2.2) Детерминированный

Среди детерминированных методов преобладают маркерные методы до­ступа. Маркерный метод – это метод доступа к среде передачи данных в ЛВС, основанный на передаче полномочий передающей станции с помощью специ­ального информационного объекта, называемого маркером. Под полномочием понимается право инициировать определенные действия, динамически предо­ставляемые объекту, например станции данных в информационной сети.

Модель с передачей маркера (Token Passing Model, стандарт IEEE 802.4). Право на доступ к шине передается в цикле от устройства к устройству. Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на стадии планирования системы. Этот метод предлагает каждому участнику сети "справедливое" разделе­ние шинных ресурсов в соответствии с их запросами. Принцип передачи маркера используется в системах, где реакция на события, возникающие в распределенной системе, должна проявляться за определенное время.

5.2.5. Характеристика некоторых промышленных сетевых протоколов.

На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов промышленных сетей (управляющие и полевые) довольно широк: CAN, FIP, Profibus, ControlNet, DH+, Modbus, Modbus plus, Genius, DirectNet, DeviceNet, Interbus, SDS, ASI, HART, FF и еще несколько десятков протоколов. Каждая из сетей имеет свои особенности и области применения.

Большие усилия направлены сегодня на разработку аппаратно-программных шлюзов (мостов) из одного протокола в другой. И эти решения составляют отдельный сегмент продуктов в области fieldbus-систем. Почти не проблема найти межпротокольный шлюз, например: ASi-Profibus (Siemens), Interbus-S Profibus (Foenix Contact), Ethernet-MIL1553-CAN-Profibus-LON (PEP Modular Computers) и т.д.

5.2.5.1. HART

Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer), разработан фирмой Rosemount Inc. в середине 80-х годов.

На физическом уровне реализует стандарт BELL 202 FSK, основанный на технологии 4 – 20 мА.

Стандарт BELL 202 FSK - это кодировка сигнала методом частотного сдвига для обмена данными на скорости 1200 Бод. Сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4-20 мА. Поскольку среднее значение FSK сигнала равно 0, то он не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА.

Эти синусоидальные модуляции небольшой амплитуды накладываются на сигнал постоянного тока.

Среднее значение синусоидального сигнала равно нулю. Поэтому к существующему сигналу 4-20 мА никакая компонента по постоянному току не добавляется, несмотря на прохождение цифровых данных. Следовательно, существующие аналоговые приборы продолжают работать как обычно - обычно имеющаяся низкочастотная фильтрация эффективно отфильтровывает цифровую компоненту. (Однополюсный низкочастотный фильтр 10 Гц уменьшает амплитуду этой составляющей примерно до ±0.01% от полной шкалы аналогового сигнала).

Схема взаимоотношений между узлами сети основана на принципе Master/Slave. В HART-сети может присутствовать до 2 Master-узлов (обычно один). Второй Master, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и используется для организации связи с какой-либо системой контроля/отображения данных.

Стандартная топология – «звезда», но возможна и шинная организация. Для передачи данных по сети используются два режима:

• асинхронный: по схеме «Master-запрос/ Slave-ответ» (один цикл укладывается в 500 мс);

• синхронный: пассивные узлы непрерывно предают свои данные мастер-узлу (время обновления данных в мастер-узле - 250 - 300 мс).

Режимы работы сети не зависят от используемой топологии. Но при радиальной топологии существует возможность передавать цифровой и аналоговый сигнал с одного датчика. При шинной организации значение выходного тока фиксируется, и возможность передачи аналогового сигнала теряется.

Основные параметры HART-протокола:

• физический канал - экранированная витая пара.

• длина полевой шины - 1.5 км (зависит от типа кабеля и количества подключенных устройств).

• скорость передачи данных - 1.2 Кб/сек.

• число приборов на одной шине - до 15.

HART-протокол позволяет:

• проводить удаленную настройку датчиков на требуемый диапазон измерения через полевую шину;

• не подводить к датчикам отдельные линии электропитания и не иметь в них блоков питания (электропитание реализуется от блоков питания контроллеров через полевую шину);

• увеличить информационный поток между контроллером и приборами, при наличии самодиагностики в приборах передавать сообщения о неисправностях по полевой шине, а далее - оператору.

На канальном уровне каждое сообщение содержит следующие поля

PA — преамбула; SD — признак старта; AD — адрес портативного HART-терминала; CD — НАRT-команда; ST — статус полевого устройства; BC — длина поля статуса и данных; DT — поле данных; СНК — контрольная сумма.

Структура сообщения: a) запрос от ведущего устройства; б) ответ от ведомого устройства; в) формат байта

Прикладной уровень реализуется расширяемым набором команд HART-протокола, который условно можно разделить на три группы:

• Универсальные команды (обязательные, поддерживаются всеми устройствами). Это команды общего назначения: код производителя, модель, се­рийный номер, краткое описание устройства, первичный параметр (РУ) и единицы измерения, значение токового выхода и процент диапазона, диапазон датчика набор четырех предопределенных динамических переменных.

• Типовые команды (необязательные): калибровка, фиксация значения тока на выходном канале, самодиагностика, сброс, задание функции преобразования (квадратичная / линейная) и т.д.

• Специфические команды (зависящие от устройства): старт/стоп, специальные функции калибров­ки и т.д.

Специфические команды описываются с помощью специального языка описания устройства DDL. Производители полевых устройств (датчиков и ИМ) используют DDL для создания файла программного обеспечения со всеми уникальными командами устройства, таким образом, DDL совместимая система может полностью использовать все возможности устройства, включая поддержку специальных команд.

За одну посылку один узел другому может передать до 4 технологиче­ских переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние.

В США HART-сообщения можно свободно передавать по телефонным линиям. В Европе это не разрешено — для этих целей необходимо иметь выделенный те­лефонный канал. На сегодня установлено около 600 тысяч HART-узлов. Наличие международной организации "HART Communication Foundation" позволяет актив­но продвигать эту промышленную сеть в среде пользователей.

5.2.5.2. MODBUS

Этот протокол разработан фирмой Modicon (в настоящее время входит в группу Schneider Electrics) для сбора данных контроллерами Modicon. Спе­циальный физический интерфейс для него не определен. Эта возможность предо­ставлена самому пользователю: RS-232, RS-422, RS-485 или же токовая петля 4-20 мА. Однако чаще других используется интерфейс RS-232 и RS-485.

Протокол работает по принципу Master/Slave (ведущий-ведомый).

Конфигурация на основе того протокола предполагает наличие одного MASTER-yзла и до 247 SLAVE-узлов. Только MASTER инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов:

• запрос/ответ (адресуется только один из SLAVE-узлов):

• широковещательная передача (MASTER через выставление адреса 0 обращается ко всем остальным узлам сети одновременно без подтверждения).

Набор команд протокола описывает функции:

01 Чтение статуса выходов

Читает статуса ON/OFF дискретных выходов в подчиненном.

02 Read Input Status

Чтение ON/OFF состояния дискретных входов (ссылка 1Х) в пдчиненном.

03 Read Holding Registers

Чтение двоичного содержания регистров (ссылка 4Х) в подчиненном.

04 Read Input Registers

Чтение двоичного содержания входных регистров (ссылка 3Х) в подчиненном.

05 Force Single Coil

Установка единичного выхода (ссылка 1Х) в ON или OFF. При широковещательной передаче функция устанавливает все выходы с данным адресом во всех подчиненных контроллерах.

06 Preset Single Register

Записывает величину в единичный регистр (ссылка 4Х). При щироковезательной передаче на всех подчиненных устройствах устанавливается один и тот же регистр.

16 (10 Hex) Preset Multiple Regs

Запись данных в последовательность регистров (ссылка 4Х). При широковещательной передаче, функция устанавливает подобные регистры во всех подчиненных устройствах.

Цикл запрос - ответ.

Запрос от главного	Ответ подчиненного
Адрес устройства	Адрес устройства
Код функции	Код функции
8 – битные байты данных	8 – битные байты данных
Контрольная сумма	Контрольная сумма

Запрос: Код функции в запросе говорит подчиненному устройству, какое действие необходимо провести. Байты данных содержат информацию необходимую для выполнения запрошенной функции. Например, код функции 3 подразумевает запрос на чтение содержимого регистров подчиненного (в запросе данные – номера регистров, в ответе – содержимое регистров).

Ответ: Если подчиненный дает нормальный ответ, код функции в ответе повторяет код функции в запросе. В байтах данных содержится затребованная информация. Если имеет место ошибка, то код функции модифицируется, и в байтах данных передается причина ошибки.

Контролем четности защищается каждый байт передаваемых данных. Все сообщение защищено контрольной суммой.

5.2.5.3. ASI

Actuators Sensors Interface (ASI) — интерфейс исполнитель­ных устройств и датчиков.

Впервые ASI-протокол вышел на рынок в конце 1989 г. и сегодня поддержан рядом известных фирм: IBM, Siemens, Pepperl+Fuchs, Allen-Bradley, Limberg. Су­ществует и одноименная ассоциация по поддержке этой сети — ASI.

Каждый узел ASI-сети дол­жен иметь специальную интер­фейсную микросхему с поддерж­кой ASI-протокола. ASI-интерфейс позволяет передавать как данные, так и питающую на­грузку к узлам сети по одной паре проводов.

П

ромышленная сеть на базе AS-интерфейса характеризуется следующими параметрами:

■ топология - произвольная ("шина", "звезда", "де­рево", "кольцо");

■ число ведущих устройств (master) - 1;

■ число ведомых устройств (slave) - до 31;

■ максимальное количество точек ввода-вывода, подключенных к ведомым устройствам и обслу­живаемых одним master-устройством, - 124 входа плюс 124 выхода;

■ метод доступа - последовательный опрос;

■ установка адресов устройств - автоматическая или ручным сервисным прибором;

■ кабель - неэкранированный двухпроводной или специальный плоский;

■ максимальная суммарная протяженность линий связи сегмента сети, обслуживаемого одним веду­щим устройством - 100 м (с использованием пов­торителей – 300 м);

■ длительность цикла опроса ведомых устройств - не более 5 мс;

■ электропитание напряжением 30 V постоянно­го тока.

Физический уровень.

В качестве среды передачи данных используется 2-проводной канал с помощью специального ASI-кабеля специальной формы, в котором оба проводника упакованы в специальную мягкую резиновую оболочку, которая делает этот кабель гибким и устойчивым к многократным изгибам.

Для кодирования данных используется известный Манчестерский код, в которое "0" и "1" кодируются по восходящему и нисходящему фронту сигнала. Такой тип кодирования снижает влияние на ASI-кабель внешних возмущений.

Скорость передачи ограничена до 167 кбит/сек.

Канальный уровень.

Адрес каждого сетевого устройства записывается в его постоянной памяти.

Максимальный объем данных с одного ASI-узла – 4 бита. Передача аналоговых сигналов (12-16 бит) может осуществляться за несколько циклов опроса сети.

5.2.5.4. PROFIBUS.

В 1987 г. Германское федеральное министерство по исследованиям и технологии инициировало проект под названием "FieldBus". Была разработана спецификация открытой промышленной сети, получившей название PROFIBUS (PROcess FIeld BUS),

PROFIBUS покрывает свыше 40% рынка открытых промышленных сетей в Германии и Европе. PROFIBUS рассматривается как кандидат на обретение статуса международного стандарта IEC (МЭК).

При построении многоуровневых систем автоматизации, как правило, стоят задачи организации информационного обмена между уровнями. В одном случае необходим обмен комплексными сообщениями на средних скоростях. В другом - быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена (уровень датчиков). В третьем требуется работа в опасных участках производства (переработка газа, химическое производство).

Под общим понятием PROFIBUS понимается совокупность 3-х протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA. Все три варианта протокола используют общий канальный уровень (уровень 2 OSI-модели).

Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Здесь требуется высокая степень функциональности, и этот критерий важнее критерия скорости. Основное его назначение - передача больших объемов данных. FMS-протокол допускает гибридную архитектуру взаимодействия узлов, основанную на таких понятиях, как виртуальное устройство сети, объектный словарь устройства (переменная, массив, запись, область памяти, событие и др.), логическая адресация и т.д.

В задачах управления, требующих реального времени, на первое место выдвигается такой параметр, как продолжительность цикла шины. Реализация протокола PROFIBUS-DP дает увеличение производительности шины (например, для передачи 512 бит данных, распределенных по 32 станциям, требуется всего 6 мс).

Протокол PROFIBUS-DP был спроектирован для организации быстрого канала связи с датчиковым уровнем. В основе алгоритма работы лежит модель циклического опроса каналов. Кроме этого, существует набор ациклических функций для конфигурирования, диагностики и поддержки сигналов. В DP-протоколе существуют три типа устройств:

1) мастер Класса-2 (DPM2): может выполнять функции конфигурирования и диагностики устройств сети;

2) мастер Класса-1 (DPM1): это программируемые контроллеры (PLC, PC), в оперативном режиме выполняющие функции ведущего узла в сети;

3) ведомые устройства (DP Slave): это пассивные устройства с аналоговым/дискретным вводом/выводом.

DP-протокол позволяет организовать мономастерную (один DPM1 и до 126 DP-Slaves) и многомастерную конфигурацию (несколько DPM1 и DP-Slaves).

Передача данных	Цифровая, NRZ-кодирование, полудуплексный, асинхронный
Сетевая топология	Линия, "дерево"
Среда передачи	Экранированная витая пара
Число узлов	32 узла на сегмент без повторителей (всего до 127)
Рабочие скорости передачи (kbit/sec) (расстояние, м)	Э.6, 19.2, 93.75 (1200); 187.5 (1000); 500 (400); 1500 (200); 12000 (100)
Доступ к шине	Эстафетное маркерное кольцо с режимом доступа ведущий/ведомый (Master/Slave)
Форматы телеграмм	Телеграммы с фиксированной и переменной длиной информационного поля (макс 255 байт, в том числе до 246 байт данных)

Табл. 1. Основные характеристики RS485 технологии

Протокол PROFIBUS-PA - это расширение DP-протокола в части технологии передачи, основанной не на RS-485, а на реализации стандарта IEC1158-2 для организации передачи во взрывоопасных средах. Он может использоваться в качестве замены старой аналоговой технологии 4-20 мА. Для коммутации устройств нужна всего одна витая пара, которая может одновременно использоваться и для информационного обмена, и для подвода питания к устройствам полевого уровня.

Технология передачи в соответствии со стандартом IEC1158-2 используется, прежде всего, в химической и нефтехимической индустрии и обеспечивает использование устройств во взрывоопасных средах с возможностью запитки этих устройств непосредственно по коммуникационной шине. Эта технология имеет еще название H1 и используется в PROFIBUS-PA (Process Automation). Посылаемые по шине сигналы модулируются током +/-9mA от базового тока в 10mA. В таблице 2 приведены основные характеристики H1-технологии.

Передача данных	Цифровая, бит-синхронизация, Манчестер-код
Сетевая топология	Линия, "дерево".
Среда передачи	Экранированная/неэкранированная витая пара
Скорость передачи (kbit/sec)	31.25 (вольтовый режим)
Длина линии (км)/число станций/число повторителей	1.9/32/0; 3.8/62/1; 5.7/92/2; 7.6/122/3; 9.5/127/4;
Питание	Через шину (опционально)

Табл. 2. Основные характеристики IEC1158-2 технологии

Помимо перечисленных H2 и H1 технологий передачи существует возможность использования оптического кабеля в качестве физической среды. Эта технология находит применение в задачах, где присутствует сильное электромагнитное влияние или есть необходимость в высокой скорости передачи на большие расстояния по сравнению с RS485.

На одном физическом канале (RS485 или оптоволоконном) одновременно могут работать устройства PROFIBUS всех трех типов. Рабочая скорость передачи может быть выбрана в диапазоне 9,6-12000 кбит/сек.

Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели. В PROFIBUS используется гибридный метод доступа Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть Master-узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания. В среде Master-узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/записи на шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя. Рабочая скорость передачи может быть выбрана в диапазоне 9,6-12 000 Кбит/с.

PROFIBUS - это маркерная шина, в которой все циклы строго регламентированы по времени и организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии в сети. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя.

Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели (физический уро­вень, уровень передачи данных и прикладной уровень). В PROFIBUS использует­ся гибридный метод доступа в структуре MASTER/SLAVE и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 мо­гут быть MASTER-узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания ("broadcast"). Общая схема PROFIBUS-сети представлена на рис. 4.22.

В среде MASTER-узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/записи на шине. Все цик­лы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров определяется пользователем.

При передаче данных обнаружение и исправление ошибок ведется на основе хеммингова расстояния 4, то есть в любой посылке данных 3 ошибочных бита будет обнаружено, а один бит может быть восстановлен.

Длительность цикла опроса зависит от числа узлов в сети и для скорости обмена 1,5 Мбит/с и числа станций 32 составляет не более 6 мс.

На уровне приложений протоколом определены следующие команды:

— SDN (послать данные без подтверждения);

— SDA (послать данные с подтверждением);

— SRD (послать и запросить данные);

Также реализована циклическая команда:

— CSRD (циклическая посылка и запрос данных).

Равноправным участником сети в распределенной конфигурации может быть обычный PC-совместимый компьютер. Для этого различными фирмами разработаны коммуникационные контроллеры. Наиболее популярны среди них контроллеры компании Siemens:

1) многофункциональный контроллер CP5412(A2). Шина ISA. Построен на основе V53A процессоре и интерфейсном кристалле ASPC2. Основной процессор PC полностью освобожден от коммуникационных функций.

2) группа контроллеров на основе ASIC ASPC2: CP5411 (ISA), CP5611 (PCI), CP5511 (PCMCIA). Эти контроллеры не имеют выделенного CPU, следовательно часть коммуникационных функций возлагается на основной процессор PC.

На основе этих коммуникационных контроллеров разработан целый спектр основе этих коммуникационных контроллеров разработан целый спектр программных продуктов для работы с PROFIBUS из MS-DOS и Windows: шинные мониторы, конфигураторы сети, DDE-серверы для связи с Windows-приложениями (базы данных, SCADA системы).