Учебное пособие по интерфейсам систем промышленной автоматизации (1015600), страница 20
Текст из файла (страница 20)
И от того, как расставлены акценты в этом компромиссе, зависит успешность решения задач, стоящих перед сетевой архитектурой.Промышленная сеть должна полностью удовлетворять запросам потребителяпо модульности, надёжности, защите от внешних помех, простоте в построении,монтаже и программировании логики работы. Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить последующей группе критериев [33]:• объём передаваемых полезных данных;• время передачи фиксированного объёма данных;• удовлетворение требованиям задач реального времени;• максимальная длина шины;• допустимое число узлов на шине;• помехозащищённость;• денежные затраты в расчёте на узел.Поскольку часто улучшение по одному параметру может привести к снижению качества по другому, то при выборе того или иного протокольного решениянеобходимо следовать принципу разумной достаточности.Области применения промышленных сетейВ зависимости от области применения весь спектр промышленных сетейможно разделить на два уровня:• системный уровень (Field level, полевой уровень).
Промышленные сетиэтого уровня решают задачи по управлению процессом производства, сбором иобработкой данных на уровне промышленных контроллеров;• уровень датчиков и исполнительных механизмов (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 уровня датчиков (sensor/actuator busses). Сравнение этихдвух классов в самом общем виде можно получить по критериям из таблицы 4.1.На сегодняшний день спектр протоколов для каждого класса промышленныхсетей довольно широк. К тому же можно выделить целый ряд протоколов, способных успешно работать на обоих уровнях.• Типичные представители промышленных сетей системного уровня:Fieldbus Foundation HSE (High Speed Ethernet);Modbus/TCP;Modbus Plus;100PROFIBUS FMS (Process Field Bus for Fieldbus Message Specification);Bitbus.• Типичные сенсорные (датчиковые) сети:Fieldbus Foundation H1;PROFIBUS PA (PROFIBUS Process Automation);HART;AS-interface (Actuator/Sensor interface);Interbus-S;SERCOS interface.• Типичные сети для обоих уровней применения:Modbus;CAN (Controller Area Network);PROFIBUS DP (PROFIBUS for Distributed Peripheral);FIP (Factory Instrumentation Protocol);LON (Local Operating Network).Необходимо также отметить появление комплексных сетевых решений,представленных на каждом из уровней и позволяющих организовать единое информационное пространство с помощью протоколов изначально ориентированных на совместное использование.
Примерами таких сетей являются семействопротоколов PROFIBUS (FMS, DP, PA) и протокол Fieldbus Foundation (HSE, H1).1.Таблица 4.1.Сравнительные критерии промышленных сетейОсновные критерииFieldbusSensorbus1. Предельное расстояниеот 100 м до 1 кмдо 100 м2. Время цикла сетиот 10 мс до 10 сот 1 мс до 1 с3. Объём передаваемыхот 8 байтот 1 до 8 байтданных в одном пакетедо нескольких сотен байт4. Управление доступомцентрализованное/централизованноек шинедецентрализованное4.1.
ПРОТОКОЛЫ УРОВНЯ ДАТЧИКОВHART-протоколСтандарт для передачи аналоговых сигналов значениями тока в диапазоне 4–20 мА известен уже несколько десятков лет и широко используется при созданиисистем АСУ ТП, в химической индустрии, теплоэнергетике, в пищевой и многихдругих отраслях промышленности. Традиционно для измерения различных физи101ческих величин (давления, объёма, температуры и т.д.) предлагается множествоприборов с токовым выходом 4–20 мА. Достоинством данного стандарта являетсяпростота его реализации, массовое использование в приборах и возможность помехоустойчивой передачи аналогового сигнала на относительно большие расстояния.
Однако при создании нового поколения интеллектуальных приборов идатчиков потребовалось наряду с передачей аналоговой информации передавать ицифровые данные, соответствующие их новым расширенным функциональнымвозможностям.Перевод существующих АСУ ТП на новые датчики, использующие цифровой обмен данными связан с закупками дорогостоящего оборудования и программного обеспечения. Кроме того, использование даже одного цифрового датчика в системе, потребует отдельного цифрового контроллера и изменения всейархитектуры АСУ ТП. Преимущество HART-протокола в том, что HARTустройство можно ставить на место аналогового датчика и, не меняя всей системы, использовать цифровой обмен.HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer – удалённый адресуемый приёмник) был разработан в середине 80-х годов американской компанией Rosemount.
