Проектирование информационной сети на основе стандарта структурированной кабельной системы (на примере углеобогатительной фабрики)

1. Алгоритмы и методы передачи сигналов

1.1 Схемы взаимодействия устройств

1.2 Архитектура физического уровня

1.3 Методы доступа

1.4 Технология передачи данных

1.5 Узкополосная передача

1.6 Сравнение широкополосной и узкополосной передачи сигналов

2. Пример применения информационных сетей в промышленности

2.1 Проблемы стандартизации технологий промышленной связи

2.2 Объединяющая сила ETHERNET

2.3 ETHERNET в роли промышленной сети

2.4 Промышленные протоколы «поверх IP» И INDUSTRIAL ETHERNET

2.5 ETHERNET как верхний уровень интегрированной системы автоматизации

3. Проектирование информационной сети на основе стандарта структурированной кабельной системы (на примере углеобогатительной фабрики

3.1 Постановка задачи

3.2 Структура информационной сети углеобогатительной фабрики

3.3 Конфигурация сервера, рабочих станций и диспетчерской станции

3.4 Схема расположения информационных розеток в здании АБК

3.5 Размещение оборудования в сетевых шкафах корпусов обогатительной фабрики

3.6 Схема подключения внешних проводок

3.7 Кабельный журнал информационной сети

3.8 Спецификация программно — аппаратных средств информационной сети

Заключение

Список использованных источников

1. Алгоритмы и методы передачи сигналов

Связи на физическом уровне могут быть описаны в терминах «передача-прием», характеризующих взаимодействующие устройства, а также состояние конечных точек. Операции на физическом уровне могут быть отнесены либо к последовательным, либо к параллельным.

1.1 Схемы взаимодействия устройств

Существует 3 схемы взаимодействия устройств:

Симплексная. Обеспечивает одностороннюю передачу (только в одном направлении). Связь двухпроводная (телерадиовещание). (рисунок 1)

Рисунок 1 — симплексная схема взаимодействия устройств.

Полудуплекс. Передача в любую сторону. Используя соответствующее оборудование, можно менять направление потока данных в линии (движение через узкий мост, теннис). Для связи необходимо 2 провода. Система имеет конечное время переключения. (рисунок 2)

Рисунок 2 — полудуплексная схема взаимодействия устройств.

Дуплекс. При наличии связи с двумя каналами появляется возможность передавать информацию в обоих направлениях.

Обычно, по одному каналу информация передается в одну сторону, а по другому — в другую. Если конечное оборудование способно одновременно передавать и принимать данные, то система в целом может обеспечить двусторонний обмен данными.

Для передачи необходимо 4 провода, т. е. 2 канала передачи. Улучшается эффективность системы, т.к. исчезает время переключения каналов. (рисунок 3)

Рисунок 3 — дуплексная схема взаимодействия устройств.

1.2Архитектура физического уровня

Существует 2 архитектуры физического уровня:

Точка — точка. Два взаимодействующих устройства разделяют одну связь. Она может быть симплексной или полудуплексной. (рисунок 4)

Рисунок 4 — архитектуры физического уровня типа «Точка — точка».

Точка — множество точек. Этот тип архитектуры предполагает, что данные, передаваемые одним устройством физического уровня, принимаются множеством устройств.

Такие связи являются симплексными (кабельное телевидение), полудуплексными (10/100 BaseT Ethernet) или дуплексными (SONET). (рисунок 5)

Рисунок 5 — архитектуры физического уровня типа «Точка — множество точек».

На базе этих двух архитектур строятся другие топологии, являющиеся вариацией 2-х базовых архитектур. (рисунок 6)

Рисунок 6 — топологии, являющиеся вариацией 2-х базовых архитектур.

На базе 3 основных топологий строится более сложная топология — дерево или сетка. (рисунок 7)

Рисунок 7 — сложная топология — дерево или сетка.

Топология может быть физической и логической. Физическая топология определяет правила физических соединений узлов (прокладку реальных кабелей).

bus — шина

star — звезда

ring — кольцо

mesh — сетка

Логическая топология определяет направление потоков данных между узлами сети. Обе топологии относительно независимы друг от друга.

В логической шине информация, передаваемая одним узлом, одновременно доступна для всех узлов, подключенных к одному сегменту.

Логическая шина может быть реализована на физической шине, звезде, дереве и сетке.

Шина на звезде реализуется через внутреннюю цифровую шину в центральном устройстве (повторителе). (рисунок 8)

Рисунок 8 — Реализация «шины» через внутреннюю цифровую шину в центральном устройстве.

Логическое кольцо — информация передается последовательно от узла к узлу. Каждый узел принимает кадры только от предыдущего и посылает только последующему узлу по кольцу. Узел транслирует дальше по сети все кадры, а обрабатывает только адресуемые ему. Реализуется на физическом кольце или на звезде с кольцом внутри концентратора. Современный подход к построению высокопроизводительных сетей переносит большую часть функций на центральные сетевые устройства (концентраторы).

Реализация логического кольца на физической звезде. (рисунок 9)

Рисунок 9 — Реализация логического кольца на физической звезде.

1.3 Методы доступа

Метод доступа определяет способ или правила, в соответствии с которыми узел может получить или отправить данные.

Методы доступа могут быть:

· вероятностными;

· детерминированными;

Вероятностный — узел, желающий послать данные в сеть, прослушивает сеть. Если линия занята или обнаружена коллизия (столкновение сигналов от двух передатчиков), то попытка передачи откладывается на некоторое время.

Детерминированный метод доступа — узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке. Последовательность определяется контроллером сети, который может быть централизованным (его функции может выполнять сервер) или распределенными (функции выполняются оборудованием всех узлов).

Общий недостаток вероятностных методов доступа — неопределенное время прохождение кадров, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть.

Основное преимущество детерминированного метода доступа — ограниченное время прохождения кадра, мало зависящее от нагрузки.

К вероятностным методам доступа относятся CSMA/CD и CSMA/CA.

CSMA/CD — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий.

CSMA/CA — множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием коллизий.

Основные типы детерминированного доступа:

· доступ с передачей маркера

· поллинг (опрос готовности) узлов на передачу

CSMA/CD: узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он начинает передачу кадра, одновременно контролируя состояние линии.

При обнаружении коллизий передача прекращается, и повторная попытка откладывается на случайное время. Частота коллизий связана с количеством и активностью подключенных узлов. Применяется в сетевых архитектурах Ethernet, EtherTalk (Apple), IBM PC Network, AT&T StartLAN.

CSMA/CA: узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он посылает короткий сигнал запроса на передачу RTS и определенное время ожидает ответа CTS от адресата назначения. При отсутствии ответа CTS попытка передачи откладывается (предполагается возможность коллизий). При получении ответа в линию посылается кадр. Применяется в сети Apple Local Talk.

Доступ с передачей маркера (token).

Маркер последовательно, от одного ПК к другому передается до тех пор, пока его не получит узел, которому требуется передача данных. Этот узел добавляет к маркеру свои данные, указывает в маркере адрес свой и получателя и отправляет его дальше по кольцу. Маркер с данными проходит по кольцу, пока не достигнет адресуемого узла, который снимает данные и делает пометку в маркере, т. е. формирует подтверждение о получении данных. После этого маркер отправляют дальше. При достижении узла отправителя последний определяет по маркеру судьбу своих данных. При наличии подтверждения данные снимаются с маркера и он, пустой, опять отправляется по кругу. При отсутствии подтверждения от получателя принимает решение повторить или нет передачу.

В кольце с диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

1.4 Технология передачи данных

Существует 2 основные технологии передачи данных:

· широкополосная передача (аналоговая)

· узкополосная передача (для цифровых сигналов)

Широкополосная передача основана на использовании постоянно изменяющихся волн для переноса информации по каналу связи. Их обычно представляют

синусоидальной функцией и называют синусоидальной волной.(рисунок 10)

Рисунок 10 — широкополосная передача (синусоидальной волна).

Она может быть описана следующими параметрами:

частота — представляет собой последовательность переходов, составляющих один цикл (средняя точка, верхний экстремум, средняя точка, нижний экстремум,

средняя точка). Количество таких циклов за одну секунду называется частотой синусоидальной волны. Измеряется в циклах за секунду или в герцах.

Амплитуда — представляет собой относительное расстояние между экстремумами волны. Фаза отдельно взятой синусоидальной волны измеряется относительно другой синусоидальной волны (опорной) и выражается как угловой сдвиг между этими двумя волнами.

Выражение «две синусоидальные волны сдвинуты по фазе на 180 градусов» означает, что в один и тот же момент одна из волн достигает максимального экстремума, а другая — минимального. (рисунок 11)

Рисунок 11 — параметры синусоидальной функции.

1.5 Узкополосная передача

Полярное кодирование. Основано на использовании дискретных состояний канала связи для передачи по нему информации. Эти дискретные состояния обычно представлены как некие импульсы (как правило, напряжения) и носят название прямоугольной волны. Разработано множество схем представления цифровых

сигналов или цифрового кодирования. Цифровая единица представлена напряжением +12V, а цифровой ноль — напряжением -12V. (рисунок 12)

Рисунок 12 — полярное координирование.

униполярное кодирование (рисунок 13).

Рисунок 13 — униполярное координирование.

биполярное кодирование (с возвратом к нулю). Цифровые нули представлены отсутствием напряжения, а цифровые единицы — знакогенерирующимися 3-х вольтовыми импульсами. (рисунок 14).

Рисунок 14 — биполярное кодирование.

Потенциальное кодирование — информативным является уровень сигнала в определенные моменты времени.

Потоковое кодирование — информативным является наличие или отсутствие тока в линии.

В сетях используется потенциальное кодирование.

Если необходимо передать цифровые данные по аналоговой линии передачи, необходим механизм представления цифровых данных в форме синусоидальной волны, чтобы показать присутствие единиц и нулей.

Если выполняется манипулирование амплитудой, то это амплитудная модуляция.:

· Частотой — частотная модуляция.

· Фазой — фазовая модуляция.

Для передачи данных, особенно по телефонным линиям, применяется переменный ток. Непрерывный сигнал на частоте от 1000 до 2000Гц называется синусоидальной несущей частотой.

Амплитуда, частота, фаза несущей могут изменяться (модулироваться) для передачи информации.

При амплитудной модуляции используются 2 разные амплитуды сигнала, соответствующие значениям 0 и 1 (Амплитуда либо нулевая, либо ненулевая).

При частотной модуляции для передачи цифрового сигнала используется несколько различных частот.

При простейшей фазовой модуляции применяется сдвиг фазы несущей частоты на 180 градусов через определенные интервалы времени. Два состояния кодируются наличием либо отсутствием фазового сдвига на границе каждого бита.

Устройство, принимающее последовательный поток битов, и преобразующее его в выходной сигнал, модулируемый одним или несколькими из приведенных способов, а также выполняющее обратные преобразования называется модемом. Устанавливается между цифровым компьютером и аналоговой телефонной линией. Все хорошие модемы используют комбинированные методы модуляции сигналов для передачи максимального количества бит.

1.6 Сравнение широкополосной и узкополосной передачи сигналов

Телефонная линия — широкополосная линия связи.

Линия T1 — узкополосной канал.

Соответственно и передаваемая информация может быть и аналоговой и цифровой.

Выделяют 2 типа оборудования:

· DTE — терминальное оборудование.

· DCE — телекоммуникационное оборудование.

DTE генерирует информацию в форме данных, которые могут быть переданы по каналу связи. Она может быть цифровой и аналоговой.

DCE получает данные от DTE в его формате и преобразовывает их в формат, совместимый с существующим каналом связи.

Схема кодирования (рисунок 15):

Рисунок 15 — схема кодирования.

На рисунке представлена матрица из 4-х элементов. Столбцы определяют природу линий связи, а строки — вид информации, генерируемый устройством DTE.

I квадрант. Информация в аналоговой форме должна быть передана через широкополосной канал (речь, передаваемая по телефонной линии (звуковой сигнал (DTE) -> микрофон (DCE) -> аналоговый сигнал)).

II квадрант. Цифровая информация должна быть передана по аналоговому каналу. Схема преобразования: ПК (DTE) -> модем (DCE) -> аналоговый канал.

III квадрант. Поток аналоговой информации должен быть передан через цифровой канал. Видеоинформация (DTE) -> кодек (DCE) -> цифровая линия T1.

IV квадрант. Цифровая информация должна быть передана по цифровой линии. Выполняется преобразование схемы кодирования сигнала, используемого DTE, в схему, используемую линией связи.

Например, RS-232 (COM порт) использует полярную схему кодирования сигналов, а канал связи использует кодирование BPRZ, отличающееся от предыдущего. DCE, осуществляющий это преобразование называется модулем обслуживания канала и данных (CSU/DSU).

Оборудование DCE играет важную роль в реализации физического уровня. Используя различные типы функций DCE, любая информация (аналоговая или цифровая) может быть приведена в форму, совместимую с любым каналом связи (узкополосным или широкополосным).

2. Пример применения информационных сетей в промышленности

В последние три года наблюдается оживление рынка систем промышленной автоматизации как в России, так и за рубежом. Основные производственные фонды российских предприятий требуют серьезной модернизации, что стимулирует развитие рынка АСУ ТП и встроенных систем.

В промышленных сетях применяются десятки коммуникационных технологий и протоколов. Они позволяют создавать распределенные системы, объединяющие различные датчики, контроллеры и исполнительные устройства. Подключение перечисленных устройств к сетям обычно осуществляется с помощью сложных специализированных протоколов: Profibus, FIP, ControlNet, Interbus-S, DeviceNet, P-NET, WorldFIP, LongWork или Modbus Plus. Протоколы разработаны с учетом особенностей производства и технических систем, обеспечивают надежные соединения и высокую точность управления. Оборудование, для которого они предназначены, должно устойчиво работать при высоких температурах или влажности, в условиях сильной вибрации или химически активной среды. Между тем кроме надежности функционирования все более важными требованиями в системах АСУ ТП становятся функциональные возможности, простота инсталляции и обслуживания, адаптируемость к специфическим условиям, соответствие общепринятым стандартам.

Несмотря на попытки стандартизации, производители продолжают развивать разные технологии, шинные интерфейсы, архитектуры контроллеров, операционные системы реального времени, протоколы, языки программирования и продвигать собственные сетевые решения для связи оборудования контроля и управления производственными процессами.

2.1 Проблемы стандартизации технологий промышленной связи

Развитие микропроцессорной технологии способствовало переходу к архитектуре распределенных систем: функции автоматизации все чаще стали реализовываться вне блока центрального процессора — в датчиках, агрегатах и исполнительных механизмах. Простые сенсоры и датчики стали превращаться в коммуникационные устройства. «Интеллектуализация» периферийного технологического оборудования и появление цифровых интерфейсов породили потребность в новых видах коммуникаций — они поставили на повестку дня создание локальной сети, функционирующей на нижнем уровне автоматизации, в зоне технологических процессов (рисунок 16).

Рисунок 16 — Интеллектуализация периферийного технологического оборудования.

Сети промышленного применения (fieldbus) отличаются детерминированностью поведения, поддержкой функций реального времени, повышенной надежностью передачи данных в среде с высоким уровнем электромагнитных помех, наличием защищенных от воздействия среды разъемов. Как отмечают специалисты компании «РТСофт», в числе типичных требований, предъявляемых к таким сетям, — простая среда передачи (например, двухпроводная линия), различная топология (шинная, звездообразная, древовидная), разные расстояния (до нескольких километров) и скорости передачи данных, электропитание через шину, защита передаваемой информации, простота использования. Промышленные сети различаются также способами мультиплексирования, методами коммуникаций (синхронные или асинхронные) и доступа к среде передачи данных, особенностями управления (централизованное или децентрализованное).

Включение в сеть промышленных устройств — процесс во многом более сложный, чем объединение в сети ПК и телекоммуникационных устройств. Наличие многочисленных несовместимых реализаций в области промышленных сетей затрудняет интеграцию в единую систему компонентов разных производителей и препятствует широкому распространению интеллектуальных устройств. Уже почти два десятка лет предпринимаются попытки разработать стандарт в области цифровых коммуникаций для систем автоматизации, дабы уйти от закрытых решений.

