| Статистика |
Онлайн всего: 2 Гостей: 2 Пользователей: 0 |
|
Промышленные сети
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Промышленной сетью называют комплекс оборудования и программного обеспечения, которые обеспечивают обмен информацией (коммуникацию) между несколькими устройствами, входящими в состав автоматизированной системы (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнительными устройствами). Промышленная сеть является основой для построения распределенных систем сбора данных и управления.
Промышленные сети отличаются от офисных следующими свойствами:
-специальным конструктивным исполнением, обеспечивающим защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов;
-широким температурным диапазоном (обычно от -40 до +70 град);
-повышенной прочностью кабеля, изоляции, разъемов, элементов крепления;
-повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных помех;
-возможностью резервирования для повышения надежности;
-повышенной надежностью передачи данных;
-возможностью самовосстановления после сбоя;
-детерминированностью (определенностью) времени доставки сообщений;
-возможностью работы в реальном времени (с малой, постоянной и известной величиной задержки);
-работой с длинными линиями связи (от сотен метров до нескольких километров).
На изображении ниже можно посмотреть, как выглядит точка доступа SCALANCE W780, использующаяся для построения локальных беспроводных сетей промышленного назначения с повышенной надежностью передачи данных и поддержкой стандарта PROFINET. Она выполнена в прочном металлическом корпусе со степенью защиты IP 67: цифра 6 значит, что это пыленепроницаемое исполнение с полной защитой от контакта с пылью, а цифра 7 говорит о том, что возможна защита при кратковременном (по российскому ГОСТ — до 30 минут) погружении в воду до 1 метра.
Рисунок 1 - Точка доступа SCALANCE W780
А на следующем изображении можно увидеть Wi-Fi точку доступа D-Link DAP-1353 для домашних или офисных сетей в ничем не примечательном пластмассовом корпусе, который, естественно, не стоит купать в ванной и следует протирать от пыли при каждой уборке.
Рисунок 2 - Точка доступа D-Link DAP-1353
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:
-LAN (Local Area Network) - сети, расположенные на ограниченной территории (в цехе, офисе, в пределах завода);
-MAN (Metropolitan Area Networks) - сети городов;
-WAN (Wide Area Network) - глобальная сеть, охватывающая несколько городов или континентов. Обычно для этого используют Internet-технологию.
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. 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.
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.
КРАТКИЙ ОБЗОР РАЗЛИЧНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЕЙ
Modbus — открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре «клиент-сервер». Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, а также сети TCP/IP (Modbus TCP).
Основные достоинства стандарта - открытость и массовость. Огромное количество датчиков и исполнительных устройств выпущено промышленностью. Практически все промышленные системы контроля и управления имеют программные драйвера для работы с MODBUS сетями.
Стандарт в своей основе был разработан в 1979 году компанией Modicon (в данное время владелец Schneider Electric), с учетом потребностей и вычислительных возможностей того времени, и многие актуальные для современных промышленных сетей вопросы не были учтены:
-Стандарт специфицирует метод передачи только двух типов данных. Отсутствие четкого указания в стандарте привело к тому, что с другими типами данных сторонние производители MODBUS-решений поступали по своему усмотрению.
-Стандарт не позволяет никакой оперативной сигнализации от конечного устройства к мастеру в случае необходимости (прерывания). Нужно ждать своей очереди в опросе. Это существенно ограничивает применимость MODBUS-решений в системах управления реального времени.
-Стандарт не позволяет конечным устройствам обмениваться фиксированными данными друг с другом без участия мастера. Это также ограничивает применимость MODBUS-решений в системах регулирования реального времени.
-Стандарт не предлагает никаких решений по начальной инициализации системы. Назначение сетевых адресов и прописывание в системе параметров каждого конкретного устройства выполняются вручную.
Необходимо отметить, что отсутствие данных возможностей упрощает протокол и делает его более простым для изучения, что ускоряет его внедрение. Данные особенности, в какой-то мере, являются и достоинствами стандарта.
Profibus (Process Field Bus)— открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров Simatic. Очень широко распространена в Европе, особенно в машиностроении и управлении промышленным оборудованием. Profibus объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.
