3. Промышленные сети

Промышленная сеть – среда передачи данных. Включает набор стандартныхпротоколовобмена данными ифизический интерфейссвязи, что позволяет связать воедино технологическое оборудование и обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы управления.

Коммуникационная технология построения единой информационной сети, объединяющей интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы, определяется одним термином fieldbus(полевая шина, или промышленная сеть).

Fieldbus– это не какой-то определенный протокол передачи данных и не тип сетевой архитектуры, этот термин не принадлежит ни одной отдельно взятой компании и обозначает скорее сферу применения, чем какую-либо конкретную сетевую технологию.

Fieldbus– это, во-первых, некий физический способ объединения устройств и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия, которые применимы для тяжелых промышленных условий.

Промышленные сети 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 Ethernetчерез протоколTCP/IP.

К сети предъявляется множество разнообразных, зачастую противоречивых, требований. Некоторые основные требования, предъявляемые к «идеальной» промышленной сети приведены ниже:

1. производительность;

2. предсказуемость времени доставки информации, т.е. жесткая детерминированность поведения;

3. помехоустойчивость, например, при больших электромагнитных помехах;

4. доступность и простота организации физического канала передачи данных;

5. работа на длинных линиях с использованием недорогих физических сред (например, витая пара);

6. максимальный сервис для приложений верхнего уровня;

7. минимальная стоимость устройств аппаратной реализации;

8. возможность получения «распределенного интеллекта»;

9. управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций;

10. повышенная надежность физического и канального уровней передачи данных при работе в промышленной среде;

11. наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов;

12. обеспечение функций реального времени.

Основное здесь – детерминированностьповедения, предполагающая, что все возможные события в сети могут быть заранее четко определены, и повышеннаянадежностьпередачи данных.

Как видно, в получившемся списке одни требования могут противоречить другим. Подобные противоречия приходится обходить постоянно и на всех уровнях проектирования, начиная с того, какой формат пакета передачи данных выбрать: тот, который позволит осуществлять расширенное управление сетью и удаленную загрузку, или тот, который обеспечит максимально быструю работу с большим числом дискретных сигналов.

Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев:

• объем передаваемых полезных данных;

• время передачи фиксированного объема данных;

• удовлетворение требованиям задач реального времени;

• максимальная длина шины;

• допустимое число узлов на шине;

• помехозащищенность;

• денежные затраты в расчете на узел.

При выборе протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности, т.к. улучшение одного параметра часто приводит к снижению качества другого.

Различают следующие типы сетей:

• локальные сети (LAN–Local Area Networks) – расположены на ограниченной территории;

• городские сети (MAN–Metropolitan Area Networks) – предназначены для обслуживания территории крупных городов. Эти сети связывают локальные сети в масштабах города и обеспечивают их выход в глобальные сети;

• глобальные сети (WAN–Wide Area Networks) – объединяют территориально удаленных пользователей на большой территории.

Промышленные сети можно отнести к типу LAN, но им присущи существенные отличия отLAN-сети, применяемой в офисных приложениях, посколькуFieldbus- это сеть для промышленного применения.

Системы, работающие по уникальным протоколам связи, получили название «закрытых систем». Уникальные системы производятся и поддерживаются одной компанией. Большинство таких систем зародилось в те времена, когда проблемы интеграции изделий от разных производителей не считались актуальными.

Успешно интегрировать в единую систему изделия от различных производителей, позволяет использование принципов открытых систем.

Открытые промышленные сети – сети, на которые распространяются международные стандарты промышленных сетей.

Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим критериям:

• наличием полных опубликованных спецификаций;

• наличием доступных компонентов от ряда независимых поставщиков;

• организацией хорошо определенного процесса ратификации возможных дополнений к стандартам и спецификациям.

То есть, каждый желающий имеет возможность использовать то, что уже наработано, или выполнять собственные разработки, в том числе и такие, которые могут использоваться другими.

Промышленные сети, в зависимости от области применения подразделяются на два уровня:

1. контроллерные сети (Field level) – промышленные сети этого уровня используются для управления процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;

2. сенсорные сети (Sensor/actuatorlevel) или сети низовой автоматики – применяются для опроса датчиков и управления работой исполнительных устройств.

Сравнение двух классов сетей в самом общем виде приведено в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Сравнительные характеристики сетей типов FieldbusиSensorbus

Типичные промышленные сети контроллерного уровня:

• PROFIBUS (Process Field Bus);

• Modbus Plus;

• ControlNet.

Типичные сети низовой автоматики:

• HART;

• Modbus;

• ASI (Actuator/Sensor Interface)

• DeviceNet.

Промышленная сеть организует физическую и логическую связь датчиков с ПЛК или промышленными компьютерами таким образом, чтобы информация с этого уровня была доступна общезаводской информационной системе. На рис.3.1 показан пример многоуровневой сети, на базе PROFIBUS.

Рис. 3.1. Структура АСУ ТП на базе PROFIBUS

Рисунок иллюстрирует две задачи, решаемые с помощью промышленных сетей:

1. автоматизация на общезаводском уровне;

2. автоматизация на уровне управления конкретными технологическими процессами.

Для решения первой задачи необходимо иметь высокую скорость передачи данных, длину линий до 300 метров, на этом уровне требований к взрыво- пожаро-защищенности обычно не предъявляется.

Вторая задача требует следующие качества: среднее время цикла опроса датчиков (до 10 мс), длина линий связи до 1,5 км и более, реализация механизмов внутренней и внешней защиты.