Средства промышленных сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Средства промышленных сетей

2. HART-протокол

3. CAN-протокол

коммуникационный сеть протокол

1. Средства промышленных сетей

В течение многих лет системы обмена данными строились по традиционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посредством которых осуществлялось подключение датчиков и исполнительных механизмов. Такая структура диктовалась высокой ценой ЭВМ и относительно низким уровнем автоматизации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных АСУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное оборудование, сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигурация, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как экономически, так и технологически.

В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (Fieldbus), состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым способом. На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных типов промышленных сетей, протоколов и интерфейсов, применяемых в системах автоматизации среди которых Modbus, PROFIBUS, Interbus, Bitbus, CAN, LON, Foundation Fieldbus, DH+, Control Net, Device Net, Ethernet и др.

Использование промышленной сети позволяет расположить узлы, в качестве которых выступают контроллеры и интеллектуальные устройства ввода-вывода, максимально приближенно к оконечным устройствам (датчикам и исполнительным механизмам), благодаря чему длина аналоговых линий сокращается до минимума. Каждый узел промышленной сети выполняет несколько функций:

- прием команд и данных от других узлов промышленной сети;

- считывание данных с подключенных датчиков;

- преобразование полученных данных в цифровую форму;

- отработка запрограммированного технологического алгоритма;

- выдача управляющих воздействий на подключенные исполнительные механизмы по команде другого узла или согласно технологическому алгоритму;

- передача накопленной информации на другие узлы сети.

АСУ ТП на базе промышленных сетей по сравнению с традиционными централизованными системами имеют несколько особенностей:

Существенная экономия кабельной продукции. Вместо километров дорогих кабелей требуется несколько сот метров дешевой витой пары. Также сокращаются расходы на вспомогательное оборудование (кабельные каналы, клеммы, шкафы).

Повышение надежности системы управления. По надежности цифровой метод передачи данных намного превосходит аналоговый.

Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантирует доставку информации благодаря специальным механизмам, встроенным в протоколы промышленных сетей (контрольные суммы, повтор передачи искаженных пакетов данных). Повышение надежности функционирования и живучести АСУ ТП на базе промышленных сетей также связано с распределением функций контроля и управления по различным узлам сети. Выход из строя одного узла не влияет либо влияет незначительно на отработку технологических алгоритмов в остальных узлах. Для критически важных технологических участков, возможно дублирование линий связи или наличие альтернативных путей передачи информации. Это позволяет сохранить работоспособность системы в случае повреждения кабельной сети.

Гибкость и модифицируемость. Добавление или удаление отдельных точек ввода-вывода и даже целых узлов требует минимального количества монтажных работ и может производиться без остановки системы автоматизации. Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения и также занимает минимальное время.

Использование принципов открытых систем, открытых технологий, что позволяет успешно интегрировать в единую систему изделия от различных производителей.

В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) в противовес закрытым сетевым системам и с целью разрешения проблемы взаимодействия открытых систем с различными видами вычислительного оборудования и разными стандартами протоколов была предложена «Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (модель ISO/OSI), которая распределяет сетевые функции по семи уровням (физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления, прикладной).

Иерархия АСУ промышленным предприятием обычно представляется в виде многоэтажной пирамиды (рис. 4), определяющей разные уровни управления:

- Уровень управления и планирования предприятием (ERP/MES);

- Уровень управления технологическими процессами (SCADA/HMI);

- Уровень управления устройствами объекта автоматизации (Control I/O).

В последнее время рассмотренная структура систем управления существенно усложняется, при этом стираются четкие грани между различными уровнями. Это связано с проникновением Internet-технологий в промышленную сферу, значительными успехами промышленного Ethernet, использованием некоторых промышленных сетей Fieldbus во взрывоопасных зонах на предприятиях химической, нефтегазовой и других отраслей промышленности с опасными условиями производства. Кроме того, появление интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов и интерфейсов для связи с ними фактически означает появление самого нижнего уровня АСУ ТП - уровня сети оконечных устройств (рис. 1).

2. HART-протокол

Обмен данными между системой управления и интеллектуальными первичными датчиками легко осуществляется с помощью стандартного коммуникационного протокола HART® (Highway Addressable Remote Transducer - Адресуемый Дистанционный Магистральный Преобразователь).

HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод.

Для передачи логической "1" HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического "0" - два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая накладывается на токовую петлю 4-20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно "0", то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА. HART-протокол построен по принципу "главный - подчиненный", то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Архитектура HART-протокола.

Обмен данными между системой управления и интеллектуальными первичными датчиками легко осуществляется с помощью стандартного коммуникационного протокола HART® (Highway Addressable Remote Transducer - Адресуемый Дистанционный Магистральный Преобразователь).

HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод.

Для передачи логической "1" HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического "0" - два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая накладывается на токовую петлю 4-20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно "0", то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА.

HART-протокол построен по принципу "главный - подчиненный", то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор).

Метод передачи данных HART-протокола

Команды протокола подразделяются на три основные группы:

Универсальные - основные команды, поддерживаемые ведомыми устройствами. Используются для считывания стандартных, общих для всех устройств параметров, таких как тип устройства, диапазон измерений, текущее значение и пр.

Стандартные - использующиеся практических во всех HART-устройствах команды. Настраивают работу устройств. Например, запись/считывание стандартных и приборных параметров.

Специфические - команды настройки специфических, индивидуальных параметров какого-либо устройства, например, калибровка ультразвукового датчика или считывание базовых данных прибора.

1. Универсальные

ў Прочитать производителя и тип устройства

ў Прочитать главную переменную (ГП), единицы измерения

ў Прочитать текущее значение и процент от диапазона

ў Прочитать до четырех предопределенных переменных

ў Прочитать/записать 8-символьный идентификатор и 16-символьное описание

ў Прочитать/записать 32-символьное сообщение

ў Прочитать диапазон значений устройства, ед. измерения и время выборки

ў Прочитать серийный номер датчика и ограничения

ў Прочитать/записать последний шифр комплекта устройств

ў Записать адрес запроса

2. Стандартные

ў Прочитать выборку из максимум четырех динамических переменных

ў Записать константу времени выборки

ў Записать диапазон значений устройства

ў Калибровать (установка нуля, диапазона)

ў Установить постоянное значение выходного тока

ў Выполнить самотестирование

ў Выполнить перезапуск

ў Установить ГП в нуль

ў Записать единицы измерения ГП

ў Установить нулевое значение ЦАП и коэф. усиления

ў Записать функцию преобразования (кв. корень и др.)

ў Записать серийный номер датчика

ў Прочитать/записать установки динамических переменных

3. Специфические команды устройств

ў Прочитать/записать уровень обрезки малых значений

ў Пуск, останов или общий сброс

ў Прочитать/записать фактор точности калибровки

ў Прочитать/записать информации о материалах и строительстве

ў Калибровать сенсор

ў Включить ПИД-регулятор

ў Установить заданное значение ПИД-регулятора

ў Характеристика вентиля

ў Заданное значение вентиля

ў Границы перемещения

ў Единицы измерения пользователя

ў Информация локального дисплея

3. CAN-протокол

Протокол CAN (Controller Area Network) был предложен компанией Bosch для создания сети контроллеров в автомобилях. В настоящее время CAN-сети активно применяются в самых разных областях (от стиральных машин до космических аппаратов). Протокол CAN определяет только первые два уровня модели ISO/OSI - физический и канальный. На основе этого протокола реализовано огромное количество полнофункциональных сетей, таких как CANOpen, DeviceNet, SDS и др. Количество узлов промышленных сетей, работающих на основе CAN, исчисляется десятками миллионов. Практически у каждого крупного производителя микроконтроллеров есть изделие с CAN-интерфейсом. Широкому распространению CAN способствуют его многочисленные достоинства, среди которых:

- Невысокая стоимость, как самой сети, так и ее разработки;

- Высокая степень надежности и живучести сети, благодаря развитым механизмам обнаружения ошибок, повтору ошибочных сообщений, самоизоляции неисправных узлов, нечувствительности к электромагнитным помехам;

- Простота конфигурирования и масштабирования сети, отсутствие теоретических ограничений на количество узлов;

- Поддержка разнотипных физических сред передачи данных, от витой пары до оптоволокна и радиоканала;

- Эффективная реализация режима реального времени.

Структура формата передачи данных.

Данные по CAN сети пересылаются в виде отдельных кадров стандартного формата. Наиболее важными полями являются поле идентификатора (identifier) и собственно данные (data).

