Полевые шины – принцип работы

Промышленные сети передачи данных – это базовый элемент для построения современных АСУ ТП. Появление промышленных коммуникационных протоколов положило начало внедрению территориального распределенных систем управления, способных охватить множество технологических установок, объединить целые цеха, а иногда и заводы. Сегодня сфера промышленных коммуникаций развиваются семимильными шагами: известно более 30 стандартов коммуникационных сетей, специально адаптированных для промышленного применения, каждый год появляются новые прогрессивные технологии передачи данных. Это неудивительно, ведь именно коммуникационные сети в большей степени определяют качество, надежность и функционал АСУ ТП в целом.

Сети передачи данных входящие в состав АСУ ТП можно условно разделить на два класса:

- Полевые шины (^ Field Buses);

- Сети верхнего уровня (операторского уровня, Terminal Buses);

Но нам необходимо рассмотреть полевые шины.

Главной функцией полевой шины является обеспечение сетевого взаимодействия между контроллерами и удаленной периферией (например, узлами ввода/вывода). Помимо этого, к полевой шине могут подключаться различные контрольно-измерительные приборы (Field Devices), снабженные соответствующими сетевыми интерфейсами. Такие устройства часто называют интеллектуальными (Intelligent Field Devices), так как они поддерживают высокоуровневые протоколы сетевого обмена.

Как уже было отмечено, существует множество стандартов полевых шин, наиболее распространенные из которых приведены ниже:

- Profibus DP

- Profibus PA

- Foundation Fieldbus

- Modbus RTU

- HART

Несмотря на нюансы реализации каждого из стандартов (скорость передачи данных, формат кадра, физическая среда), у них есть одна общая черта – используемый алгоритм сетевого обмена данными, основанный на классическом принципе Master-Slave или его небольших модификациях.

По типу физической среды полевые шины делятся на два типа:

• 
  Полевые шины, построенные на базе оптоволоконного кабеля. Преимущества использования оптоволокна очевидны: возможность построения протяженных коммуникационных линий (протяженностью до 10 км и более); большая полоса пропускания; иммунитет к электромагнитным помехам; возможность прокладки во взрывоопасных зонах. Недостатки: относительно высокая стоимость кабеля; сложность физического подключения и соединения кабелей.
• 
  Полевые шины, построенные на базе медного кабеля. Как правило, это двухпроводной кабель типа “витая пара” со специальной изоляцией и экранированием. Преимущества: удобоваримая цена; легкость прокладки и выполнения физических соединений. Недостатки: подвержен влиянию электромагнитных наводок; ограниченная протяженность кабельных линий; меньшая по сравнению с оптоволокном полоса пропускания [2].

1. Описание основных стандартов полевых шин

1.1 ^ HART -протокол (Highway Addressable Remote Transducer – Адресуемый Дистанционный Магистральный Преобразователь), разработан фирмой Fisher Rosemount Inc.

Стандартная топология организована по принципу «точка-точка» или «звезда». Для передачи данных по сети используются два режима:

• 
  по схеме «запрос-ответ», т.е. асинхронный обмен данными со временем одного цикла 500 мс;

• 
  все пассивные узлы непрерывно передают свои данные на ^ Master -узел со временем обновления данных в Master -узле 250…300 мс.

Возможно построение топологии типа «шина», когда несколько узлов подключены на одну пару проводов. Питание осуществляется по шине.

За одну посылку один узел другому может передать до 4 технологических переменных, а каждое HART -устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние.

Метод контроля корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения.

^ HART протокол использует стандарт BELL 202 кодировки сигнала методом частотного сдвига (FSK), при котором цифровой сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4…20 мА, на нижнем уровне. Для представления двоичных «1» и «0» используются две разные частоты, 1200 Гц и 2200 Гц, соответственно (рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1 Форма сигнала передачи

Метод формирования физических сигналов и среда передачи данных HART протокола соответствует физическому уровню OSI модели протоколов.

Синусоидальные модуляции накладываются на сигнал постоянного тока. Среднее значение синусоидального сигнала равно нулю. Поэтому, несмотря на прохождение цифровых данных, к сигналу 4…20 мА никакая компонента постоянного тока не добавляется. Следовательно, существующие аналоговые приборы продолжают работать как обычно – низкочастотная фильтрация эффективно отбрасывает коммуникационный сигнал.

Поскольку двоичные числа передаются на скорости обмена данными 1200 бод, число «1» представлено одиночным циклом 1200 Гц, а число «0» представлено приблизительно двумя циклами 2200 Гц.

Такой выбор частот для формирования сигналов и скорости передачи данных соответствует американскому стандарту BELL 202, одной из нескольких частот, используемых для посылки цифровой информации по телефонным сетям. В результате, сюда подходят широко распространенные модемные платы на интегральных схемах.