Для всех версий Profibus существует единый протокол доступа к шине. Этот протокол реализуется на 2 уровне модели OSI (в Profibus называемый FDL). Данный протокол реализует процедуру доступа с помощью маркера. Сеть Profibus состоит из ведущих и ведомых станций. Ведущая станция может контролировать шину, то есть может передавать сообщения (без удалённых запросов), когда она имеет право на это (то есть когда у неё есть маркер). Ведомая станция может лишь распознавать полученные сообщения или передавать данные после соответствующего запроса. Маркер циркулирует в логическом кольце, состоящем из ведущих устройств. Если сеть состоит только из одного ведущего, то маркер не передаётся (в таком случае в чистом виде реализуется система master-slave). Сеть в минимальной конфигурации может состоять либо из двух ведущих, либо из одного ведущего и одного ведомого устройства.
Физически Profibus может представлять собой:
-электрическую сеть с шинной топологией, использующую экранированную витую пару, соответствующую стандарту RS-485;
-оптическую сеть на основе волоконно-оптического кабеля;
-инфракрасную сеть.
Скорость передачи по ней может варьироваться от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек.
FOUNDATION Fieldbus представляет собой локальную сеть (LAN) для устройств, используемых для автоматизации производственных процессов и автоматизации производства, обладающую возможностью распределять управление по всей сети. Fieldbus FOUNDATION разработала ряд спецификаций для реализации стандарта на двух уровнях приложений: H1 (взаимодействие полевых устройств управления процессом) и H2 (высокоскоростная сеть с использованием шлюзов для связи сетей устройств управления процессом H1). FOUNDATION fieldbus - это законченное решение проблемы автоматизации в масштабе всей установки, разработанное для поддержки сетей, в которых питание подводится к шине, и обеспечивается безопасность с точки зрения их внутренней структуры. Шина H1 (скорость передачи данных 31.25 кбит/с) идеально подходит для сбора данных и управления технологическими процессами. Реализация полевой шины с высокой скоростью обмена данными объединяет открытую промышленную технологию Ethernet и стандарт полевых шин IEC/ISA, обеспечивает экономически эффективные решения для таких областей индустрии, как производство отдельных деталей и непрерывные процессы.
Уровень приложений в FOUNDATION fieldbus обеспечивает полностью подтверждаемую модель обмена данными клиент-сервер. Эта модель может использоваться для изменения операторами значений уставки и других параметров, а также для разгрузки, загрузки и конфигурирования в режиме on-line, без отключения других контуров управления. Обеспечивается полная поддержка распределения и подтверждения алармов, а также функциональность FMS. Возможности удаленного конфигурирования, чтения и записи для протоколов, использующих нестандартные FMS для приложений, существенно ограничены.
Profinet – это инновационный открытый стандарт Industrial Ethernet (IEC 61158) для систем промышленной автоматизации. Функция Profinet - обеспечивать доступ к устройствам полевого уровня со всех уровней управления предприятием. Profinet дает возможность осуществлять системно широкий обмен данными, поддерживает проектирование в масштабах предприятия и включает в себя IT стандарты вплоть до полевого уровня. На этапе подготовки находятся решения для автоматизации непрерывных и периодических процессов. Profinet уже хорошо зарекомендовал себя в автомобильной промышленности, пищевой промышленности, на предприятиях по производству напитков и табачных изделий, в логистике и других областях. Profinet – это всеобъемлющий стандарт, охватывающий все требования по использованию Ethernet в системах автоматизации.
PROFINET позволяет производить простое подключение существующих сетей полевого уровня. Подключение выполняется через модули, выполняющие функции proxy сервера. По отношению к сетям PROFIBUS или AS-Interface они выполняют функции ведущих устройств. В сети Industrial Ethernet они способны осуществлять обмен данными со станциями, поддерживающими стандарт PROFINET. Такой подход позволяет защищать инвестиции предприятий, сделанные на более ранних этапах построения системы автоматизации.