Столь большие сроки вызваны особенностями данной отрасли. Сфера технологий промышленной связи в значительной степени фрагментирована, прежде всего, вследствие разнообразия областей применения. Это автоматизация в разных отраслях промышленности, интеллектуальные здания, различные технические системы (например, автомобильная и авиакосмическая отрасли) — везде необходим некий физический способ объединения промышленных или бортовых компьютеров, контроллеров, датчиков, исполнительных механизмов, оборудования ввода/вывода, согласующих и других устройств.

Какое решение могло бы отвечать столь различным требованиям и реально ли унифицировать протоколы взаимодействия устройств? Какой должна быть коммуникационная технология построения единой информационной сети, объединяющей различные интеллектуальные устройства? Идея стандартизации технологий цифровой промышленной связи давно привлекает специалистов, ведь единый международный стандарт на протокол промышленной сети гарантировал бы взаимозаменяемость и совместимость продуктов разных производителей.

Международная электротехническая комиссия (МЭК), определив требования для устройств разного типа, приступила к разработке универсального стандарта открытой промышленной сети еще в 1984 г. Тем временем в 1991 г. в Германии принимают спецификацию открытой промышленной сети Profibus (DIN19245) на базе модели межсетевого взаимодействия ISO/OSI. В 1994 г. создается ассоциация Fieldbus Foundation, куда вошли североамериканские группы WorldFIP и ISP-Foundation. Европейские производители промышленных систем пошли по пути создания своего единого стандарта промышленной сети European Fieldbus Standard (EN50170), проект которого был принят в 1996 г. и объединил национальные стандарты Profibus (Германия), FIP (Франция) и P-NET (Дания).

МЭК завершила подготовку первой спецификации в 1998 г. Столь долго разрабатывавшееся решение успело устареть и не соответствовало тенденциям рынка промышленной автоматизации. Кроме того, данное предложение отражало интересы групп компаний, работающих в отдельных отраслях. Принять его сразу не удалось, однако в конце 1999 г. большинство национальных комитетов МЭК все же одобрило окончательный проект стандарта, объединяющего восемь коммуникационных технологий (Technical Specification TS61158, P-NET, Profibus, ControlNet, Foundation Fieldbus High Speed Ethernet, WorldIP, SwiftNet и Interbus). Этот многофункциональный стандарт, включающий спецификации канального и прикладного уровня, получил название IEC61158. Он ориентирован на различные области применения, и, как полагают специалисты, в случае удачного завершения работы над ним удастся получить не только комплект отдельных коммуникационных технологий, но и возможность их объединения в рамках одного проекта. Стандарт получил одобрение организации Fieldbus Foundation. Теперь МЭК должна упорядочить и внести все изменения в спецификацию, прежде чем она станет международным стандартом.

Между тем стандарт IEC61158 вызывает у многих специалистов целый ряд вопросов. Зачем под одним названием собраны столь разные технологии? Почему вместо единого стандарта с описанием одной коммуникационной технологии предложен набор решений? Из-за сложившегося в данной сфере разнообразия протоколов и требований к промышленным сетям, широкой области их применения непредвзято выбрать какое-то одно решение довольно трудно, так что говорить о действительно едином международном стандарте пока не приходится.

2.2 Объединяющая сила ETHERNET

Хотя идея международной стандартизации в области промышленных коммуникаций и объединения десятков независимых технологий «полевых шин» не потеряла своей привлекательности, мир промышленной автоматизации и, прежде всего, поставщики оборудования для управления производственными процессами давно обратили внимание на Ethernet, Internet и технологии Web. Интерес к унификации промышленных сетей и созданию неоднородных сетевых сред на основе продуктов разных производителей весьма велик, а идея построения единой информационной инфраструктуры промышленных предприятий, обеспечивающей совместную работу программных и аппаратных средств систем АСУП и АСУ ТП, выглядит очень привлекательной. Это позволило бы объединить разные виды коммуникаций, включить производственное оборудование и управляющие ими компьютеры в единую среду. Как отмечают специалисты компании SWD Software, при наличии открытого стандарта, поддержанного многими производителями, пользователи могут не опасаться, что применяемое ими решение окажется несовместимо с новыми версиями, его выпуск прекратится, либо производитель просто уйдет с рынка.

Тенденция комплексной автоматизации опирается и на растущую потребность в использовании производственных данных в бизнес-процессах, бухгалтерском учете, системах планирования и управления ресурсами предприятий (ERP) и взаимодействия с заказчиками (CRM), программах инвентаризации. Современные АСУП используют для коммуникаций сети Ethernet и протоколы TCP/IP, а информационные системы — технологии Internet. Не удивительно, что в последние пять лет предпринимаются активные попытки внедрить Ethernet на цеховом уровне, задействовать привычные сетевые протоколы для интеграции АСУП и АСУ ТП, преодолеть технологические барьеры, возникшие в результате их независимого развития.

В частности, внедрение Ethernet на уровне промышленных систем позволяет предприятиям передавать собираемую информацию на уровень АСУП для применения в различных приложениях. К тому же Ethernet — самая популярная сетевая технология. С ее помощью разработчики надеются создать единую коммуникационную инфраструктуру предприятия, распространить на системы промышленной автоматизации такие преимущества Ethernet, как простота интеграции с Internet, возможность включения в сеть самых разнообразных устройств и централизованного управления ими. Большой рынок поддерживающих Ethernet устройств и компонентов, массовое производство подобных продуктов гарантирует их достаточно низкую стоимость. Унификация Ethernet как единой сетевой технологии ведет к сокращению расходов, в том числе на обучение специалистов и обслуживание систем.