В начале 90-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Вначале он был нормирован только для примененияв режиме соединения «точка-точка», затем появилась возможность применятьпротокол в режиме многоточечного соединения («multidrop»).
Основные технические параметры, определяемые стандартом на HART-протокол, представлены втабл. 4.2. [39, 33].Метод передачи данныхHART-протокол основан на методе передачи данных с помощью частотноймодуляции (Frequency Shift Keying, FSK – частотная манипуляция), в соответствии с широко распространенным коммуникационным стандартом Bell 202. Цифровая информация передаётся частотами 1200 Гц – логическая единица и2200 Гц – логический нуль, которые накладываются на аналоговый токовый сигнал (рис. 4.1). Частотно-модулированный сигнал является двухполярным(±0,5 мА) и при применении соответствующей фильтрации не влияет на основнойаналоговый сигнал 4–20 мА.
Скорость передачи данных для HART составляет1,2 кбит/с. Каждое HART-устройство требует для цифровой передачи соответствующего модема.Благодаря наличию двух ведущих устройств каждое из них может быть готово к передаче через 270 мс (время ожидания). Цикл обновления данных повторяется 2-3 раза в секунду в режиме запрос/ответ и 3-4 раза в секунду в пакетном режиме. Несмотря на относительно большую длительность цикла, в большинстве102случаев он является достаточным для управления непрерывными технологическими процессами.2.Таблица 4.2.Технические параметры, определяемые стандартомHART-протоколаТопология«Точка-точка» (стандартная) или шинаМаксимальное количествоОдно подчинённое устройство и два ведущихустройствустройства (стандартный режим);15 подчинённых устройств, 2 ведущих устройства(многоточечный режим с удалённым питанием)Максимальная протяжённость3 км (стандарт)линии связи100м (многоточечный режим)Тип линииЭкранированная витая параИнтерфейс4–20 мА, токовая петля (аналоговый)Скорость передачи1200 бит/сМетод обращенияPolling (механизм опроса с уникальной адресациейкаждого устройства)Максимальная длина пакета25 байтданныхВремя цикла обновления данныхОколо 500 мс (в пакетном режиме – 330 мс)Надёжность передачи данных1 ошибка на 105 бит, контроль по четности каждогобайта, байт контрольной суммы для каждого пакетаВозможность использования воДавзрывоопасной зонеАналоговый сигнал 4–20 мА“0”“1”“1”“0”“0”“0”“1”“1”“0”“0”“1”Частотно-модулированный сигнал1.Рис.
4.1. Кодирование HART-сигналаПодключение устройств и топологияHART-протокол используется в двух режимах подключения. В большинствеслучаев применяется соединение «точка-точка» (рис. 4.2, а), то есть непосредст103венное соединение прибора низовой автоматики (преобразователя информации,датчика, исполнительного устройства и т.п.) и не более чем двух ведущих устройств.
В качестве первичного ведущего устройства, как правило, используетсяПЛК, а в качестве вторичного — портативный HART-терминал или отладочныйПК с HART-модемом. При этом аналоговый токовый сигнал передаётся от ведомого устройства к соответствующему ведущему устройству. Цифровые сигналымогут приниматься или передаваться как от ведущего, так и от ведомого устройства. Так как цифровой сигнал наложен на аналоговый, процесс передачи аналогового сигнала происходит без прерывания.В многоточечном режиме (рис. 4.2, б) до 15 ведомых устройств могут соединяться параллельно двухпроводной линией с теми же двумя ведущими устройствами. При этом по линии осуществляется только цифровая связь. Сигнал постоянного тока 4 мА обеспечивает вспомогательное питание ведомых приборов посигнальным линиям.а) Стандартный вариантб) Многоточечный вариант2.Рис. 4.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