В HART протоколе определяется, что главные устройства (ведущая система управления или ручной коммуникатор) передают сигнал в виде напряжения, в то время как подчиненные (первичные) устройства передают токовый сигнал. Токовый сигнал преобразуется в соответствующее напряжение с помощью сопротивления нагрузки контура. Следовательно, все устройства должны использовать такие приемники, схемы которых способны принимать напряжение [4,2].
1.2 Протокол ^ PROFIBUS (PROcess Field BUS) разработан совместно группой немецких компаний: Siemens, Bosch, и Klockner-Moeller.

Сеть PROFIBUS отвечает требованиям международных стандартов IEC 61158 и EN 50170. PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами. Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи, базируется на использовании стандартного протокола PROFIBUS. Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI -модели. В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть Master -узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания («broadcast»). Общая схема PROFIBUS -сети представлена на рис. 1.2.1

Рис. 1.2.1 Обобщенная схема сети PROFIBUS

В среде Master -узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/записи на шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров определяется пользователем.

При передаче данных обнаружение и исправление ошибок ведется на основе хеммингова расстояния 4, то есть в любой посылке данных 3 ошибочных бита будет обнаружено, а один бит может быть восстановлен [1].

Одни и те же каналы связи сети PROFIBUS допускают одновременное использование нескольких протоколов передачи данных:

• 
  PROFIBUS-FMS: универсальный протокол для решения задач по обмену данными между интеллектуальными сетевыми устройствами (контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса) на полевом уровне.

• 
  PROFIBUS-DP: протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между системами автоматизации (ведущими ^ DP -устройствами) и устройствами распределенного ввода-вывода (ведомыми DP -устройствами). Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей.

• 
  PROFIBUS-PA: протокол обмена данными с оборудованием полевого уровня, расположенным в обычных или EХ -зонах (зонах повышенной опасности). Протокол отвечает требованиям международного стандарта IEC 61158-2.

1.3 Сеть ^ FOUNDATION FIELDBUS родилась в результате сотрудничества двух ведущих американских ассоциаций - ISP и WorldFIP. В 1994 году появилась ассоциация Fieldbus Foundation, продвигающая на рынке и обеспечивающая поддержку сети Foundation Filedbus (FF). После многолетних безуспешных попыток разработать универсальную промышленную сеть, предпринятых ведущими комитетами по стандартизации IEC и ISA, ассоциация Fieldbus Foundation пришла к синтезированному решению с использованием наработок из разных источников под общим названием Foundation Fieldbus.

Итак, FF сегодня - это:

• 
  физический уровень ^ H1 FF (медленный), обеспечивающий рабочую скорость 31,25Кбит/с. Эта реализация физического уровня основана на модифицированной версии стандарта IEC 1158-2 и предназначена для объединения устройств, функционирующих во взрывоопасных газовых средах. В сетях, использующих протокол H1, питание может подводится к шине, причем такие сети обеспечивают безопасность с точки зрения их внутренней структуры, что означает их пригодность для работы в потенциально опасных условиях. В безопасной зоне к одному кабелю может подключаться до 32 устройств. Передача данных от узла к узлу FOUNDATION fieldbus основывается на модели делегированного маркера, позволяющего передать функции управления на уровень полевых устройств;
• 
  физический уровень ^ Н2, в настоящее время используется Foundation Fieldbus HSE, построенный на сети Fast Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/с и также основанный на стандарте IEC 1158-2;

Особенностью стандарта Foundation Fieldbus является то, что в нем определен дополнительный пользовательский уровень (^ User Level), позволяющий, применяя определенные функциональные блоки, например, аналоговый ввод или вывод, ПИД–регулятор, строить промышленные сети с распределенным интеллектом.

Максимальное число узлов составляет 240 на сегмент (поддерживается до 65000 сегментов), длина соединения до 1900 метров (для ^ H1).

Методы обмена сообщениями:

клиент/сервер (Client/Server);

издатель/подписчик (Publisher/Subscriber);

уведомление о событиях (Event Notification).

Сеть Foundation Fieldbus может быть использована в качестве полной замены аналогового стандарта токовой петли 4...20 мА.

Основная область применения этой сети - самый нижний уровень распределенной системы автоматизации с обвязкой устройств, работающих во взрывоопасных средах и использующих сеть, как для информационного обмена, так и для собственной запитки [3,2].
1.4 Протокол ^ MODBUS разработан фирмой Modicon (в настоящее время входит в группу Schneider Electric) для сбора данных контроллерами Modicon. Специальный физический интерфейс для него не определен, однако чаще других используется интерфейс RS-485.

Протокол ^ MODBUS работает по принципу Master/Slave или «ведущий-ведомый». Конфигурация на основе этого протокола предполагает наличие одного Master -узла и до 247 Slave -узлов.