Насколько велики сегодня масштабы проникновения Ethernet в комплексы управления производственными процессами? Специалисты отмечают растущее влияние Ethernet в области промышленной автоматизации, где реализован целый ряд успешных проектов с применением Ethernet (см. статью Алексея Чернобровцева «Ethernet в промышленности», ComputerWorld, № 32/2000). Решения на базе Ethernet предлагают Echelon, Phoenix Contact, Schneider Electric, Siemens. Несколько промышленных ассоциаций продвигает Industrial Ethernet. Одновременно промышленные протоколы переписываются с учетом особенностей Ethernet и TCP/IP.

С другой стороны, эту область не оставляют без внимания крупные производители сетевого и компьютерного оборудования. Так, в 2000 г. компания Cisco учредила совместное предприятие с General Electric под названием GE Cisco Industrial Networks, а Siemens выдвинула инициативу Profinet (Profibus + Ethernet). Расширения для работы через Ethernet созданы для многих промышленных сетей. Хотя в производственных системах управления Ethernet и Internet (TCP/IP) появились относительно недавно, промышленные протоколы адаптируются к особенностям Ethernet и TCP/IP, а продукты, удовлетворяющие требованиям новых стандартов, приобретают на рынке все бо/льшую популярность. Ethernet и TCP/IP начинают вытеснять сложные «индустриальные» протоколы, постепенно уступающие место более открытым решениям.

Другое направление развития — IndustrialSNMP. Поддержка протокола SNMP позволяет администраторам сети читать и записывать информацию на удаленное управляемое сетевое устройство. Использование данных SNMP способствует продвижению Ethernet в сфере средств управления производственными процессами, усиливает позиции Ethernet как коммуникационной магистрали управляющих систем. В IndustrialSNMP реализовано несколько баз параметров распространенных управляемых сетевых устройств, что позволяет разработчикам быстрее подбирать подходящие переменные MIB.

Ряд производителей выпускает контроллеры с поддержкой SNMP. Например, контроллеры eScape от российской компании «Стинс Коман» поддерживают протокол SNMP на программно-аппаратном уровне и позволяют включить в сеть Ethernet самые разнообразные устройства, сопрячь унаследованное и новое оборудование, получить единую картину всех происходящих процессов, управляя комплексными объектами (см. статью автора «Без пыли и шума» в майском номере «Журнала сетевых решений/LAN»). Достоинства такого решения — открытость, простота и масштабируемость.

Внедрение технологий Ethernet в сфере промышленной автоматизации облегчит создание однородных сетей и сведет к минимуму (а может быть, и исключит) применение дополнительных протоколов. Продукты, удовлетворяющие требованиям широко распространенных сетевых стандартов, приобретают все большую популярность.

2.3 ETHERNET в роли промышленной сети

информационный сеть ethernet сервер

Оборудование Ethernet относительно недорого и доступно, а протоколы TCP/IP выглядят очень привлекательным решением по сравнению с запутанными и многочисленными стандартами дорогих и сложных промышленных сетей. Согласно исследованию трех крупнейших автомобильных компаний США, потенциально Ethernet способен обслуживать до 70% их производственных приложений.

Как стандартная технология в области построения промышленных сетей и распределенных систем управления, Ethernet проникает и на уровень программируемых контроллеров, устройств сопряжения с датчиками и исполнительными механизмами. В последнее время все больше говорят об архитектуре Ethernet промышленного применения — Industrial Ethernet, поддерживаемой рядом ведущих производителей оборудования автоматизации. Будучи универсальным средством организации коммуникационных интерфейсов в системах автоматизации, Industrial Ethernet предлагает широкие возможности реализации различных топологий с разнообразными подключаемыми устройствами при невысокой стоимости в расчете на устройство, хорошо интегрируется с технологией Internet со всеми ее достоинствами, включая высокую масштабируемость и возможности удаленного управления.

Между тем Industrial Ethernet представляет скорее общую концепцию. Как отмечают специалисты «РТСофт», эта технология имеет множество реализаций, различные физические среды передачи, транспортные и прикладные протоколы, а понятие Industrial Ethernet часто интерпретируется по-разному.

К тому же, при всех преимуществах применения в промышленных системах, Ethernet имеет и ряд недостатков. Он позволяет передавать информацию с высокой скоростью и обслуживать крупные инсталляции, но для передачи небольших объемов данных и объединения простых устройств больше подходят другие сетевые технологии, поскольку в Ethernet в этом случае достаточно велики непроизводительные потери, ведь протоколы TCP/IP и сети Ethernet характеризуются значительным уровнем накладных расходов. При подключении большого числа устройств сеть Ethernet будет функционировать медленнее специализированных промышленных сетей наподобие Profibus.

Как считает начальник отдела системной интеграции компании «Ниеншанц» Сергей Власов, стандартный вариант Ethernet обычно не подходит для АСУ ТП из-за отсутствия гарантированного времени доставки. Эту проблему можно свести к минимуму, но в критичных системах, где требуется гарантированное время реакции, использование Ethernet будет «косвенным», т. е. с его помощью можно объединять отдельные подсистемы, отвечающие за жизненно важные узлы, но внутри них, вероятно, будут применяться иные технологии. Таким образом, Ethernet ждет успех в многоуровневых системах для мониторинга каких-либо параметров или, например, в интеллектуальных зданиях, когда время реакции не столь критично. Подобных систем появляется все больше — контроллеры с поддержкой Ethernet выпускают как зарубежные, так и российские производители. По мнению Сергея Власова, технология получит более широкое распространение в промышленных системах, но наверняка не в качестве единственной шины. Скорее, Ethernet будет играть роль некоей интегрирующей среды.

