Совместимая технология Fieldbus и ее преимущества

 

Совместимая технология Fieldbus (полевая шина) включает три основных компонента:

1) физический интерфейс;

2) коммуникационный «стек»;

3) уровень пользователя.

Применение технологии Fieldbus дает значительные преимущества на всех стадиях жизненного цикла системы, включая планирование, установку, функционирование и техническое обслуживание. Эти преимущества подтверждены при натурных испытаниях автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Концепция интеллектуализации устройств полевого уровня является закономерным результатом исторического развития основных тенденций АСУ ТП.

1. В течение длительного начального периода (70-80 гг.) развития АСУ ТП единственно возможным был централизованный принцип построения (рис. 1).

 

Рис. 1. Централизованный принцип построения АСУ ТП

 

Основными недостатками этой концепции являются следующие:

– огромные объёмы потоков информации, отсюда – требование высокой производительности центральной вычислительной машины;

– для территориально распределённых типов АСУ ТП, большая длина коммуникационных магистралей;

– низкая надёжность АСУ ТП, определяющаяся надёжностью единственной централизованной ЭЦВМ;

– информационный режим работы АСУ ТП, поскольку ЭЦВМ не в состоянии выполнять ещё и управляющие функции вследствие большой протяжённости коммуникационных магистралей. Для выполнения задач управления используются отдельные локальные регуляторы, часто - аналоговые.

2. На втором этапе развития основой АСУ ТП служили распределенные вычислительные системы с использованием локальных вычислительных сетей (рис. 2).

 

Рис. 2. АСУ ТП с использованием локальных вычислительных сетей

 

Исполнительные и измерительные периферийные устройства подключались к коммуникационной магистрали через локальные контроллеры. При использовании такой конфигурации АСУ ТП повысилась их надёжность, они стали открытыми и наращиваемыми в рамках установленного конструктивного исполнения.

3. АСУ ТП с распределёнными по периферийным устройствам вычислительными ресурсами. Такие интеллектуальные устройства нижнего уровня объединяются в распределенную полевую сеть. Само технологическое оборудование выполняется в соответствии с концепцией открытых систем. При этом включение в систему или исключение из системы внешних устройств не изменяют её конфигурацию. Применительно к объединению в сеть интеллектуальных устройств нижнего уровня, это и есть концепция Fieldbus – концепция цифровых сетей нижнего уровня.

Основные достоинства таких сетей следующие:

– низкая стоимость сети;

– детерминированные во времени операции в сети, т.к. они выполняются по заданному конфигурацией системы фиксированному временному графику;

– по линиям Fieldbus подаётся и электропитание устройств;

– как для целей передачи информации, так и для электропитания используется одна витая пара;

– сеть эксплуатируется в сложных условиях и даже при большом уровне помех обеспечивает высокую надёжность передачи;

 

Рис. 3 АСУ ТП с использованием сетей полевого уровня

 

– сеть Fieldbus допускает параллельное подключение множества устройств;

– устройства могут взаимодействовать между собой по сети, разгружая ЭВМ и сеть верхнего уровня;

– конфигурация системы упрощается, а стоимость АСУ ТП уменьшается на 30-40%.

Информация в системе, построенной по технологии Fieldbus, передается следующим образом:

– назначается ведущее устройство (link master, host);

– выбираются ведомые устройства (slave).

Ведущие устройства управляют потоком цифровой информации на шине Fieldbus, разрешая каждому устройству передавать информацию согласно временному расписанию, которое задается при конфигурировании системы. Цифровой способ связи позволяет передавать многомерные сигналы, что открывает путь к созданию сложных многокомпонентных систем, все устройства которых обмениваются информацией по одной магистрали.

 

Классификация промышленных сетей [49]

«Закрытые системы» (closed/proprietary systems) работают по уникальным протоколам связи, их делает и поддерживает только один производитель.

«Открытые системы» (open systems) решают проблему интеграции разных производителей в одну сеть, отвечая специфическим интересам всех.

 

Основные сетевые топологии

Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого объединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основным критериям:

– режим доступа к сети;

– средства контроля передачи и восстановления данных;

– возможность изменения числа узлов сети.

Основные топологии — это «звезда», «кольцо» и «шина».

 

Таблица 1

Сравнительные характеристики основных топологий

 

Сравнительные характеристики	Звезда	Кольцо	Шина
Режим доступа	Доступ и управление через центральный узел	Децентрализованное управление. Доступ от узла к узлу	Возможен централизованный и децентрализованный доступ
Надежность	Сбой центрального узла — сбой всей системы	Разрыв линии связи приводит к сбою всей сети	Ошибка одного узла не приводит к сбою всей сети

 

 

Передача данных

Основными достоинствами промышленных сетей являются недорогие линии и надежность передачи данных. Данные передаются последовательно, как правило, по одному физическому каналу (одному проводнику). Такой режим передачи не только экономит кабельное оборудование, но и позволяет решать задачи по надежной передаче данных на большие расстояния.

