Промышленные сети АСУТП

1.  Развитие магистрально-модульного принципа

В проектах создания различных АСУТП  технические требования, предъявляемые к УСО (устройства связи с объектом), определяются особенностями автоматизации конкретных ТОУ (технологический обьект управления). При этом одним из главных отличий в составе  требований к автоматизации даже однотипных ТОУ – это объем автоматизируемых функций, определяющий состав и количество каналов ввода-вывода. При возрастании требований к количеству подключаемых средств измерения, сигнализации и управления проектировщик вынужден увеличивать количество МВВ (магистрали ввода-вывода) в магистральной структуре УСО. Понятно, что такое увеличение не может осуществляться до бесконечности. Поэтому для решения задач большой размерности в дополнение к магистральному ИК УСО, назовем его «контроллерным», был добавлен «сетевой» ИК-С по рис.1, в котором ПБ-С – системный программный блок, а УСО, включенные в ИК-С через БП, являются его модулями ввода-вывода.  Таким образом, на рис.1 представлена двухуровневая магистрально-модульная  структура: ИК-С / (ИК УСО1), (ИК УСО2) и т.д.

В двухуровневой структуре задача автоматизации объектов с большим количеством каналов ввода-вывода решается уже не только выбором количества МВВ в составе контроллерного ИК одного УСО, но и количеством УСО в составе сетевого  интерфейсного канала ИК-С. При этом сразу выявились достоинства двухуровневого подхода применительно к автоматизации пространственно - рассредоточенных объектов, например, в пре-делах длинного цеха, в котором общее количество каналов ввода-вывода  может быть велико, но они рассредоточены по длине ТОУ  небольшими группами в пределах потребности автоматизации технологических операций.

Разработки ИК-С оказались весьма перспективными и на их основе получило развитие новое техническое направление – Fieldbus,  «промышленная сеть», «промышленная шина». (Обозначения «сеть» и «шина» далее используются как синонимы.) [15]. Отличительной особенностью промышленной сети ИК-С от контроллерного ИК состоит в том, что в ИК-С минимизируется количество шин интерфейса до четырех, трех или двух путем перехода к последовательной передаче сигналов. Логические требования, предъявляемые к организации интерфейсного канала, при этом формируются в виде  протокола передачи сообщений, реализуемого последовательной передачей сигналов.

Понятие сети предполагает ее разветвленность и многоуровневость, направленность на решение задач любой размерности: от больших до самых маленьких. Примерами сетевых УСО с небольшим количеством функций являются модули  АDAM 4000 фирмы Advantech (рис. 2). В них реализована минимальная структура УСО: ПБ+1МВВ. ПБ непосредственно решает функции поддержки работы в составе промышленной сети и взаимодействия с МВВ. Минимальное количество функций МВВ (каналов): 1 измерения, 1 сигнализации, 1 управления. В других модулях  АDAM реализованы однородные функции. Например, - до 8 каналов ввода аналоговых сигналов, до 16 каналов ввода дискретных сигналов до 8 каналов вывода  дискретных сигналов и др.

.

 

                   Рис. 2.   Сетевое устройство ADAM-4000.

 

В многофункциональном УСО по рис.1 ПБ должны поддерживать работу в составе сети и выполнять «внутренние» функции УСО в  исполнениях:

-  чтения установленной в УСО конфигурации МВВ и взаимодействия с МВВ в объеме предусмотренных в них стандартных функций;

-  чтения установленной в УСО конфигурации МВВ, взаимодействия с МВВ в объеме стандартных функций, а также возможности программирования совместной работы МВВ для реализации алгоритмов логического управления или регулирования с использованием стандартных языков программирования.

В составе сетевого УСО в ряду с МВВ, реализующими типовые функции взаимодействия с объектом (измерение, сигнализация, управление), могут быть установлены специализированные МВВ-С, выполняющие функции управления шиной более низкого уровня, к которой подключаются устройства ввода-вывода УВВ (рис.3). 

