Промышленные сети

• Введение
• 1. Общие сведения о промышленных сетях
• 2. HART-протокол
• 3. Modbus
• 4. PROFIBUS
• 5. CAN
• 6. Промышленный Etherne
• 7. FOUNDATION Fieldbus
• Заключение
• Введение

Наибольшее распространение в АСУ ТП получили распределенные системы, элементы которых (контроллеры, модули ввода-вывода) разнесены в пространстве, независимы друг от друга, но взаимодействуют между собой для выполнения общей задачи. Основой для построения распределенных систем сбора данных и управления является промышленная сеть.

сеть протокол шина интерфейс

1. Общие сведения о промышленных сетях Обмен информацией между устройствами, входящими в состав автоматизированной системы (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнительными устройствами), происходит в общем случае через промышленную сеть (fieldbus, «полевую шину»).

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).

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.

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.

В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня:

· контроллерные сети, которые решают задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;

· полевые или сенсорные сети, которые решают задачи опроса датчиков и управления работой разнообразных исполнительных механизмов).

Иногда полевые сети называют сетями низовой автоматики.

Для полевых сетей характерна передача небольшого объема данных на небольшие расстояния за короткое время.

Для контроллерных сетей наоборот характерна передача больших объемов данных за большие расстояния.

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. Сетевым интерфейсом называют логическую и (или) физическую границу между устройством и средой передачи информации. Обычно этой границей является набор электронных компонентов и связанного с ними программного обеспечения. При существенных модификациях внутренней структуры устройства или программного обеспечения интерфейс остается без изменений, что является одним из признаков, позволяющих выделить интерфейс в составе оборудования.

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.

Для обмена информацией взаимодействующие устройства должны иметь одинаковый протокол обмена. В простейшей форме протокол — это набор правил, которые управляют обменом информацией. Он определяет синтаксис и семантику сообщений, операции управления, синхронизацию и состояния при коммуникации. Протокол может быть реализован аппаратно, программно или программно-аппаратно. Название сети обычно совпадает с названием протокола, что объясняется его определяющей ролью при создания сети. В России используются сетевые протоколы, описанные в серии стандартов [ГОСТ — ГОСТ].

Обычно сеть использует несколько протоколов, образующих стек протоколов — набор связанных коммуникационных протоколов, которые функционируют совместно и используют некоторые или все семь уровней модели OSI. Для большинства сетей стек протоколов реализован с помощью специализированных сетевых микросхем или встроен в универсальный микропроцессор.

Взаимодействие устройств в промышленных сетях выполняется в соответствии с моделями клиент-сервер или издатель-подписчик (производитель-потребитель). В модели клиент-сервер взаимодействуют два объекта. Сервером является объект, который предоставляет сервис, т. е. который выполняет некоторые действия по запросу клиента. Сеть может содержать несколько серверов и несколько клиентов. Каждый клиент может посылать запросы нескольким серверам, а каждый сервер может отвечать на запросы нескольких клиентов. Эта модель удобна для передачи данных, которые появляются периодически или в заранее известное время, как, например, значения температуры в периодическом технологическом процессе. Однако эта модель неудобна для передачи случайно возникающий событий, например, события, состоящего в случайном срабатывании датчика уровня, поскольку для получения этого события клиент должен периодически, с высокой частотой, запрашивать состояние датчика и анализировать его, перегружая сеть бесполезным трафиком.

В модели взаимодействия издатель-подписчик имеется один издатель и множество подписчиков. Подписчики сообщают издателю список тегов, значения которых они хотят получать по определенному расписанию или по мере появления новых данных. Каждый клиент может подписаться на свой набор тегов. В соответствии с установленным расписанием издатель рассылает подписчикам запрошенную информацию.

2. HART-протокол

HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer — «магистральный адресуемый удаленный преобразователь») является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который включает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи, поэтому устоявшийся термин «протокол», означающий алгоритм взаимодействия устройств, применен здесь не совсем корректно. Стандарт HART был разработан в 1980 году фирмойRosemount Inc., которая позже сделала его открытым. В настоящее время стандарт поддерживается международной организацией HART Communication Foundation (HCF), насчитывающей 190 членов (на декабрь 2006 г.). HART находит применение для связи контроллера с датчиками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным оборудованием.

Несмотря на свое низкое быстродействие (1200 бит/с) и ненадежный аналоговый способ передачи данных, а также появление более совершенных сетевых технологий, устройства с HART-протоколом разрабатываются до сих пор и объем этого сегмента рынка продолжает расти. Однако применение HART в России довольно ограничено, поскольку внедрение датчиков с HART-протоколом требует одновременного применения HART-совместимых контроллеров и специализированного программного обеспечения. Типовой областью применение HART являются достаточно дорогие интеллектуальные устройства (электромагнитные клапаны, датчики потока жидкости, радарные уровнемеры и т. п), а также взрывобезопасное оборудование, где низкая мощность HART-сигнала позволяет легко удовлетворить требованиям стандартов на искробезопасные электрические цепи.

Стандарт HART включает в себя 1-й, 2-й и 7-й уровни модели OSI. Полное описание стандарта можно купить в организации HCF.

Табл. 1. Модель OSI HART-протокола

При создании HART-протокола в 1980 году преследовалась цель сделать его совместимым с широко распространенным в то время стандартом «токовая петля», но добавить возможности, необходимые для управления интеллектуальными устройствами. Поэтому аналоговая «токовая петля» 4…20 мА была модернизирована таким образом, что получила возможность полудуплексного цифрового обмена данными. Для этого аналоговый сигнал A (t) суммируется с цифровым сигналом D (t) и полученная таким образом сумма передается с помощью источника тока 4…20 мА по линии связи. Благодаря сильному различию диапазонов частот аналогового (0…10 Гц) и цифрового (1200 Гц и 2200 Гц) сигналов они легко могут быть разделены фильтрами низких и высоких частот в приемом устройстве. При передаче цифрового двоичного сигнала логическая единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1200 Гц, ноль — 2200 Гц. При смене частоты фаза колебаний остается непрерывной. Такой способ формирования сигнала называется частотной манипуляцией с непрерывной фазой. Выбор частот соответствует американскому стандарту BELL 202 на телефонные каналы связи.

Рис. 1. Суммирование аналогового и цифрового сигнала в HART-протоколе Принцип взаимодействия устройств на физическом уровне модели OSI показан на рис. 2. Сопротивление R_Н выбирается так же, как и в токовой петле (стандартом предусмотрена величина 230…1100 Ом) и служит для преобразования тока 4…20 мА в напряжение. Акт взаимодействия устройств инициирует контроллер. Цифровой сигнал от источника напряжения Е^~ через конденсатор C_вч подается в линию передачи и принимается на стороне датчика в форме напряжения в диапазоне от 400 до 800 мВ. Приемник датчика воспринимает HART-сигналы в диапазоне от 120 мВ до 2 В, сигналы от 0 до 80 мВ приемником игнорируются. Получив запрос, датчик формирует ответ, который в общем случае может содержать как аналоговый сигнал A (t)₂, так и цифровой (D (t)₂). Аналоговый сигнал обычно содержит информацию об измеренной величине, а цифровой — информацию о единицах и диапазоне измерения, о выходе величины за границы динамического диапазона, о типе датчика, имени изготовителя и т. п.). Аналоговый и цифровой сигнал суммируются и подаются в линию связи в форме тока (рис. 1, рис. 2). На стороне контроллера ток преобразуется в напряжение резистором R_Н. Полученный сигнал подается на фильтр нижних частот с частотой среза 10 Гц и на фильтр верхних частот с частотой среза 400…800 Гц. На выходе фильтров выделяются цифровой сигнал D (t)₂ и аналоговый A (t)₂. При использовании фильтров второго порядка погрешность, вносимая цифровым сигналом в аналоговый, составляет всего 0,01% от 20 мА.

Рис. 2. Принцип работы HART-протокола на физическом уровне Как и в обычной «токовой петле», источник тока в HART-устройстве может иметь внешний или встроенный источник питания. В частном случае HART-протокол может использовать только цифровой сигнал, без аналогового, или только аналоговый сигнал 4…20 мА, без цифрового.

В случае, когда ведомым устройством является не датчик, а исполнительное устройство (например электромагнитный клапан), аналоговый сигнал в форме тока должен передаваться от ведущего устройства к ведомому и источник тока должен находиться в ведущем устройстве (ситуация, обратная показанной на рис. 2.). Поскольку HART устройства содержат микроконтроллер и МОП-ключи, необходимое для этого переконфигурирование передатчика и приемника выполняется путем подачи соответствующей команды.

3. Modbus

Протокол Modbus и сеть Modbus являются самыми распространенными в мире. Несмотря на свой возраст (стандартом де-факто Modbus стал еще в 1979 году), Modbus не только не устарел, но, наоборот, существенно возросло количество новых разработок и объем организационной поддержки этого протокола. Миллионы Modbus-устройств по всему миру продолжают успешно работать, а последняя версия описания протокола появилась в декабре 2006 г.

Одним из преимуществ Modbus является отсутствие необходимости в специальных интерфейсных контроллерах (Profibus и CAN требуют для своей реализации заказные микросхемы), простота программной реализации и элегантность принципов функционирования. Все это снижает затраты на освоение стандарта как системными интеграторами, так и разработчиками контроллерного оборудования. Высокая степень открытости протокола обеспечивается также полностью бесплатными текстами стандартов, которые можно скачать с сайта www.modbus.org.

В России Modbus по распространенности конкурирует только с Profibus. Популярность протокола в настоящее время объясняется, прежде всего, совместимостью с большим количеством оборудования, которое имеет протокол Modbus. Кроме того, Modbus имеет высокую достоверность передачи данных, связанную с применением надежного метода контроля ошибок. Modbus позволяет унифицировать команды обмена благодаря стандартизации номеров (адресов) регистров и функций их чтения-записи.

Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу «ведущий/ведомый», что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного опроса ведомых устройств ведущим.

Разновидностями Modbus являются протоколы Modbus Plus — многомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus TCP, рассчитанный на использование в сетях Ethernet и интернет.

Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit — «удаленное терминальное устройство») и ASCII. Стандарт предусматривает, что режим RTU в протоколе Modbus должен присутствовать обязательно, а режим ASCII является опционным. Пользователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные в сеть Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи.

Мы рассмотрим только протокол Modbus RTU, поскольку Modbus ASCII в России практически не используется. Отметим, что Modbus ASCII нельзя путать с частно-фирменным протоколом DCON, который используется в модулях фирм Advantech и ICP DAS и не соответствует стандарту Modbus.

Стандарт Modbus предусматривает применение физического интерфейса RS-485, RS-422 или RS-232. Наиболее распространенным для организации промышленной сети является 2-проводной интерфейс RS-485. Для соединений точка-точка может быть использован интерфейс RS-232 или RS-422.

В стандарте Modbus имеются обязательные требования, рекомендуемые и опционные (необязательные). Существует три степени соответствия стандарту: «полностью соответствует» — когда протокол соответствует всем обязательным и всем рекомендуемым требованиям, «условно соответствует» — когда протокол соответствует только обязательным требованиям и не соответствует рекомендуемым, и «не соответствует».

Модель OSI протокола Modbus содержит три уровня: физический, канальный и прикладной.

Табл. 2. Модель OSI для Modbus

В новых разработках на основе Modbus стандарт рекомендует использовать интерфейс RS-485 с двухпроводной линией передачи, но допускается применение четырехпроводной линии и интерфейса RS-232.

Modbus-шина должна состоять из одного магистрального кабеля, от которого могут быть сделаны отводы. Магистральный кабель Modbus должен содержать 3 проводника в общем экране, два из которых представляют собой витую пару, а третий соединяет общие («земляные») выводы всех интерфейсов RS-485 в сети. Общий провод и экран должны быть заземлены в одной точке, желательно около ведущего устройства.

Устройства могут подключаться к кабелю тремя способами:

· непосредственно к магистральному кабелю;

· через пассивный разветвитель (тройник);

· через активный разветвитель (содержащий развязывающий повторитель интерфейса).

В документации на устройство и на тройник должны быть указаны наименования подключаемых цепей.

На каждом конце магистрального кабеля должны быть установлены резисторы для согласования линии передачи, как это требуется для интерфейса RS-485 (см. выше). В отличие от RS-485, наличие терминальных резисторов в соответствии со стандартом Modbus является обязательным независимо от скорости обмена. Их номинал может быть равным 150 Ом и мощность 0,5 Вт. Терминальные резисторы, а также резисторы, устраняющие неопределенность состояния линии при высокоомном состоянии передатчиков, устанавливаются так же, как описано в разделе «Интерфейсы RS-485, RS-422 и RS-232». Стандарт требует, чтобы в руководствах по эксплуатации устройств Modbus было сказано, имеются ли указанные резисторы внутри устройства, или их необходимо устанавливать при монтаже сети. Если требуются внешние резисторы, то они должны иметь номинал в интервале от 450 до 650 Ом и быть установлены только в одном месте в пределах каждого сегмента сети (сегментами считаются части сети между повторителями интерфейса).

Modbus-устройство обязательно должно поддерживать скорости обмена 9600 бит/с и 19 200 бит/с, из них 19 200 бит/с устанавливается «по умолчанию». Допускаются также скорости 1200, 2400, 4800,…, 38 400 бит/с, 65 кбит/с, 115 кбит/с,… .

Скорость передачи должна выдерживаться в передатчике с погрешностью не хуже 1%, а приемник должен принимать данные при отклонении скорости передачи до 2%.

Сегмент сети, не содержащий повторителей интерфейса, должен допускать подключение до 32 устройств, однако их количество может быть увеличено, если это допустимо исходя из нагрузочной способности передатчиков и входного сопротивления приемников, которые должны быть приведены в документации на интерфейсы. Указание этих параметров в документации является обязательным требованием стандарта.

Протокол Modbus предполагает, что только одно ведущее устройство (контроллер) и до 247 ведомых (модулей ввода-вывода) могут быть объединены в промышленную сеть. Обмен данными всегда инициируется ведущим. Ведомые устройства никогда не начинают передачу данных, пока не получат запрос от ведущего. Ведомые устройства также не могут обмениваться данными друг с другом. Поэтому в любой момент времени в сети Modbus может происходить только один акт обмена.

4. PROFIBUS

Слово PROFIBUS получено из сокращений PROcess FIeld BUS, что приблизительно переводится как «промышленная шина для технологических процессов». Стандарт Profibus был первоначально принят в Германии в 1987 году, затем, в 1996 году, он стал международным (EN 50 170 и EN 50 254).

Сеть Profibus (как и другие описанные здесь промышленные сети, кроме Industrial Ethernet) использует только первый и второй уровни модели OSI. Один из вариантов сети, Profibus FMS, использует также уровень 7.

Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA.

Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals — «Profibus для децентрализованной периферии») использует уровни 1 и 2 модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к канальному уровню осуществляется с помощью DDLM (Direct Data Link Mapper — «прямой преобразователь для канального уровня»). Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP в отличие от FMS и PA построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый обмен данными с устройствами, подключенными к сети.

Profibus FMS (Profibus с FMS протоколом) использует уровень 7 модели OSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS предоставляет большую гибкость при передаче больших объемов данных, но проигрывает протоколу DP в популярности вследствие своей сложности.

Profibus FMS и DP используют один и тот же физический уровень, основанный на интерфейсе RS-485 и могут работать в общей сети.

Profibus PA (Profibus for Process Automation — «для автоматизации технологических процессов») использует физический уровень на основе стандарта IEC 1158−2, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Особенностью Profibus PA является возможность работы во взрывоопасной зоне.

В последние годы появился стандарт PROFInet, который основан на Industrial Ethernet и технологиях COM, DCOM. Он легко обеспечивает связь промышленной сети Profibus с офисной сетью Ethernet.

Profibus является многомастерной сетью (с несколькими ведущими устройствами). В качестве ведомых устройств выступают обычно устройства ввода-вывода, клапаны, измерительные преобразователи. Они не могут самостоятельно получить доступ к шине и только отвечают на запросы ведущего устройства.

На физическом уровне Profibus DP и FMS используют стандарт RS-485 при скорости передачи до 12 Мбит/с и с размерами сегментов сети до 32 устройств. Количество устройств можно увеличить с помощью повторителей интерфейса.

Особые требования установлены к сетевому кабелю. Он должен иметь волновое сопротивление от 135 до 165 Ом при погонной емкости не более 35 пФ/м, площадь поперечного сечения проводников более 0,34 кв. мм. и погонное сопротивление не более 110 Ом/км. Кабель должен иметь одну или две витые пары с медным экраном в виде оплетки или фольги.

С обеих сторон линии передачи подключаются согласующие резисторы, которые конструктивно установлены во все сетевые разъемы и подключаются с помощью микропереключателей. При скоростях передачи более 1,5 Мбит/с для согласования линии дополнительно используются плоские (печатные) катушки индуктивности.

Для увеличения дальности передачи в Profibus предусмотрена возможность работы с оптоволоконным кабелем. При использовании стеклянного оптоволокна дальность связи может быть увеличена до 15 км. Оптоволоконные интерфейсы выполняются в виде сменных модулей для контроллеров.

Profibus PA использует физический уровень, соответствующий стандарту IEC 1158−2. Данные передаются с помощью уровней тока +9 мА и -9 мА («токовая петля»). Используется манчестерский код (логический ноль соответствует смене отрицательного тока на положительный, а логическая единица — положительного на отрицательный). Скорость передачи составляет 31,25 кбит/с, в качестве линии передачи используется витая пара в экране или без него. Один сегмент сети может содержать до 32 устройств. Максимальная длина кабеля достигает 1,9 км. В каждом сегменте с обеих сторон кабеля подключены RC-цепочки, состоящие из последовательно соединенных конденсатора емкостью 1 мкФ и резистора сопротивлением 100 Ом. Благодаря низкой энергии передаваемого сигнала Profibus PA является искробезопасной электрической цепью и может быть использован во взрывоопасных зонах (при наличии разрешения Ростехнадзора на конкретное оборудование).

Несколько лет назад для Profibus была разработана модификация интерфейса RS-485 для взрывоопасных зон, которая получила название «RS-485-IS» («Intrinsically Safe» — «внутренне безопасный»). Существенным ее отличием является наличие резисторов, ограничивающих ток в линии до значений, установленных стандартом на искробезопасные электрические цепи.

Канальный уровень модели OSI в Profibus называется FDLуровнем (Fieldbus Data Link — «промышленный канал связи»). Объект MAC (Medium Access Control — «управление доступом к каналу») на канальном уровне определяет процедуру передачи данных устройствами, включая управление правами на передачу данных через сеть. Протокол канального уровня обеспечивает выполнение следующих важных требований:

· в процессе коммуникации между ведущими устройствами необходимо обеспечить выполнение каждым из них своей задачи в течение заранее определенного интервала времени;

· взаимодействие ведущих устройств (контроллеров) с ведомыми должно происходить максимально быстро.

В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется метод передачи маркера. В этом методе сеть имеет логическую топологию кольца (т. е. кольца на уровне адресов устройств) и каждое ведущее устройство получает доступ к сети только при получении маркера. Маркер выполняет роль арбитра, который предоставляет устройству право доступа. По истечении определенного времени это устройство должно передать маркер следующему ведущему устройству, которое получает доступ также на время, пока маркер находится у него. Таким образом, каждому ведущему устройству выделяется точно заданный интервал времени. Этот интервал может быть установлен при конфигурировании системы.

Каждому мастеру в сети назначаются свои ведомые устройства. В методе «ведущий/ведомый» процедуру коммуникации с ведомыми устройствами выполняет мастер, который обладает маркером. На время обладания маркером мастер становится ведущим также по отношению к другим мастерам, т. е. может выполнять с ними коммуникацию типа «мастер-мастер» .

Profibus имеет также широковещательный режим работы, когда ведущее устройство посылает сообщение «всем», не ожидая уведомления о получении, и многоабонентский режим, когда ведущее устройство посылает одно и то же сообщение сразу нескольким участникам сети.

В задачи объекта MAC активного устройства (получившего маркер) входит обнаружение наличия или отсутствия маркера сразу после начала работы сети, передача маркера следующему устройству в порядке возрастания адресов, удаление адресов вышедших из строя или выключенных устройств и добавление новых, восстановление потерянного маркера, устранение дубликатов маркеров, устранение дублирования сетевых адресов и обеспечение заданного периода обращения маркера по сети.

5. CAN

CAN (Controller Area Network — «область, охваченная сетью контроллеров») представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности. Центральное место в CAN занимает протокол канального уровня модели OSI. Первоначально CAN был разработан для автомобильной промышленности, но в настоящее время быстро внедряется в область промышленной автоматизации. Это хорошо продуманный, современный и многообещающий сетевой протокол. Начало развития CAN было положено компанией Bosch в 1983 г., первые микросхемы CANконтроллеров были выпущены фирмами Intel и Philipsв 1987 году, в настоящее время контроллеры и трансиверы CAN выпускаются многими фирмами, в том числе Analog Devices, Inc., Atmel Corp. Cast, Dallas Semiconductor, Freescale, Infineon, Inicore Inc., Intel, Linear Technology, Maxim Integrated Products, Melexis, Microchip, National Semiconductor, NXP, OKI, Renesas Technology Corp., STMicroelectronics, Yamar Electronics, Texas Instruments.

В России интерес к CAN за последние годы сильно возрос, однако контроллерного оборудования для CAN в России крайне мало, в десятки или сотни раз меньше, чем для Modbus или Profibus. Среди протоколов прикладного уровня для работы с CAN наибольшее распространение в России получили CANopen и DeviceNet.

В настоящее время CAN поддерживается 11-ю стандартами ISO, в том числе.

CAN охватывает два уровня модели OSI: физический и канальный (табл. 2.7). Стандарт не предусматривает никакого протокола прикладного (7-го) уровня модели OSI. Поэтому для его воплощения в жизнь различные фирмы разработали несколько таких протоколов: CANopen (организации CiA), SDS (фирмы Honeywell Micro Switch Division), CAN Kingdom (фирмы Kvaser), DeviceNet (фирмы Allen-Bradley, ставший Европейским стандартом в 2002 г.) и ряд других.

CAN характеризуется следующими основными свойствами:

· каждому сообщению (а не устройству) устанавливается свой приоритет;

· гарантированная величина паузы между двумя актами обмена;

· гибкость конфигурирования и возможность модернизации системы;

· широковещательный прием сообщений с синхронизацией времени;

· непротиворечивость данных на уровне всей системы;

· допустимость нескольких ведущих устройств в сети («многомастерная сеть»);

· способность к обнаружению ошибок и сигнализации об их наличии;

· автоматический повтор передачи сообщений, доставленных с ошибкой, сразу, как только сеть станет свободной;

· автоматическое различение сбоев и отказов с возможностью автоматического отключения отказавших модулей.

К недостаткам можно отнести сравнительно высокую стоимость CAN-устройств, отсутствие единого протокола прикладного уровня, а также чрезмерную сложность и запутанность протоколов канального и прикладного уровня, изложенных в стандартах организации CAN in Automation (CiA).

Физический уровень модели OSI обеспечивает надежную передачу битов, игнорируя содержание передаваемой информации. Основными понятиями физического уровня являются линии передачи (в большинстве случаев это витая пара, хотя допускается использовать плоский кабель или один провод и «корпусную землю», оптоволокно, радиоканал), временные диаграммы, система синхронизации, формат данных, обеспечение достоверности передачи (контрольная сумма, методы кодирования, обнаружение и восстановление ошибок). Характеристики передатчика и приемника стандартом не устанавливаются, поскольку они могут быть выбраны для каждого конкретного случая исходя из требований применения.

Кабель витой пары в сети CAN должен иметь общий (третий) провод; на обоих концах витой пары должны быть согласующие резисторы, сопротивление которых равно волновому сопротивлению кабеля. Максимальная длина кабеля составляет 1 км. Для увеличения длины, количества узлов или гальванической развязки могут быть использованы повторители интерфейса, сетевые мосты и шлюзы.

Витая пара может быть в экране или без, в зависимости от электромагнитной обстановки. Топология сети должна быть шинной, максимальная длина отвода от шины при скорости передачи 1 Мбит/с не должна превышать 30 см. Длину отвода можно рассчитать по формуле

где — длительность переднего фронта передатчика. Основные требования к линии передачи и ее характеристикам близки к RS-485, однако в передатчиках CAN есть режим управления длительностью фронтов импульсов. Управление выполняется путем заряда емкостей затворов выходных транзисторов от источников тока, при этом величина тока задается внешним резистором. Увеличение длительности фронта позволяет снизить требования к согласованию линии на низких частотах, увеличить длину отводов и ослабить излучение электромагнитных помех.

Выводы «земли» всех передатчиков сети должны быть соединены (если интерфейсы гальванически не изолированы). При этом разность потенциалов между выводами заземлений не должна превышать 2 В. Гальваническая изоляция рекомендуется при длине линии более 200 м, но не является обязательным требованием стандарта.

Для электрического соединения устройств с CAN интерфейсом стандарт предусматривает два варианта. Первый вариант состоит в применении Т-образных разветвителей, которые состоят из трех 9-штырьковых разъемов D-sub, расположенных в одном корпусе, одноименные контакты которых соединены между собой. Разветвители имеют один разъем со штырьками и два — с гнездами.

Второй вариант требует наличия в каждом CAN-устройстве двух разъемов. Для включения устройства в сеть кабель разрезают и на его концах устанавливают ответные части разъемов. Устройство включается буквально в разрыв линии передачи. Такой подход позволяет наращивать количество устройств и изменять топологию сети путем добавления в разрыв кабеля новых устройств и кабеля с разъемами на концах. Один из разъемов должен быть со штырьками, второй — с гнездами. Подключение устройств к шине без разъемов не допускается. Согласующий резистор должен располагаться внутри разъема, который подключается к концу кабеля. Для присоединения модулей к CAN-шине должен использоваться 9-штырьковый разъем типа DSub. На модуле устанавливается разъем с гнездами, на соединяющем кабеле — со штырьками.

Применение разъемов со штырьками или гнездами определяется следующим правилом: при «горячей» замене модулей питание должно оставаться только на разъемах с гнездами; это позволяет избежать случайного короткого замыкания.

Отметим, что в основанном на CAN стандарте CANopen предусмотрено гораздо большее разнообразие вариантов разъемов, в том числе для плоского кабеля, RJ-10, RJ45, разъемный винтовой клеммник, и еще около десяти вариантов специальной конструкции. Допускается применение и других разъемов.

Стандарт устанавливает следующие скорости обмена: 1 Мбит/с, 800 кбит/с, 500 кбит/с, 250 кбит/с, 125 кбит/с, 50 кбит/с, 20 кбит/с. CAN-модули могут поддерживать не все скорости, но желательно, чтобы их количество было наибольшим.

CAN передатчик имеет очень важное свойство: если один из передатчиков устанавливает в сети логический ноль, а второй — логическую единицу, то это состояние не является аварийным, как в сети на основе интерфейса RS-485, поскольку сквозного тока не возникает. В случае CAN линия остается в состоянии логической единицы. Иначе говоря, логическая единица всегда доминирует над логическим нулем. Поэтому в стандарте CAN используется понятие «доминантное состояние» (доминирующее) состояние линии для обозначения состояния линии с током, и понятие «рецессивное состояние» как противоположное доминантному.

6. Промышленный Ethernet

Ethernet появился более 30 лет назад. В настоящее время под Ethernet понимают семейство продуктов для локальных сетей, которые соответствуют стандарту IEEE 802.3. Промышленному применению стандарта долгое время мешал метод случайного доступа к сети, не гарантировавший доставку сообщения в короткое и заранее известное время. Однако это проблема была решена применением коммутаторов (см. ниже). Доля Ethernet среди установленных промышленных сетей в 2000 году составляла 11%, в 2005 г. — уже 23%. В настоящее время (с 2004 по 2009 год) рынок промышленного Ethernet растет со скоростью 51% в год, он стал промышленным стандартом и имеется большой выбор оборудования, удовлетворяющего промышленным требованиям. Недостатком промышленного Ethernet является относительно высокая цена: Ethernet модули ввода-вывода в среднем в 2 раза дороже аналогичных Modbus-устройств.

Внедрению Ethernet в промышленность способствовали следующие его качества:

· высокая скорость передачи (до 10 Гбит/с) и соответствие требованиям жесткого реального времени при высоком быстродействии (например, при управлении движением);

· простота интеграции с Internet и Intranet, в том числе по протоколам прикладного уровня SNMP (Simple Network Management Protocol), FTP, MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions), HTTP;

· простота интеграции с офисными сетями;

· наличие большого числа специалистов по обслуживанию Ethernet;

· по-настоящему открытые решения;

· возможность организации многомастерных сетей;

· неограниченные возможности по организации сетей самых разнообразных топологий;

· широкое применение в офисных сетях, что обеспечило экономическую эффективность технической поддержки стандарта со стороны международных организаций по стандартизации;

· появление недорогих коммутаторов, решивших проблему недетерминированности Ethernet.

Продвижением и технической поддержкой промышленного Ethernet занимается Industrial Ethernet Association (IEA, www.industrialethernet.com), которая была организована в 1999 году по инициативе шести компаний (Synergetic Micro Systems, Grayhill, HMS Fieldbus Systems, Hilscher, Contemporary Controls и Richard Hirschmann).

Существуют 4 стандартные скорости передачи данных в сетях Ethernet по оптоволоконному кабелю и витой паре проводов: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с и 10 Гбит/с. Ethernet имеет несколько модификаций, структура наименований которых имеет следующий вид: <�скорость передачи>Base<�дополнительные обозначения>. Скорость указывается цифрой в Мбит/с или в Гбит/с, в последнем случае к цифре добавляется буква G. Буквы после «Base» означают тип кабеля (T — «Twisted pair» — «витая пара», F — «Fiber optic» -" оптоволоконный", S — «Short wavelength optic» — «оптический коротковолновый», L — «Long wavelength» — «длинноволновый», C — «short Copper cable»). Символ «X» означает наличие блока кодирования на физическом уровне. В тексте стандарта IEEE 802.3−2005 [IEEE] приводится 44 варианта таких обозначений. Например, 10Base_T означает спецификацию физического уровня для скорости 10 Мбит/с с методом доступаCSMA/CD и с использованием двух витых пар проводов; 100Base-FX — для скорости 100 Мбит/с, CSMA/CD с применением двух многомодовых оптических кабелей.

Табл. 3. Уровни модели OSI для сети Ethernet

В табл. 3 приведена типовая модель OSI для локальной сети LAN, в которой Ethernet, как стандарт IEEE 802.3, охватывает только физический и канальный уровень. На других уровнях в табл. 2.14 в качестве примера представлены протоколы интернета. Здесь LLC — «Logical Link Control» («управление логическими связями») — клиент подуровня MAC; MAC («Medium Access Control») — подуровень управления доступом к линии передачи; PHY (от «PHYsical») — физический уровень (линия передачи).

Уровни 1 и 2 Ethernet-протокола обычно воплощаются аппаратно, остальные — программно.

При использовании стандартного Ethernet время реакции сети часто превышает 100 мс. В локальных сегментах сети с малым количеством устройств оно снижается до 20 мс при использовании протокола TCP и до 10 мс — для UDP. Использование прямой MAC — адресации в локальных сегментах сети может уменьшить время реакции до 1 мс. Однако это время в Ethernet является случайной величиной. Поэтому основным отличием промышленного Ethernet от офисного является наличие коммутаторов, которые превращают Ethernet в сеть с детерминированным поведением.

Для промышленных применений не годятся кабели и разъемы, используемые в офисных сетях. Поэтому ряд производителей представляют на рынке разъемы RJ-45 со степенью защиты IP67 от воздействий окружающей среды.

Надежность промышленного Ethernet обеспечивается резервированием кабельных линий и сетевых карт, а также специальным программным обеспечением для резервирования.

Для повышения степени защиты системы управления от несанкционированного доступа магистральную сеть Industrial Ethernet отделяют от офисной брандмауэром.

Отличительными признаками промышленного Ethernet являются:

· отсутствие коллизий и детерминированность поведения благодаря применению коммутаторов;

· индустриальные климатические условия;

· устойчивость к вибрациям;

· отсутствие вентиляторов в оборудовании;

· повышенные требования к электромагнитной совместимости;

· компактность, крепление на ДИН-рейку;

· удобное подключение кабелей;

· диагностическая индикация на панели прибора;

· электропитание от источника напряжения в диапазоне от 10 до 30 В;

· возможность резервирования;

· разъемы и оборудование со степенью защиты до IP67;

· защита от электростатических зарядов, электромагнитных импульсов, от превышения напряжения питания;

· полнодуплексная передача.

Недостатком Ethernet является значительный уровень «накладных расходов» в протоколах TCP/IP, которые рассчитаны на пересылку данных больших объемов. Если же устройство пересылает всего 8 байт, что типично для АСУ ТП, то полезная информация в протоколе составляет всего 11%, поскольку каждый пакет TCP/IP содержится 68 байт служебной информации. Однако это часто можно скомпенсировать большой пропускной способностью сети.

7. FOUNDATION Fieldbus

Полевая шина FOUNDATION fieldbus является полностью цифровой последовательной двунаправленной коммуникационной системой со скоростью обмена 31,25 Кбит/с, с помощью которой обмениваются данными такие полевые устройства, как датчики, приводы и контроллеры. Она представляет собой локальную вычислительную сеть для приборов, используемых в автоматическом управлении технологическим процессом, со встроенными возможностями распределения управляющих приложений по всей сети.

Foundation Fieldbus сохраняет все достоинства «токовой петли», такие как:

· использование стандартного физического интерфейса с проводной сетью связи,

· подача питания по шине на устройства, находящиеся на одной проводной паре,

· обеспечение искробезопасности.

Применение технологии fieldbus в жизненном цикле системы управления позволяет достигнуть существенных преимуществ.

Технология Fieldbus позволяет передавать множество переменных из каждого прибора в управляющую систему в обоих направлениях. Высокое разрешение и отсутствие искажений достигается использованием полностью цифровой системы связи.

При обнаружении нештатных ситуаций или при необходимости проведения профилактического технического обслуживания устройства Fieldbus могут передать соответствующие сообщения оперативно-технологическому и обслуживающему персоналу.

Полева шина Fieldbus позволяет подключать несколько устройств к одной проводной паре. Это приводит к уменьшению протяженности кабелей, снижению числа барьеров искрозащиты и кроссовых шкафов.

Основным преимуществом Foundation Fieldbus является возможность распределения функций управления процессом среди устройств нижнего уровня (уровня полевых устройств) АСУ ТП.

В FOUNDATION fieldbus используются унифицированные «функциональные блоки», представляющие собой стандартные функции задач автоматизации. С использованием функциональных блоков в полевых устройствах могут выполняться многие функции системы управления, например аналоговый ввод (AI), аналоговый вывод (AO) и ПИД-регулирование.

Основными недостатками протокола Foundation Fieldbus являются высокая стоимость оборудования, ограниченный набор совместимых устройств и затянутость процессов стандартизации и принятия в промышленности.

Заключение

Данный материал посвящен знакомству только с несколькими представителями огромного семейства промышленных сетей. У каждого протокола есть свои достоинства и недостатки.

Наиболее простым и наиболее распространенным в мире и России сетевым протоколом является Modbus, популярность которого объясняется простотой как для разработчиков, так и потребителей, а также низкой стоимостью реализации. Однако отсутствует возможность использования во взрывоопасных зонах.

Очень эффективным и широко применяемым протоколом является Profibus, однако его распространенность объясняется, в первую очередь, мощным брендом «Siemens» .

Наиболее продуманным, универсальным и многообещающим протоколом является Foundation Fieldbus, однако высокая стоимость мешают его быстрому распространению.

Для передачи крупных объемов данных наиболее подходящими являются протоколы на основе промышленного Ethernet.