 

 

Таблица 2

Сравнительные характеристики стандартных физических интерфейсов

Сравнительные характеристики	RS-232	RS-422	RS-485
Макс. число приемников передатчиков на линии	1/1	1/10	32/32
Макс. длина линии (без повторителей)	15 м	1220 м	1220 м
Макс. скорость передачи	38,4 кбод	90 кбод	90-500 кбод

 

Методы доступа к шине

Существуют два метода упорядоченного доступа: централизованный и децентрализованный.

В случае централизованного контроля за доступом к шине выделяется узел с правами Мастера. Он назначает и отслеживает порядок и время доступа к шине для всех других участников. При непредвиденном отказе Мастера циклы обмена по шине останавливаются.

Именно по этой причине децентрализованный контроль с переходящими функциями мастера от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее внимание и развитие. Здесь права мастера назначаются группе устройств сети. Во всем мире широко приняты и используются следующие модели децентрализованного доступа:

– модель CSMA/CD (например, Ethernet) как стандарт IEEE 802-3 (случайный метод доступа к шине);

– модель с передачей маркера как стандарт IEEE 802.4 (Token Passing Model).

 

Обобщенные данные промышленных сетей приведены в таблице 3.

 

Таблица 3

Промышленные сети. Таблица обобщенных данных

Протокол	Страна	Стандарт	Среда передачи	Число узлов	Скорость передачи данных, кбод	Длина линий	Топология сети	Принцип доступа к сети	Год рождения	Узлов на сер. 1995 г (тыс.)
BITBUS	США	IEEE 1118	витая пара, радиоканал, оптопара	28 синхр.; 250 самост.	500-1400 (синхр.), 64-375 (самосинхр.)	30м (синхр.); до 1200 м (самосинхр.)	шина	MASTER/ SLAVE		Более 2500
ASI	США	*	витая пара ASI-кабель	до 32	до 167	до 1000 м	линия; звезда; дерево; кольцо	MASTER/ SLAVE
HART	США	Bell202 FSK	витая пара, выделенный тел. канал	до 15 (multidrop)		до 3 км	звезда	MASTER/ SLAVE
LonWorks	США	*	витая пара, коаксиал, оптокабель, радиоканал	до 127	4,88-1250	до 2 км	произвольн. топология	произвольн. доступ (CSMA/CD)
CANBUS	Германия	ISO 11898, ISO 11519	витая пара	до 30	50-1000	до 1 км — 20 кбод; до 40 м — 1 Мбод	шина	произвольн. доступ по приорит. (CSMA/ CM)

 

 

Продолжение таблицы 3

 

WorldFIP	Франция	UTE46	витая пара, оптокабель	до 256	31,25; 1000; 2500; 5000	до 2 км	шина	MASTER/ SLAVE/ TOKEN
MODBUS	США	PI-MBUS-300	не специф.	1 master, до 247 slaves	0,6-19,2	15 м — RS232C; 1200 м — RS422; 1000 м — т. петля	звезда; шина	MASTER/ SLAVE/ TOKEN		*
PROFIBUS	Германия	DIN 19245 ч. 1, 2, 3, 4	витая пара, оптокабель	до 126	500-1500 (FMS); 1500-12000 (DP); 31 (РА)	1200 м; 4800 м с повт.; до 23 км оптокабель	звезда; шина	MASTER/ SLAVE/ TOKEN
* — нет доступа

1. Протокол передачи данных MODBUS [50]

 

Modbus – коммуникационный протокол, основанный на клиент-серверной архитектуре. Протокол передачи данных MODBUS разработан фирмой Modicon для использования в контроллерах с программируемой логикой (PLC). Стал стандартом в промышленности и широко применяется для организации связи промышленного электронного оборудования. Использует для передачи данных последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232 и другие, а также сети TCP/IP.

Устройства разных производителей, поддерживающие протокол Modbus, легко интегрируются в единую сеть автоматизации. На рынке представлен практически весь спектр необходимого оборудования от простых модулей ввода-вывода до частотных преобразователей. Все универсальные SCADA/HMI системы поддерживают данный протокол.

При использовании последовательных линий связи в одной сети может быть только одно ведущее устройство (master), которое может опрашивать другие подчиненные устройства (slave). Ни одно подчиненное устройство не может самостоятельно запросить или передать данные другому устройству. Ведущее устройство (master) может запросить данные с каждого подчиненного устройства по очереди или инициировать одновременную передачу сообщения на все подчиненные устройства. В одной сети может быть до 247 подчиненных устройств (slave).

