Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Наш опрос
Оценка сайта нано-е.рф
Всего ответов: 58
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Сети (МИФИ) » Домашние задания (по сетям МИФИ)

Элементная база промышленных сетей
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ "МИФИ"

ФАКУЛЬТЕТ "АВТОМАТИКА И ЭЛЕКТРОНИКА"
Кафедра "Микро- и наноэлектроники"

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ №1
НА ТЕМУ
"Элементная база промышленных сетей"


Подготовил студент группы А9-09: Ковалев Е.А.
Преподаватель: доц. Лапшинский В.А.


Москва 2013


Глоссарий
АСУ – автоматическая система управления
ТП – технологический процесс
ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема
ТПТС – Типовые Технические Средства
UART – Universal Asynchronous Receiver-Transmitter – Универсальный асинхронный приёмопередатчик
IRDA – Infrared Data Association – инфракрасный порт
SDRAM – Synchronous Dynamic Random Access Memory — синхронная динамическая память с произвольным доступом

1 Введение
Построение единой информационной инфраструктуры промышленных предприятий, обеспечивающей совместную работу программных и аппаратных средств систем АСУП и АСУТП, становится все более актуальной задачей.[1]

На пути резко возрастающих информационных потоков стоят технологические барьеры между различными уровнями автоматизации, возникшими в результате независимого развития АСУП и АСУТП. По оценкам экспертов, только сбор данных в реальном масштабе времени о различных аспектах производственных процессов приведет в ближайшие годы почти к тридцатикратному увеличению трафика в распределенных системах промышленного управления, причем значительно возрастут потоки информации между датчиками и программируемыми контроллерами. Поэтому одной из задач комплексной автоматизации является организация межсетевого обмена в масштабах всего предприятия на основе стандартной масштабируемой высокопроизводительной технологии.

Связь в этих системах реализуется на базе надёжных каналов обмена с достаточно высокой пропускной способностью, а так же с использованием специального оборудования и его элементной базы. По типу компьютерные сети можно подразделить на:
1. Глобальные сети (WAN, Wide Area Network)
2. Локальные сети (LAN, Local Area Network)
3. Региональные сети (MAN, Metropolian Area Network)

2 Виды промышленных сетей
Промышленная сеть – сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации, а так же набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих связать оборудование различных производителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней АСУ.

Устройства используют сеть для:
· передачи данных, между датчиками, контроллерами и исполнительными механизмами
· диагностики и удалённого конфигурирования датчиков и исполнительных механизмов
· калибрования датчиков
· питания датчиков и исполнительных механизмов
· передачи данных между датчиками и исполнительными механизмами минуя центральный контроллер
· связи между датчиками, исполнительными механизмами, ПЛК и АСУ ТП верхнего уровня
· связи между контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса (SCADA)

К промышленной сети предъявляются следующие требования:
1. Достаточная производительность.
2. Предсказуемость времени доставки информации.
3. Помехоустойчивость.
4. Доступность и простота организации канала передачи данных.
5. Максимально широкий сервис для приложений верхнего уровня.
6. Минимальная стоимость аппаратной реализации.
7. Возможность реализации “распределённого управления” путём предоставления нескольким ведущим узлам прав контроля канала связи.
8. Управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций.

В таблице 1 приведены наиболее распространенные промышленные шины.

Таблица 1 – Основные характеристики наиболее распространенных промышленных шин[2]


3 Применение Ethernet
Стандарт Ethernet (от лат. aether – эфир) реализует пакетную технологию построения компьютерных сетей. Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде обмена — на канальном уровне.

Стандарт Ethernet очень удобен при построении различного рода сетей, целесообразно использовать его при построении АСУ ТП. Преимуществами Ethernet являются высокая скорость передачи данных, относительная простота формирования сети, возможность стыковки сети АСУ ТП с локальной сетью предприятия, большой выбор недорого коммуникационного оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для промышленного применения.

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии Ethernet, в частности Industrial Ethernet - сеть, используемая на промышленных объектах с тяжелыми условиями эксплуатации оборудования. Industrial Ethernet обычно используется для обмена данными между программируемыми контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса.

К сетям, работающим в условиях промышленного применения (Industrial Ethernet), предъявляются следующие требования:
1) Высокая пропускная способность и скорость передачи данных.
2) Соответствие сетевого оборудования промышленным условиям эксплуатации. Должны обеспечиваться защита сетевого оборудования от пыли и влаги; расширенный температурный диапазон эксплуатации (обычно от -40 °С до +85 °С); увеличенный цикл жизни; возможность удобного монтажа; низковольтное питание с возможностью резервирования, прочные и износостойкие разъемы и коннекторы.