Действительно, Ethernet подходит не для всех случаев автоматизации. В некоторых ситуациях, если требуется точное управление устройствами в реальном времени, задача окажется невыполнимой из-за недостаточной детерминированности. Поскольку доступ к среде передачи основан на разрешении конфликтов, предсказуемость передачи не гарантируется. Для решения данной проблемы потребуется применение коммутаторов Ethernet, разделение трафика с помощью виртуальных локальных сетей и приоритетов потоков данных или использование специальных, комбинированных протоколов. Между тем, как считают специалисты компании SWD Software, такой недостаток, как непредсказуемое время доставки данных в Ethernet вследствие самого принципа CSMA/CD, лежащего в основе Ethernet, сказывается лишь при большом числе станций, и на цеховом уровне им можно пренебречь. При увеличении числа станций проблема легко решается локализацией широковещательного трафика (в частности, с помощью коммутаторов). Так что необходимо лишь правильно организовать среду передачи. По мнению Сергея Суханова, ведущего инженера компании ICOS, для широкого круга задач (например, сбор информации с датчиков) проблема детерминированности не имеет существенного значения. Он отметил, что в последнее время промышленные решения на базе Ethernet пользуются все более высоким спросом, хотя все зависит от характера задачи и методов ее решения.

Для промышленных сетей повышенная надежность — одно из обязательных условий, так как любые отказы и сбои чреваты очень серьезными последствиями. Стандартные кабели и разъемы RJ-45 обычно имеют неадекватные физические и электрические характеристики: они слишком уязвимы для производственного применения и более подвержены электромагнитным помехам, чем большинство разъемов промышленного типа, а заводское оборудование нередко становится источником сильных электрических помех. В заводских условиях, как правило, требуются разъемы специального исполнения (рисунок 17).

Рисунок 17 — пример заводской сети с использованием технологии Ethernet.

Однако выход есть — разнообразные адаптеры позволяют превратить разъемы RJ-45 в пылеводонепроницаемые. Производители выпускают также бронированные кабели Fast Ethernet и разъемы RJ-45 в исполнении IP67. Надежность Ethernet обеспечивается резервированием линий и введением избыточных компонентов.

Еще одну потенциальную опасность при внедрении Ethernet на промышленном уровне специалисты видят в менее надежной защите. Трехуровневые производственные системы с раздельными уровнями — информационным, управления и устройств — обеспечивают более сильную защиту и физическое разделение трафика. По мнению экспертов, их объединение в единую магистраль Ethernet, удешевляя решение, создает определенный риск. Для повышения защиты системы управления магистральную сеть Industrial Ethernet и офисную систему автоматизации разделяют брандмауэрами. Иногда из этих соображений к Ethernet обращаются только для сбора информации от датчиков, но не для управления исполнительными механизмами.

Если речь идет о модернизации промышленной системы, то важное значение приобретают также такие моменты, как наличие более старых интерфейсов и инфраструктуры. Насколько оправдана замена существующей кабельной проводки линиями Ethernet? Кабельная инфраструктура может функционировать на протяжении десятков лет, а средства в нее вкладывались в течение многих лет.

Интерфейсы же к унаследованным сетям и промышленным шинам нередко достаточно дороги.

2.4 Промышленные протоколы «поверх IP» И INDUSTRIAL ETHERNET

Ethernet или TCP/IP еще не гарантирует взаимодействия устройств. Ethernet, как и RS-232, лишь обеспечивает возможность передачи сообщений. Сами сообщения передаются с помощью транспортных протоколов. В случае Ethernet — это практически повсеместно TCP и UDP. Однако нужны протоколы и более высокого уровня. Данные датчиков и сенсоров можно упаковывать в существующий формат промышленной сети и передавать средствами TCP/IP. Такое направление активно развивается в отрасли. Многие специалисты полагают, что применяемые в сетях Ethernet протоколы прикладного уровня недостаточно хорошо определены и не реализуют всех необходимых для систем автоматизации функций. Проблему пытаются решить переносом в среду Ethernet и TCP/IP существующих протоколов автоматизации. Часто для этого прибегают к инкапсуляции: данные промышленных протоколов вставляются в кадры TCP или UDP. Подобный подход характерен для протокола EtherNet/IP (разработанного Rockwell Automation и ODVA), HSE (High Speed Ethernet) от Fieldbus Foundation и Modbus/TCP от компании Schneider Electric. Известны также такие реализации, как ProfiNet (Profibus в Ethernet), Interbus-TCP/IP и др. Над созданием прикладных протоколов для Industrial Ethernet работают несколько производителей, предлагающих разные решения. Это упрощает обеспечение совместимости Ethernet с протоколами промышленных сетей: он может заменить существующие промышленные сети или дополнить их. С другой стороны, эффективность протокола при инкапсуляции достаточно низка, а накладные расходы — большие, поэтому, по мнению специалистов «РТСофт», инкапсуляция более подходит для передач данных большими блоками.

Важное преимущество подобных решений в том, что профили многих устройств уже хорошо определены и достаточно просто переносятся в среду Ethernet. Передача данных между «верхним» и «нижнем» уровнями сети также не представляет особых проблем (хотя при больших потоках данных возможно появление «узких мест»). Например, Profibus может использоваться как сеть нижнего уровня (ввод/вывод), а ProfiNet — как управляющий уровень. Взаимодействие между ними достаточно прозрачно. Протокол ProfiNet разработан Profibus International на базе Ethernet как совместимый с протоколом Profibus, поддерживаемым компанией Siemens. На рынке имеется более 2 тыс. видов продуктов Profibus, а количество разновидностей инсталлированных устройств достигает 5 тыс. И тот и другой конкурируют с протоколами Fieldbus Foundation (некоммерческой организации, объединяющей 140 компаний, работающих в сфере промышленной автоматизации).