 

Рис. 1.1. Устройства Modbus в последовательной линии связи.

 

В сети TCP/IP может быть практически неограниченное количество ведущих устройств (master) и подчиненных устройств (slave). При этом любое устройство может быть одновременно и ведущим, и подчиненным. В сети могут также существовать специальные шлюзы (gateway), которые предоставляют данные устройствам в сети TCP/IP.

Рис. 1.2. Сеть Modbus TCP/IP

 

 

Режимы протокола Modbus

Протокол Modbus предусматривает для передачи данных по последовательным линиям связи два режима передачи: RTU и ASCII.

Режим ASCII предназначен для медленных линий связи, где каждый байт пакета передается как два ASCII символа. Новый пакет начинается со специального служебного символа. При этом между передачей символов одного пакета пауза может быть до нескольких секунд (в зависимости от настроек) без возникновения ошибок при передаче.

Использование режима RTU позволяет приблизительно в 2 раза увеличить количество передаваемых данных по последовательной линии связи. Данные пакета передаются по сети в двоичном виде без изменений. В режиме RTU пакет передается непрерывным потоком данных. Таким образом, на скорости 19200 бит/с возможно передать за 1 секунду до 1400 байт данных (при повторяющемся запросе 126 переменных) или опросить до 40 раз одно или несколько устройств (при запросе одной переменной).

 

Инфраструктура сети RS-485 протокола Modbus

В общем случае, при объединении устройств Modbus по линии связи RS-485, каждое устройство последовательно соединяют с другими устройствами одним кабелем. В кабеле должны быть как минимум одна витая пара, по которой проходят дифференциальные сигналы D₀, D₁ и проводник COM (сокращение от Common, земля приемников RS-485 всех устройств). Земля приемников RS-485 должна быть соединена с защитной землей только у ведущего контроллера (master). На каждом конце линии связи устанавливаются терминаторы LT, которые представляют из себя сопротивления номиналом 120 Ом.

 

Рис. 1.3. Инфраструктура сети RS-485

 

При отсутствии передачи данных в сети, которая состоит из большого количества устройств, подключенных к одному каналу связи, драйверы RS-485 входят в третье состояние (tristate, то есть отключенное состояние). В этом случае оба проводника в линии передачи могут работать в холостую с небольшой нагрузкой, в результате приемники могут регистрировать ложные данные. Для решения данной проблемы используют защитное смещение. Устанавливают резистор задания начального высокого уровня (pull-up) на линию А и низкого уровня (pull-down) на линию B. В сети Modbus защитное смещение устанавливается только рядом с ведущим устройством. При наличии схемы защитного смещения максимальное количество устройств в сети равно 32. При отсутствии – не более 28.

 

Рис. 1.4. Схема защитного смещения RS-485

 

Выбор кабеля

Возможно применение специализированных экранированных кабелей промышленного применения для сетей RS.

В настоящий момент выпускается большое количество специализированных кабелей для интерфейса RS-485. Обычно они имеют сечение проводника 0.7-0.8 мм. Для объединения устройств достаточно, чтобы выбранный кабель имел одну витую пару и еще один проводник. Однако вполне допустимо использование многопарного кабеля.

Для связи по сети RS-485 вполне достаточно обычной экранированной витой пары 5-й категории. Кабели витой пары категории 6-й и 7-й имеют большее сечение и их применение может быть оправдано только при использовании сетей с большим количеством устройств и/или длинной более 300 м.

Витая пара, обозначенная как STP – экранирована оплеткой, обозначенная как FTP (например Belden 1633E) – экранирована фольгой. Экранированные кабели Nexans имеют обозначение F2TP, что обозначает экранирование двойной фольгой. Одинаково применимы все типы экрана. Кабели SFTP, SSTP имеют двойной экран – общая оплетка и экраны каждой пары. Кабели витой пары с двойным экраном оправдано применять только для прокладки трасс вне помещений или при наличии выских помех на линию. Экранированные кабели витой пары практически доступны только в 4-х парном варианте, что обусловлено применением их в современных структурированных сетях (СКС). В одном кабеле может быть только одна линия связи. Сигналы и проводник земли приемников RS-485 должны соответствовать цветам витой пары в соответствии с таблицей.

 

Таблица 1.1

Соответствие сигналов RS-485 цветам витой пары 5-й категории

Сигнал	Цвет витой пары
A	D+	D0	Белый с синей полосой
B	D-	D1	Синий
GND	COM	COMMON	Коричневый

 

Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Для работы со своими изделиями его используют десятки фирм. Хотя ограничения этого протокола достаточно очевидны, он привлекает простотой реализации и независимостью от типа интерфейса.