Идентификатор служит уникальным именем для типа сообщения и определяет то, кем будет принято и как будет интерпретировано следующее за ним поле данных. Чему именно (арифметически) равно это число, в общем случае не имеет значения. Такая контекстная адресация отличается рядом достоинств для сетей небольшого масштаба. Она обеспечивает максимально возможную простоту модернизации. Поскольку децентрализованные контроллеры никак не связаны между собой логически, добавление нового элемента в систему никак не повлияет на поведение всех остальных.

Более интересным представляется использование идентификаторов в качестве основного инструмента, используемого в процедуре разрешения коллизий. В CAN в качестве основного критерия для разбора коллизий, для принятия решения, кому отдать эфир, используется приоритет сообщений. Если одновременно несколько станций начали передачу, и при этом произошла коллизия, происходит суперпозиция передаваемых идентификаторов. Идентификаторы последовательно, побитно (bitwise), начиная со старшего, налагаются друг на друга и в их "противоборстве" выигрывает тот, у кого меньше арифметическое значение идентификатора, а значит, выше приоритет. Доминантный "нуль" подавит единицы и в любом случае к концу передачи поля идентификатора оно станет равно более приоритетному значению. Таким образом, система позволяет на уровне проектирования (и определения идентификатра) для любого сообщения в системе заранее предопределить его приоритетность в обслуживании.

Приоритетность сообщения, таким образом определяется значением идентификатора. Приоритет тем больше, чем идентификатор меньше. Как правило контроллер позволяет задавать лишь эти два поля. Остальные поля используются для передачи специфических данных, необходимых для функционирования CAN.

Форматы кадра.

Данные в CAN передаются короткими сообщениями-кадрами стандартного формата. В CAN существуют четыре типа сообщений:

· Data Frame

· Remote Frame

· Error Frame

· Overload Frame

Data Frame - это наиболее часто используемый тип сообщения. Он состоит из следующих основных частей: поле арбитража (arbitration field) определяет приоритет сообщения в случае, когда два или более узлов одновременно пытаются передать данные в сеть.

Поле арбитража состоит в свою очередь из:

- для стандарта CAN-2.0A, 11-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)

- для стандарта CAN-2.0B, 29-битного идентификатора + 1 бит RTR (retransmit)

Следует еще раз отметить, что поле идентификатора, несмотря на свое название никак не идентифицирует само по себе ни узел в сети, ни содержимое поля данных.

Для Data кадра бит RTR всегда выставлен в логический ноль (доминантный сигнал). Поле данных (data field) содержит от 0 до 8 байт данных поле CRC (CRC field) содержит 15-битную контрольную сумму сообщения, которая используется для обнаружения ошибок слот подтверждения (Acknowledgement Slot) (1 бит), каждый CAN-контроллер, который правильно принял сообщение посылает бит подтверждения в сеть. Узел, который послал сообщение слушает этот бит, и в случае если подтверждение не пришло, повторяет передачу. В случае приема слота подтверждения передающий узел может быть уверен лишь в том, что хотя бы один из узлов в сети правльно принял его сообщение.

Remote Frame - это Data Frame без поля данных и с выставленным битом RTR (1 - рецессивные бит). Основное предназначение Remote кадра - это инициация одним из узлов сети передачи в сеть данных другим узлом. Такая схема позволяет уменьшить суммарный трафик сети. Однако, на практике Remote Frame сейчас используется редко (например, в DeviceNet Remote Frame вовсе не используется).

Error Frame - это сообщение которое явно нарушает формат сообщения CAN. Передача такого сообщения приводит к тому, что все узлы сети регистрируют ошибку формата CAN-кадра, и в свою очередь автоматически передают в сеть Error Frame. Результатом этого процесса является автоматическая повторная передача данных в сеть передающим узлом. Error Frame состоит из поля Error Flag, которое состоит из 6 бит одинакового значения (и таким образом Error frame нарушает проверку Bit Stuffing, см. ниже), и поля Error Delimiter, состоящее из 8 рецессивных битов. Error Delimiter дает возможность другим узлам сети обнаружив Error Frame послать в сеть свой Error Flag.

Overload Frame - повторяет структуру и логику работы Error кадра, с той разницей, что он используется перегруженным узлом, который в данный момент не может обработать поступающее сообщение, и поэтому просит при помощи Overload-кадра о повторной передаче данных. В настоящее время Overload-кадр практически не используется.

Размещено на Allbest.ru