Промышленная сеть для поддержки АСУ

Максимальная размерность LON-сети - 32000 узлов, соединенных различными физическими средами в произвольной сетевой конфигурации.

Interbus

Спецификация Interbus была разработана фирмой Phoenix Contact в 1984 году и быстро завоевала прочные позиции в сфере распределенных АСУ ТП благодаря целому ряду интересных структурных решений. Прежде всего следует отметить максимальное рас стояние, которое может охватывать эта ПС, -- до 13 километров (рис. 1). Для сетей, физический уровень которых основан на стандарте RS 485, этот показатель очень высок, и обеспечивается он благодаря ретрансляции сигнала в каждом узле. Максимальное количество узлов 512, расстояние между узлами до 400 метров, используемый кабель Belden 3119A. Узлы ретрансляторы образуют основу топологии Interbus, оконечные же устройства подключаются к дополнительным кольцевым сегментам, в которых питающее напряжение передается вместе с данными. Длина дополнительных сегментов может составлять до 200 метров, для их прокладки используется обычная неэкранированная витая пара. Доступ к среде передачи данных в Interbus организован по принципу суммирующего фрейма и обеспечивает гарантированное время передачи информации. Таким образом, Interbus является хорошим решением для унифицированной автоматизации производства, компоненты которого территориально разнесены на большое расстояние.

WorldFIP

Протокол WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) разработан на основе французского стандарта, известного как NFC46-600 или FIP. Его разработал консорциум компаний, производящих полевые устройства, в которых используется система сообщений. Протокол WorldFIP удовлетворяет требованиям реального времени. Главные члены консорциума - Honeywell, Baily Controls, Cegelec, Allen Bradley, Telemecanique, Electricity de France, Elf.

Протокол построен на гибридном (централизованный/децентрализованный) доступе к шине и для передачи данных использует режим широкого вещания (broadcast). Контроль обеспечивается со стороны центрального узла сети (central unit), называемого Арбитром. Основной поток данных организован как набор отдельных переменных, каждая из которых идентифицирована своим именем. Любая переменная, обработанная в одном узле-передатчике, может быть прочитана всеми узлами-приемниками одновременно. Использование режима широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса.

Функции управления некоторым процессом могут распределяться между различными устройствами на шине. Это возможно потому, что все "приемники" одновременно принимают одинаковые переменные, а время обновления данных и их передача подчиняются строгому контролю. Основу FIP составляет "база данных реального времени".

Беспроводные промышленные сети

Протокол IEEE 802.11 в промышленной автоматике - преимущества и ограничения

Стандарт IEEE802.11 как наиболее популярный среди протоколов для беспроводных сетей используется в офисах как «вставка» в проводной канал и как способ доступа в Internet. До недавнего времени применению этой технологии в промышленной автоматике мешала низкая и труднопредсказуемая надежность подобной связи. Это и понятно, ведь для упрощения внедрения технологии IEEE 802.11 создатели предусмотрели невысокую мощность передатчика и не самую «пробивную» частоту. Поэтому до сих пор применение технологии IEEE 802.11 ограничивается лишь мониторингом не опасных процессов, где потеря связи даже на минуту не критична. А на производстве сплошь и рядом мощные электромагнитные поля, преграды, непроницаемые для радиосвязи и т.п.

Применение беспроводных решений для промышленности оправдано, если:

-помехи не высоки и позволяют в 99% держать связь;

-потеря связи на 5…10 с не критична;

-проводная связь невозможна из-за высокой стоимости или мобильности компонент в системе управления.

Мобильность и расстояния - это признаки, прежде всего, логистических комплексов. Расстояния без мобильности - охранные системы и системы видеонаблюдения. Помимо складских терминалов такие же условия функционирования характерны для открытой разработки полезных ископаемых и на стройплощадках. Однако низкий уровень автоматизации этих отраслей позволяет лишь «мониторить», но не управлять.

Усложнение, резкое увеличение товарных потоков во всем мире привело к взрывному росту и переоснащению логистических комплексов. Крупный склад, портовый узел ежесуточно обрабатывает сотни тысяч единиц разного рода предметов и без единой информационной сети работать не может. Особенностью логистических комплексов является наличие множества подвижных объектов - погрузчиков, работа которых требует постоянной информационной поддержки.

Таким образом, задача по модернизации информационной сети крупного склада (порта) выглядит так:

-комплекс размещен на площади более 100 Га

-предметы находятся как в помещении, так и на открытых контейнерных площадках; они перемещают при помощи погрузчиков, на каждом есть терминал, постоянно связанный со всей информационной системой складского комплекса;

-погрузчики могут работать как в автоматическом режиме (без оператора), так и с оператором;

-обновление информации на терминале может быть и периодическим и по запросу и в on-line;

-по территории размещены «точки доступа» так, чтобы обеспечивать максимальное покрытие, минимизировать площадь участков, недоступных для связи.

Или, другими словами, требуется включить подвижные объекты в информационную сеть комплекса.

Для решения подобных задач компания МОХА разработала свой набор оборудования и ПО, реализовав схему «роуминга» (известную в сотовой телефонии) для информационных сетей меньшей распределенности. Предложенное решение достаточно просто. Помимо обмена информацией погрузчики и точки доступа постоянно тестируют качество связи, при этом погрузчик каждый момент времени привязывается к той точке, качество связи с которой наилучшее. Опрос каналов связи проходит периодически, и в каждый момент времени погрузчик «общается» только с одной точкой доступа. Происходит постоянное динамическое переключение с одной точки на другую. Рассмотрим список устройств, необходимых для оснащения «подвижной» части складского комплекса.

1. Nport W2150 Plus - беспроводной Ethernet сервер последовательных устройств. Именно микропрограмма этого устройства и реализует функцию «роуминга», выбирая наиболее походящую по условиям связи точку доступа.

2. Терминал или компактный компьютер, для транспорта. Здесь можно рекомендовать серию TREK панельных компьютеров с 10” сенсорным экраном. Если же погрузчики работают без оператора - вполне подойдет компактный компьютер серии eBox.

3. Оборудование для точки доступа, можно брать произвольное, лишь бы технические характеристики соответствовали условиям применения.

Omron CompoBus/S

Протокол CompoBus/S - это разработка фирмы OMRON. Сеть представляет собой двух или четырех - проводную линию с ответвлениями и терминалами ввода/вывода. Время опроса 32 узлов происходит менее 0.5 сек. Compobus/S позволяет работать с аналоговыми синалами. Широкий набор терминалов позволяет построить распределенную систему управления локальными участками за минимальное время с максимальной эффективностью. Мастер модули Compobus/S имеются в ряду модулей всех типов контроллеров ОМРОН.

Преимущества Ethernet-технологий

Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими очевидными моментами:

1. Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для организации подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер лишь сетевым адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные модули Ethernet для промышленных контроллеров просты в изготовлении и легки в конфигурировании. Стоит отметить, что многие современные контроллеры уже имеют встроенные интерфейсы для подключения к сетям Ethernet.

2. На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для промышленного применения.

3. Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например, стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше, большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным моментом для промышленных приложений.

4. Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП с локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС завода базируется на стандарте Ethernet.

Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими очевидными моментами:

1. Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для организации подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер лишь сетевым адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные модули Ethernet для промышленных контроллеров просты в изготовлении и легки в конфигурировании. Стоит отметить, что многие современные контроллеры уже имеют встроенные интерфейсы для подключения к сетям Ethernet.

2. На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для промышленного применения.

3. Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например, стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше, большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным моментом для промышленных приложений.

4. Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП с локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС завода базируется на стандарте Ethernet.

В настоящее время промышленный Ethernet уже де-факто стал стандартом. По некоторым оценкам, около четверти производственного оборудования будет иметь Ethernet-интерфейс, что позволит оборудованию в цехах эффективно вписаться в единую Ethernet-сеть предприятия. Современный промышленный Ethernet начал заимствовать новейшие мировые тенденции, свойственные офисным решениям, например поддержку встроенных вэб-серверов в датчиках, контроллерах, серверах доступа, что обеспечивает доступ к этим устройствам из любой точки мира.

Проще говоря, в промышленной автоматизации современные интранет-интернет-технологии стали базовыми.

Особенности промышленного Ethernet

На рынке сегодня существует несколько типов сетевых протоколов. Тем не менее, все большее число производителей сетевого оборудования склоняются в пользу промышленного Ethernet-протокола. Его отличительные особенности состоят в следующем:

* Быстрое восстановление соединения. 

Если в офисном Ethernet это время может составлять десятки секунд и даже минуты, то в промышленном не должно превышать 300-500 мс, иначе производственное оборудование может выйти из строя.

* Резервируемая технология. 

Повышает надежность системы управления при выходе изстроя одного из сегментов сети.

* Более высокое время наработки на отказ.

Оно составляет свыше 77 500 ч, что снижает вероятностьстановок производства.

* Резервируемое питание. Например, от сети и резервных аккумуляторов.

* Уведомление об аварийных ситуациях. Посылка e-mail - сообщений или выдача сигналов на релейные выходы для уведомления персонала об обрывах сегментов, превышении трафика.

* Индустриальный дизайн. Промышленные корпуса, обеспечивающие функционирование устройств в агрессивных средах, пылевлагозащищенные, выдерживающие большой диапазон рабочих температур.

* Специальные направляющие для крепления в индустриальных шкафах.

* Совместимость с системой управления. 

Поддержка устройствами SNMP-управления. 

Поддержка ОРС-технологий.

Сеть устройств

Нижний уровень этой сети (сеть устройств) составляют сенсоры, датчики, измерительные устройства, которые могут быть как аналоговыми, так и цифровыми (интеллектуальными, содержащими встроенные контроллеры). На этом уровне могут располагаться также контроллеры и серверы доступа, преобразующие входные сигналы в Ethernet-пакеты для передачи на следующий уровень сети управления. При использовании устройств и контроллеров с интерфейсом, отличным от индустриального Ethernet, здесь же располагаются устройства преобразования интерфейса -- шлюзы. Все шлюзы и Ethernet-контроллеры, кроме передачи собственно данных от устройств, должны обеспечивать верхние уровни сети также и информацией о состоянии этих устройств.



Уровень управляющей сети

Следующий, самый важный уровень сети - собственно управляющая производственным процессом сеть. Основу ее чаще всего составляет резервируемое оптоволоконное и электрическое Ethernet-кольцо. Это наиболее важное звено общей сети, и прекращение его функционирования может повлечь большие производственные потери. Правильный выбор оборудования позволит избежать финансовых потерь в будущем. На этом уровне располагаются индустриальные Ethernet - коммутаторы, составляющие опорную технологическую сеть, контроллеры устройств с Ethernet-интерфейсом, устройства взаимодействия с АРМ технологических процессов (SCADA-серверы), интеллектуальные панели управления.

На этом же уровне могут быть установлены интеллектуальные видеосерверы для управления видеокамерами, расположенными в ответственных местах производства или хранения продукции. Данные с видеосерверов в реальном режиме времени обеспечивают информацией о состоянии контролируемых объектов и могут быть интегрированы в единую систему управления предприятием.

На уровне управляющей сети происходят следующие процессы:

* сбор, обработка и накопление информации обо всех параметрах технологического процесса и промышленного оборудования и контроллеров, а также о его состоянии;

* обнаружение критических и аварийных ситуаций в работе оборудования и уведомление обслуживающего персонала;

* управление технологическим процессом с АРМ-операторов;

* формирование всех данных о состоянии и параметрах технологического процесса для использования в системах;

- управления предприятием.

Информация из управляющей сети в реальном времени передается на уровень сети предприятия.

На самом верхнем уровне сети - сети предприятия - происходит формирование всех необходимых форм для обеспечения функционирования производства (потребности в материалах, готовая продукция), состоянии технологического оборудования (простои, аварии), итоговых отчетных форм для руководящего персонала, ERP-систем и т.д.

Создание современных промышленных сетей автоматизации на основе Ethernet

Традиционно сеть Ethernet используется для сопряжения и связи персональных компьютеров (ПК) и рабочих станций, но в классическом виде с разделяемой средой связи она не удовлетворяет требованиям систем реального времени и многих систем управления, так как имеет непредсказуемые задержки и даже не гарантирует доставку сообщений. Первые сети обеспечивали скорость передачи 10 Мбит/с. Потом появился Fast Ethernet и обеспечил быструю связь со скоростью 100 Мбит/c, благодаря чему получил широкое распространение во многих применениях, включая приборные системы измерений, системы промышленной автоматизации, распределённые системы управления, бортовые системы и др.

В настоящее время основными стандартами для создания промышленных сетей являются Fast Ethernet и другие стандарты, построенные на его основе, в первую очередь -- PPOFINET (IEC 61158). В таких сетях обеспечивается скорость передачи данных до 100 Мбит/c. Однако всё активнее применяются гигабитные промышленные сети, выпускается соответствующее сетевое оборудование, способное функционировать в условиях температурных колебаний, вибраций, электромагнитных излучений и т.п. Коммутируемые сети Ethernet с гигабитными скоростями стали стандартными в 2006 году, и многие процессорные модули уже имеют встроенный интерфейс (или несколько интерфейсов) Gigabit Ethernet как обязательное унифицированное средство сопряжения с внешними устройствами.

Классическая звездообразная топология офисных сетей обычно формируется вокруг серверов в центральном здании. Промышленные сети распределяют по технологическим помещениям, зачастую находящимся в разных зданиях или на значительном удалении; при этом к ним предъявляются повышенные требования по надёжности и времени восстановления. Звездообразная топология промышленных сетей позволяет кратковременно отключать отдельные сегменты, например для профилактики, но здесь постоянно присутствует риск отказа в центральном узле сети. Общая протяжённость кабелей в топологии «звезда» значительно возрастает (особенно если технологический процесс «вытянут в длину»), так как приходится прокладывать связи от центра ко всем распределённым узлам. Это приводит к дополнительному увеличению стоимости и повышенному риску электромагнитных наводок в неэкранированных витых парах. Риск электромагнитных наводок в линиях связи устраняют применением оптоволокна. Как правило, его прокладывают в коробах вдоль кабелей электропитания со средними и низкими номиналами напряжения. Однако, говоря о возможности устранения некоторых проблем, следует помнить, что в звездообразной топологии могут проявиться и другие проблемы, например проблема «вещательного шторма», создающего нерабочий режим в сети.

На основе Ethernet, используя сетевое оборудование для промышленных применений, на предприятиях создают интегрированные сети, объединяющие технологические системы и системы управления. Это выдвигает новые требования к ширине полосы частот, резервированию, протоколам. Важное место среди сетевого оборудования занимают коммутаторы. Коммутаторы для промышленных сетей по своему исполнению соответствуют жёстким условиям эксплуатации. Как правило, они изготавливаются в вариантах для установки на монтажную рейку, размещения в специальном шкафу или монтажа в приборном корпусе. Выбор коммутатора зависит от условий и особенностей его применения. Важнейшие характеристики коммутатора -- тип и количество портов. Тип портов определяется принятым протоколом и средой передачи (витая пара -- IEEE 802.3ab, оптоволокно -- IEEE 802.3az). Характерным примером коммутаторов для гигабитных промышленных сетей являются модульные управляемые коммутаторы серий MICE и Power MICE (рис. 1) компании Hirschmann.

Диагностика и настройка управляемых коммутаторов возможна через Web-серверы. Передача по витой паре через порт 1000Base-T поддерживает также автоматическую нисходящую установку скорости 100 или 10 Мбит/c для подключения оконечных устройств в соответствии с их возможностями. Для передачи данных по гигабитному сегменту с витой парой на расстояние до 100 м требуется кабель с 4 парами проводов, удовлетворяющий требованиям каналов связи, как минимум, 5-й категории; при более высоких требованиях применяются кабели 6-й категории. Для передачи по оптоволокну на расстояние до 550 м используют многомодовый кабель (1000Base-SX), а для больших расстояний (20 км) -- одномодовый кабель (1000Base-LX).

