Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии
Подождите немного. Документ загружается.
1. Физический (Phisical) Установление и поддержка
физического соединения
Физический уровень обеспечивает необходимые механические,
функциональные и электрические характеристики для установления,
поддержания и размыкания физического соединения (стандарт Х.21 IССТТ
– Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии).
Канальный уровень гарантирует передачу данных между устройствами.
Этот уровень управляет не только сетевым доступом, но также
механизмами защиты и восстановления данных в случае ошибок при
передаче (стандарт HDLC ISО).
Сетевой уровень определяет функции маршрутизации «пакета» через
несколько логических каналов по одной или нескольким сетям.
Принадлежностью пакета является сетевой адрес (стандарт Х.25 IССТТ).
Транспортный уровень решает задачи прокладки маршрута в сети и
продвижения пакета данных по маршруту. Используется механизм «окна»
с подтверждением получения данных от отправителя (стандарт
Европейской организации производителей ЭВМ- ЕСМА-72).
Сеансовый уровень определяет синхронизацию информационного
взаимодействия прикладных процессов обмена данными, т. е. поддержание
диалога между процессами определенного типа (стандарт ЕСМА-75).
Уровень представления данных обеспечивает представление данных в
требуемом формате. Хранение и обработка данных осуществляются СУБД
(стандарт ЕСМА-84, -86,-88).
Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддержку
прикладных процессов и программ конечного пользователя и управление
взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи
данных (реализуются функции «объект-объект», «объект-оператор»,
«оператор-объект», «объект-архив»).
Протокол модели ОSI представляет набор правил, определяющих
начало, сам процесс связи и его окончание между одноранговыми
объектами.
На рис. 2.43 представлен механизм передачи сообщения от
отправителя (узел А) к получателю (узел В). Сообщение содержит
пользовательские данные или является протокольным.
Перед передачей на нижеследующий уровень к сообщению
добавляется управляющая информация – заголовок уровня (#N) в
соответствии с протоколом, принятым на данном уровне. Уровням 1 и 2
модели OSI соответствуют стандарты IЕЕЕ 802.x. В рамках IЕЕЕ в 1980 г.
был образован комитет 802 по стандартизации сетей. В комитете 802 были
утверждены подкомитеты 802.1–802.9. Подкомитет 802.1 разрабатывает
архитектуру управления сетями и стандарты управления сетевыми
устройствами на аппаратном уровне; 802.2 – протоколы для подуровня 2.2
(LLС); 802.3–802.5 разрабатывают стандарты для подуровня 2.1 (МАC) и
физического уровня. 802.6 разрабатывает стандарты на городские сети;
802.7 и 802.8 - технические консультативные подкомитеты,
разрабатывают методики передачи данных в широком диапазоне частот, в
том числе по оптоволокну; 802.9 разрабатывает стандарты для
интегрированных сетей (передача речи и данных).
В стандарте IЕЕЕ 802.2 уровень 2 разделен на два подуровня:
подуровень управления доступом к среде – МАС (Medium Access Control)
и подуровень управления логическим каналом – LLС (Logical Link
Control).
Структура уровней 1 и 2 модели ОSI приведена на рис. 2.44.
Стандарты, описывающие физический уровень и МАС-подуровень:
· Стандарт IЕЕЕ 802.3 на физическом уровне представляет собой
стандарт сети Ethernet, основанный на множественном доступе с
прослушиванием несущей и обнаружением коллизий, – CSMA/СD. Сюда
также относятся Fast Ethernet (стандарт 802,3u) и Gigabit Ethernet
(стандарты 802.3z и 802.3ab – Gigabit Ethernet на витой паре категории 5).
Рис. 2.43. Механизм передачи сообщения
· Стандарт IEEE 802.4 – на физическом уровне – маркерная шина
(Token Ring).
· Стандарт 802.5 – на физическом уровне это маркерное кольцо (Token
Ring).
Рис. 2.44.Структура уровней 1 и 2 модели OSI
Помимо модели OSI существуют и другие, более простые стандарты
сетей передачи данных. Структура кадра канального уровня по протоколу
ECMA приведена на рис. 2.45.
Рис. 2.45. Структура кадра канального уровня по протоколу ECMA
На рис. 2.46 приведен формат кадра по стандарту FDDI, разработанный
ANSI. Стандарт предусматривает использование волоконно-оптической
связи, скорость передачи 100 Мбит/с, топология – «двойное кольцо».
