2. Промышленные сети и интерфейсы
Обмен информацией между устройствами, входящими в состав автоматизированной системы (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнительными устройствами), происходит в общем случае через промышленную сеть (Fieldbus, «полевую шину») [Cucej].
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 [Таненбаум]
- 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.
Локальные промышленные сети
Информационный обмен между различными уровнями управления, их интеграция в единую систему осуществляются посредством локальных вычислительных сетей. Локальные вычислительные сети представляют собой системы распределенной обработки данных, охватывающие относительно небольшие территории (до 5 — 10 км) внутри отдельных предприятий и объединяющие с помощью общего канала связи сотни абонентских узлов.
Локальные вычислительные сети, обеспечивающие физическую и логическую связь между распределенными промышленными контроллерами, измерительными преобразователями и исполнительными механизмами и их интеграцию в единую систему управления технологическим процессом, называются локальными промышленными сетями (Fieldbus — «полевая» шина). Основными требованиями, являются простота монтажа, высокая надежность и высокая скорость передачи данных (что отличает их, например, от глобальных сетей, которые могут вносить в передачу данных значительные задержки).
Семиуровневая эталонная модель взаимодействия открытых систем
Стандарты призваны облегчить интеграцию продуктов различных производителей в одной сети.
Международная организация по стандартизации (International Organization of Standardization — ISO) разработала стандарт, описывающий правила соединения аппаратных и программных средств в единую систему. Этот стандарт носит название модели взаимосвязи открытых систем — ВОС (Open System Interconnection — OSI). Как правило, производители сетевого оборудования определяют свои изделия в терминах OSI-модели.
Архитектура OSI-модели разбита на семь независимых уровней. В соответствии с этим передача информации в сети сводится к семи подзадачам, соответствующим определенным уровням модели. Отдельные уровни отличаются по специфике выполняемых процессов и по технологиям реализации. Каждый уровень обеспечивает полный набор услуг для уровня, расположенного выше.
В табл. 1 указаны конкретные примеры реализации всех семи уровней OSI-модели. Нижние два уровня — физический и канальный — реализуются аппаратно-программным способом, остальные пять — в основном программным. Так, сетевой уровень реализуется драйверами операционной системы, а также аппаратными и программными средствами маршрутизаторов. Верхние четыре уровня реализуются средствами сетевой операционной системы.
При передаче информации между прикладными программами, находящимися на разных узлах сети, передаваемая информация проходит вниз через все уровни системы и преобразуется к виду, пригодному для передачи по физическим каналам связи. После доставки по требуемому адресу информация проходит через все уровни наверх и преобразуется в исходный вид.
Таблица 1 Примеры реализации уровней ОSI-модели
Физическое (механическое и электрическое) соединение среды передачи данных
Стандарт l0BaseT (витая пара) Стандарт 10Base2/10Base5 (коаксиальный кабель) Стандарт 10 Base F (оптоволоконные линии)
Передача по физическому адресу по сети Доступ к среде передачи данных
Ethernet Token Ring Протокол CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection — Сети с множественным доступом с контролем несушей и обнаружением коллизий)
Логическая адресация и маршрутизация
IP (Internet Protocol -Протокол Интернет) IPE (Internetwork Packet Exchange — Межсетевой протокол обмена пакетами) DDP (Datagram Delivery Protocol — Протокол доставки пакетов (Apple Talk))
Прозрачная передача пакетов данных по сети
TCP (Transmission Control Protocol — Протокол контроля передачи данных) SPX (Sequenced Packet Exchange — Протокол последовательного обмена пакетами) ATP (Apple Talk Transaction Protocol — Протокол управления транзакциями Apple Talk)
Управление диалогом между устройствами сети
NPS (Network Print Service — Сервисы печати) NFS (Network File System -Разделяемые файловые системы)
Преобразование данных при передаче информации между устройствами с различными форматами данных
Код ASCI I (American Standard Code for Information Interchange — Американский стандартный код для обмена информацией) EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code — Расширенный двоично-десятичный код для обмена информацией)
Предоставление сетевого сервиса для программ пользователя
Электронная почта Удаленный доступ (Telnet)
Промышленные сети реализуют физический, канальный и прикладной уровни OSI-модели, остальные уровни в большинстве случаев избыточны.
