5.2. Сетевое взаимодействие в асутп. Промышленные сети.

Fieldbus - это основополагающий термин, определяющий некоторую цифровую сеть, призванную заменить широко использовавшуюся ранее централизованную аналоговую 4-20 мА-технологию.

Промышленная сеть — это физическая среда передачи данных и набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих связать воедино оборудование различ­ных производителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уров­ней системы управления предприятием.

Промышленные сети обеспечивают обмен между персональными компьютерами со SCADA-системами, контроллерами, датчиками и исполнительными устройствами.

Основные требования, предъявляемые к промышленной сети:

6. Предсказуемость времени доставки информации (детерменированность). Обеспечение требований реального времени.

7. Высокая производительность.

8. Аппаратная и логическая помехоустойчивость для работы в промышленной среде в условиях электромагнитных помех.

9. Доступность и простота организации физического канала передачи данных (использование недорогих физических сред – витой пары).

10. Минимальная стоимость устройств аппаратурной реализации (микросхем), особенно на уровне контроллеров и датчиков.

11. Максимально широкий сервис для приложений верхнего уровня.

12. Возможность резервирования сети и сетевых устройств.

13. Управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций.

Промышленные сети (fieldbuses) применяются на уровне устройств, обслуживающих реальный процесс производства и переработки материалов. Выход в системы представления (визуализации) данных, коммерческие и административные системы организуется, как правило, через стандартные офисные сети типа Ethernet через протокол TCP/IP.

Такая сеть является цифровой, двунаправленной, многоточечной, последовательной коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от друга (по функциям) таких устройств, как контроллеры, датчики, силовые привода и т. п. Каждое field-устройство обладает самостоятельным вычислительным ресурсом, позволяющим относить его к разряду интеллектуальных (smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно самостоятельно выполнять ряд функций по самодиагностике, контролю и обслуживанию функций двунаправленной связи. Доступ к нему возможен не только со стороны инженерной станции, но и стороны аналогичных ему устройств.

С етевая структура, представляющая в общем виде место существующих классов сетей на всех уровнях промышленного предприятия, показана на рис. 1.

Связь различных АРМ оперативного персонала между собой, с контроллерами верхнего уровня, а также с вышестоящим уровнем осуществляется посредством информационных сетей.

Устройства верхнего уровня (компьютеры, концентраторы) на своем уровне обмениваются большими объемами информации. Эта информация защищена механизмами подтверждений и повторов на уровне протоколов взаимодействия. Пересылаемый массив данных может быть доступен не только центральному устройству, но и другим узлам сети этого уровня. Это означает, что сеть является равноправной (одноранговой), т. е. определяется моделью взаимодействия peer-to-peer (равный с равным). Время доставки информации не является доминирующим требованием к этой сети (речь идет о жестком реальном времени).

Сети, обеспечивающие информационный обмен на этом уровне, называют информационными сетями. Наиболее ярким представителем сетей этого уровня является Ethernet с протоколом TCP/IP.

Универсальная промышленная сеть должна решать следующие прикладные задачи:

• автоматизация на уровне управления технологическими процессами (уровень производства) среднее время опроса датчиков до 100мс, длина линий связи до 1500м, с возможностью работы устройств во взрывоопасных средах.

• автоматизация на уровне периферийного оборудования - высокая скорость передачи, короткое время реакции на события, длина линий связи до 300 метров.

ПС можно разделить на два уровня:

- управляющие промышленные сети, решающие задачи сбора и обработки данных на уровне промышленных контроллеров, управления технологическим процессом. Являются связующим звеном между локальными контроллерами и контроллерами верхнего уровня, а часто и пультами.

- полевые сети или шины, задачи которых сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных устройств. Эти шины должны удовлетворять двум требованиям. Во-первых, необходимо передавать данные в соответствии с жестким временным регламентом. Во-вторых, объем данных должен быть минимальным, чтобы обеспечить работоспособность сети в критические по нагрузкам моменты. Сеть уровня датчиков обеспечивает непосредственный интерфейс между реальным технологическим процессом и промышленными контроллерами.

Передаваемую на нижних уровнях информацию можно разделить на два основных типа: данные о процессе и параметрические данные. Оба типа данных принципиально различны и предъявляют к коммуникационной системе разные требования.

Данные о процессе (изменение состояния кранов, переключателей, управляющих сигналов и т. п.) не являются сложными и, как правило, определяются несколькими информационными битами. Объем такой информации имеет четкую тенденцию к сокращению. Совсем недавно эти данные для одного простого устройства занимали 8-16 бит. Но уже сейчас развитие технологии привело к тому, что с простейших датчиков (дискретного типа) приходит всего 1-2 бита информации.

Данные о процессе имеют явно выраженный циклический характер. Более того, для реализации задач автоматического управления необходимо, чтобы опрос каналов и выдача команд на управление проводились через регламентируемые интервалы времени. Это так называемое требование детерминированности коммуникационной системы. Благодаря небольшому объему передаваемых данных системы промышленной связи способны действительно удовлетворять временным требованиям со стороны реальных процессов.

Параметрические данные необходимы как для отображения текущего состояния сетевых устройств (интеллектуальных), так и их перепрограммирования. В противоположность данным о процессе параметрическая информация не имеет циклического характера. Доступ к ней реализуется по запросу, в ациклическом режиме. Передача параметрических данных требует и реализует методы специальной защиты, а также механизмов подтверждений. Комплексный параметрический блок для интеллектуальных устройств занимает от нескольких десятков байт до нескольких сотен килобайт. В сравнении с быстро меняющимися данными временные требования для передачи параметров можно считать некритичными. В зависимости от типа устройств и протяженности сети требования по времени простираются от нескольких сотен миллисекунд до нескольких минут.