Рис. 2.46. Формат кадра по стандарту FDDI:
P - преамбула; SD - разделитель начала кадра; FC - поле управления кадра; SA -
адрес отправителя; DA - адрес получателя; FSC - контрольная последовательность
кадра; ED -разделитель конца кадра; FS - поле статуса кадра
2.8.8.2. Топология промышленных сетей
Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого соединения
различных устройств. Существует несколько видов топологий,
отличающихся друг от друга по трем основным критериям: режим доступа
к сети; средства контроля передачи и восстановления данных;
возможность изменения числа узлов сети. Основными сетевыми
топологиями являются звезда, кольцо и шина. Известны также
древовидная/иерархическая (tree/hierarchical) топология, ячеистая (mesh) и
смешанная (mixed) топология.
Рис. 2.47. Структура «звезда»
Структура «звезда» (star). В данной топологии (рис. 2.47),
называемой также радиальной структурой, вся информация передается
через центральный узел. Каждое устройство имеет свою собственную
среду соединения. Все периферийные станции могут обмениваться друг с
другом только через центральный узел. Преимущество этой структуры в
том, что никто другой не может влиять на среду передачи. С другой
стороны, центральный узел должен быть исключительно надежным
устройством как в смысле логического построения сети (отслеживание
конфликтных ситуаций и сбоев), так и физического, поскольку каждое
периферийное устройство имеет свой физический канал связи и,
следовательно, все они должны обеспечивать одинаковые возможности
доступа. Дополнительное устройство может быть включено в сеть только в
том случае, если организован порт для его подсоединения к центральному
узлу.
Структура «кольцо» (ring). В кольцевой структуре (рис. 2.48)
информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник
копирует данные и регенерирует их вместе со своей квитанцией
подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный
передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его
информация была корректно получена адресатом.
В «кольце» не существует определенного централизованного контроля.
Каждое устройство получает функции управляющего контроллера на
строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного
узла приводит к нарушению работы «кольца», а следовательно, и к
остановке всех передач. Чтобы этого избежать, необходимо включать в
сеть автоматические переключатели, которые берут на себя инициативу,
если данное устройство вышло из режима нормальной работы. Существует
также структура «двойное кольцо», в котором одна ветвь является рабочей,
другая – резервной.
Структура «шина» (bus). В любой шинной структуре (рис. 2.49) все
устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или «шине». В
отличие от «кольца» адресат получает свой информационный пакет без
посредников. Процесс подключения дополнительных узлов к шине не
требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети,
как это имеет место в случае топологии «звезда». Однако шинная
топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи.
Данная структура также носит название «общая шина» и «магистраль».
Существуют магистральные структуры разомкнутая и типа «петля».
Сравнение характеристик рассмотренных топологий представлено в
табл. 2.24.
Таблица 2.24
Сравнительные характеристики основных топологий
Сравнительн
ые
характеристи
ки
«Звезда» «Кольцо» «Шина»
Режим
доступа
Доступ и управление
через центральный
узел
Децентрализованное
управление. Доступ от
узла к узлу
Возможны
централизованный и
децентрализованный
доступы
Надежность Сбой центрального
узла – сбой всей
системы
Разрыв линии связи
приводит к сбою всей
сети
Ошибка одного узла
не приводит к сбою
всей сети
Расширяемос
ть
Ограничено числом
физических портов на
центральном узле
Возможно расширение
числа узлов, но время
ответа снижается
Возможно
расширение числа
узлов, но время ответа
снижается
2.8.8.3. Методы организаций доступа к линии связи
Метод доступа – это набор правил, позволяющий пользователям
работать с локальной сетью, не мешая друг другу. Метод доступа
реализуется на физическом уровне. Если несколько устройств
коммутируются между собой через общую линию связи («шину»), то
должен быть определен ясный и понятный протокол доступа к ней.
Существуют два метода упорядоченного доступа: централизованный и
децентрализованный.
В случае централизованного контроля за доступом к «шине»
выделяется узел с правами мастера. Он назначает и отслеживает порядок и
время доступа к «шине» для всех других участников. Если на мастере
произошла авария, то и циклы обмена по «шине» останавливаются.
Именно по этой причине децентрализованный контроль с переходящими
функциями мастера от одного участника (узла сети) к другому получил
наибольшее развитие. Здесь права мастера назначаются группе устройств
сети. Во всем мире приняты и широко используются две модели
децентрализованного доступа.
2.8.9. Открытые промышленные сети
Открытые промышленные сети – это сети, на которые
распространяются международные стандарты промышленных сетей.
Открытые системы приводят в соответствие специфические требования
интересам всех потребителей. Только при использовании принципов
открытых систем интеграция изделий разных производителей в одну сеть
может быть решена без особых проблем. Следует упомянуть еще одну
классификацию сетей – с точки зрения их совместимости с широким
спектром технических средств различных производителей. Системы,
являющиеся уникальными (их поддерживает только один производитель),
работающие по уникальным протоколам связи, получили название
закрытых систем. Большинство таких систем зародилось во времена, когда
проблема интеграции изделий других производителей не считалась
актуальной.
В данном подразделе речь пойдет только об открытых сетях.
Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства
транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев:
- объем передаваемых полезных данных;
- время передачи фиксированного объема данных;
- удовлетворение требованиям задач реального времени;
- максимальная длина «шины»;
- допустимое число узлов на «шине»;
- помехозащищенность;
- денежные затраты в расчете на узел.
Часто улучшение по одному параметру может привести к снижению
качества по другому, т.е. при выборе того или иного протокольного
решения необходимо следовать принципу разумной достаточности.
В зависимости от области применения весь спектр промышленных
сетей можно разделить на два уровня (табл. 2.25) [24]:
· контроллерные сети (Field level) – промышленные сети этого уровня
решают задачи по управлению процессом производства, сбором и
обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;
· сенсорные сети (Sensor/actuator level) или сети низовой автоматики –
задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению
работой разнообразных исполнительных механизмов.
Таблица 2.25
Характеристики сетей типов Fieldbus и Sensorbus
Основны
е критерии
Fieldbus
Sensorbus
Расширение сети От 100 м до 10 км До 1 км
Время цикла От 1 мс до 1 с
Объем передаваемых
да
н
ных за цикл
От 8 байт до нескольких сотен байт От 1 до 8 байт
Доступ к шине Фиксированный/свободный Свободный
Цена среды передачи Низкая Очень низкая
Цена подсоединения
одного узла, ЕUR
150-500 10-100
На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов
довольно широк. Но надо помнить, что область их применения лежит на
одном из двух уровней.
Типичные представители промышленных сетей контроллерного
уровня:
ü PROFIBUS (Process Field Bus) -DP, -PA, -FMS;
ü BITBUS;
ü ControlNet.
Типичные сети низовой автоматики:
§ HART;
§ Modbus;
§ ASI (Actuator\Sensor Interface);
§ Interbus-S;
§ DeviceNet.
Типичные открытые сети для обоих уровней применения:
· CAN (Controller Area Network);
· FIP (Factory Instrumentation Protocol);
· LON (Local Operating Network).
На рис. 2.48 представлена обобщенная сетевая структура,
показывающая в общем виде возможное использование того или иного
протокола на определенных уровнях условного промышленного
предприятия [25].
Как уже отмечалось выше, понятие field определяет область,
связанную непосредственно с производственной зоной, где работают
контроллеры, датчики (давления, температуры, уровня и т.д.) и
исполнительные механизмы (клапаны, реле и т.д.). Задача промышленной
сети состоит в организации физической и логической связей датчиков с
системным интеллектом, роль которого выполняют ПЛК или
промышленные компьютеры таким образом, чтобы информация с этого
уровня была доступна общезаводской информационной системе.
Задачи, решаемые с помощью промышленных сетей:
1. Автоматизация на общезаводском уровне.
Рис. 2.48. Сетевая структура протоколов
Здесь необходимы следующие качества: высокая скорость передачи,
короткое время реакции на события, длина линий до 300 м. На этом уровне
для большинства приложений понятие взрывозащищенности не является
обязательным.
2. Автоматизация на уровне управления конкретными
технологическими процессами.
Здесь необходимы следующие качества: среднее время цикла опроса
датчиков (до 100 мс), длина линий связи до 1500 м и более, реализация
механизмов внутренней и внешней защиты.
Рассмотрим характеристики наиболее известных промышленных
сетей.
Сенсорные сети (сети низовой автоматики)
Сеть MODBUS. Этот протокол разработан фирмой Modicon (в
настоящее время входит в группу Shneider Electric) для сбора данных
контроллерами Modicon. Специальный физический интерфейс для него не
определен [24].