Учебное пособие по интерфейсам систем промышленной автоматизации, страница 25

Количество информационных байтов определяется количествомсчитываемых регистров – по два байта на каждый регистр (старший байт, младший байт).Для формирования запроса необходимо все числа перевести в шестнадцатеричную форму записи:• адрес ведомого устройства – 1710 → 1116,125• код функции – 0310 → 0316,• адрес первого регистра – (109 – 1) = 10810 → 6С16,• количество считываемых регистров – 0410 → 0416.Запрос в формате Modbus-ASCII будет выглядеть следующим образом.: 11 03 00 6C 00 04 7D ↵Ответ ведомого устройства:: 11 03 08 0B C7 00 F4 1A 20 09 93 48 ↵После «разбора» ответа ведущим устройством, получаем значения считанных регистров:• %QW109: 0BC716 → 301510;• %QW110: 00F416 → 24410;• %QW111: 1A2016 → 668810;• %QW112: 099316 → 245110.Как интерпретировать полученные данные зависит от конкретного ведомогоустройства.

Ведущее устройство должно «знать», какие именно данные лежат врегистрах по запрашиваемым адресам. Их обработка осуществляется прикладнойпрограммой ведущего устройства.Протокол Modbus можно назвать наиболее распространённым в мире. Дляработы со своими изделиями его используют десятки фирм. Хотя ограниченияэтого протокола достаточно очевидны, он привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса.Modbus PlusКомпания Schneider Electric предлагает для объединения своих контроллеровзакрытый стандарт сети Modbus Plus (MODBUS+, MB+) [48]. Передача данныхосуществляется со скоростью 1 Мбит/с, в качестве среды передачи используетсяэкранированная витая пара. Сеть Modbus Plus реализует децентрализованныйспособ управления доступом к шине по методу передачи маркера.

Протокол Modbus Plus позиционируется как высокоуровневый протокол управления каналомпередачи данных (High level Data Link Control, HDLC) [47].Сеть поддерживает до 64 адресуемых узлов. До 32 устройств могут бытьподключены к сетевому кабелю непосредственно на расстоянии до 450 метров(рис. 4.11). При помощи повторителей длина сети может быть увеличена до 1800метров, а количество устройств – до 64. Для больших расстояний имеются волоконно-оптические повторители.Минимальная длина кабеля между любыми двумя узлами сети составляет 3метра. Максимальное расстояние между двумя узлами совпадает с максимальнойдлиной кабельного сегмента – 450 метров. При монтаже двухкабельной сети126Modbus Plus с резервированием максимальная разница длин двух кабелей недолжна превышать 150 метров (рис.

4.12).11.12.Рис. 4.11. Сегмент сети Modbus Plus с одним кабелемРис. 4.12. Сегмент сети Modbus Plus с резервированием. |L1–L2|<150 мКаждый узел подключается к магистральному кабелю с помощью специальных ответвителей (рис. 4.13). Они обеспечивают электрическое соединение магистрального кабеля и кабеля снижения для подключения узла сети. В каждом ответвителе имеются встроенные терминаторы, которые подключаются с помощьюперемычек. Подключение терминаторов осуществляется только в ответвителях,расположенных на концах кабельного сегмента, во избежание отражения сигнала.На конце сегмента магистральный кабель подключается с любой стороны ответвителя.

Терминатор подключается к противоположным контактам ответвителя.Устройства, поддерживающие протокол Modbus, а также другие устройства споследовательным протоколом могут быть подключены к сети с помощью мостов-мультиплексоров. Каждый мост-мультиплексор имеет четыре последовательных конфигурируемых порта. Подключенные к мосту-мультиплексору последовательные устройства могут обмениваться данными с устройствами, подключенными в сеть Modbus Plus, а также с другими устройствами, подключенными к последовательным портам моста-мультиплексора.

Каждый порт моста-мультиплек127сора может быть сконфигурирован для работы в режиме ведущего или ведомогоустройства сети Modbus.13.Рис. 4.13. Подключение к сети Modbus Plus с помощью ответвителяНесколько сетей Modbus Plus могут быть объединены в единую информационную систему с помощью мостов.Логическая организация Modbus PlusКаждому узлу сети пользователем задаётся уникальный адрес.

Адрес узла независит от его физического положения в сети. Адреса устройств должны лежать вдиапазоне от 1 до 64.Все узлы являются равноправными членами логического кольца по которомупередаётся маркер. Маркер представляет собой специальное сообщение, котороепересылается от одного узла к другому – от узла с младшим адресом к узлу состаршим.

Узел с самым старшим адресом пересылает маркер узлу с самым младшим адресом, замыкая, таким образом, логическое кольцо.Там, где несколько сетей соединены мостами, маркер не пересылается черезмост. Каждая сеть обслуживает свою собственную циклическую последовательность маркера независимо от других сетей (рис.

4.14).Узел, владеющий маркером, может инициировать транзакции с другими узлами. Каждое сообщение содержит поля маршрута, которые определяют адресаисточника и приёмника сообщения, включая маршрут через мосты к узлуприёмнику в удалённой сети. Каждое сообщение может содержать до 100 регистров (16-тибитных слов) данных. Остальные узлы проверяют сеть на приходящиесообщения.Когда узел получает сообщение, он немедленно посылает подтверждение узлу-источнику. Если сообщение является запросом данных, то узел-приёмник начинает готовить запрошенные данные для ответного сообщения.