Только Master инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов:

• 
  запрос/ответ (адресуется только один из ^ Slave -узлов);

• 
  широковещательная передача (Master через выставление адреса 0 обращается ко всем остальным узлам сети одновременно без квитирования).

Протокол MODBUS описывает фиксированный формат команд, последовательность полей в команде, обработку ошибок и исключительных состояний, коды функций. Для кодирования передаваемых данных используются форматы ASCII (American Standard Code for Information Interchange) и RTU (Remote Terminal Unit). Каждый запрос со стороны ведущего узла включает код команды (чтение, запись и т.д.), адрес абонента (адрес 0 используется для широковещательной передачи), размер поля данных, собственно данные или буфер под данные и контрольный CRC -код. Функция обслуживания тайм-аута реализована для фиксирования коллизий при приеме/передаче данных.

Набор команд протокола описывает функции:

• 
  чтение/запись битов и битовых последовательностей;

• 
  чтение/запись регистров;

• 
  функции диагностики;

• 
  программные функции;

• 
  функции управления списком опроса;

• 
  функция сброса.

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 логики и независимостью от типа интерфейса [4].

2. Выбор ключевых параметров

Сравнение технических характеристик основных протоколов полевых шин представлено в таблице 2.1

Таблица 2.1 Технические характеристики основных протоколов полевых шин

Протокол	Master	Топология	Максимальная длина сегмента
1	2	3	4
HART	Один или два	«точка-точка» «звезда»	1200
PROFIBUS-FMS	multi	«шина»	19200м-9,6кбит/с
PROFIBUS-DP	multi	«шина»	1200м
PROFIBUS-PA	single	«шина»	1900м
^ FOUNDATION FIELDBUS	multi	«шина»	1900м
MODBUS	single	«шина»	450м

Таблица 2.1 (Окончание)

Протокол	Максимальная скорость передачи	Стандарт	Максимальное число узлов
1	6	7	8
HART	1200бит/с	BELL 202	15
PROFIBUS-FMS	500кбит/с	EN50170	127(32)
PROFIBUS-DP	100кбит/с	EN50170	32
PROFIBUS-PA	31,2кбит/с	IEC61158-2	32
^ FOUNDATION FIELDBUS	31,25кбит/с	IEC 1158-2	240(32)
MODBUS	1мбит/с	Собственный стандарт	32

3. Сравнительный анализ

Хоть все сравниваемые протоколы и поддерживают цифровой обмен данными, между ними существует множество различий по архитектуре функциям и уровню совместимости.

К примеру, HART является самым дешевым и ко всему прочему работать по данному протоколу могут устройства очень большого количества компаний, обеспечивается высокая помехозащищенность, но скорость обмена данными очень мала и при этом в большинстве случаев каждому компоненту сети участвующему в обмене – передаче данных необходим HART -модем, к тому же сложно обеспечивать взрывозащиту.

^ FOUNDATION FIELDBUS кроме всех прочих плюсов таких как равноправная архитектура, появление новых узлов не оказывает влияние на характеристики шины в отличии от PROFIBUS и MODBUS в которых появление новых устройств оказывает влияние на длительность цикла имеет на наш взгляд один плюс который ставит этот протокол на ступень выше всех остальных: архитектура ^ FOUNDATION FIELDBUS, основанная на модели публикации данных одними сетевыми узлами и подписки на эти данные других сетевых узлов, позволяет организовывать тесное взаимодействие между устройствами различных производителей, объединенными в одну сеть. Таким образом, логика алгоритма управления может быть перенесена на нижний уровень системы управления (т.е. УСО, датчики и исполнительные механизмы). Архитектура «ведущий – ведомый», которая используется PROFIBUS и MODBUS, означает, что весь обмен происходит по инициативе ведущего устройства. В результате из-за непредсказуемых задержек невозможно обеспечить функционирование распределенных по устройствам нижнего уровня контуров управления с обратной связью [3].
Заключение

В настоящее время происходит замена аналогового стандарта 4-20 мА на цифровой, и на первый план выходят стандарты PROFIBUS и ^ FOUNDATION FIELDBUS.

Архитектура FOUNDATION FIELDBUS, несомненно, обладает рядом преимуществ перед PROFIBUS. Вне всякого сомнения, FOUNDATION FIELDBUS — более открытый протокол, разработанный и поддерживаемый организацией, в состав которой входит большинство крупнейших производителей аппаратно-программных средств для промышленной автоматизации. И, напротив, контроль над PROFIBUS осуществляется одной компанией. Хотя технология PROFIBUS, вероятно, сможет удовлетворить потребности большого числа пользователей в ближайшем будущем, эта технология, несомненно, является устаревшей по сравнению с открытой, постоянно совершенствующейся технологией ^ FOUNDATION FIELDBUS.

Дата добавления: 2015-05-10