Промышленные сети. Технология обмена информации в сетях ИАС

Промышленные сети ИАС имеют структуру, основные характеристики и принцип работы, аналогичные распространенным вычислительным сетям. К основным характеристикам вычислительных сетей относятся топологии, скорость передачи по основному кабелю, пропускная способность, протяженность, максимальное число узлов, надежность, расширяемость (наращивание сети). Основные характеристики сетей зависят от типа базовой топологии: звездообразной, кольцевой, шинной, древовидной и комбинированной [6]. Например, пропускная способность в шинной топологии падает с ростом числа узлов, а в древовидной – высокая; в сети «кольцо» – с ростом числа узлов растет среднее время передачи сообщений из-за задержки в каждом узле, а в сети «звезда» пропускная способность определяется скорость работы центрального узла – коммутатора и нагрузкой, создаваемой узлами – абонентами сети. Топология сетей ИАС строятся на различных смещенных топологиях, адекватно отражающих связей между оборудованиями и системами интегрированного производства.

Однако, оборудование и комплекс технических средств интегрированной системы имеют особенности, которые должны учитываться при разработке сетевой архитектуры:

1. Пространственное распределение оборудования и комплекса систем их автоматизации обусловливает работу последних на длинных расстояниях;

2. Системы управления и оборудование функционируют в условиях производства, где изменяются температура окружающей среды, влажность, давление, уровни электромагнитных помех и т.п. Функционирование в условиях перечисленных возмущений требует применения:

а) в сетях, кроме резервирования, специальных технологий обмена данными между устройства, подключенными к сети;

б) наличие высоконадежных механических соединительных компонентов для связи с оборудованием, контроллерами, датчиками, блоками ввода/вывода и электромеханикой систем.

3. Функционирование значительного количества контроллеров в составе ИАС осуществляется с операционными системам реального времени (ОСРВ). Следовательно, и сети, к которым подключены контроллеры с ОСРВ, должны обеспечить функции реального времени и жестокой детерминированности процессов обмена.

В связи с этими особенностями появились новые технологии вычислительных сетей – sensorbus, fieldbus, в которых определено понятие «промышленная сеть». Следующий шаг в построении промышленных сетей был сделан при использовании программируемых логических контроллеров - PLC (Programmed Logic Controller). Соединение разнородных сетей sensorbus в одну общую под управлением PLC предоставляет новые возможности по управлению процессом. Промышленная сеть (Fieldbus) определяется как коммуникационная технология построения обмена данными в cети, объединяющем котроллеры, персональные компьютеры, серверы, датчики, исполнительные механизмы, электроавтоматику оборудований, блоки ввода/вывода систем автоматизации, панели операторов, автоматизированные рабочие места.

Fieldbus технология определяет основные характеристики промышленных сетей:

· жесткая детерминированность (предсказуемость) поведения;

· обеспечение функций реального времени;

· работа на длинных линиях

· повышенная надежность физического и канального уровней передачи данных для работы в промышленной среде, например, при больших электромагнитных и других помехах;

· наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов.

·

Fieldbus технология использует принцип открытости. Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим критериям:

· наличием полных опубликованных спецификаций;

· наличием критического минимума доступных компонентов (интерфейсные кристаллы и готовые изделия) от ряда независимых поставщиков;

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

· включаемостью (interconnectivity), то есть возможностью свободного физического включения в общую сеть устройств от различных производителей;

· взаимодействием (interoperability), то есть возможностью построения работоспособной сети на основе включения компонентов от различных поставщиков;

· взаимозаменяемостью (inter-changeability) – возможностью замены компонентов аналогичными устройствами от других производителей.

Международный стандарт ISО IS-7498 описывает модель взаимодействия для обмена данными между устройствами одной или разных сетей (модель OSI (Open System Interconnection – Взаимодействие Открытых Систем, ВОС)).

Модель OSI предусматривает 7 уровней открытой сети. Для каждого уровня вводятся стандарты протокола и стандарты интерфейсов. Однако регламентированы в модели OSI только стандарты протокола. Протокол – это соглашение, касающееся управления процедурами информационного обмена между участниками взаимодействия, не обязывая использовать конкретные способы их решения, содержит только перечень задач. Каждый уровень в модели OSI выполняет определенную функцию организации связи источника и приемника через сеть.

Физический. Самый нижний уровень модели предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством.

К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие свойства среды передачи данных в сети, как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232C, RS-485, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.

Канальный. Этот уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием.

Сетевой. Предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети.

Транспортный. Предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает.

Сеансовый. Отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.

Представительский (уровень представления).Отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с уровня приложений, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Прикладной (Приложений). Обеспечивает взаимодействие сети и пользователя. Уровень разрешает приложениям пользователя иметь доступ к сетевым службам, таким как обработчик запросов к базам данных, доступ к файлам, пересылке электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления.

В таблицах 2 и 3 приведены перечни промышленных сетей и их сравнительные характеристики, а технологии сетевых протоколов рассмотрены на примерах взаимодействия элементов и устройств систем автоматизации (CAN, FIP, Profibus, ControlNet, DH+, Modbus, Genius, DirectNet, DeviceNet, Interbus, SDS, ASI, HART, FF).

Таблица 2