Полеви индустриални мрежи

24.07.2012   |   Начало»Статии

Редактор
Пепа Петрунова

Редактор
Пепа Петрунова

Полевите индустриални мрежи заемат най-ниското ниво в йерархията на системите за управление. Задачата им е да осъществяват комуникацията между крайните полеви устройства (сензори, изпълнителни механизми и др.) и устройствата от по-високо йерархично ниво (PLC, работни и операторски станции). Информацията се предава съобразно няколко метода - Unicast (пакетът данни се изпраща от един предавател към един получател в мрежата), Multicast (пакетът се изпраща от предавател към множество получатели в мрежата) и Broadcast (пакетът се изпраща от предавател към всички устройства в мрежата).

Видове устройства в полевите мрежи
При полевите мрежи се разграничават основно два вида устройства - Master (главни) и Slave (подчинени). Master устройствата определят начина на обмен на данни по мрежата и изпълняват управляващи или информационно-контролни функции. Могат да изпращат съобщения по мрежата без предварителна заявка за тях, ако притежават правата върху маркера за достъп до мрежата. Slave устройствата са крайни устройства – полеви уреди, датчици, изпълнителни механизми, регулиращи органи, входно-изходни модули, измервателни устройства. За разлика от Master устройствата, те са пасивни и имат ограничен достъп до мрежата – потвърждават получените или изпратените съобщения.

Комуникационни модели
Логическите връзки между устройствата, съобщителният протокол и връзките между обектите в устройствата се определят от различни видове комуникационни модели. Сред най-често използваните са следните:

Клиент/сървър (Client/server). Клиент-сървър е основен комуникационен модел в съвременните мрежи. При него сървърът предоставя своите ресурси и отговаря на запитвания от клиента. Често ролите на клиента и сървъра се разменят, като master устройствата са клиенти, а slave устройствата – сървъри в мрежата. Функцията на master устройство могат да изпълняват разпределена система за управление (DCS), програмируем контролер или персонален компютър. Slave устройствата са източници на първична информация (полеви уреди, сензори, измервателни системи) или други устройства като изпълнителни механизми, модули за отдалечен вход/изход и др. Комуникацията в един възел се инициира от master устройството, което се опитва да установи връзка с едно или няколко slave устройства. След опознавателния процес master устройството конфигурира slave устройствата в съответствие с приетата от тях информация и предвид тяхното използване. През периода на работа се приема, че master устройството управлява slave устройствата и има пълни права над тях, докато не прекъсне връзката. При този комуникационен модел предимство се явява опростеното управление на мрежовите данни. По-голямата част от данните са съсредоточени при master устройството. Системата на защита на данните и на цялата мрежа като такава е също опростена. Съществен недостатък е, че в случай на повреда на master устройството е застрашена работоспособността на цялата мрежа.

Равноправен достъп (Peer-to-Peer). Характерно за този механизъм е, че всички свързани в мрежата устройства са “равностойни” и могат да работят едновременно като slave устройства и като master устройства. Peer-to-peer се използва за обмен на опознавателна информация между главно и подчинено устройство и намира приложение в индустриалните мрежи като Profibus-FMS, LonWorks, WorldFIP.

Multi-master. Комуникационният модел multi-master се използва, в случай че е необходимо произволен брой master устройства да имат достъп до данните на дадено slave устройство. В произволен момент от времето само едно master устройство има възможност да управлява и конфигурира slave устройствата. Намира приложение при Profibus-DP, DeviceNet и други индустриални мрежи.

Запитване (poll). При запитване master устройството изпраща запитване, отделно до всяко slave устройство, с цел обмен на данни с него. Подчиненото устройство отговаря безусловно на запитването, независимо че то не е предназначено за него. Този механизъм не е достатъчно рационален, тъй като останалите устройства нямат достъп до обменяните данни, дори и да са им необходими.

Групово запитване (strobe, broadcast). При груповото запитване master устройството изпраща запитване до всички slave устройства с цел обмен на данни с тях. В резултат на запитването отговарят само тези устройства, които се идентифицират в broadcast съобщението.

Експлицитни съобщения (Explicit messages). Този тип съобщения се използват съвместно с механизма от типа равноправен обмен peer-to-peer. Генерират се от всяко едно устройство в мрежата, като е необходимо приемащата страна да изпрати потвърждение. Механизмът на експлицитните съобщения намира приложение при първоначална идентификация, конфигурация и диагностика на устройствата в мрежата.

Фрагментирани съобщения (Fragmented messages). В случай че е необходимо да се предаде съобщение, което е с по-голям размер от допустимия за еднократно предаване, се използва механизмът на фрагментираните съобщения. При него данните се разделят и изпращат на фрагменти, които при приемника се обединяват и така формират началния размер на съобщението.
Циклични съобщения (Cyclic messages). Цикличните съобщения се използват за периодично предаване на данни от slave към master устройствата по отношение на работния процес. Този механизъм намалява трафика по мрежата и работата на управляващите устройства.

