Методы доступа к шине

Передача данных

Основные сетевые топологии

Общие сведения

С начала восьмидесятых годов идеи децентрализованного управления стали воплощаться в АСУ ТП. Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, называются «промышленными сетями» (Fieldbus).

Классификация промышленных сетей [3]

«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.

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 1.1

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

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 1.2

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

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 1.3.

Таблица 1.3

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 1995 г. (тыс.)
BITBUS	США	IEEE 1118	витая пара, радио-канал, оптопара	28 синхр.; 250 самост.	500–1400 (синхр.), 64–375 (самосинхр.)	30 м (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 1.3

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

§ 1.2. Протокол передачи данных MODBUS [4]

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. 1.5. 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.

Дата добавления: 2014-12-29