5. Profibus

Для удовлетворения требования детерминированного метода доступа к среде передачи с гарантированным временем реакции при построении даже простых систем управления в PROFIBUS комбинируется два метода доступа к среде передачи. Децентрализованному методу передачи маркера (принцип Token-Passing) может быть подчинен централизованный метод "Master-Slave". Поэтому в PROFIBUS различается два класса узлов.

Активные узлы (Master) находятся в логическом кольце, в котором от узла к узлу циклически передается право доступа к шине маркером (рис. 5.1). Кроме того, каждый активный узел знает своих соседей (предшественника и последователя). Протокол поддерживает автоматическое включение и выключение активных узлов из логического кольца и обрабатывает ситуации ошибок (например: потерю маркера, ошибки передачи маркера и т.д.). Активный узел может обращаться к шине только в том случае, если у него есть маркер. Пассивные узлы не могут самостоятельно обращаться к шине, а только отвечают на запросы активных узлов, которые в данный момент обладают маркером.

Рисунок 5.1. Архитектура PROFIBUS

Рисунок 5.2. Возможная схема обмена информацией на разных уровнях

PROFIBUS-FMS. Это универсальное решение для задач взаимодействия на верхнем (цеховом) уровне и промышленном (field) уровне иерархии промышленных связей

Для выполнения экстенсивных связных задач с произвольными или периодическими среднескоростными передачами данных службы Спецификаций Сообщений Fieldbus (FMS - Fieldbus Message Specification) предлагают широкий диапазон функциональности и гибкости.

С помощью PROFIBUS обмениваться информацией могут компоненты автоматизации любых разновидностей. Через один и тот же интерфейс могут связываться друг с другом Программируемые Логические Контроллеры (PLC), Персональные Компьютеры (PC), панели оператора и наблюдения и даже датчики и силовые приводы. PROFIBUS - это наиболее признанная из открытых шин промышленного применения (Fieldbus), обладающая широким диапазоном приложений (Рис.5.2).

Открытость PROFIBUS гарантирует, что устройства, приобретенные от различных поставщиков, могут осуществлять связь друг с другом без необходимости применения интерфейсов-адаптеров.

6. CAN

CAN (Сntroller Аrea Network) — сеть промышленных контроллеров, представляющая собой последовательную магистраль, обеспечивающую увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом последовательной связи, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, осуществляющих передачу данных в реальном масштабе времени с высокой помехоустойчивостью и коррекцию ошибок.

Область применения - от высокоскоростных сетей до мультиплексной связи в электронике, машинных блоках управления, датчиках, и т.д., со скоростями передачи данных до 1 Мбод. В основе идеологии CAN лежит семиуровневая модель OSI/ISO.

Всякий раз, когда шина свободна, любой узел может начинать передавать сообщение. Если два или больше узлов начали передавать сообщения одновременно,

то конфликт доступа к шине решается поразрядным арбитражем, использующим идентификатор. Механизм арбитража гарантирует, что ни информация, ни время не будут потеряны. В CAN в качестве основного критерия для разбора коллизий, для принятия решения, кому отдать эфир, используется приоритет сообщений. Каждому типу сообщения приоритет присваивается во время проектирования системы и динамически изменяться не может. Приоритет выражается двоичным значением идентификатора: чем число меньше, тем выше приоритет. Сеть CAN способна различать сбои и отказы. Если произошел отказ, то отказавшее устройство отключается от сети.

Постоянно ведётся работа по созданию и стандартизации спецификаций протоколов верхнего уровня — HLP (Higher Level Protocol) для CAN-сетей. Как правило, большинство существующих на сегодня CAN HLP имеет сжатую трехуровневую архитектуру, включающую два базовых уровня (физический, часто дополненный более конкретными спецификациями, и канальный) CAN-протокола и прикладной. Сервисы промежуточных уровней либо отсутствуют, либо включены в него.     К настоящему времени известно уже более четырех десятков CAN HLP. Среди подобного многообразия CAN HLP наибольшее распространение, в особенности в системах промышленной автоматизации, получили четыре. Это CAL/CANopen, CAN Kingdom, Device Net и SDS (Smart Distributed System). Функционально они предлагают принципиально схожие решения, отличающиеся деталями реализации.

Принцип передачи данных в CAN часто, но не всегда, называют CSMA/BA (Collision Sense Multiple Access/Bitwise Arbitration). Из первой части названия следует, что он относится к категории CSMA (Carrier Sense, Multiple Access), где предполагается разделение доступа к носителю путем его прослушивания. Успех Ethernet сделал популярным другой вариант CSMA — с обнаружением коллизий CSMA/CD (Collision Detect). Вторую же часть названия CSMA/BA можно перевести как «побитный арбитраж»; в этом красивом способе разрешения коллизий и заключается специфика CAN.

Для разделения доступа к носителю в CAN разработан простой и вместе с тем очень надежный механизм доставки сообщений. Следует выделить несколько основополагающих идей этого механизма.

• Данные предаются квантованными сообщениями стандартного формата (телеграммами), поэтому исключаются все обычные сложности, присущие пакетной передаче с переменной длиной пакетов. Каждое сообщение включает только одно значение некоторого физического параметра, например, скорость вращения вала или температуру жидкости, назовем это типом сообщения, и идентификатор типа.

• Априорно предполагается, что количество станций и количество разных типов

сообщений относительно невелики; в конечном счете, они ограничены технологической сложностью объекта управления. При таком допущении можно построить безадресную и абсолютно децентрализованную систему, где ни один передатчик не связан в своей работе с другими.

Иными словами, имеет место, на первый взгляд, полная анархия, каждый котроллер пытается передать данные тогда, когда считает это необходимым, заботясь вовсе не о том, кто будет приемником. Его задача — передать. Поэтому все приемники вынуждены принимать все сообщения и отбирать по идентификатору только те, которые соответствуют их функциональной задаче. Скажем, система управления зажиганием принимает сообщения о скорости вращения двигателя и игнорирует данные о работе кондиционера.

Оказывается, что для реализации такой дисциплины обмена достаточно иметь всего четыре разных формата сообщений, называемых в данном случае фреймами. На сайте www.kvser.se можно обнаружить удачные метафоры того, что могли бы сказать контроллеры, обращаясь в сеть.

Data Frame - фрейм передачи данных: «Привет всем, вот данные с идентификатором Х, получите».

Remote Transmission Request Frame или просто Remote Frame - фрейм запроса данных: «Привет всем, а может ли кто-нибудь выслать данные с идентификатором Х?»

Error Frame - служебный фрейм ошибки: «Стоп, начнем все с начала».

Overload Frame - служебный фрейм перегрузки контроллера: «Я очень занят, подождите чуть-чуть».

  Начав передачу, станция не прерывает слушание эфира, в частности она отслеживает и контролирует процесс передачи текущей предаваемой телеграммы, посланной ей самой.

Многих специалистов по автоматизации широта выбора в этой области несколько смущает. Промышленных шин сейчас существует не менее десятка, и потому у пользователей невольно возникает вопрос: какая сеть лучше? когда же эта неразбериха, наконец, закончится?

На самом деле, какая-то единственная шина лучшей никогда не будет, поскольку невозможно удерживать первенство абсолютно во всех областях. Всегда будет существовать множество решений, каждое со своими достоинствами и недостатками. Однако если вам будут хорошо известны все особенности каждого из этих решений, все его "за" и "против", у вас будет возможность сделать обоснованный вывод. Иными словами, вы сможете выбрать одну или две шины, которые окажутся лучшими для вашего конкретного случая.