифровых устройств, том 2. Москва: Постмаркет, 2002. - 528с.

18. Проектирование цифровых вычислительных машин. Под ред. С.А. Майорова. Учебное пособие для студентов пузо». М., «Высш. школа», 1972. 344 с. с ил.

Приложения

Описание шины CAN

Впервые идея CAN (Control Area Network) была предложена в середине 80-х немецкой компанией Bosch, которая задумывала ее в качестве экономичного средства для объединения контроллеров, расположенных внутри автомобиля. Традиционный способ связи распределенных по объекту контроллеров жгутами проводов по своей технической сложности, по ценовым и по весовым параметрам для столь массового изделия, коим является автомобиль, оказался непригоден. Требовалось альтернативное решение, сокращающее количество проводов, поэтому был предложен протокол CAN, для которого достаточно любой проводной пары.

Идея заключалась в том, чтобы создать сетевое решение для распределённых систем, работающих в реальном времени. Первоначально CAN применялся в автомобилях, но затем область его применения расширилась и на проблемы автоматизации технологических процессов.

CAN обеспечивает высокий уровень защиты данных от повреждения даже при работе в сложных условиях (сильные помехи), при этом достигается достаточно большая скорость передачи данных (до 1 Мбит/с). Важным достоинством CAN является также то, что разработчик системы может влиять на приоритет сообщений с тем чтобы самые важные из них не ожидали в очереди на отправку. Это свойство CAN позволяет строить сети, поддерживающие реальный масштаб времени.

Высокая степень и надежности сети благодаря развитым механизмам обнаружения и исправления ошибок, самоизоляции неисправных узлов, нечувствительность к высокому уровню электромагнитных помех обеспечивает сети широчайшую сферу применения.

Немалую роль играет и возможность поддержки разнотипных физических сред передачи данных от витой пары до оптоволокна и радиоканала. А ряд оригинальных механизмов сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковещание, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи данных способствуют эффективной реализации режима реального времени в системах распределенного управления. Основные характеристики сети приведены в табл. 2.1Х.

Таблица 2.1Х. Характеристики сети CAN

Стандарт	ISO 11898
Скорость передачи	1 Мбит/с (максимум)
Расстояние передачи	1000 м (максимум)
Характер сигнала	дифференциальное напряжение
Линия передачи	витая пара
Количество драйверов
Количество приемников
Схема соединения	полудуплекс, многоточечная

2.8.1.1. Организация сети CAN

В любой реализации CAN – физическая среда передачи данных (носитель) интерпретируется как эфир, в котором контроллеры, работают как приемники и передатчики. При этом, начав передачу, контроллер не прерывает слушание эфира, в частности он отслеживает и контролирует процесс передачи текущих, предаваемых им же, данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы, передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик, передаваемый по шине, поэтому контроллеры CAN сети производят аппаратную селекцию сообщений.

Сеть CAN предназначена для коммуникации так называемых узлов. Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).

Контроллеры CAN соединяются с помощью шины, которая имеет как минимум два провода CAN_H и CAN_L, по которым передаются сигналы при помощи специализированных ИМС приемо-передатчиков. Кроме того, ИМС приемо-передатчиков реализуют дополнительные сервисные функции:

- регулировка скорости нарастания входного сигнала;

- защита выходов передатчиков от повреждения при замыкании линий связи с цепями питания и при повышении напряжения на этих линиях;

- внутренняя тепловая защита;

- режим пониженного энергопотребления. В этом режиме приемники продолжают сообщать контроллеру о состоянии шины для того, чтобы при обнаружении информационных сигналов он мог вывести приемо-передатчики в нормальный режим работы.

Наиболее широкое распространение получили два типа приемо-передатчиков (трансиверов):

- «High Speed» – высокоскоростные приемо-передатчики (ISO 11898-2);

- «Fault Tolerant» – отказоустойчивые приемо-передатчики.

Трансиверы, выполненные в соответствии со стандартом «High-Speed» (ISO 11898-2), относительно простые, дешевые и могут передавать данные со скоростью до 1 Мбит/с. Приемо-передатчики «Fault-Tolerant» не чувствительны к повреждениям на шине, позволяют строить высоконадежную сеть со скоростью передачи данных до 125 кбит/с и малым энергопотреблением.

2.8.1.2. Физический уровень канала CAN.

В подавляющем большинстве случаев используется физический уровень CAN определенный в стандарте ISO 11898, который в качестве среды передачи данных определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом 120 Ом. В соответствие с протоколом максимальная скорость сети CAN равна 1 Мбит/с. При такой скорости максимальная длина кабеля равна примерно 40 м.

Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью распространения сигнала и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно), т.е. сигнал должен успеть распространиться по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети.

Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице 2.Х.

Таблица 2.Х. Зависимость скорости передачи от длины сети

Скорость передачи, кбит/с
Максимальная длина сети, м

Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L. Логическая единица – в случае, когда сигналы CAN_HI и CAN_LO одинаковы, отличаются менее чем на 0,5 В.

Логический ноль – называется доминантным битом, а логическая единица – рецессивным. При одновременной передаче в шину логического нуля и единицы, на шине будет зарегистрирован логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).

Использование такой дифференциальной схемы передачи делает возможным работу CAN сети в очень сложных внешних условиях.

2.8.1.3. Арбитраж шины CAN.

Быстродействие CAN сети достигается благодаря механизму не деструктивного арбитража шины посредством сравнения бит конкурирующих сообщений. Т.е. если случится так, что одновременно начнут передачу несколько контроллеров, то каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера пытаются передать следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой контроллер прервёт свою передачу до того времени пока шина вновь не освободится

Эта спецификация CAN исходит из предположения, что все контроллеры принимают сигналы с шины одновременно.