Промяна на състоянието (Change of state, COS). Този механизъм конфигурира подчинените устройства така, че те да изпращат данни към master устройствата си, само когато се промени тяхното състояние. През останалия период master устройствата използват последното прихванато състояние за управление на процеса. По този начин се намалява значително трафикът по мрежата.
Производител-консуматор (Producer-consumer). При механизма производител-консуматор информацията по мрежата се предава периодично посредством метод broadcast, като всяко устройство получава тази част, която му е необходима без закъснение. Всяко устройство (подател на информация) записва в заглавната част на пакета с данни идентификатор на връзката (connection ID). След като пакетът бъде изпратен по мрежата, то всяко устройство, прочитащо идентификатора, определя дали информацията е предназначена и необходима за него. Този механизъм намира най-широко приложение при спецификации DeviceNet, ControlNet, Fieldbus Foundation. При него самото съдържание на информацията е достатъчно, за да се идентифицират евентуалните получатели. Производител-консуматор осигурява възможност за пълноценно използване на мрежовата среда и намаляване на мрежовия трафик.

Източник-получател (Source-destination). Източник-получател е алтернатива на производител-консуматор. При него slave устройствата приемат само пакетите, които съдържат техния адрес.

В случай че няколко устройства имат необходимост от същите данни, те трябва да се предадат многократно. Това е неефективно и може да създаде проблеми в синхронизацията и работата в реално време, тъй като устройствата, нуждаещи се от идентични данни, ги получават по различно време. Този механизъм намира приложение при спецификации от по-старо поколение като Profibus-DP, Modbus Plus и Interbus S. Комуникацията чрез източник-получател е “по-тромава” от производител-консуматор, тъй като пакетите по мрежата включват допълнителна информация за адресиране на съобщението.

Възможни са и комбинации от изброените комуникационни модели.

Съвременни полеви комуникационни технологии

AS-Interface
Намира приложение при свързване на крайни устройства с елементарни входно-изходни функции. Използва двужилен кабел за захранване с напрежение 24 V и за обмен на цифровите сигнали.

CAN Interface
Осигурява висока надеждност при предаването на информацията. Поддържа множество приложения и богат набор от апаратни средства с различни характеристики и производители. Скоростта на предаване на данни е между 10 Kbit/s и 1 Mbit. Максималният обем на предаваните съобщения е 94 bit. Теоретично позволява включване на неограничен брой устройства в мрежата, но на практика това не е така, тъй като всеки модул представлява електрически товар за шината.

DeviceNet
Икономически ефективно мрежово решение, посредством което контролери и индустриални полеви устройства се свързват директно и така отпада необходимостта от допълнително окабеляване на входовете и изходите. Позволява висока скорост на пренос на данни и ефективност по отношение на манипулирането на данните. Позволява устройствата да бъдат свързани директно към общ мрежов кабел, по който се осъществяват захранване и комуникации. Изграждането на DeviceNet мрежи с plug-and-play полеви устройства опростява в значителна степен процеса на конфигуриране на системата.

Profibus
Отворен стандарт за полеви мрежи с голямо приложение в производствената автоматизация. Възможните технологии за пренос на данни са RS485, IEC 1158-2 или оптични кабели. Позволява програмируеми контролери с разпределена интелигентност да се свързват в обща мрежа. Обхваща три основни типа мрежи – DP (Decentralized Periphery), FMS (Fieldbus Message Specification) и PA (Process Automation). Областите на приложение на Profibus DP са управлението на процеси и промишлената автоматизация. Позволява скорости на обмен до 12 Mbit/s. Методът на комуникация е master/slave или равноправен обмен. Преносната среда е усукана двойка. Максималният брой поддържани устройства е над 100. Profibus PA намира приложение при управление на процеси и интелигентни измервателни прибори. Позволява скорости на обмен до 30 kbit/s. Методът на комуникация е master/slave или равноправен обмен. Profibus FMS е проектиран за комуникация на по-високо йерархично ниво в САУМК и не е подходящ във функцията на комуникационна среда на полевото ниво.

Modicon Modbus Plus
Детерминистична полева мрежа, която позволява комуникационен механизъм от тип клиент-сървър и високоскоростен обмен между PLC и крайни устройства (до 1 Mbit/s синхронен HDLC обмен върху RS-485 физически слой).