Топология сети описывает способ объединения различных сетевых устройств. Выбор топологии влияет на характеристики сети: способ доступа к сети, возможность ее расширения, надежность. Основными топологиями являются шина (Bus), кольцо (Ring) и звезда (Star).
При построении вычислительных сетей используются два варианта подключения сетевых устройств: радиальное и магистральное. Радиальное соединение между двумя сетевыми устройствами (ЭВМ, ПК и т.п.) называется соединением точка к точке (point to point interface). Магистральное соединение сетевых устройств, при котором они независимо выходят на общую линию передачи, называется «многоточечным» соединением (multipoint).
Наиболее простыми и распространенными являются сети с топологией типа шина (магистраль). Для объединения группы устройств в сеть здесь применяется единый кабель. Кабель имеет несколько промежуточных ответвлений, которые используются для соединения магистрального провода с сетевыми устройствами. Тип соединения — многоточечный. Каждое сетевое устройство может передавать данные только в том случае, если другие «молчат». Сеть с такой топологией отличается легкостью расширения, однако чем больше абонентских узлов в сети, тем ниже ее производительность (сетевой абонентский узел — это ЭВМ, ПК, панель визуализации и т.д.). Основной недостаток этой топологии заключается в том, что выход из строя магистрального кабеля влечет за собой остановку всей сети. В то же время выход из строя одного узла не нарушает работоспособности сети.
В топологии типа кольцо информация передается от узла к узлу последовательно по физическому кольцу. Каждый узел передает информацию только одному из узлов. Тип соединения — точка к точке. Приемный узел выступает в роли повторителя, регенерируя полученную информацию. К передатчикам и приемникам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных конфигурациях, где передаваемые данные получают все узлы сети. На различных участках сети могут использоваться разные виды физической передающей среды. Выход из строя линии связи приводит к отказу сети.
Топология типа звезда предполагает, что все сетевые узлы подключены собственным физическим каналом связи к центральному концентратору или контроллеру. Тип соединения — точка к точке. Информация от периферийного передающего узла поступает к другим периферийным узлам через центральный узел. Центральный узел должен отличаться повышенной надежностью, поскольку выход его из строя останавливает всю сеть. Выход из строя периферийного узла или одного физического канала связи отключает только один сетевой узел и не влияет на работоспособность остальной сети.
Канал передачи данных
Локальная промышленная сеть использует последовательную передачу данных по каналу связи. Такой способ обеспечивает надежную передачу данных на большие расстояния и является экономичным.
Среда передачи данных ЛПС. В качестве физической среды передачи данных обычно применяется витая пара, коаксиальный кабель или оптоволокно, реже — канал беспроводной связи.
Витая пара представляет собой пару изолированных проводящих жил, скрученных друг с другом и помещенных в общую диэлектрическую оболочку. Достоинства витой пары — низкая стоимость и простота применения.
Коаксиальный кабель представляет собой медную токоведущую жилу, окруженную слоем диэлектрика и покрытием в виде металлической оплетки или фольги. Существует в двух вариантах: тонкий — 6 мм (10 Base2 /IEEE 802.3) и толстый — 12 мм (10 Base5/IEEE802.3) коаксиальный кабель. Достоинство коаксиального кабеля — возможность прямых ответвлений (путем прокалывания изоляционного слоя), благодаря чему сеть может легко наращиваться, а также помехозащищенность.
Оптоволоконный кабель состоит из оптоволокна и защитного покрытия. Оптоволокно изготавливается из стекла или специального пластика и служит для передачи световых сигналов. Оптоволокно покрывается светоотражающим составом, предотвращающим рассеивание света. Снаружи оптоволокно покрыто поливинилхлоридом или каким-либо другим защитным покрытием, повышающим прочность кабеля.
Используется в основном оптоволокно двух типов. Первый тип предполагает параллельную передачу нескольких световых сигналов и применяется для передач на расстояние до 2 000 м, источник сигнала — диод. Второй тип предусматривает одиночный режим передачи, применяется для передачи сигнала на расстояние до 5 000 м, источник сигнала — лазер.
Достоинства оптокабеля — высокая скорость передачи данных и устойчивость к электромагнитным помехам, так как оптоволокно не является электропроводящим материалом.
Основные характеристики рассмотренных сред передачи данных сведены в табл. 2.
Таблица 2 Основные характеристики сред передачи данных
Длина сетевого сегмента, м
Примерная стоимость 1 м, долл.