          Принципиальных ограничений на  количество в составе одного УСО сетевых модулей ввода-вывода МВВ-С нет. Понятно, что МВВ-С могут устанавливаться в любом сетевом УСО. Кроме того, УВВ, подключенные к шине нижнего уровня,  могут быть также, как и УСО, выполнены по магистрально-модульному принципу и, следовательно, в их составе могут быть свои МВВ-С. Таким образом,  магистрально-модульный принцип построения УСО обеспечивает самые широкие возможности в реализации  многоуровневых  разветвленных промышленных сетей.

 

2. Организация взаимодействия в промышленной сети

 

Одним из принципиальных вопросов создания промышленных сетей является организация упорядоченного доступа сетевых устройств к физическому каналу  связи с целью передачи информации на верхний иерархический уровень сети или получения от верхнего уровня  информации или команд формирования управляющих воздействий.

Выделяются два принципиально различных метода организации функционирования промышленной шины:

  – централизованный (детерминированный),

  – децентрализованный (с коллизиями).

1) Централизованный доступ в сети реализуется по рис.10.4, на ко-тором  представлены ведущее устройство или master (MS) и сетевые устройства, определяются как ведомые (slave, SL). Поэтому этот метод досту-па в сеть определяется также как метод «ведущего – ведомых» или «master -  slaves».

 

                              Рис. 4   Централизованный метод управления шиной

 

В этом методе время доступа в сеть каждого SLi определяется MS в процессе циклических опросов. Период, состав и последовательность циклоопросов может задавать программой MS и конкретизироваться в каждом цикле. При отказе  MS  циклы обмена по шине останавливаются.

Достоинством централизованного метода является детерминированность работы шины. Недостаток – это продолжение достоинства: если одному из SLi срочно потребуется передать аварийное сообщение, то это ста-нет возможным только тогда, когда до этого SLi  дойдет очередь в процессе циклоопроса выполняемого MS. Таким образом, период циклоопроса определяет в сети максимальное время задержки аварийного сообщения.

Решение некоторых задач управления ТОУ может потребовать взаимодействия различных SLi. При централизованном доступе такие взаимодействия  могут осуществляться только через MS и по алгоритмам, отрабатываемым в MS. Эффективность совместной работы нескольких сетевых SL при решении общей задачи будет определяться периодом циклоопроса:   допустимым временным интервалом от чтения данных из одного SL до формирования вычисленного управляющего воздействия на объект через другой SL и получения информации об отработке управляющего воздействия, например, -  через третий SL.

Таким образом, промышленная сеть с централизованным доступом работает тем эффективнее, чем меньше период циклоопросов.

Далее будет рассмотрена промышленная шина Modbus, работающая по методу «ведущий – ведомые».

2) Централизованный метод c передачей маркера (рис.5, на примере промышленной шины Profibus) является развитием рассмотренного выше централизованного метода.

Отличительная особенность этого метода состоит в том, что на шине действуют несколько устройств - активных станций, между которыми во времени распределяются функции MS: на рис.5 - это программно-логические контроллеры PLC (УСО) и персональный компьютер РС АРМ оператора или АРМ диспетчера. Ведомыми устройствами SLi являются различные датчики и привода.

 

 

                        Рис. 5.  Маркерный метод управления шиной

 

Активная станция, которая получает на время управление шиной, становится MS и осуществляет программу взаимодействия с требуемыми SL. На следующем интервале времени управление шиной передается другому активному устройству, которое осуществляет взаимодействие с теми SL, которые необходимы для реализации определенного алгоритма взаимодействия с объектом. По окончанию временного интервала функции MS будут переданы следующей активной станции. Количество активных станций, задействованных в передаче функций MS,ограничивается только допустимым временным интервалом, в течение которого конкретная активная станция может «потерять» связь с  SL.

Передача функций MS осуществляется последовательной передачей маркера от одной активной станции к другой, по «логическому маркерному кольцу» (см. рис.5).

3) Децентрализованный доступ противоположен централизованному: все сетевые устройства наделяются равными правами доступа к промышленной сети. Безусловное достоинство метода состоит в том, что в этом случае время от факта события (например, - возникновения аварийной ситуации) до его передачи в сеть – минимально. Недостаток – необходимо решать проблему состязаний, которые могут возникнуть  в сети при одновременной активизации двух или более сетевых устройств.

Наиболее интересное решение децентрализованного метода управления работой сети рассмотрим далее на примере шины CAN.

4) Централизованно-децентрализованный метод предполагает, что основным является централизованный метод с достаточно большим периодом циклического опроса, а в перерыве между опросами управление доступом к шине осуществляется  на основе децентрализованного метода. В этом случае MS выполняет циклоопрос с определенным периодом и на время выполнения циклоопроса активность всех остальных сетевых устройств запрещается. Взаимодействуя с сетевыми устройствами, MS может осуществлять  как сбор информации, так и программную настройку сетевых устройств на дальнейшую работу.

3.   Закрытые и открытые промышленные сети

 

Промышленную сеть называют однородной, если она объединяет устройства от одного производителя. Если такая сеть не предусматривает «раскрытия» протокола для решения задач подключения других стандартных или разрабатываемых специализированных устройств, то она определяется как закрытая сеть, а система, созданная на ее основе, определяется как закрытая система. Закрытые системы создаются в интересах фирм, которые выпускают функционально полную номенклатуру средств для решения задач автоматизации в какой-то области  и не заинтересованы в том,  чтобы в эту сеть включалось инородное оборудование.

По мере накопления опыта создания АСУТП с пространственно-распределенными ТОУ проектировщики выявляли «сильные» и «слабые» стороны сетевого оборудования различных производителей. Естественно, появлялось желание интегрировать в состав системы только то оборудование, которое наилучшим образом зарекомендовало себя в условиях конкретного применения. Первые же попытки создания систем с использованием оборудования различных производителей выявили много проблем совместимости: как в части организации канала связи, так и в части сетевых протоколов, определяющих взаимодействие различных устройств. По этой причине инженерное сообщество определило актуальным развитие  нового направления, в рамках которого должны быть унифицированы требования, как к организации каналов связи, так  и к протоколам взаимодействия  устройств различных производителей – направление на создание "открытых систем", основа которого -  создание «открытых сетей».

Только с использованием принципов открытых сетей интеграция изделий от разных производителей в составе одной системы стала реальностью. Проектировщики получили возможность создания систем из оборудования, обеспечивающего наибольшую эффективность при решении всего комплекса задач автоматизации с учетом оценки затрат на создание системы, затрат на эксплуатацию системы, срока  жизни системы с учетом перспективы «морального старения», способность к развитию, т. е. то,  что сегодня  понимается под  термином  «интегральной стоимостью владения».

   В 1978 г. Международной организацией по стандартизации (ISO) в противовес закрытым системам и с целью разрешения проблемы взаимодействия открытых систем с различными видами вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была предложена "Описательная модель взаимосвязи открытых систем" (OSI-модель, ISO/ OSI Model). Данная модель определяет семь уровней OSI-сервиса, предоставляемого промышленной сетью (табл. 1).Использование этой модели призвано разграничить и формализовать функции, выполняемые различными уровнями аппаратного и программного обеспечения сетевой структуры. На практике большинство промышленных сетей ограничивается описанием только трех уровней данной модели: физическим (1), канальным (2)  и прикладным (7).  Такую модель называют  упрощенной.

                                                                                        Таблица  1.

Уровень OSI-модели	Функция
7.Прикладной	Обеспечивает связь программ пользователя с объектами сети. Это набор интерфейсов, доступных программе пользователя.
6.Представления      данных	Определяет синтаксис данных, управляет их отображением на виртуальном терминале.
5. Сеансовый	Управляет ведением диалога между объектами сети.
4.Транспортный	Обеспечивает прозрачность передачи данных между абонентами сети.
3. Сетевой	Определяет маршрутизацию в сети и связь между различными сетями
2. Канальный	Формирует основную единицу передаваемых данных — пакет, отвечает за дисциплину доступа устройства к каналу связи, осу-ществляет синхронизацию,  передачу данных по каналу, контроль ошибок.
1. Физический	Установление и поддержка физического соединения. Определяет  механические, функциональные и электрические  характеристики  для установления, поддержания и размыкания  физического соединения. Определяет параметры сигналов.