Готовое сообще128ние будет передано узлу, запросившему данные, после получения узломприёмником маркера, разрешающего ему передачу. Таким образом, каждое сообщение от узла-источника немедленно квитируется узлом-приёмником, однако ответная посылка сообщения происходит лишь при получении маркера.14.Рис. 4.14. Последовательность вращения маркера в Modbus PlusУзлы могут также передавать сообщения, содержащие статистические данные и сообщения об ошибках.После того, как узел отправит все свои сообщения, он пересылает маркерследующему узлу последовательности.Принципы работы моста Modbus PlusМост Modbus Plus подключается как узел в обе сети, которые он соединяет.Он работает как независимый узел в каждой сети, получающий и отправляющиймаркеры согласно последовательности циркуляции маркера в каждой сети.На рис.

4.15 показаны три сети (А, В и С), объединяемые двумя мостами.Один мост принадлежит сети А как узел с адресом 22, а сети В как узел с адресом25. Другой мост в сети В является узлом 20, а в сети С – узлом 20. Сетевые адресамоста в каждой сети устанавливаются независимо друг от друга.Когда сообщение, предназначенное для удалённого узла, получено на одномиз портов моста, мост запоминает сообщение, а затем направляет его по адресуузла в следующую сеть после получения маркера для передачи в той сети.Каждый кадр сообщения содержит маршрутную информацию, которая позволяет переслать его через несколько мостов на конечный узел на удалённой сети.

Маршрут задаётся при подготовке сообщения узлом-источником. Сообщение129может пройти до четырёх мостов, прежде чем попадёт к конечному адресату. Нарис. 4.16 показан пример поля маршрута в кадре типичного сообщения.15.Рис. 4.15. Маршрутизация сообщений в объединённых сетях16.Рис. 4.16. Описание поля маршрута в кадре сообщенияНа рис. 4.15 и 4.16 показан пример пересылки сообщения через два моста.Сообщение исходит из узла 5 сети А и предназначено для узла с адресом 12 в сетиС. Узел-источник должен задать маршрут передачи сообщения:• первый адрес маршрута содержит адрес моста (22) в сети А источника сообщения;• второй адрес маршрута содержит адрес моста (20) в следующей сети B;• третий адрес маршрута содержит адрес узла-приёмника (12) в конечнойсети C;• остальные поля маршрута будет содержать нули, что означает, что дальнейшая пересылка сообщений не нужна.130Когда первый мост в сети А (22) получает исходное сообщение, он проверяетполе маршрута и определяет, что требуется переправка сообщения на другой сетевой порт, поскольку следующий адрес в поле ненулевой.

Мост удаляет свой адрес из поля маршрута, сдвигает оставшиеся адреса в поле маршрута на одно местовлево и обнуляет поле справа. Тогда следующий адрес маршрута 20 окажется впервой позиции поля. Когда мост получит маркер для передачи в сети В, он передаст сообщение узлу с адресом (20) в сети B.Второй мост (20) отрабатывает сообщение таким же образом, удаляя собственный адрес из поля маршрута и сдвигая оставшиеся адреса на одну позициювлево. Узел 12 становится конечным приёмником, т.к. все остальные адреса полямаршрута стали нулевыми.

Когда маркер сети С будет получен мостом, он перешлёт сообщение узлу 12 сети С.Транзакция глобальной базы данныхКогда узел пересылает маркер, он может транслировать до 32 слов (16 биткаждое) глобальной информации всем другим узлам сети. Информация содержится в маркерном кадре. Процесс передачи глобальных данных при пересылке маркера управляется прикладной программой каждого узла независимо.Глобальные данные становятся доступны всем узлам сети. Каждый узел всвоей памяти формирует таблицу глобальных данных, в которую записываютсяглобальные данные, переданные всеми узлами. Каждый раз при пересылке маркера часть таблицы, соответствующая пересылающему узлу обновляется. Использование глобальной базы данных позволяет быстро обновлять сигналы тревоги, уставки и другую информацию.

Скорость обновления данных при использованииглобальной базы данных в среднем в восемь раз выше, чем при обычном обменесообщениями между узлами. Фактически, передача глобальных данных представляет собой реализацию широковещательной передачи, которая осуществляетсякаждый раз при смене ведущего узла.Каждая сеть содержит свою глобальную базу данных, т.к. маркер не пересылается через мост в другую сеть.Modbus/TCPШирокое распространение протокола Ethernet-TCP/IP при построении локальных вычислительных сетей привело к их естественному проникновению всистемы управления производством. В качестве основного аргумента при этомиспользуется идея «бесшовного» соединения всех уровней классической пирамиды автоматизации: от уровня автоматизации технологических процессов до уровня управления предприятием.

Реализация этой идеи потребовала серьезной адаптации Ethernet, особенно в плане поддержки реального времени [49]. Недетерми131нированные протоколы связи типа HTTP и FTP конечно обеспечивают универсальность и удобство использования, но для применения в промышленности всеже пришлось разрабатывать на основе Ethernet специальные прикладные протоколы.Недавно образованная при поддержке Schneider Electric группа Modbus-IDA(International Development Association – Международная ассоциация развития) [50]предлагает архитектуру Modbus/TCP для распределённых систем управления, использующую структуру сообщений Modbus.