HART
HART комуникационната технология е сред най-наложилите се в областта на автоматизацията. Обхваща всички сфери на индустрията, включително енергетиката, нефтохимията и др. Позволява едновременно предаване на цифрови и аналогови (4-20 mA) сигнали при изграждане на мрежи с повишена сигурност във взривоопасни и рискови среди. Осигурява възможност за използване там, където вече са инсталирани и работят аналогови полеви устройства. Комуникира без прекъсване на аналоговия сигнал и позволява цифровата комуникация от полевото устройство да бъде обновявана няколко пъти в секунда при предаването й към управляващото устройство. Методът на комуникация е master/slave, като всеки HART контур може да съдържа до две master устройства. Скоростта, с която комуникира HART протоколът, е 1200 bit/s, но допуска устройства, работещи в пакетен (burst) комуникационен режим, който позволява по-бърза комуникация.

LonWorks
Стандарт за мрежи с равноправен обмен, който намира приложение в системите с голям брой крайни устройства. Като среди за пренос на информация между устройствата на LonWorks мрежите са дефинирани кабели тип усукана двойка (twisted pair), захранващи линии, коаксиален кабел, оптически влакна и радиочестотни канали. Всяка от изброените среди се характеризира с определени специфики. LonWorks мрежата се състои от четири главни елемента - протокол LonTalk, чипове Neuron, LonWorks приемо-предаватели (LonWorks transceivers) и мрежово управление с приложен софтуер. Протоколът LonTalk е набор от съобщения, които поддържат надеждна комуникация между възлите и правят ефективна употребата на средата за пренос. Съвместимостта с LonTalk осигурява три основни предимства. Първото е, че се освобождава разработчикът на LonWorks съвместими продукти от детайлно проектиране на технология за надежден пренос на информацията до всяка точка в локалната оперативна мрежа. Следващото предимство е, че се осигурява на внедряващия LonWorks мрежа висока гъвкавост в избирането и конфигурирането на възлите, съобразно специфичното приложение. Третото основно предимство е гарантираната предсказуемост на мрежовото поведение при всички възможни условия. Сигурността на информационния обмен се дължи на обстоятелството, че LonTalk поддържа техниката на “крайни потвърждения с автоматично повторение”. Това означава, че устройството, изпратило съобщение, ще очаква потвърждения от всички предвидени получатели в мрежата и автоматично ще изпрати съобщението отново, ако някой от тях не го е направил. Протоколът LonTalk използва патентован алгоритъм за предвиждане на противоречия при информационен обмен, който позволява на канала за пренос да работи на своя максимален капацитет.

ISA100.11а
Многофункционален стандарт, който осигурява надежден и защитен безжичен пренос за множество приложения - от обикновено наблюдение на процесни променливи до управление на големи контури. Стандартът дефинира безжична преносна среда за едновременно обслужване на различни протоколи, полеви мрежи и приложения към съществуващи и нови кабелни контролни и управляващи системи.

Реализацията на ISA100.11а включва стек за безжична комуникация, системно управление, входна точка към контролната система и дефиниции за сигурност, позволяващи надеждна и защитена безжична свързаност със стационарни, преносими и движещи се полеви измервателни устройства.

FOUNDATION Fieldbus
Комуникационната технология FOUNDATION Fieldbus е особено подходяща за високоскоростни процеси в опасни индустриални производства, което се дължи на прецизната синхронизация между управлението и комуникацията. Разработена е специално за високоотговорни приложения, изискващи висока сигурност и голямо бързодействие. Мрежовата топология е линейна, дървовидна с предаване и на захранването. Преносната среда може да бъде оптична или усукана двойка. Използва механизъм single master или multi master. Позволява скорости на обмен от 30 Kbit/s до 2.5 Mbit/s.

Ethernet/IP
Широко използвана технология за комуникация в реално време в индустрията. Ethernet/IP е индустриално разширение на Ethernet TCP/IP. Поддържа общ протокол на приложно ниво със стандартите ControlNet и DeviceNet. По този начин устройства като контролери, бар-код четци и други могат да се свързват, без да се нуждаят от допълнително програмно осигуряване. Отличава се с високо бързодействие. Ethernet/IP използва TCP/IP, който не гарантира, че две устройства комуникират ефективно при всички случаи. За постигане на ефективна комуникация на полево ниво, Ethernet/IP предлага универсално полево ниво, което се изгражда чрез TCP/IP капсулиране (Devicenet възел капсулира съобщение като порция данни в Ethernet съобщение). Чрез TCP/IP в Ethenet могат да се изпращат експлицитни съобщения, при които в полето с данни се съдържа протоколната информация и инструкциите за работа. EtherNet/IP използва UDP/IP за изпращане на съобщения в реално време и така позволява да се обработват и изпращат съобщения към групи потребители в мрежата (multicast), както и неявни, имплицитни съобщения.

Ключови думи: индустриални мрежи   полеви мрежи   клиент-сървър   PLC  

Област: Статии