PROFINET базируется на Industrial Ethernet и использует стандарт TCP/IP (транспортный протокол/Internet протокол) для выполнения операций настройки параметров, конфигурирования и диагностики. Обмен данными в реальном масштабе времени выполняется через стандартные каналы связи Ethernet параллельно со стандартными вариантами обмена данными в сети Ethernet. PROFINET приборы способны поддерживать следующие виды обмена данными в реальном масштабе времени:
-Real-time (RT) с использованием приоритетов и оптимизации коммуникационного стека партнера по связи. Это позволяет осуществлять эффективную передачу данных систем автоматизации через сеть со стандартными коммуникационными компонентами.
-Isochronous real-time (IRT) - обмен данными в реальном масштабе времени с тактовой синхронизацией
Этот режим поддерживается аппаратурой специализированных сетевых компонентов и позволяет получать минимальное время цикла обновления данных. Режим находит применение в высокодинамичных распределенных системах автоматизации. Например, в распределенных системах управления перемещением.
CAN (англ. Controller Area Network — сеть контроллеров) — стандарт промышленной сети, ориентированный прежде всего на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи — последовательный, широковещательный, пакетный.
CAN разработан компанией Robert Bosch GmbH в середине 1980-х и в настоящее время широко распространён в промышленной автоматизации, технологиях «умного дома», автомобильной промышленности и многих других областях. Стандарт для автомобильной автоматики.
Непосредственно стандарт CAN от Bosch определяет передачу в отрыве от физического уровня — он может быть каким угодно, например, радиоканалом или оптоволокном. Но на практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть топологии «шина» с физическим уровнем в виде дифференциальной пары, определённым в стандарте ISO 11898. Передача ведётся кадрами, которые принимаются всеми узлами сети. Для доступа к шине, выпускаются специализированные микросхемы — драйверы CAN шины.
Все узлы в сети должны работать с одной скоростью. Стандарт CAN не определяет скоростей работы, но большинство как отдельных, так и встроенных в микроконтроллеры адаптеров позволяют плавно менять скорость в диапазоне по крайней мере от 20 килобит в секунду до 1 мегабита в секунду. Существуют решения, выходящие далеко за рамки данного диапазона.
Преимущества:
-Возможность работы в режиме жёсткого реального времени.
-Простота реализации и минимальные затраты на использование.
-Высокая устойчивость к помехам.
-Арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности.
-Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.
-Широкий диапазон скоростей работы.
-Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.
Недостатки:
-Небольшое количество данных, которое можно передать в одном пакете (до 8 байт).
-Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).
-Отсутствие единого общепринятого стандарта на протокол высокого уровня, однако же, это и достоинство. Стандарт сети предоставляет широкие возможности для практически безошибочной передачи данных между узлами, оставляя разработчику возможность вложить в этот стандарт всё, что туда сможет поместиться. В этом отношении CAN подобен простому электрическому проводу. Туда можно «затолкать» любой поток информации, который сможет выдержать пропускная способность шины. Известны примеры передачи звука и изображения по шине CAN (Россия). Известен случай создания системы аварийной связи вдоль автодороги длиной несколько десятков километров (Германия). (В первом случае нужна была большая скорость передачи и небольшая длина линии, во втором случае — наоборот). Изготовители, как правило, не афишируют, как именно они используют полезные байты в пакете.
DeviceNet - протокол для промышленной сети CAN. Используется для связи датчиков, исполнительных механизмов и программируемых логических контроллеров между собой. Открытый стандарт. Широко применяется на транспорте, в машиностроении и промышленности. Достаточно широко распространена в России.
DeviceNet - протокол верхнего уровня разработанный в 1994 году компанией Rockwell Automation. Служит для объединения в единую систему устройств промышленной автоматики, таких как фотодатчики, термодатчики, считыватели штрихкодов, элементы ЧМИ (человеко-машинного интерфейса), с управляющими устройствами (компьютерами, PLC). Сеть имеет шинную топологию. Допускает "горячее" подключение и отключение модулей.
Характеристики:
-Взаимозаменяемость. Простые устройства многочисленных поставщиков (например, кнопки, пусковые устройства, фотоэлементы, конечные выключатели и т. д.), которые соответствуют стандарту сети DeviceNet и стандарту профайлов устройств, — взаимозаменяемы, чем обеспечивают пользователю гибкость и возможность выбора.
-Одна общая сеть. Открытый стандарт сетевых устройств обеспечивает общие решения для конечного пользователя, уменьшая для поставщиков необходимость поддерживать на рынке различные сети.
-Уменьшение простоев. Диагностика обеспечивает упреждающие сообщения об отказах и облегчает поиск неисправностей.
DeviceNet поддерживает скорости 125 kbit/s, 250 kbit/s и 500 kbit/s. Скорость зависит от длины кабеля и его типа максимально до 500 м. Типичная длина кабеля - 100 м. Для кабеля длиной 380 м скорость будет - 125 kbit/s , для 75 м - 500 kbit/s.
BACnet (англ. Building Automation and Control network) — сетевой протокол, применяемый в системах автоматизации зданий и сетях управления.
BACnet гарантирует возможность взаимодействия между устройствами различных производителей, если алгоритмы этих устройств реализованы на основе стандартных функциональных блоков BIBB (BACnet Interoperability Building Block). Блоки BIBB используются для обмена данными между устройствами. Они разработаны, для упрощения работы инженеров, которым достаточно написать краткие спецификации, описывающие требования к взаимодействию различных устройств, входящих в систему BACnet. Поддерживаемые блоки BIBB для каждого устройства BACnet перечислены в PICS (Protocol Implementation Conformance Statement).
BACnet построен на модели «клиент-сервер», сообщения этого протокола называются «сервисные запросы» ("service requests"). С машины клиента посылают сервисный запрос на машину сервера, который впоследствии предоставляет сам сервис и дает отчеты по его результатам клиенту. В настоящее время BACnet поддерживает 35 видов сообщений, которые подразделяются на 5 групп (или классов). Например, один класс содержит сообщения для доступа и управления свойствами объектов, описанных выше. Самый обычный сервисный запрос – «ReadProperty» (считать свойство). Это сообщение приказывает серверу выявить запрашиваемое свойство необходимого объекта и направить его значение обратно клиенту. Другие классы сообщений имеют дело с тревогами исобытиями, скачиванием и загрузкой файлов, управлением удаленных объектов и функциями виртуальных терминалов.
LonWorks — сетевая платформа для достижения производительности, гибкости, соответствия инсталляционным и эксплуатационным потребностям в задачах активного мониторинга и управления.
Платформа построена на созданном компанией Echelon Corporation протоколе сетевого взаимодействия устройств через различные среды передачи данных, такие как, витая пара, линии электропитания, оптоволокно, и беспроводные радиочастотные. LonWorks широко используется для автоматизации различных процессов и функций зданий, например, управление освещением, отоплением, вентиляцией и кондиционированием.
Два физических уровня технологии передачи сигналов, по витой паре и линиям электропитания, обычно включены в каждый из стандартов созданных на базе технологии LonWorks. Дополнительно, платформа LonWorks также примыкает к IP стандарту туннелирования, EIA-852, который используется множеством производителей, как средство информационного соединения и взаимодействия устройств предварительно развернутых или новых сетей LonWorks с IP приложениями или программными средствами удаленного сетевого управления. Большинство LonWorks приложений управления реализует своего рода IP интеграцию, или на уровне Пользовательского интерфейса/Прикладного уровня или в инфраструктуре средств управления. Это достигается с использованием WEB сервисов или продуктов IP маршрутизации.
Применение:
-Управление поставками
-Производство полупроводниковых приборов
-Системы управления освещением
-Системы управления потреблением энергии
-Системы Отопление/вентиляция/кондиционирование воздуха
-Системы безопасности
-Домашняя автоматизация
-Управление бытовой техникой
-Уличное освещение, мониторинг, и управление
-Управление автозаправочной станцией (IFSF)
EIB — профессиональная аббревиатура от англ. European Installation Bus, что можно перевести как Европейская инсталляционная шина (шина - в смысле сеть, полевая шина). EIB - обозначение устаревшее, но продолжает использоваться в мире, и особенно в Европе, для технологии автоматизации зданий единого европейского стандарта-преемника - KNX. Продукция EIB распространялась под несколькими торговыми марками. Наиболее известны Instabus®, ABB i-Bus®, Tebis®.
Подключенные к шине (сети) абоненты (устройства) могут обмениваться информацией через общий канал передачи, шину. При этом подлежащая передаче информация упаковывается в телеграмму и передается по кабелю от датчика (сенсора — отправителя команд) к одному или нескольким исполнительным механизмам. При успешной передаче и приеме каждое устройство-приёмник квитирует (подтверждает) получение телеграммы. При отсутствии подтверждения передача повторяется еще два раза. Если и после этого квитирование отсутствует, то процесс передачи заканчивается. Именно поэтому протокол EIB не является "промышленным", т.е. его нельзя применять в приложениях, связанных с опасностью для людей.
Для разрешения коллизий (столкновений) телеграмм в сети TP1 применяется метод CSMA/CA (Carrier Sensible Multiple Access with Collision Avoidance). Этот метод гарантирует случайный, беспроблемный доступ устройств к шине, при этом без существенного снижения её максимальной пропускной способности. При этом гарантируется, что первоначально будут переданы сообщения с наивысшим приоритетом.
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Ниже приведена сравнительная характеристика нескольких промышленных сетей: можно сразу увидеть различия параметров в зависимости от того, какая сеть для чего применима.
Таблица 1 - Сравнительная таблица промышленных протоколов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, мы кратко рассмотрели различные промышленные сети, каждую из которых можно использовать для решения разнообразных задач в области управления автоматизированными системами, в зависимости от их достоинств и недостатков.
Использование промышленных сетей обладает многими преимуществами, взять хотя бы снижение затрат на прокладку кабелей и подключение, раз уж основополагающим фактором выбора какой-либо технологии в современном мире является денежная выгода.
Для примера приведём стоимость некоторых компонентов полевой сети PROFIBUS PA, соединяющей устройства, расположенные как в обычных зонах, так и в
зонах повышенной опасности - Ех-зонах (PA означает применение в областях автоматизации непрерывных технологических процессов):
-FC (FastConnect) PA кабели с двойным экранированием жил, без соединителей, цена за 1 м - 3 €
-Система соединений SplitConnect (позволяют строить сеть PROFIBUS PA в обычных и Ех-зонах, производить подключение к сети приборов полевого уровня, упрощают выполнение монтажных работ, снижают время их выполнения): состоит из разветвителей (с маркировкой IP 65 – с защитой от пыли), гнезд, терминальных устройств и соединителей -1214 € (терминальные устройства для Ex-зон при этом дороже)
-Активный полевой распределитель AFD (Active Field Disributor) для построения линейных структур PROFIBUS PA – 421 €
-Активный полевой распределитель для опасных зон AFDiS (Active Field Disributor intrinsic Safety) для построения кольцевых структур PROFIBUS PA– 1250 €
Благодаря промышленным сетям можно получать больше информации от устройств, диагностировать проблемы, наблюдать за производственным процессом в режиме реального времени – причём удалённо.
Подведём итог словами исполнительного директора компании ODVA, Кэтрин Восс: «Сегодня мандатом, дающим доступ к сообществу производителей по всему миру, как крупным, так и небольшим, является девиз "Подключайтесь к сети! Мы хотим не только управлять нашими производственными процессами, но и получать о них информацию в любом месте и в любое время!" Для производителей наступило время сетей!»
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
http://ru.wikipedia.org – Википедия, свободная энциклопедия
http://protonpc.ru/info/stepen-zashhity-promyshlennogo-oborudovaniya-po-ip_30 - Статья «Степень защиты промышленного оборудования по IP», 2011 г.
http://www.bacnet.ru - Сайт ассоциации BIG-RU
http://www.aqad.ru/ - Каталог продуктов Siemens IA/DT
http://www.asutp.ru/ - Системы компьютерной автоматизации
http://bookasutp.ru/ - Энциклопедия АСУ ТП
http://controlengrussia.com/artykul/article/vybor-promyshlennoi-seti/ - Статья «Выбор промышленной сети», 2007 г. |
| Категория: Домашние задания (по сетям МИФИ) | Добавил: НИктариНКА (08.01.2013)
| Автор: Яковлева Н.М.
|
| Просмотров: 5641
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
