Промышленные сети для диагностики и управления

В статье рассмотрены принципы работы различных промышленных сетей для диагностики и управления. Предложены некоторые технологические решения типовых промышленных сетей в автоматизации

The article deals with the principles of the various industrial networks for the diagnosis and management. Propose some technical solutions typical of industrial automation networks.

Ключевые слова: промышленные сети, сетевые топологии, передача данных.

Keywords: industrial networks, network topology, data transmission.

Цифровая технология проникла на все уровни промышленного производства и управления. Возникла задача обмена данными между всеми уровнями технологического процесса. В результате появились следующие понятия: CIM (ComputerIntegratedManufacturing) - комплексное компьютеризированное производство и CIP (ComputerIntegratedProcessing) – комплексная компьютерная обработка [1].

Эти понятия охватывают все технологические и организационные моменты, необходимые для получения нового качества изделий. Самым существенным компонентом модели CIM/CIP является организация связи, а это, прежде всего, гарантия надежной регистрации событий, получения и обработки данных, своевременной выдачи управляющих воздействий.

Гарантия совместной работы отдельных частей системы возможна лишь при использовании соответствующих стандартов связи между этими частями.

Административный уровень системы управления производством сегодня представлен целым рядом протоколов, среди которых наиболее известны два: протокол автоматизации производства (ManufacturingAutomationProtocol, MAP, фирмы GeneralMotors) и протокол технического и административного учреждения (Technical Office Protocol, TOP, фирмы Boeing).

Для более низких уровней (field level), т.е. уровней промышленных контроллеров, датчиков и исполнительных механизмов, стандартной информационной системы не существует. Эта область развивается сейчас благодаря усилиям отдельных компаний или их групп [2].

Любая производственная технология представляет собой набор отдельных шагов: от обработки сырья до организации системы хранения продукции, и все эти операции должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием "промышленные сети" (FieldBus, или "полевая" шина).

Промышленная сеть должна решать две основные задачи:

• обеспечивать совместимость на уровне сети приборов от разных производителей;

• обеспечивать выход в коммерческие системы обработки данных (MAP или ТОР).

Объединение в одну цифровую сеть нескольких устройств - это только начальный шаг к эффективной и надежной работе системы связи между ними. В дополнение к аппаратным требованиям предъявляется также ряд программных требований. Там, где системы связи или сети гомогенные (однородные), то есть объединяют устройства от одного производителя, эти проблемы решены. Но когда речь идет о построении сети из устройств различных производителей, эти задачи обретают множественный характер.

Уникальные системы (продукт и поддержка одного производителя) работают по уникальным протоколам связи. Они получили название "закрытых систем" (closed/ proprietary systems).

"Открытые системы" (open systems) приводят в соответствие специфические требования интересам всех.

Большинство промышленных сетей поддерживают 1, 2 и 7-ой уровни OSI-модели: физический уровень, уровень передачи данных и прикладной уровень. Все другие уровни (сетевой, транспортный, сеансовый, представления данных), как правило, избыточны. Все, что находится выше 7-го уровня модели, это задачи, решаемые в прикладных программах.

Физический уровень (Physical Layer) обеспечивает необходимые механические, функциональные и электрические характеристики для установления, поддержания и размыкания физического соединения.

Уровень передачи данных (Data Link Layer) гарантирует передачу данных между устройствами. Этот уровень управляет не только сетевым доступом, но также механизмами защиты и восстановления данных в случае ошибок при передаче.

Прикладной уровень (Application Layer Inferface) обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных. Как исключение существуют протоколы промышленных сетей, реализующие все семь уровней OSI-модели, например LonWorks.

Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого объединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся одна от другой по трем основным критериям:

• режиму доступа к сети;

• средствам контроля передачи и восстановления данных;

• возможности изменения числа узлов сети.

Основные топологии - это звезда, кольцо и шина. Сравнение этих топологий представлено в таблице 1.

В структуре топологии типа "звезда" вся информация передается через центральный узел, так называемый обрабатывающий компьютер. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения. Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Преимущество этой структуры в том, что никто кроме центрального узла не может влиять на среду передачи.

Однако центральный узел должен быть исключительно надежным устройством как в смысле логического построения сети (отслеживание конфликтных ситуаций и сбоев), так и физического, поскольку каждое периферийное устройство имеет свой физический канал связи и, следовательно, все они должны обеспечивать одинаковые возможности доступа. Дополнительное устройство может быть включено в сеть только в том случае, если организован порт для его подсоединения к центральному узлу.

В структуре типа "кольцо" информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник копирует данные, регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом. В кольце не существует определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего контроллера на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а следовательно, и к остановке всех передач. Чтобы этого избежать, необходимо включать в сеть автоматические переключатели, которые берут на себя инициативу, если данное устройство вышло из режима нормальной работы. То есть они позволяют включать/выключать отдельные узлы без прерывания нормальной работы.

В структуре "шина" все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или шине. В отличие от "кольца" адресат получает свой информационный пакет без посредников.

Процесс подключения дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии "звезда".

Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи. Существуют два метода регулирования такого доступа, известного еще под термином "шинный арбитраж":

"фиксированный мастер" (централизованный контроль шины): доступ к шине контролируется центральным мастер-узлом;

"плавающий мастер" (децентрализованный контроль шины): благодаря собственному интеллекту каждое устройство само определяет регламент доступа к шине.

Основными преимуществами промышленных сетей являются недорогие линии и надежность передачи данных. Данные передаются последовательно бит за битом, как правило, по одному физическому каналу (одному проводнику). Такой режим передачи не только экономит кабельное оборудование, но и позволяет решать задачи по надежной передаче данных на большие расстояния. Время передачи, однако, увеличивается пропорционально длине битовой строки.

Широко используемый стандартный интерфейс RS-232C обеспечивает работу стандартного оборудования передачи данных между модемами, терминалами и компьютерами. Электрически система основана на импульсах 12В, кодирующих последовательности "0" и "1". Механически этот стандарт определяет 9- и 25-контактные разъемы. Основные сигналы передаются по линиям "передача/прием" данных. Скорость передачи выбирается из диапазона от 50 до 38400 бод. Остальные сигнальные линии передают статусную информацию коммутируемых устройств.

Симметричный интерфейс RS-422 использует дифференциальные сигнальные линии. На приемном конце используются две информационные линии и линия заземления. В основе кодирования передаваемых/ принимаемых данных лежит принцип изменения напряжения на сигнальных линиях. Реализованный принцип кодирования делает этот стандарт устойчивым к внешним возмущениям.

Использование данного стандарта позволяет значительно удлинять физические линии передачи данных и увеличивать скорость. С помощью интерфейса RS-422 можно строить и шинные структуры.

Интерфейс RS-485 соответствует спецификации симметричной высокоскоростной передачи данных, описанной в американском стандарте IEA RS-485.

Максимальная длина варьируется от 1,2 км на скорости до 90 кбод и до 200 м на скорости до 500 кбод.

В таблице 2 приводятся сравнительные характеристики этих трех стандартных физических интерфейсов.  Кроме типа физического интерфейса при построении промышленной сети не менее важно учитывать особенности и ограничения физической среды передачи данных.

В таблице 3 приведены оценочные данные, сравнивать по которым можно основные типы сред передачи по ряду критериев.

Если несколько устройств коммутируются между собой через общую линию связи (шину), то должен быть определен ясный и понятный протокол доступа к ней.

Существуют два метода упорядоченного доступа: централизованный и децентрализованный.

Именно по этой причине децентрализованный контроль с переходящими функциями Мастера от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее развитие. Здесь права мастера назначаются группе устройств сети. Приняты и используются две модели децентрализованного доступа:

• модель CSMA/CD (например, Ethernet) как стандарт IEEE 802-3;

• модель с передачей маркера как стандарт IEEE 802.4 (Token Passing Model).

Для совместной работы сетей типа CSMA/CD и Token Model необходим так называемый межсетевой шлюз.

Решение доступа к шине методомMASTER-SLAVE находит свое применение как на контроллерном уровне (field level), так и на уровне датчиков и исполнительных механизмов (sensor/actuator level). Право инициировать циклы чтения/записи на шине имеет только MASTER-узел. Он адресует каждого пассивного участника (SLAVE node), обеспечивает их данными и запрашивает у них данные.

Наиболее известным механизмом управления локальной сетью шинной конфигурации является метод множественного доступа с контролем шины и обнаружением конфликтов, так называемый случайный метод доступа к шине CSMA/CD (CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection). Широко известная реализация этого метода - спецификация Ethernet.

Все станции на шине имеют право передавать данные. Каждая из них постоянно прослушивает шину. Если шина свободна, любой из участников сети может занять шину под свой цикл передач. Если несколько станций претендуют на шину одновременно, это приводит к так называемому конфликту (коллизии), тогда все "претенденты снимают свою заявку".

Затем каждый из участников включает некий случайный генератор, который задает случайный интервал ожидания до следующего момента запроса шины.

Метод CSMA/CD получил широкое распространение в офисных системах и наиболее эффективен в условиях относительно низкой общей загрузки канала (менее 30%). В условиях большей загрузки канала выгоднее использовать сети, реализующие модель с передачей маркера.

Метод передачи маркера TTPM(TheTokenPassingMethod) обеспечивает право доступа к шине в цикле от устройства к устройству. Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на стадии планирования системы.

Этот метод предлагает каждому участнику сети "справедливое" разделение шинных ресурсов в соответствии с их запросами. Принцип передачи маркера используется в системах, где реакция на события, возникающие в распределенной системе, должна проявляться за определенное время.

Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев:

• объем передаваемых полезных данных;

• время передачи фиксированного объема данных;

• удовлетворение требованиям задач реального времени;

• максимальная длина шины;

• допустимое число узлов на шине;

• помехозащищенность;

• денежные затраты в расчете на узел.

Часто улучшение по одному параметру может привести к снижению качества по другому, то есть при выборе того или иного протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности. В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня:

Field level (промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров);

Sensor/actuator level (задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механизмов).

Другими словами, необходимо различать промышленные сети для системного уровня (field busses) и датчикового уровня (sensor/actuator busses). Сравнение этих двух классов в самом общем виде приведено в таблице 4.

На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов довольно широк. Область их применения лежит на одном из двух уровней.

Типичные представители открытых промышленных сетей: PROFIBUS (ProcessFieldBus) и BITBUS.

Типичныеоткрытыесенсорные (датчиковые) сети: ASI (Actuator/Sensor Interface), Interbus-S, PROFIBUS-DP (Profibus for Distributed Periphery) и SERCOS interface.

Типичныеоткрытыесетидляобоихуровнейприменения: CAN (Controller Area Network), FIP (Factory Instrumentation Protocol) и LON (Local Operating Network).

На рисунке 1 представлена обобщенная сетевая структура, показывающая в общем виде возможное использование того или иного протокола на определенных уровнях условного промышленного предприятия.

Заключение

В связи с проведенным анализом можно сделать вывод целесообразности применения таких видов сетей, как CAN, FIP, LON, для создания надежной и высокотехнологичной системы мониторинга и управления процессами добычи и транспортировки нефти, а также состоянием нефтедобывающего оборудования.

Рисунок 1. Уровни связи и типовые промышленные сети в автоматизации

Список информационных источников

1. Макаров В.П. «Явление компенсации» - новый вид  связи  между геологическими объектами./ Материалы I международной научно-практической конференции «Становление современной науки-2006». Т.10. Днепропетровск: «Наукаиобразование», 2006. С. 85-115.

2. Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven (2006), Manufacturing engineering and technology (5th ed.), Prentice Hall, p. 1192, ISBN 9787302125358.