Industrial Ethernet оборудование имеет значительно большее время наработки на отказ, чем офисное сетевое оборудование.

Отличия Industrial Ethernet от обычного Ethernet:
· Стандарты на кабели и разъемы, удовлетворяющие специфическим требованиям промышленности: усиленное экранирование, стойкость к агрессивным средам и т. п. Стандарты на кабели и разъемы, удовлетворяющие специфическим требованиям промышленности: усиленное экранирование, стойкость к агрессивным средам и т. п.
· Специальные стандарты и устройства для связи с подвижными объектами: гибкие кабели, устройства беспроводной связи Специальные стандарты и устройства для связи с подвижными объектами: гибкие кабели, устройства беспроводной связи
· Дополнение стека протоколов TCP/IP протоколом RFC 1006 обеспечивает регулярную и частую передачу по сети небольших объемов информации, что характерно для обмена данными между промышленными контроллерами Дополнение стека протоколов TCP / IP протоколом RFC 1006 обеспечивает регулярную и частую передачу по сети небольших объемов информации, что характерно для обмена данными между промышленными контроллерами
· C помощью специальных коммутаторов можно организовать кольцевую топологию, которая при обрыве восстанавливает связь, то есть находит новый путь для передачи данных значительно быстрее, чем приема

4 Виды наиболее используемого сетевого оборудования
В общем случае в оборудование промышленных сетей входят:

Коммутаторы (жарг. свич от англ. switch – переключатель) – устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети. Коммутатор работает на канальном уровне. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы.[3]

Репитеры (англ. repeater – повторитель) является усилителем сигнала и приемо-передатчиком, назначение которого состоит в усилении и ресинхронизировании сигнала. Технически ничем не отличается от концентратора с усилением сигнала.[3]

Концентраторы (hub) – это повторитель с несколькими портами. Концентраторы могут использоваться для увеличения размера сети.[3]

Мост (bridge), применяется для соединения между собой однотипных и разнотипных сегментов среды передачи без выделения сегментов в отдельные сети.[3]

Маршрутизаторы – специализированный сетевой компьютер, имеющий как минимум один сетевой интерфейс и пересылающий пакеты данных между различными сегментами сети, связывающий разнородные сети различных архитектур, принимающий решения о пересылке на основании информации о топологии сети и определённых правил, заданных администратором.[3]

В связи с развитием микроэлектроники, всё вышеперечисленное оборудование выполняется по модульному принципу с использованием микроконтроллеров, ПЛИС с различными видами памяти (Flash, SRAM).

5 Элементная база ТПТС-NT
На протяжении нескольких лет кафедра Микроэлектроники совместно с ВНИИА им. Духова разрабатывали комплекс ТПТС для низшего уровня АСУ ТП АЭС.


Рисунок 1 – Эволюция аппаратуры ТПТС[4]



Рисунок 2 – Структурная схема комплекса ТПТС-NT


Разрабатываемая комплексная коммуникационная система ТПТС-НТ имеет структуру, представленную на рисунке 2.

Система состоит из следующих основных компонентов:
- рабочие станции/терминалы
- серверы автоматизации (состоящие из нескольких центральных модулей)
- коммуникационные средства шины Ethernet
- станции ввода-вывода (состоящие из интерфейсных модулей и модулей связи с процессом)

Серверы автоматизации (СА) являются центральными вычислительными устройствами ТПТС, отвечающими за логическую обработку сигналов в АСУ ТП, и состоят из нескольких взаимодействующих по внутренней шине центральных модулей (ЦМ), реализованных на базе микроконтроллеров MCF5474 семейства ColdFire.

Основными составляющими станций ввода-вывода являются:
- интерфейсный модуль (ИМ) на базе MCF5474
- последовательная шина ввода-вывода
- модули связи с процессом (сигнальные модули)

Интерфейсный модуль (ИМ) содержит в своем составе контроллер MCF5474, реализующий передачу и прием информации по шине Ethernet и приемопередатчики, реализованные на ПЛИС и подключенные к процессорной шине MCF5474.

Последовательная шина ввода-вывода (UART) предназначена для передачи аналоговых и дискретных параметров, характеризующих состояние технологического процесса, диагностической информации, настроечных параметров модулей связи с процессом, служебной информации.

Модули связи с процессом позволяют решать задачи, связанные с приемом и обработкой сигналов от технологического процесса, такие как ввод-вывод дискретных сигналов.
Серверы автоматизации, соединённые со станциями ввода-вывода по шине ENL, образуют коммуникационную систему нижнего уровня. Шина связи между СА и ИМ станций построена на базе сетевых коммутаторов.

