10. Назначение и особенности полевых шин. Требования к полевым шинам.

Промышленные сети или полевая шина – коммуникационная технология построения единой информационной сети, которая объединяет интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы. Международное обозначение – FieldBus.

Промышленные сети FieldBus определяют:

1. Физический способ объединения устройств.

2. Программно-логический протокол взаимодействия устройств.

FieldBus – цифровая промышленная сеть (ЦПС), которая предназначена для замены централизованной аналоговой сети на базе токовой петли 4-20мА. 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 устройство должно быть интеллектуальным и содержать самостоятельный вычислительный ресурс. Каждое устройство способно самостоятельно выполнять ряд функций по самодиагностике, контролю и приемопередаче двунаправленной сети связи. Доступ в таких сетях возможен не только со стороны интеллектуальных устройств, но и со стороны аналоговых устройств.

Требования к FieldBus:

1. Жесткая детерминированность (предсказуемость) поведения.

2. Обеспечение функций реального времени.

3. Повышенная надежность физического и канального уровней в передаче данных для работы в промышленной среде.

4. Работа на длинных линиях с использованием недорогих физических сред (например, витая пара).

5. Защита от электромагнитных наводок.

6. Наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов.

11. Режимы обмена и разновидности полевых шин. Выбор варианта полевых шин.

Существуют три основных режима обмена данными:

1. Режим «Ведущий-ведомый». В этом простейшем режиме один из узлов ЦПС является ведущим устройством (Мaster), которое последовательно опрашивает подчиненные узлы – ведомые устройства (Slaves). Каждому ведущему устройству отводится строго определенное время для обмена данными с ведомыми устройствами. Благодаря этому время цикла шины четко предсказуемо и, таким образом, носит характер системы реального времени. Если на шину подключены несколько ведущих, то право доступа к шине регулируется путем обмена маркером. Лишь ведущее устройство, получившее маркер, имеет право доступа к шине. (ProfiBus)

2. Узел-клиент запрашивает данные, а узел-сервер их предоставляет. (Foundation Fieldbus)

3. Режим «Подписка». В этом режиме узел, нуждающийся в регулярном поступлении какой-либо информации, подписывается на ее получение от другого узла, после чего получает регулярные рассылки данных без дополнительных запросов. (Foundation Fieldbus)

Разновидности полевых шин.

Шина ASI

Основные особенности и характеристики шины ASI:

• Максимальное число узлов: 31 подчиненный, 1 главный.

• Длина соединения: 100 метров; с ретрансляторами до 300 метров.

• Скорость передачи: 167 Кбит/с.

• Размер сообщений: 8 бит (4 вход., 4 исх. на сообщение для одного узла.

Достоинства: чрезвычайная простота, дешевизна, распространенность, высокое быстродействие, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Превосходное средство для объединения устройств цифрового ввода/вывода. Сеть ASI детерминированная.

Недостатки: плохо подходит для объединения устройств аналогового ввода/вывода; ограниченные размеры сети.

Шина LON (LONTalk)

LON протокол разработан для построения интеллектуальных систем жизнеобеспечения зданий.

Сеть может состоять из сегментов с различными физическими средами передачи.

Узел, желающий передавать, всегда получает доступ к каналу со случайной задержкой из некоторого диапазона. Данные могут передаваться одновременно по различным физическим каналам. Maксимальная размерность: 32000 узлов.

Шина WorldFIP

Протокол WorldFIP удовлетворяет требованиям реального времени. Для передачи данных использует режим широкого вещания (broadcast). Использование режима широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса.

Открытая промышленная сеть Profibus

Характеристики:

• Длина соединения: от 100 м до 24 км.

• Скорость передачи: от 9600 бит/с до 12 Мбит/с.

• Размер сообщения: до 244 байт на сообщение для одного узла.

Достоинства: Profibus - самый распространенный в мире сетевой стандарт.

Недостатки: относительно высокие накладные расходы при передаче коротких сообщений, отсутствие подачи питания по шине, несколько более высокая по сравнению с другими шинами стоимость.

Profibus – в ней все циклы строго регламентированы во времени, жёсткая детерминированность.

Profibus – понимается совокупность 3 отдельных протоколов. Все используют общий канальный уровень, для обеспечения совместимости.

Profibus “DP”- для организации быстрого канала связи датчиков и ИМ. В основе работы лежит модель циклического опроса канала.

Profibus “FMS” − предназначен для работы на цеховом уровне (АСУТП верхнего уровня). Позволяет строить сложную гибридную структуру, сеть с использованием виртуальности.

Profibus “РА” является дополнением к “DP” и предназначена для передачи во взрывоопастных средах.

Допускается совместное использование FMS и DP в рамках одной и той же сети (режим "COMBI"). В таком режиме, как правило, функционируют системы, в составе которых наряду с программируемыми контроллерами есть персональные компьютеры.

Выбор варианта полевых шин.

Выбор варианта шины зависит от каждого конкретного случая применения. При выборе могут служить следующие критерии:

1. Соответствие принципам открытых систем – стандартизация и доступность.

2. Количественные параметры:

• максимальный объем передаваемых данных;

• максимальная длина шины;

• допустимое число узлов на шине;

• помехозащищенность;

• надежность передачи данных;

• и другие.

3. Критерии стоимости, т.е. затраты в расчете на один узел.

4. Эффективность решения прикладной задачи.

5. Доступность и популярность стандарта.

6. Простота конфигурирования.

7. Простота написания прикладных программ обмена данными.

На практике улучшение одного из параметров может привести к ухудшению другого, поэтому при выборе протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности.