Интерфейсы

ЛЕКЦИЯ 15

При построении систем сбора и обработки измерительной информации используются три основных вида соединений входящих в них функциональных элементов (ФЭ): цепочечное, или каскадное, соединение (рисунок 15.1, а), кольцевое (рисунок 15.1, 6) и радиальное, или соединение звездой (рисунок 15.1,в).

б

Рис. 15.1. Основные виды соединений функциональных элементов: а- каскадное; б- кольцевое; в- радиальное; К- контроллер.

Обмен может происходить как по сигналам самих ФЭ-абонентов, являющихся одновременно приемниками и источниками (передатчиками) сообщений, так и под управлением центрального устройства управления-ФЭ-контроллера. В качестве контроллера часто используют ЭВМ, осуществляющую не только обработку информации, но и управление процессом самих измерений, а также формирование сигналов для исполнительных устройств, воздействующих на объект, в рамках управляющей вычислительной системы. В последние годы для связи ФЭ между собой и с центральной ЭВМ обычно используют общую магистраль шин, к которой подключают все ФЭ через соответствующие средства сопряжения (см. рисунок 15.2). Для их взаимодействия через магистраль необходимы следующие сигналы:

а) адресные, посредством которых вызываются требуемые ФЭ;

б) командные, разрешающие выполнение определенных операций
(например, циклическое переключение коммутатора измерительных каналов);

в) оповещения, которыми ФЭ сообщают о своей готовности к восприятию информации;

г) программные, предписывающие определенный режим работы ФЭ при реализации им определенной функции (например, измерение в определенном диапазоне или генерация сигналов определенной частоты);

д) информационные, которые содержат данные, подлежащие обработке (например, измеренные значения величин, масштабные коэффициенты и др.), а также вспомогательную информацию (например, номера измерительных каналов, пределы измерений и др.);

е)специальные (например, сигналы прерывания).

Рис. 15.2. Схема соединения ЭВМ и внешних функциональных элементов

системы через общую магистраль

Различные ФЭ присоединяют к центральному процессору через определенные точки, называемые точками сопряжения. Совокупность средств, реализующих логические, электрические, функциональные и конструктивные условия совместимости процессора и ФЭ в точках сопряжения, получила название средств сопряжения, или интерфейса (англ. синоним). Эти условия унифицируют с целью стандартизации связей и средств сопряжения (включая и магистрали шин) и излагают в нормативных документах-стандартах на интерфейсе.

Итак, совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, обеспечивающих взаимодействие различных ФЭ в автоматических системах сбора и обработки информации при условиях, предписанных стандартом, представляет собой стандартный интерфейс.

Существуют международные, национальные и фирменные стандарты на интерфейсы. В основу некоторых стандартов сопряжения средств измерительной техники ряда стран положены нормы и рекомендации Международной электротехнической комиссии (МЭК) и Европейского исследовательского центра физики высоких энергий и элементарных частиц (Евратом).

Для обмена данными внутри микроЭВМ предусмотрена магистраль шин, к которым нельзя непосредственно присоединять внешние устройства, не удовлетворяющие условиям сопряжения с ней.

Примером стандартного интерфейса является магистраль шин программируемых приборов IEC-625 (интерфейс МЭК, разработан американской фирмой Хьюлетт-Пак-кард под названием IEEE 488).

Один из первых стандартных интерфейсов измерительной техники является интерфейс КАМАК, разработанный Евратомом. Стандарт КАМАК является международным. Этим стандартом регламентируются: а) организация обмена между модулями- ФЭ и контроллером, размещаемыми в одном блоке-каркасе (который называется крейтом); б) организация обмена между контроллерами крейтов и ЭВМ системы; в) условия программного обеспечения приборов в стандарте КАМАК с цифровым управлением. Модуль представляет собой вставную кассету, размещаемую в крейте. Совокупность крейтов образует информационно-измерительную систему. Обмен данными между модулями одного крейта осуществляется параллельно по внутрикрейтным параллельным шинам и организуется контроллером крейта (рисунок 15.3, а).

Рис. 15.3. Структурные схемы системы КАМАК: а-структура крейта;

б- структура ветви

Магистраль крейта содержит 86 шин, среди которых шины данных, команд, сигналов состояния и стробирования, питания и др. Контроллер крейта может быть специализированным устройством либо программируемой микроЭВМ, которая может использоваться и как дополнительное средство в сочетании с контроллером крейта. При этом допускается обмен с внешней ЭВМ через ее канал ввода-вывода данных. Обмен информацией между несколькими крейтами производится через вертикальную магистраль (называемую также ветвью) с параллельной передачей данных под управлением контроллера ветви, как это представлено на рисунке 15.3,6. Такая структура системы обеспечивает связь центральной ЭВМ с любым модулем каждого из крейтов. Число крейтов ветви не превышает 7.

В течение многих лет системы обмена данными строились по традиционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посредством которых осуществлялось подключение оконечных устройств (датчиков и исполнительных механизмов). Такая структура диктовалась высокой ценой электронно вычислительной техники и относительно низким уровнем автоматизации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных АСУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное оборудование, сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигурация, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как экономически, так и технологически.

В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (ЦПС), состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым способом.

Рассмотрим несколько ЦПС, широко распространенных в различных приложениях АСУ ТП и ставших стандартами де_факто.

AS_интерфейс. AS_интерфейс (Actuator/Sensor Inter_face) был представлен в виде концепции в 1993 году.

Поддерживается консорциумом ведущих производителей средств АСУ ТП, в числе которых фирмы Siemens, Pepperl+Fuchs и другие. Относится к классу ЦПС оконечных устройств, осуществляя непосредственную интеграцию датчиков и исполнительных механизмов в систему автоматизации. Позволяет полностью исключить из АСУ ТП аналоговые линии связи, кроссировочные шкафы и другое вспомогательное оборудование. Максимальное время цикла опроса составляет 5_10 мс, то есть сравнимо с циклом отработки программы в контроллере. Благодаря этому сети на базе AS_интерфейса активно применяются в распределенных АСУ ТП реального времени, например в системах управления конвейерными производствами. Последняя редакция интерфейса позволяет подключать к сети аналоговые датчики и поворотные шифраторы.

Максимальное количество узлов равно 62, максимальная длина с использованием повторителей — 300 м. Данные и питающее напряжение передаются по одной паре проводов. Сети на базе AS_интерфейса отличаются экономичностью и очень большим выбором средств комплексирования с другими ЦПС.

Протокол CAN. Протокол CAN (Controller Area Net_ work) определяет только первые два уровня ISO/OSI – физический и уровень доступа к среде передачи данных.

С начала 90_х годов, когда компания Bosch разработала соответствующую спецификацию, на основе этого протокола реализовано огромное количество полнофункциональных сетей, в том числе таких как SDS, CANOpen, DeviceNet и др. Количество узлов ЦПС, работающих на основе CAN, исчисляется десятками миллионов.

Практически у каждого крупного производителя микроконтроллеров есть изделие с CAN_интерфейсом. Основными достоинствами, определившими высокую популярность этого протокола у разработчиков встраиваемых и промышленных систем, являются высокая скорость (до 1 Мбит/с), метод

доступа CSMA/СA, возможность иметь в сети несколько ведущих устройств, надежная система обнаружения и исправления ошибок. CSMA/СA сочетает минимальную задержку передачи информации с эффективным арбитражем ситуаций, когда несколько узлов начинают передавать данные одновременно. Благодаря этому гарантируется доставка сообщения, то есть система является

детерминированной. «Гарантией качества» CAN являются автомобили «Мерседес», электроника которых работает именно по этому протоколу.

Технические характеристики (для DeviceNet): максимальное расстояние 500 м, максимальное количество узлов 64., длина информационной посылки 8 байт.

Interbus. Спецификация Interbus была разработана фирмой Phoenix Contact в 1984 году и быстро завоевала прочные позиции в сфере распределенных АСУ ТП благодаря целому ряду интересных структурных решений. Прежде всего следует отметить максимальное расстояние, которое может охватывать эта ЦПС, — до 13 километров. Максимальное количество узлов 512, расстояние между узлами до 400 метров. Таким образом, Interbus является хорошим решением для унифицированной автоматизации производства, компоненты которого территориально разнесены на большое расстояние.

PROFIBUS. PROFIBUS — семейство ЦПС, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных проблем предприятия, было разработано фирмой Siemens в начале 90_х годов. Скорость обмена прямо зависит от длины сетевого сегмента и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 метров до 12 Мбит/с на дистанции до 100 метров. Протокол обмена данными гарантирует определенное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов в сегменте (рисунок 15.4), что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени.

Сегмент PROFIBUS_PA может иметь длину до 1900 метров со скоростью обмена между узлами 31,25 кбит/с.

Рис. 15.4. Зависимость длительности цикла опроса от конфигурации сети PROFIBUS

Foundation Fieldbus. Foundation Fieldbus — пожалуй, наиболее «продвинутый» стандарт ЦПС, появившийся на свет только в 1995 году как результат усилий консорциума крупных, в основном североамериканских производителей. По многим параметрам эта система схожа с PROFIBUS_РА: возможность установки во взрывоопасных зонах, передачаинформационного сигнала вместе с питающим напряжением по одной паре проводов, двухуровневая иерархия и т.д. В Foundation Fieldbus на верхнем уровне используется высокоскоростная магистраль Ethernet, а на нижнем —технология передачи по стандарту IEC 61158.2, как и в PROFIBUS_PA.

Две особенности выделяют Foundation Fieldbus среди других ЦПС. Во-первых, был разработан специальный язык описания оконечных устройств (Device Description Language), использование которого позволяет подключать новые узлы к сети по широко применяемой в обычных IBM РС совместимых компьютерах технологии plug_and_play. Достаточно физически подключить новое устройство, и оно тут же самоопределится на основании заложенного описания DD (Device Description), после чего все функциональные возможности нового узла становятся доступными в сети. При конфигурировании инженеру достаточно соединить входы и выходы имеющихся в его распоряжении функциональных блоков, чтобы реализовать требуемый алгоритм Пользователям доступны как типовые DD для стандартных устройств (клапанов, датчиков температуры и т.д.), так и возможность описания нестандартных изделий. Во-вторых, в отличие от других промышленных сетей, Foundation Fieldbus ориентирована на обеспечение одноранговой связи между узлами без центрального ведущего устройства.

Этот подход даёт возможность реализовать системы управления, распределенные не только физически, но и логически, что во многих случаях позволяет повысить надежность и живучесть АСУ ТП. В Foundation Fieldbus реализованы самые сложные технологии обмена информацией: подписка на

данные, режим «клиент_сервер», синхронизация распределенного процесса и т.д.

OPC – стандарт (для программы GENESIS32). OLE™ for Process Control (OPC™) (механизм связывания и внедрения объектов для сбора данных и управления в системах промышленной автоматизации)

OPC обеспечивает интерфейс между приложениями клиентами и серверами путем реализации стандартного механизма связи между источниками данных (серверами) и получателями данных (клиентами). Иными словами,

OPC является аналогом технологии Plug-n-Play для программного обеспечения в сфере промышленной автоматизации/ Необходимо отметить, что стандарт OPC основан на решениях, предлагаемых компанией Microsoft в рамках операционной системы Windows. Впрочем, это сужает сферу применения OPC не очень сильно, так как различные версии Windows являются в настоящее время наиболее распространенной платформой для SCADA- систем.

Большинство ведущих производителей аппаратных средств для промышленной автоматизации уже поставляет OPC совместимые драйверы для своих контроллеров и других устройств сбора данных и управления, в то время как все известные разработчики SCADA-систем в той или иной степени либо уже встроили поддержку спецификации OPC в свои продукты, либо объявили о своих планах сделать это в ближайшее время.

Одно из уникальных качеств, присущее данной технологии, состоит в том, что клиенты OPC имеют возможность получения данных от удаленных серверов OPC даже через глобальную сеть Интернет.

Разработчики систем промышленной автоматизации по достоинству оценили указанную функциональную возможность. Теперь не придется выезжать к заказчикам, расположенным за тысячи километров, для контроля состояния технических средств системы и модификации реализованных системных функций. Все эти операции могут быть выполнены с помощью браузера Интернет и GENESIS32.

Дата добавления: 2014-01-04