Технология Fieldbus Foundation стала одной из наиболее популярных в сфере управления процессами. Она достаточно широко применяется в энергетике, нефтеперерабатывающей отрасли, на фармацевтических предприятиях и включает два уровня: H1 со скоростью 31,25 Кбит/с для обмена информацией с измерительными устройствами/датчиками, исполнительными механизмами и High-Speed Ethernet (HSE) со скоростью 100 Мбит/с. Эта технология конкурирует с протоколами Modbus, HART и Profibus PA.

Продвигаемый Open Devicenet Vendor Assosiation (ODVA) Ethernet Industrial Protocol (EtherNet/IP) позволяет создавать информационные и управляющие системы и ориентирован на такие отрасли, как автомобильная и аэрокосмическая промышленность, производство электроники и др. EtherNet/IP совместим с предложенным компанией Rockwell Automation протоколом DeviceNet, применяемым для коммуникаций на уровне устройств. Ассоциации Industrial Automation Open Network Alliance (IAONA), ODVA и Interface for Distributed Automation (IDA) договорились в декабре 2000 г. о совместном распространении технологий на базе EtherNet/IP. Протокол EtherNet/IP поддерживают также организации ControlNet International (CI) и Industrial Ethernet Association (IEA).

Единый стандарт обмена данными и межсерверных коммуникаций для Industrial Ethernet и унаследованных промышленных протоколов под названием OPC Data Exchange Standard for Ethernet разрабатывается ассоциацией OPC Foundation. Он обеспечивает взаимодействие разных сетей Industrial Ethernet и поддерживается ассоциациями Open DeviceNet Vendor Association, ControlNet International и Profibus International. Как ожидается, его спецификация появится в ближайшее время.

По мнению специалистов, создание подобных стандартов упростит разработку совместимых технологий связи, единых спецификаций на сетевые компоненты и кабельную инфраструктуру.

2.5 ETHERNET как верхний уровень интегрированной системы автоматизации

Ethernet все чаще оказывается востребован в сфере автоматизации совместно с другими промышленными шинами. В этом случае сетевая инфраструктура обычно состоит из двух уровней. На верхнем реализуется сеть Ethernet, которая может объединять ПК, серверы, устройства печати и хранения данных, коммутаторы и другие телекоммуникационные устройства. Через промышленные компьютеры или контроллеры она связывается с промышленной сетью (например, Profibus, DeviceNet или Lonworks), объединяющей агрегаты, датчики, исполнительные механизмы. Иногда создается еще и третий уровень: через шлюз к промышленной сети подключаются устройства, у которых имеются только порты RS-485 или RS-232.

В качестве примера подобного подхода можно привести недавно реализованный компанией «ЭкоПрог» проект «интеллектуального здания» «Галс-Тауэр» на 1-й Тверской-Ямской улице в Москве. Верхним уровнем управления и контроля в данной системе стала сеть Ethernet с подключенным к ней сервером и ПК (рабочим местом оператора), а нижний представлен многофункциональной распределенной системой European Installation Bus (EIB) на базе RS-232, связывающей различные датчики и исполнительные устройства. В качестве интерфейса между этими уровнями выступает промышленный микрокомпьютер производства компании Tridium. В результате удалось интегрировать системы электроснабжения, отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения и канализации, лифтовые системы и системы телекоммуникаций, составляющие инженерную инфраструктуру бизнес-центра, и обеспечить единое управление целым комплексом оборудования.

Чтобы использовать существующие устройства систем автоматизации, несколько сегментов стандартных промышленных шин можно объединить в сегменты Industrial Ethernet с помощью шлюзов. Правда, при этом возникает опасность появления достаточно сложных неоднородных сетей, где не всегда достигаются требуемые параметры режима реального времени.

Как уже отмечалось выше, к важным преимуществам объединения Ethernet с промышленными сетями относится возможность интеграции систем АСУ ТП и АСУП. Получаемая из производственной системы нижнего уровня информация может передаваться на верхний и сохраняться в БД для использования в системах ERP или CRM. Для доступа к производственным данным и процессам можно задействовать корпоративную сеть Intranet. Для этого специалисту достаточно иметь в своем распоряжении обычный ПК со стандартным браузером. Данные для обработки или анализа могут передаваться на уровень АСУП из системы SCADA. Чтобы эффективно управлять производством, получать информацию о выходе готовой продукции, состоянии оборудования или параметрах производственных процессов, их доставка должна осуществляться в реальном (или близком к реальному) времени.

В решениях ряда производителей Industrial Ethernet совместим с другими стандартами промышленных сетей, например Profibus и ASI. Так, устройства предлагаемой компанией Siemens сетевой архитектуры Simatic NET обеспечивают интеграцию разных уровней системы автоматизации: уровня датчиков, «полевого» уровня (Profibus), уровня цеха и управления.

Функциональные возможности Intranet лежат и в основе концепции Transparent Factory, продвигаемой компанией Schneider Electric (см. врезку «Прозрачное предприятие»: концепция Transparent Factory"). В отличие от традиционного иерархического дерева, где с узлами нижнего уровня взаимодействует один узел верхнего (управляющий контроллер или мост), данная концепция позволяет строить сложные системы АСУ ТП с прямым доступом на все уровни, к каждому устройству (интеллектуальному датчику, исполнительному механизму и т. д.).

3. Проектирование информационной сети на основе стандарта структурированной кабельной системы (на примере углеобогатительной фабрики)

3.1 Постановка задачи

Дано.

1. Схема углеобогатительной фабрики (рисунок 18).

Материальные потоки

Рисунок 18 — Схема расположения корпусов углеобогатительной фабрики.

2. План помещения административно — бытового корпуса (рисунок 19).

Рисунок 19 — План помещения административно — бытового корпуса

3. Прайс — листы на персональные компьютеры и сетевое оборудование;

4. Стандарт ISO 11 801.

5. Исходные данные варианта

Требуется: составить проект структурированной кабельной системы для углеобогатительной фабрики.

Для этого необходимо выполнение следующих задач:

1.Построение структуры информационной сети углеобогатительной фабрики.

2.Составление конфигурации сервера и рабочих станций.

3.Размещение оборудования в шкафах.

4.Составление схемы подключения внешних проводок.

5.Спецификация программно — аппаратных средств информационной сети.

6.Представление схемы расположения информационных розеток в здании АБК.

7.Составление кабельного журнала информационной сети.

3.2 Структура информационной сети углеобогатительной фабрики

При создании информационной сети предприятия первой задачей является выбор ее структуры.

В данной курсовой работе из — за территориального распределения корпусов углеобогатительной фабрики была выбрана топология сети Ethernet звезда.

В целях хозяйственной необходимости и экономической целесообразности в качестве среды передачи данных между корпусами из — за большого расстояния и с учетом особенностей оперативного обмена сигналами был выбран оптоволоконный кабель, а в здании административно — бытового корпуса — кабель «витая пара». Структура информационной сети углеобогатительной фабрики (рисунок 20).

— сервер

— контроллер

— оптоволокно

— медный патч — корд

— информационная розетка

— оптический патч — к2

орд

— рабочие станции

— диспетчерская станция

Рисунок 20 — Структура информационной сети углеобогатительной фабрики.

3.3 Конфигурация сервера, рабочих станций и диспетчерской станции

Сервер является элементом информационной сети предприятия, так как на него возлагается функция предоставления ресурсов другим абонентам.

Поэтому этап его конфигурирования является ответственным шагом, от результатов которого во многом зависит функционирование информационной сети предприятия.

Конфигурация сервера составлена на основе прайс — листов компьютерного магазина «Сигма Компьютеры» от 15.05.2009 года и представлена в таблице 1

Таблица 1 — Конфигурация сервера

Конфигурация рабочей станции составлена на основе прайс — листов фирмы «Сигма Компьютеры» от 15.05.2009 года и представлена в таблице 2.

Таблица 2 — Конфигурация рабочей станции

Конфигурация диспетчерской станции составлена на основе прайс — листов фирмы «Сигма Компьютеры» от 15.05.2009 года и представлена в таблице 3.

Таблица 3 — Конфигурация диспетчерской станции

• 3.4 Cхема расположения информационных розеток в здание АБК
• Важным звеном в создании информационной сети размещение информационных розеток в здании АБК.
• Розетки, к которым подключают оборудование сервера и рабочих станций, должны подключатся через (устройство).
• Информационные розетки должны быть по возможности очищены от лишних частей (трубопроводы, раковины) и должны находиться от них на расстояние не менее 0,5 метра.
• Сервер в здании АБК обычно располагается в центре сети для уменьшения капитальных затрат на устройство локальной сети (уменьшение длины кабельных линий). Немаловажную роль в выборе помещения для установки сервера является возможность, организации приточно — вытяжной вентиляции для поддержания регламентируемой паспортными данными сервера температурой.
• Схема расположения информационных розеток в здании АБК (рисунок 21).

— Розетка информационная 2 портовая

— Розетка информационная 2 портовая (в резерве)

— диспетчерская станция

— сервер

C1 — номер розетки

Рисунок 21 — Схема расположения информационных розеток в здании АБК

3.5 Размещение оборудования в сетевых шкафах корпусов обогатительной фабрики

Для размещения активного, пассивного и вспомогательного оборудования в зданиях погрузочного пункта, бункера породы, склада готовой продукции и главного корпуса были использованы сетевые шкафы настольного исполнения высотой 15U.

Высота шкафа выбрана исходя из расчета занимаемого оборудования и 10% резервного места (рисунок 22).

Рисунок 22 — Размещение оборудования в шкафах 2,3,4,5

Размещение оборудования в шкафе Административно — бытового корпуса Размещение оборудования в шкафе АБК отличается от других наличием в нем 2 медных патч — панелей, дополнительного органайзера для фиксаций кабельных жгутов и серверов. Для размещения соответствующего оборудования был использован сетевой шкаф напольного исполнения 15U (рисунок 23).

Рисунок 23 — Схема размещения оборудования в шкафе АБК

Размещение оборудования в шкафе углеприёма и углеподготовки (рисунок 24)

Рисунок 24 — Схема размещения оборудования в шкафе углеприёма и углеподготовки

3.6 Схема подключения внешних проводок

Схема подключения внешних проводок отображает в графическом виде подключения порта информационной розетки с соответствующим портом патчпанели (рисунок 25).

Рисунок 25 — Схема подключения внешних проводок ПП -1

Рисунок 26 — Схема подключения внешних проводок ПП — 2

3.7 Кабельный журнал информационной сети

На основание схемы расположения информационных розеток был составлен кабельный журнал представленный в таблице 4.

Таблица 4 — Кабельный журнал информационной сети