По мере развития промышленных сетей совершенствовались способы повышения их надёжности. Метод группового преобразования предполагал группирование и дублирование каналов связи: все кабели не укладываются в один и тот же короб по одному и тому же маршруту, а группируются по частям (например, по северной и по южной частям здания). На следующем этапе стали резервировать сетевые коммутаторы и конечные терминальные узлы. Однако наиболее эффективным является метод резервирования отдельных каналов в кольцевых структурах промышленных сетей. Управляемые промышленные коммутаторы обеспечивают время переключения на резервные каналы порядка десятка-сотен миллисекунд. На данный момент наиболее отказоустойчивой является кольцевая топология HIPER-Ring (рис. 4). Она была разработана одним из лидеров в области промышленных сетей -- компанией Hirschmann как решение по созданию резервированной сетевой инфраструктуры без дублирования линий связи. Это решение предполагает построение не полностью замкнутых кольцевых связей в сети Ethernet и обеспечивает обнаружение сбоя в канале с восстановлением без потерь в течение 200-300 мс за счёт создания обходных путей связи. Сейчас стремятся снизить время восстановления сети до 50 мс. Такая топология сети из 1000 узлов была применена при автоматизации аэропорта в г. Дрездене. Пять зданий были связаны гигабитной сетью Ethernet. Вместо связующего дерева здесь применили HIPER-Ring с двойным резервированием в кольце, что обеспечило среднее время восстановления 0,5 с. Примечательно, что в этом проекте было также выполнено дублирование блоков питания.

Среди примеров резервирования в структурах промышленных сетей Ethernet известны и другие решения, например избыточные кольцевые сети Turbo Ring и двойные дублирующие сети.

Классическая сеть Ethernet для систем реального времени

Изначальный для сетей Ethernet протокол множественного доступа к среде передачи с обнаружением коллизий CSMA/CD -- недетерминированный и поэтому не пригоден для систем реального времени. Решение данной проблемы сводится к применению современной коммутируемой среды связи или к использованию специальных методов, например метода создания сети с одним ведущим устройством. С помощью протоколов TCP/IP и новых системных решений на основе коммутаторов и маршрутизаторов получены определённые результаты применения этих сетей для задач управления технологическими процессами и предприятиями.

Применительно к модели взаимодействия открытых систем OSI Ethernet охватывает её первые два уровня и не касается третьего уровня, на котором находится прокол TCP/IP. Хабы работают на первом физическом уровне, коммутаторы -- на втором, а маршрутизаторы -- на третьем. Коммутаторы могут интерпретировать сигналы на первых двух уровнях, что отражается в таблице MAC-адресов. Если адрес отсутствует, то коммутатор посылает его всем портам. Если устройство не подключено (удалено), то его вход исключается из базы данных. Тип подключения (MDI/MDIX) определяется автоматически.

Системы реального времени на основе Ethernet создают посредством реализации специальных методов, используя, исходя из соображений стоимости и быстродействия, различные варианты среды связи. Один из методов создания систем реального времени вместо протокола CDMA/CD применяет переключаемые интервалы времени, распределяющие передачи пакетов и сообщений в последовательной сети. Однако при таком методе недостаточно рационально используется полоса частот. Другой метод основан на построении упрощённого варианта сети только с одним ведущим контроллером при большом количестве ведомых устройств без использования коммутируемой среды. Распределённая система управления на основе такой сети использует метод интеракций одного ведущего со многими ведомыми устройствами.

Всё же основное направление в решении проблемы реального времени -- это развитие коммутируемой среды связи. Коммутаторы и маршрутизаторы быстрой связи используют двухточечные каналы для передачи адресуемых IP-пакетов, при этом на основе таблиц маршрутизации определяют наилучший маршрут в сети. Сложные функции маршрутизаторов реализуются программно, поэтому они более совершенны по сравнению с коммутаторами, но медленнее. Новые маршрутизирующие коммутаторы объединяют преимущества обоих типов устройств по быстродействию и гибкости сетевой связи.

Важными составляющими в решении проблемы являются переход на оптические каналы связи. Новое поколение промышленных систем управления начинает переходить на гигабитные сети Ethernet, всё шире используются кольцевые топологии или многокольцевые структуры, обеспечивая высокую надёжность сетевых решений. В недалёкой перспективе -- создание широкополосных коммутируемых промышленных сетей 10-Gigabit Ethernet.

В качестве примеров каналообразующего оборудования и типовых аппаратных решений по увеличению производительности и надежности систем управления можно рассмотреть изделия фирмы Hirschmann.

Сетевые решения фирмы HIRSCHMANN

Западногерманская фирма Hirschmann всегда стремилась к применению новейших технологий в сетевом оборудовании. Так, в 1984 году, почти за 10 лет до появления соответствующего стандарта, в университете Штутгарта она впервые создала локальную сеть Ethernet на базе оптоволокна. В 1990 году фирма представила Ethernet с кольцевой топологией, защищенной от отказа узла или обрыва линии. На сегодняшний день Hirschmann выпускает полную гамму оборудования для создания локальных и глобальных сетей сколь угодно сложной структуры, прежде всего для эксплуатации в тяжелых промышленных условиях.

Несмотря на то, что стандарт Ethernet одинаков как для офисных, так и для промышленных сетей, требования к каналообразующей аппаратуре в обоих случаях существенно разнятся.

Промышленные условия предъявляют значительно более жесткие требования к надежности, диапазону рабочих температур, устойчивости к электромагнитным помехам, вибрационным и иным видам нагрузок. Серия оборудования Rail изначально разрабатывалась фирмой Hirschmann для применения в сфере промышленной автоматизации и соответствующие требования были учтены еще на этапе проектирования.

Обеспечение отказоустойчивости сетевых комплексов достигается целой гаммой патентованных решений. Уникальная концепция построения отказоустойчивого кольца (HIPER Ring) позволяет не только противостоять отдельным отказам оборудования и линий связи, но и проводить регламентные работы или работы по реконфигурации сети, не останавливая обмена данными в системе. Одним из наиболее примечательных свойств этого решения является чрезвычайно малое время восстановления после отказа, оно составляет менее секунды.

В зависимости от степени важности задачи, решаемой на базе сетевого оборудования серии Rail, разработчик может задействовать различные заложенные механизмы обеспечения надежности и безотказности. Например, при наличии у контроллера дублированного сетевого интерфейса любой из соответствующих портов может быть подключен к оптическому кольцу, или же для достижения более высокого уровня дублирования может быть добавлено второе оптическое кольцо. Применение коммутаторов позволяет создавать полностью детерминированные сети.

В номенклатуру каналообразующей аппаратуры фирмы Hirschmann входят повторители, концентраторы и коммутаторы серии Rail. Кроме того, поставляются блоки питания двух типов мощностью 60 и 120 Вт, выполненные в едином со всем оборудованием данной серии конструктивном стиле.

Повторители

Повторитель предназначен для соединения разнородных сегментов сети Ethernet и преодоления проблем, связанных с ограничениями длины сегмента кабеля. Повторители представляют собой устройства с двумя портами.

Применение повторителей позволяет удлинять сегмент Ethernet до 3000 метров, а RT2 - до 20 км! Пример топологии сети Ethernet, построенной с использованием повторителей серии RT, показан на рис. 4.

Ethernet, восстанавливающиеся при единичном отказе за считанные доли секунды. Функция контроля дублирования отдельных устройств может быть активизирована на любом включенном в сеть коммутаторе с помощью DIP переключателей.

Концентраторы

Концентратор - это многопортовый повторитель сетевого интерфейса с равноправными портами. Получив сигнал от одной из подключенных к нему станций, концентратор транслирует его на все свои активные порты. Концентраторы можно использовать как автономные устройства или соединять друг с другом, увеличивая тем самым размер сети и создавая более сложные топологии. Их основное назначение -- объединение отдельных рабочих мест в рабочую группу в составе локальной сети.

Пример топологии сети Ethernet, построенной с использованием концентратора RH1 TP, показан на рис. 5.

Не менее важным средством обеспечения надежности функционирования сети является так называемая процедура Jabber control, часто именуемая сетевыми администраторами «контролем болтливости». При возникновении не исправностей в сетевой интерфейсной карте может возникнуть ситуация, когда в сеть будет непрерывно выдаваться последовательность случайных сигналов. Такого рода неисправность может значительно снизить пропускную способность сети или даже блокировать нормальную работу значительного ее участка, что неприемлемо для ответственных приложений. Для предотвращения подобных ситуаций в устройствах серии Rail реализована схема, которая проверяет количество битов, переданных в пакете. Если максимальная длина пакета регулярно превышается, то узел автоматически отключается от сети.

Более широкие возможности обеспечивает применение концентратора RH1 TP/FL этой же серии, который позволяет гибко и эффективно строить разветвленные сетевые структуры, используя кабельные системы, как на базе витой пары, так и оптоволокна. Каждый такой концентратор имеет три входа для кабеля типа витая пара и два входа для дуплексного оптического кабеля с разъёмом BFOC. Порты для витой пары используются, как правило, для подключения терминального оборудования, а оптические интерфейсы применяются в основном для построения магистрали, охватывающей большую территорию. Впрочем, возможна и иная топология. Например, в том случае, когда терминальное оборудование находится в технологических зонах с высоким уровнем электромагниных помех, магистраль может строиться на основе витой пары, а терминальное оборудование подключаться посредством оптоволокна, нечувствительного к внешним воздействиям такого рода. В обоих случаях в магистраль может быть включено не более 11 концентраторов.

Важнейшей особенностью данных устройств является возможность формирования отказоустойчивой кольцевой топологии HIPER Ring. Построение такой топологии возможно на базе оптоволоконных линий с использованием концентраторов RH1 TP/FL. Для этого, во-первых, необходимо физически замкнуть существующую линейную топологию (рис. 6), соединив свободные оптические порты крайних устройств, а во вторых, нужно установить один из включенных в кольцо концентраторов в состояние «следящего» за основной линией связи, для чего соответствующий DIP переключатель устанавливается в положение «redundant» («запасной»). Отказ любого узла построенной кольцевой топологии HIPER Ring или обрыв линии связи будет обнаружен «следящим» концентратором в течение 20 миллисекунд, после чего подключается запасной сегмент и происходит полное восстановление функциональности сети по запасному пути. Cемейство Rail концентраторов так же включает устройство RH1 CX+, ориентированное на сетевые структуры с более широким набором применяемых кабельных систем. Эта модель имеет два порта для подключения витой пары (соединитель RJ 45), один порт -- оптоволоконный (соединитель BFOC) и ещё один порт, соответствующий спецификации 10Base 2 для «тоного» коаксиального кабеля (соединитель BNC).

Коммутаторы

Коммутаторы являются более интеллектуальными, чем концентраторы, устройствами. Коммутатор Ethernet поддерживает внутреннюю таблицу соответствия портов адресам подключенных к ним сетевых узлов. Эту таблицу администратор сети может создать самостоятельно или задать режим её автоматического формирования встроенными средствами устройства. Используя таблицу адресов и содержащийся в передаваемом пакете адрес получателя, коммутатор направляет полученный пакет только в тот порт, где находится адресат. Исключение делается только в случае широковещательных рассылок или при передаче пакетов с неизвестным адресом получателя, которые рассылаются по всем подключенным соединениям. На основе описанной процедуры коммутатор фактически выполняет важнейшую функцию сегментирования сети Ethernet, что, в конечном счете, значительно расширяет её суммарную пропускную способность. В современных коммутаторах передача данных между любыми парами портов происходит независимо и, следовательно, для каждого виртуального соединения выделяется вся полоса канала. Скорость соединения определяется автоматически и не требует вмешательства обслуживающего персонала.

Коммутаторы RS1 и RS2 фирмы Hirschmann поддерживают Ethernet со скоростью передачи данных 10 и 100 Мбит/с.



Основные варианты топологических структур, создаваемых с помощью коммутаторов таковы:

? магистраль,

? отказоустойчивое кольцо,

? отказоустойчивое объединение отдельных сегментов.

Магистральная топология сети с коммутаторами принципиально не отличается от рассмотренных ранее структур. В зависимости от модели магистраль может строиться либо на основе витой пары (100 Мбит/с), либо оптоволокна. Так как применение коммутаторов снимает проблему коллизий, то снимаются и ограничения на количество объединяемых устройств, которые проходит информационный пакет, растет и время его доставки до конечного адреса. Разработчики систем реального времени должны учитывать это обстоятельство.

Следует однако иметь в виду, что с ростом числа промежуточных узлов, через которые проходит информационный пакет, растет и время его доставки до конечного адреса. Разработчики систем реального времени должны учитывать это обстоятельство.

Другое ограничение на размер сети связано с требованиями, накладываемыми дополнительно применяемыми функциями, например алгоритмом обеспечения отказоустойчивости. Так, соответствующая кольцевая структура на базе устройств RS2 (рис. 8) может состоять не более чем из 50 узлов, что обеспечивает автоматическое восстановление обмена при единичном отказе за время 500 миллисекунд. Наряду с применением коммутаторов для построения сетей с магистральной или кольцевой структурой существует третий типовой вариант их использования, который предполагает создание резервированных путей обмена информационными пакетами между отдельными сегментами Ethernet.

При этом одно устройство RS2 объявляется ведущим, и первоначально все пакеты идут по его линии. Соединение, относящееся к ведомому устройству, находится в состоянии ожидания. Обмен данными между коммутаторами о состоянии линий связи осуществляется по контрольной линии, соединяющей порты stand by. Максимальная длина контрольной линии определяется суммарным сопротивлением кабеля, которое не должно превышать 10 Ом. В случае отказа основной линии автоматически (не более чем за 0,5 с) включается запасной канал. При восстановлении работоспособности основной линии информационный поток немедленно пойдет по ней. С помощью этого механизма можно организовать сетевую структуру «двойное кольцо».

Нетрудно видеть, что описанные топологии могут комбинироваться в зависимости от требований к сетевой структуре. Гибкость и универсальность устройств серии Rail позволяют сетевым администраторам создавать экономичные, надежные и высокопроизводительные системы.

Промышленные сети SIMATIC NET

Что означает наименование SIMATIC NET?

Своим семейством промышленных сетей SIMATIC NET фирма SIEMENS представляет открытую гетерогенную систему связи, предназначенную для использования на всех уровнях иерархии систем автоматизированного управления в условиях промышленного производства.

SIMATIC NET - это общее название семейства коммуникационных сетей, объединяющих программируемые контроллеры SIEMENS, серверы, рабочие станции и персональные компьютеры

Для связи контроллеров, станций распределенной периферии и средств человеко-машинного интерфейса используются сетевые компоненты промышленных сетей.

PROFIBUS - сеть полевого уровня, в основном используется для связи контроллеров со станциями распределенной периферии и операторскими станциями, а также для передачи данных между контроллерами. Топология, как правило, шинная, скорость передачи данных - до 12Mbps (обычно 1,5Mbps при длине сегмента до 200 метров). Возможен вариант оптических сетей.

PROFINET - новые промышленные сети, основанные на Industrial Ethernet. Скорость - 100Mbps. Отличие от Industrial Ethernet - возможность гарантированной передачи данных за определенное время (RT, Real Time и IRT, Isochronous Real Time).

Для обмена данными между контроллерами используется профиль PROFINET CBA (Component Based Automation).

Существуют станции распределенной периферии для сетей PROFINET (профиль PROFINET IO).

Планируется, что PROFINET со временем вытеснит сети PROFIBUS.

SINAUT ST7 - организация распределенных систем мониторинга и управления технологическим процессом в распределенных конфигурациях на основе станций управления SIMATIC S7, с использованием сети WAN (Wide Area Network)

Industrial Ethernet - промышленный вариант Ethernet, в основном предназначенный для передачи данных от контроллеров к операторским станциям, а также для обмена данными между контроллерами.

Обмен данными между интеллектуальными партнерами по связи (программируемыми контроллерами, промышленными компьютерами, системами человеко-машинного интерфейса и т.д.) системы автоматизации SIMATIC выполняют через сети MPI (Multi Point Interface), PROFIBUS или Industrial Ethernet.

Опрос датчиков и приводов, а также выдача команд управления производится циклически с использованием области отображения ввода-вывода контроллеров и соответствующих команд управления связью. Подобные варианты связи в системах автоматизации SIMATIC могут осуществляться через сети PROFIBUS-DP, AS-Interface и EIB.

Idustrial Ethernet - это мощная сеть верхнего уровня управления, соответствующая международным стандартам IEEE 802.3 (Ethernet, 10Мбит/с) и IEEE 802.3u (Fast Ethernet, 100Мбит/с). Скорость - до 100Mbps, топология - звезда, длина участка - до 100 метров (увеличивается с помощью коммутаторов).

В сочетании с использованием технологии коммутируемых сетей и автоматической настройкой режимов передачи Industrial Ethernet позволяет создавать системы связи, отвечающие наиболее высоким коммуникационным требованиям. Автоматическая поддержка двух скоростей передачи данных позволяет осуществлять постепенный переход на новые сетевые компоненты.

Ethernet занимает 80% рынка мировых локальных сетей. Industrial Ethernet позволяет использовать Intranet и Internet, открывая новые возможности по организации связи с системами автоматизации, их дистанционному обслуживанию и диагностике. Все эти новые возможности активно используются компонентами SIMATIC NET.

Промышленная витая пара (10BASE-T)

Среда передачи представляет собой экранированный кабель с двумя витыми парами с волновым сопротивлением 100 Ом. На концах кабеля, согласно стандарту 10BASE-T, располагаются разъемы RJ-45. В рамках семейства продукции SIMATIC NET в качестве альтернативы также возможно использование разъемов sub-D .

Витая пара позволяет устанавливать соединения “точка - точка” между двумя электрически активными компонентами. Это означает, что между ООД и портом сетевого компонента всегда устанавливается прямая связь (прямой канал). Сетевой компонент осуществляет усиление принятых сигналов и их дальнейшую передачу через все свои выходные порты. В сетях Industrial Ethernet семейства SIMATIC NET эти задачи выполняются такими сетевыми компонентами, как OLM, ELM, OSM и ESM. Максимальная длина канала, связывающего ООД и сетевой компонент (известная как “длина сегмента”) не может превышать 100.

Волоконно-оптический канал связи (10BASE-FL)

Реализация Industrial Ethernet (10 Мбит/с) с волоконно-оптическим каналом связи. В качестве среды передачи используется многомодовый волоконно-оптический кабель со стеклянными волокнами типа 62.5/125 мкм или 50/125 мкм.

Промышленная витая пара (100BASE-TX)

В качестве среды передачи используется экранированный кабель с двумя витыми парами с волновым сопротивлением 100 Ом. Характеристики передачи данных кабеля должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к кабелям категории 5.

Волоконно-оптический кабель (100BASE-FX)

В качестве среды передачи используется многомодовый волоконно-оптический кабель со стеклянными волокнами 62.5/125 мкм или 50/125 мкм или одномодовый волоконно-оптический кабель со стеклянными волокнами 10/125 мкм.

Волоконно-оптические кабели позволяют устанавливать соединения “точка - точка” между двумя активными компонентами. Один из сетевых компонентов выполняет усиление принимаемых сигналов и дальнейшую передачу данных через выходные порты. В сетях SIMATIC NET Industrial Ethernet эта задача выполняется оптическим коммутирующим модулем (OSM).

В любой момент времени по сети может передаваться лишь один пакет данных. Каждый пакет данных проходит через все сегменты. Когда одна станция передает, все остальные станции принимают. Станция получает право на передачу в соответствии с методом доступа к среде передачи CSMA/CD. В состав изделий, функционирующих в соответствии с методом доступа CSMA/CD и формирующих ЛС совместного доступа, входят модули OLM/ELM, Mini UTDE, Mini OTDE, звездообразный разветвитель ASGE.

С использованием данных компонентов можно создавать шинные, звездообразные и кольцевые топологии.

Идеальной средой передачи для организации таких линий связи являются многомодовые стеклянные волокна типа 50/125 мкм и 62.5/125 мкм.

Длина оптического канала связи зависит от имеющегося оптического энергетического потенциала, а так же от потерь мощности оптического излучения на длине волны 850 нм.

Оптический канал, который связывает передатчик и приемник, характеризуется энергетическим потенциалом.

Данный параметр определяет разность между мощностью оптического излучения, отдаваемой в канал (в отдельное волокно) оптическим передатчиком, и мощностью, которая должна быть на входе оптического приемника для надежного обнаружения сигнала.

В сетях Industrial Ethernet используются следующие компоненты и кабели:

* Компоненты

OLM/ELM

Звездообразный разветвитель с интерфейсными картами

Mini OTDE

* Кабели

Волоконно-оптические кабели

Витая пара, TP корд

Триаксиальный кабель

Пример шинной топологии с использованием OLM

Электрические и оптические модули связи (ELM, OLM)



Оптические/электричесие коммутирующие мод (OSM/ESM)

Модули OLM/ELM восстанавливают (регенерируют) форму и амплитуду принятого сигнала.

Оптические/электрические коммутирующие модули OSM/ESM версии 2 являются недорогим и эффективным средством для построения коммутируемых сетей, работающих при скоростях передачи данных 100 Мбит/с.

Industrial Ethernet является основой для построения систем управления с распределенным интеллектом, поддерживающими стандарт PROFInet. Этот стандарт существенно упрощает организацию связи между Industrial Ethernet и сетями полевого уровня, объединение в одну систему продукции различных производителей, позволяет заменить трудоемкие операции программирования систем связи их графическим проектированием

PROFIBUS

Коммуникационная сеть полевого уровня и уровня отдельных производственных участков, базирующаяся на стандарте EN 50170-1-2 и использующая гибридный метод доступа к шине (маркерное кольцо между активными узлами и "ведущий - ведомый" между активными и пассивными узлами). Средой передачи может являться витая пара, волоконно-оптический кабель или беспроводная среда.

PROFIBUS-PA - это сеть PROFIBUS для приложений в автоматизации непрерывных процессов. Она объединяет коммуникационный протокол PROFIBUS-DP и технологию передачи IEC 61158-2.

Сети PROFIBUS могут быть реализованы с использованием одной из следующих сред:

Экранированная витая пара (волновое сопротивление 150 Ом)

Искробезопасная экранированная витая пара (для PROFIBUS-PA)

Волоконно-оптический кабель

Беспроводные сети (ИК-технология)

Различные коммуникационные сети могут использоваться независимо или, в случае необходимости, объединяться между собой.

В сетях PROFIBUS используются методы доступа, описываемые стандартом EN 50170, Том 2, а именно “Token Bus” (сеть с передачей маркера или маркерное кольцо) для активных станций и “Master-Slave” (Ведущий-Ведомый) - для пассивных.

Оборот маркера (логическое кольцо)

Ведомый Ведомый Ведомый Ведомый Ведомый

Ведущий = активная станция Ведомый = пассивная станция

Маркерное кольцо ¦** Ведущий-Ведомый

Рис. Принципы технологии доступа к среде передачи информации в сетях PROFIBUS

Активные и пассивные узлы

Технология доступа не зависит от конкретной среды передачи данных. На рисунке 1-1 “Принципы технологии доступа к среде передачи информации в сетях PROFIBUS” показана гибридная технология доступа с участием активных и пассивных узлов. Ниже приводятся краткие пояснения: Все активные узлы (ведущие) формируют логическое маркерное кольцо, имеющее фиксированный порядок, при этом каждый активный узел "знает" другие активные узлы и их порядок в логическом кольце (порядок не зависит от топологии расположения активных узлов на шине).

Право доступа к каналу передачи данных, так называемый “маркер”, передаётся от активного узла к активному узлу в порядке, определяемом логическим кольцом.

Если узел получил маркер (адресованный именно ему), он может передавать пакеты. Время, отпущенное ему на передачу пакетов, определяется временем удержания маркера. Как только это время истекает, узлу разрешается передать только одно сообщение высокого приоритета. Если такое сообщение у узла отсутствует, он передаёт маркер следующему узлу в логическом кольце. Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное время удержания маркера, конфигурируются для всех активных узлов.

Если активный узел обладает маркером, и если для него сконфигурированы соединения с пассивными узлами (соединения "ведущее устройство-ведомое устройство"), производится опрос пассивных узлов (например, считывание значений) или передача данных на эти устройства (например, передача уставок).

Пассивные узлы никогда не принимают маркер.

Описанная технология доступа поддерживает вход и выход узлов из логического кольца во время работы.

Встроенные оптические интерфейсы, OBT, OLM

Оптическая передача данных в сетях SIMATIC NET PROFIBUS реализуется с использованием встроенных оптических портов, оптических шинных терминалов (OBT) и модулей оптической связи (OLM). В качестве среды передачи используются двужильные волоконно-оптические кабели, выполненные из стекла, волокон с полимерной оболочкой или пластиковых волокон. Двужильные волоконно-оптические кабели содержат два проводящих оптических волокна, заключённых в общую оболочку.

Модули со встроенными оптическими портами и оптическими шинными терминалами (OBT) можно соединять между собой только для формирования оптических сетей, имеющих шинную топологию.

С помощью модулей OLM можно получать оптические сети, имеющие шинную топологию, топологию типа "звезда" и "кольцо". При использовании кольцевой топологии достигается резервирование канала передачи сигнала, и она лежит в основе построения сетей с высокой степенью надёжности.

Архитектура протоколов и профили

Из рис., представляющего архитектуру протоколов PROFIBUS, можно видеть, что в ней реализованы уровни 1,2 и 7. С точки зрения пользователя PROFIBUS подразделяется на 3 профиля протокола: DP, FMS и PA.

	PNO-профиль для DP--устройств	PNO-профиль для FMS--устройств	PNO-профиль для DP--устройств
	Основные функции Расширенные функции		Основные функции Расширенные функции
	DP User Interface Direct Data Link Mapper (DDLM)	Application Layer Interface (ALI)	DP User Interface Direct Data Link Mapper (DDLM)
Layer 7 (Application)	i 1	к	Application-Layer Fieldbus Message Specification (FMS)	i
Layer 3-6		Н Е г	И С П О Л Ь З У	Ю ТС Я 1
Layer 2 (Link)	Data Link Layer Fieldbus Data Link (FDL)	Data Link Layer Fieldbus Data Link (FDL)	IEC-Interface
Layer 1 (Phisik)	Phisical-Layer (RS485/LWL)	Phisical-Layer (RS485/LWL)	IEC 1158-2

Рис. Архитектура протоколов PROFIBUS

PPOFIBUS-DP

PROFIBUS-DP применяет уровни 1 и 2, а также пользовательский интерфейс. Уровни с 3 по 7 не используются. Благодаря такой архитектуре достигается быстрая передача данных. Direct Data Link Mapper (DDLM) организует доступ к уровню 2. В основу пользовательского интерфейса положены необходимые пользовательские функции, а также системные и аппаратно-зависимые функции различных типов PROFIBUS-DP-приборов.

Этот профиль протокола PROFIBUS оптимизирован для быстрого обмена данными специально для коммуникаций между системами автоматизации и децентрализованной периферией на полевом уровне.

PROFIBUS-FMS

В PROFIBUS-FMS применяются уровни 1,2 и 7. Пользовательский уровень состоит из FMS (Fieldbus Message Specification) и LLI (Lower Layer Interface). FMS содержит пользовательский протокол и предоставляет в распоряжение коммуникационные службы.

LLI реализует различные коммуникационные связи и создает для FMS аппаратно-независимый доступ к уровню 2. FMS применяется для обмена данными на уровне ячеек (PLC и PC).

PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA применяет расширенный PROFIBUS-DP-протокол передачи данных. Техника передачи согласно IEC 1158-2 обеспечивает надежность и питание полевых приборов через шину. Приборы PROFIBUS-PA могут благодаря применению специальных устройств (PROFIBUS-PA-Links) в простейшем случае интегрироваться в PROFIBUS-DP-сеть.

PROFIBUS-PA - специальная концепция, позволяющая подключать к общей шине датчики и приводы, находящиеся во взрывоопасной зоне.

Активные участники, подключенные к PROFIBUS, упорядочены по возрастанию их адреса в логическое маркерное кольцо (Token-Ring).