1.3. Основні поняття промислових мереж.

Промисловою мережею називають комплекс устаткування і програмного забезпечення, які забезпечують обмін інформацією (комунікацію) між декількома пристроями. Промислова мережа є основою для побудови розподілених систем збору даних і управління.

Оскільки в промисловій автоматизації мережеві інтерфейси можуть бути невід'ємною частиною пристроїв, що сполучаються, а мережеве програмне забезпечення прикладного рівня моделі OSI виконується на основному процесорі промислового контролера, то відокремити мережеву частину від пристроїв, що об'єднуються в мережу, іноді фізично неможливо. З іншого боку, зміну однієї мережі на іншу часто можна виконати за допомогою заміни мережевого ПО і мережевого адаптера або введенням перетворювача інтерфейсу, тому часто один і той же тип ПЛК може використовуватися в мережах різних типів.

З'єднання промислової мережі з її компонентами (пристроями, вузлами мережі) виконується за допомогою інтерфейсів. Мережевим інтерфейсом називають логічну і (або) фізичну межу між пристроєм і середовищем передачі інформації. Зазвичай цією межею є набір електронних компонентів і пов'язаного з ними програмного забезпечення. При істотних модифікаціях внутрішньої структури пристрою або програмного забезпечення інтерфейс залишається без змін, що є одною з ознак, що дозволяють виділити інтерфейс у складі устаткування.

Найбільш важливими параметрами інтерфейсу є пропускна спроможність і максимальна довжина кабелю, що підключається. Промислові інтерфейси зазвичай забезпечують гальванічну розв'язку між пристроями, що сполучаються. Найбільш поширені в промисловій автоматизації послідовні інтерфейси RS-485, RS-232, RS-422, Ethernet, CAN, HART, AS-інтерфейс.

Для обміну інформацією взаємодіючі пристрої повинні мати однаковий протокол обміну. У простій формі протокол — це набір правил, які управляють обміном інформацією. Він визначає синтаксис і семантику повідомлень, операції управління, синхронізацію і стани при комунікації. Протокол може бути реалізований апаратно, програмно або програмно-апаратно. Назва мережі зазвичай співпадає з назвою протоколу, що пояснюється його визначальною роллю при створення мережі.

Зазвичай мережа використовує декілька протоколів, що створюють стек протоколів — набір зв'язаних комунікаційних протоколів, які функціонують спільно і використовують деякі або всі сім рівнів моделі OSI. Для більшості мереж стек протоколів реалізований за допомогою спеціалізованих мережевих мікросхем або вбудований в універсальний мікропроцесор.

Взаємодія пристроїв в промислових мережах виконується відповідно до моделей клієнт-сервер або видавець-підписчик (виробник-споживач). У моделі клієнт-сервер взаємодіють два об'єкти. Сервером є об'єкт, який надає сервіс, тобто виконує деякі дії за запитом клієнта. Мережа може містити декілька серверів і декілька клієнтів. Кожен клієнт може посилати запити декільком серверам, а кожен сервер може відповідати на запити декількох клієнтів. Ця модель зручна для передачі даних, які з'являються періодично або в заздалегідь відомий час, як, наприклад, значення температури в періодичному технологічному процесі. Проте ця модель незручна для передачі подій, що випадково виникають, наприклад події, що полягає у випадковому спрацьовуванні датчика рівня, оскільки для отримання цієї події клієнт повинен періодично, з високою частотою, запрошувати стан датчика і аналізувати його, перенавантажуючи мережу збитковим трафіком.

У моделі взаємодії видавець-підписчик є один видавець і безліч підписчиків. Підписчики повідомляють видавцеві список тегів, значень яких вони хочуть набувати за певним розкладом або у міру появи нових даних. Кожен клієнт може підписатися на свій набір тегів. Відповідно до встановленого розкладу видавець розсилає підписчикам запитану інформацію.

У будь-якій моделі взаємодії можна виділити пристрій, який управляє іншим (підлеглим) пристроєм. Пристрій, що проявив ініціативу в обміні, називають таким, що веде, головним або майстром (Master). Пристрій, який відповідає на запити майстра, називають веденим, підлеглим або слейвом (Slave). Ведений пристрій ніколи не починає комунікацію першим. Він чекає запит від ведучого і лише відповідає на запити. Наприклад, в моделі клієнт-сервер клієнт є майстром, сервер — підлеглим. У моделі видавець-підписчик на етапі підписки майстром є клієнт, а на етапі розсилки публікацій — сервер.

У мережі може бути один або декілька мастер-пристроїв. Такі мережі називаються одномастерними або багатомастерними відповідно. У багатомастерній мережі виникає проблема вирішення конфліктів між пристроями, що намагаються одночасно дістати доступ до середовища передачі інформації. Конфлікти можуть бути розв’язані методом передачі маркера, як, наприклад, в мережі Profibus, методом побітового порівняння ідентифікатора (використовується в CAN), методом прослуховування, мережі (використовується в Ethernet) і методом запобігання колізіям (використовується в безпровідних мережах).

У всіх мережах застосовується широкомовна розсилка без певної адреси, тобто всім учасникам мережі. Такий режим використовується зазвичай для синхронізації процесів в мережі, наприклад для одночасного запуску процесу введення даних всіма пристроями введення або для синхронізації годинника.

Деякі мережі використовують багатоабонентський режим, коли одне і те ж повідомлення посилається декільком пристроям одночасно.

Передача інформації в мережі виконується через канал між передавальним і приймальним пристроєм. Канал є поняттям теорії інформації і включає лінію зв'язку і прийомопередаючі пристрої. У загальному випадку замість терміну «лінія зв'язку» використовують термін «середовище передачі», яким може виступати, наприклад, оптоволокно, ефір або вита пара проводів.

У розподілених системах на основі промислових мереж може бути п'ять типів даних: сигнали, команди, стани, події, запити.

Сигнали — це результати вимірювань, що отримуються від датчиків і вимірювальних перетворювачів. Їх «час життя» дуже короткий, тому часто потрібно отримати тільки останні дані і в максимально короткий термін.

Команди — це повідомлення, які викликають деякі дії, наприклад закриття клапана або включення ПІД-регулятора. Більшість систем повинні обробляти потоки команд, які передаються адресатові з високою надійністю і їх не можна передати повторно.

Стан показує поточний або майбутній стан системи, в який вона повинна перейти. Вимоги до часу його доставки можуть бути не такими жорсткими, як для команд; неприйнятий стан може бути відправлено повторно.

Подія наступає зазвичай при досягненні поточним параметром граничного значення. Наприклад, подією може бути вихід температури за технологічно допустиму межу. За появою події повинні слідувати у відповідь дії, тому для подій особливо важлива вимога гарантованого часу доставки.

Запит — це команда, що посилається для того, щоб отримати відповідь. Прикладом може бути запит серверу, який видає на нього відповідь.

Нижче при описі мереж використовуватиметься поняття фрейма. Під фреймом розуміють набір даних, що передаються мережею і мають чітко обумовлену структуру (формат). Терміни «кадр», «дейтаграма», «сегмент», використовувані в стандартах на різні промислові мережі, нижче будуть використані як синоніми фрейма.

Мережі можуть мати топологію зірки, кільця, шини або змішану топологію. «Зірка» в промисловій автоматизації використовується рідко. Кільце використовується в основному для передачі маркера в багатомастерних мережах. Шинна топологія є загальноприйнятою, що є однією з причин застосування терміну «промислова шина» замість «промислова мережа». До загальної шини в різних місцях може бути підключена довільна кількість пристроїв.

Основними параметрами промислових мереж є продуктивність і надійність. Продуктивність мережі характеризується часом реакції і пропускною спроможністю.

Час реакції мережі визначається як інтервал часу між запитом головного пристрою і відповіддю залежного за умови, що головний пристрій має нехтувати малою затримкою вироблення відповіді на запит.

Пропускна спроможність мережі визначає кількість інформації, що переноситься мережею в одиницю часу. Вимірюється в бітах за секунду і залежить від швидкодії мережевих приймачів і середовища передачі.

Важливою характеристикою промислових мереж є надійність доставки даних. Надійність характеризується коефіцієнтом готовності, вірогідністю доставки даних, передбаченістю часу доставки, безпекою, відмовостійкою.

Коефіцієнт готовності рівний відношенню повного часу напрацювання до суми повного часу напрацювання і часу відновлення після збою.

Вірогідність доставки даних визначається перешкодостійкістю каналу передачі і детермінованістю доступу до каналу. У безпровідних мережах вірогідність втрати пакетів при передачі набагато вища, ніж в проводних. У мережах з випадковим методом доступу до каналу існує вірогідність того, що дані ніколи не будуть доставлені абонентові.

Час доставки даних в офісних мережах Ethernet є випадковою величиною, проте в промисловому Ethernet ця проблема вирішена застосуванням комутаторів.

Безпека — це здатність мережі захистити дані, що передаються від несанкціонованого доступу.

Відмовостійкість — це здатність мережі продовжувати функціонування при відмові деяких елементів. При цьому характеристики системи можуть погіршуватись, але вона не втрачає працездатності повністю.

Останнім часом з'явився термін «якість обслуговування» (QOS — Quality of Service). QOS визначає вірогідність того, що мережа передаватиме заданий потік даних між двома вузлами відповідно до потреб прикладної програми.