6 Технические характеристики
Семейство микроконтроллеров MCF547x фирмы Freescale Semiconductors, к которому относится используемый в проекте микроконтроллер MCF5474, реализовано на ядре ColdFire V4е.

Это ядро включает в себя следующие основные компоненты:
- центральное процессорное устройство (CPU - Central Processor Unit)
- блок управления памятью (MMU - Memory Management Unit)
- контроллеры кэш-памяти и локальной памяти данных

Микроконтроллер MCF5474 способен работать на частотах до 266 МГц, что соответствует 410 миллионам операций в секунду (MIPS - Million Instructions Per Second).

MCF5474 содержит следующие периферийные контроллеры для связи с внешними устройствами:
1) два контроллера Fast Ethernet (FEC – Fast Ethernet Controller), способных работать на скоростях 10/100 Мбит/с
2) модуль USB 2.0 (USB – Universal Serial Bus, универсальный последовательный интерфейс), дающий возможность работы микроконтроллера в режиме ведомого устройства
3) четыре контроллера UART/USART/IRDA/modem
4) один последовательный периферийный интерфейс для организации прямого доступа к памяти (DMА, direct memory access, прямой доступ к памяти)
5) один интегрированный контроллер шины I2C

Кроме коммуникационных контроллеров MCF5474 содержит следующие функциональные блоки:
- сторожевой таймер
- два 32-разрядных таймера
- четыре 32-разрядных таймера общего назначения с функциями захвата, сравнения, ШИМ
- контроллер запросов прерываний от различных источников
- блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)
- 32 КБайта встроенной высокоскоростной статической оперативной памяти с произвольным доступом (SRAM) для хранения локальных данных
- порты ввода/вывода общего назначения

Основные эксплуатационные характеристики представлены в таблице 2

Таблица 2 – Основные эксплуатационные характеристики MCF5474


На рисунке 3 показаны процессорные модули ТПТС с указанием их элементной базы и разработанного программного обеспечения.


Рисунок 3 – Процессорные модули ТПТС


Микроконтроллеры MCF5474 содержат два контроллера Fast Ethernet, структура которых показана на рис. 4.


Рисунок 4 – Структура контроллера Fast Ethernet ТПТС


Контроллер Fast Ethernet реализует обмен данными по сети Ethernet в соответствии со спецификацией IEEE 802.3. Он обеспечивает поддержку трёх различных стандартов на физическом и MAC уровнях для подключения к внешним передатчикам. Работает на скоростях 10/100 Мбит/с при использовании блока МII и скорости 10Мбит/с при использовании соединения 7-wire.

На рис. 5 приведена фотография станции ввода-вывода ТПСТ, а на рис. 6 ее интерфейсный модуль, в состав которого входит контроллер Fast Ethernet


Рисунок 5 –Станция ввода-вывода ТПТС



Рисунок 6 – Интерфейсный модуль станции ввода-вывода ТПТС


Основные технические характеристики ИМ приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные технические характеристики ИМ


В модулях ТПТС в качестве постоянной памяти используется постоянная энергонезависимая Flash-память, в которой хранится код программы, загружаемый при исполнении в оперативную память модуля. В качестве Flash-памяти использована микросхема типа S29AL064Н-55-TFI-000, имеющая объём 8Мбайт и 8-разрядную шину данных, которая подключается к процессорной шине.

Оперативная память типа SDRAM реализована с помощью двух микросхем типа MT48LC4M16A2TG-75, общим объемом 32МБайта (по 16 Мбайт каждая из микросхем), которые имеют 16-разрядную шину данных.

7 Заключение
В процессе выполнения домашнего задания мы ознакомились с понятием промышленные сети, а так же с основными принципами их построения. В основной части доклада была описана структурная и элементная база таких сетей на примере станции ТПТС-NT.

Результаты дистанционного тестирования в приложении 1.[5]

Список источников
1. M. J. Martin Understanding the network. A practical guide to internetworking. Indianapolis, 2000
2. Страшун Ю. П. Основы сетевых технологий для автоматизации и управления. Учебное пособие.
М.: Изд-во МГГУ, 2003
3. http://wikipedia.org – Википедия. Свободная энциклопедия
4. http://2010.atomexpo.ru/mediafiles/u/files/Present/7.4_kishkin.pdf – Программно-технические средства низовой автоматики для перспективных АСУ ТП АЭС
5. http://www.valinfo.ru/testlist.php – ВАЛтест 1.0

Приложение 1
Результаты дистанционного тестирования на сайте www.valinfo.ru
Категория: Домашние задания (по сетям МИФИ) | Добавил: EgorKovalev (21.12.2013) | Автор: Ковалев Егор
Просмотров: 2350 | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта