10. Локальные промышленные сети и интерфейсы (Лекции по дисциплине "Управляющие ЭВМ и комплексы")

10. Локальные промышленные сети и интерфейсыРазвитие микропроцессорной техники способствовало переходу к архитектуре распределенных системуправления (РСУ):- ряд функций стал реализовываться вне центрального процессора - в датчиках (ДЧ), исполнительныхмеханизмах (ИМ) и т.д., которые стали превращаться в коммуникационные устройства.«Интеллектуализация» такого оборудования и появление цифровых интерфейсов привели к новымвидам коммуникаций - локальным сетям, функционирующим на нижнем уровне системы.Сети на уровне устройств, физически связанных с объектом управления (ОУ), имеют отличительныепризнаки и их называют локальными промышленными сетями (ЛПС). В переводной литературе - “полеваяшина” (Fieldbus).ЛПС - это цифровые, двунаправленные, многоточечные, последовательные коммуникационные сети,обеспечивающие:1) передачу данных; 2) настройку и диагностику оборудования системы; 3) питание ДЧ и ИМ;4) передачу данных между ДЧ и ИМ, минуя программируемые промышленные контроллеры (ПРК); 5) связимежду ДЧ, ИМ, ПРК, и верхними уровнями системы; 6) связи между ПРК и системами человеко-машинногоинтерфейса (ИФ) и др.В целом, ЛПС – это физический способ объединения устройств и протокол их взаимодействия.

Онинепосредственно связаны с зоной, где работают ПРК, ДЧ и ИМ. По сравнению с подключением оборудованияк ПРК отдельными линиями (рис. 1,а) применение ЛПС (рис. 1,б) обеспечивает новые возможности:1) снижаются расходы на кабель и его прокладку; 2) увеличивается допустимое расстояние до подключаемых ДЧ и ИМ; 3) упрощается управление сетью ДЧ и ИМ; 4) упрощается модификация системы приизменении типа ДЧ, протокола, взаимодействия, добавлении устройств ввода-вывода (ВВ); 5) позволяют дистанционно настраивать ДЧ и проводить их диагностику.Однако при обрыве кабеля теряется возможность получать данные и управлять не одним, а несколькими устройствами, а для повышения надёжности приходится резервировать каналы связи.ПРК…..ПрямоеподключениеДатчики,исполнительныемеханизмыи др.

устройстваСетеваяструктураПРК…..а)б)…..Рис. 1. Схемы подключения оборудования к ПРК (программируемому промышленному контроллеру):а) отдельными линиями; б) посредствомЛПСВ целом, применение технологии ЛПС смещает интеллект на нижние уровни систем, позволяет решать ряд несложных задач управления и контроля не прибегая к средствам более высоких уровней.Пассивные ранее устройства теперь могут воспринимать команды, выполнять диагностику, сообщатьо состояниях, ошибках, обеспечивать функции самонастройки.Специфические требования к ЛПС: 1) жесткая детерминированность поведения; 2) обеспечение реального масштаба времени; 3) использование недорогих СПД при больших расстояниях (например, витая пара); 4) повышенная надежность передачи данных в среде с высоким уровнем электромагнитных помех; 5)наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов.Ключевые требования - детерминированность поведения (все возможные события в сети могутбыть заранее четко определены), и повышенная надежность передачи данных.Задача ЛПС состоит в организации физической и логической связи ДЧ с системным интеллектом, ролькоторого выполняют ПРК или промышленные компьютеры таким образом, чтобы информация с этого уровнябыла доступна верхним уровням системы.К ЛПС относятся, например:Modbus/RS-485 - простая, дешёвая и широко распространённая ЛПС;Промышленный Ethernet - вариант Ethernet для применения в промышленности;1HART (Highwey Addresable Remote Transducer – магистральный адресуемый удаленный преобразователь) - дляаналоговых датчиков и их настройки;AS-Interface (Actuator Sensor Interface - интерфейс датчиков и исполнительных устройств) - длядискретных датчиков);CAN (Control Area Network - локальная сеть контроллеров) - для транспорта и машиностроения;ProfiBus (PROcess FIield Bus – открытая промышленная сеть) — Profi Bus DP, Profi Bus FMS, Profi Bus PA;- и другие.Основные компоненты ЛПС: Топология; Физическая СПД; Метод доступа к СПД; Программноеобеспечение.Система управления сложными объектами реализуется в общем случае на основе иерархии ЛПС, приэтом обычно различают 2 уровня: уровень датчиков и уровень управления.Задачи уровня датчиков (Sensor/actuator level): объединение простых устройств: ДЧ, ИМ и др.устройств, имеющих специальную интерфейсную микросхему; обеспечение высокоскоростной передачи коротких сообщений.Длина сегмента сети обычно порядка 100 м, число узлов – несколько десятков, объем передаваемыхданных за цикл – от одного до нескольких десятков байт.Примеры этих сетей: ASI, Interbus-S, Profibus DP, HART.Задачи уровня управления (Fieldlevel) – объединение ПРК для сбора, обработки информации и управления объектами.

Такие ЛПС могут обращаться к серверу за соответствующими ресурсами. Сеть может объединять сотни узлов и обеспечивать передачу больших объемов данных.Примеры этих сетей: Profibus FMS, Bitbus и Ethernet.Рассмотренные сетевые уровни связываются посредством мостов между собой и с верхними уровнями системы. Сравнительные характеристики ЛПС на этих уровнях приведены в табл.1.Табл. 1. Сравнительные характеристики ЛПС различных уровнейОсновные критерииУровень датчиковУровень управленияРасширение сетиВремя циклаОбъем передаваемых данных за циклДоступ к шинедо 100 мот 1 мс до 1 сот 1 до 8 байтсвободныйот 100 м до 1 кмот 10 мс до 10 сот 8 байт до нескольких сотен байтфиксированный/свободныйСовременной тенденцией в организации ЛПС на нижнем уровне является обеспечение передачи нетолько данных, но и питания для оконечных устройств (AS-interface, HART, InterBus и др.).Большинство ЛПС поддерживают физический, канальный и прикладной уровни OSI-модели.Физический уровень обеспечивает необходимые механические, функциональные и электрические характеристики для установления, поддержания и размыкания соединения.Канальный уровень (передачи данных) гарантирует передачу данных между устройствами, управляетне только сетевым доступом, но также механизмами защиты и восстановления данных в случае ошибок припередаче.Прикладной - обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети.Как исключение, в ЛПС LonWorks реализуются все семь уровней OSI-модели.Методы доступа к СПД:1) Централизованный (“ведущий/ведомый” – “master/slave”), предполагающий наделение одного изузлов правами ведущего (master), другие - ведомые (slave).

Master определяет порядок и время доступа ведомых к шине, инициирует циклы обмена данными с ведомыми. Сообщения могут передаваться только одномуузлу или всем узлам одновременно. В последнем случае это широковещательный режим, не требующий адресации каждого узла. При отказе ведущего узла обмен по шине приостанавливается. Такой метод используется, как правило, на нижнем уровне управления – уровне ПРК, ДЧ, ИМ.2) Децентрализованный - предполагает наделение правами ведущего группы узлов сети. Функции ведущего в этом случае могут передаваться от одного узла к другому.

Используется 2 варианта такого доступа:а) метод передачи маркера; б) множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов(коллизий ).В методе передачи маркера право доступа к шине (маркер) передается циклически от одного узла сети к другому. Узел, получивший маркер, становится ведущим.

Метод, как правило, используется в распределенных сетях с большой загрузкой шины.2При множественном методе доступа к шине право мастера имеет в равной степени каждый узел.Это право реализуется случайным образом (рассмотрено ранее). Такой метод доступа наиболее широко используется при относительно низкой загрузке магистрали передачи данных.Стандарты интерфейсов (ИФ) последовательной передачи данныхНаличие в составе современных ПРК портов последовательного ввода-вывода (в частности, RS-232,RS-422, RS-485, токовая петля 20 мА и другие) позволяет решать широкий круг задач, в том числе:- осуществлять связь встроенных микроконтроллерных систем с верхними уровнями систем управления (ИФ RS-232 и RS-485);- осуществлять связь с внешними по отношению к микроконтроллеру периферийными интегральнымисхемами, а также с датчиками физических величин с последовательным выходом (ИФ I2C, SPI, а также нестандартные протоколы обмена);- обеспечение интерфейса связи с локальными сетями ПРК.Названные интерфейсы отличаются: а) режимом передачи данных (синхронный или асинхронный),б) форматом кадра, в) временными диаграммами сигналов на линиях.Число линий, по которым происходит передача, обычно равно двум (I2C, RS-232, RS-485) или трем(SPI, некоторые нестандартные протоколы).Последовательные интерфейсы RS-232 и RS-485 на сегодняшний день остаются одними из самыхраспространенных в промышленном оборудовании.Следует отметить, что среди различных типов последовательных портов сложился "де-факто" стандарт модуля UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter - универсальный асинхронный приемопередатчик).

Предназначен для связи с другими цифровыми устройствами. Преобразует заданный наборданных в последовательный вид так, чтобы было возможно передать их по однопроводной цифровой линиидругому аналогичному устройству. Метод преобразования хорошо стандартизован и широко применялся вкомпьютерной технике. UART может представлять собой отдельную микросхему или являться частью большой интегральной схемы, часто встраивается в микроконтроллеры.При этом большинство модулей UART кроме асинхронного режима обмена, способны также реализовать режим синхронной передачи данных.В асинхронном режиме они позволяют реализовать протокол обмена для RS-232, RS-422, RS-485,в синхронном - нестандартные протоколы обмена, и в некоторых моделях интерфейса SPI.UART - полнодуплексный интерфейс, т.е. ПР и ПД могут работать одновременно, независимо друг от друга.По умолчанию ПД устанавливает на линии единичный/высокий уровень.