Промышленные сети

Промышленная сеть – среда передачи данных. Включает набор стандартных протоколов обмена данными и физический интерфейс связи, что позволяет связать воедино технологическое оборудование и обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы управления.

Коммуникационная технология построения единой информационной сети, объединяющей интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы, определяется одним термином fieldbus (полевая шина, или промышленная сеть).

Fieldbus – это не какой-то определенный протокол передачи данных и не тип сетевой архитектуры, этот термин не принадлежит ни одной отдельно взятой компании и обозначает скорее сферу применения, чем какую-либо конкретную сетевую технологию.

Fieldbus – это, во-первых, некий физический способ объединения устройств и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия, которые применимы для тяжелых промышленных условий.

Промышленные сети применяются на уровне устройств, обслуживающих реальный процесс производства и переработки материалов. Выход в системы представления (визуализации) данных, коммерческие и административные системы организуется, как правило, через стандартные офисные сети типа Ethernet через протокол TCP / IP.

К сети предъявляется множество разнообразных, зачастую противоречивых, требований. Некоторые основные требования, предъявляемые к «идеальной» промышленной сети приведены ниже:

1. производительность;

2. предсказуемость времени доставки информации, т.е. жесткая детерминированность поведения;

3. помехоустойчивость, например, при больших электромагнитных помехах;

4. доступность и простота организации физического канала передачи данных;

5. работа на длинных линиях с использованием недорогих физических сред (например, витая пара);

6. максимальный сервис для приложений верхнего уровня;

7. минимальная стоимость устройств аппаратной реализации;

8. возможность получения «распределенного интеллекта»;

9. управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций;

10. повышенная надежность физического и канального уровней передачи данных при работе в промышленной среде;

11. наличие специальных высоконадежных механических соединительных компонентов;

12. обеспечение функций реального времени.

Основное здесь – детерминированность поведения, предполагающая, что все возможные события в сети могут быть заранее четко определены, и повышенная надежность передачи данных.

Как видно, в получившемся списке одни требования могут противоречить другим. Подобные противоречия приходится обходить постоянно и на всех уровнях проектирования, начиная с того, какой формат пакета передачи данных выбрать: тот, который позволит осуществлять расширенное управление сетью и удаленную загрузку, или тот, который обеспечит максимально быструю работу с большим числом дискретных сигналов.

Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев:

- объем передаваемых полезных данных;

- время передачи фиксированного объема данных;

- удовлетворение требованиям задач реального времени;

- максимальная длина шины;

- допустимое число узлов на шине;

- помехозащищенность;

- денежные затраты в расчете на узел.

При выборе протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности, т.к. улучшение одного параметра часто приводит к снижению качества другого.

Различают следующие типы сетей:

- локальные сети (LAN – Local Area Networks) – расположены на ограниченной территории;

- городские сети (MAN – Metropolitan Area Networks) – предназначены для обслуживания территории крупных городов. Эти сети связывают локальные сети в масштабах города и обеспечивают их выход в глобальные сети;

- глобальные сети (WAN – Wide Area Networks) – объединяют территориально удаленных пользователей на большой территории.

Промышленные сети можно отнести к типу LAN, но им присущи существенные отличия от LAN -сети, применяемой в офисных приложениях, поскольку Fieldbus - это сеть для промышленного применения.

Системы, работающие по уникальным протоколам связи, получили название «закрытых систем». Уникальные системы производятся и поддерживаются одной компанией. Большинство таких систем зародилось в те времена, когда проблемы интеграции изделий от разных производителей не считались актуальными.

Успешно интегрировать в единую систему изделия от различных производителей, позволяет использование принципов открытых систем.

Открытые промышленные сети – сети, на которые распространяются международные стандарты промышленных сетей.

Сеть считается открытой, если она удовлетворяет следующим критериям:

- наличием полных опубликованных спецификаций;

- наличием доступных компонентов от ряда независимых поставщиков;

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

То есть, каждый желающий имеет возможность использовать то, что уже наработано, или выполнять собственные разработки, в том числе и такие, которые могут использоваться другими.

Промышленные сети, в зависимости от области применения подразделяются на два уровня:

1) контроллерные сети (Field level) – промышленные сети этого уровня используются для управления процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;

2) сенсорные сети (Sensor / actuator level) или сети низовой автоматики – применяются для опроса датчиков и управления работой исполнительных устройств.

Сравнение двух классов сетей в самом общем виде приведено в таблице 5.1.

Таблица 5.1. Сравнительные характеристики сетей типов Fieldbus и Sensor bus

Основные критерии	Fieldbus	Sensor bus
Протяженность сети	от 100 м до 10 км	до 1 км
Время цикла	от 10 мс до 10 с	от 1 мс до 1 с
Объем данных передаваемых за цикл	от 8 до нескольких сотен байт	от 1 до 8 байт
Доступ к шине	фиксированный/ свободный	свободный

Типичные промышленные сети контроллерного уровня:

- PROFIBUS (Process Field Bus);

- Modbus Plus;

- ControlNet.

Типичные сети низовой автоматики:

- HART;

- Modbus;

- ASI (Actuator/Sensor Interface)

- DeviceNet.

Промышленная сеть организует физическую и логическую связь датчиков с ПЛК или промышленными компьютерами таким образом, чтобы информация с этого уровня была доступна общезаводской информационной системе. На рис.3.1 показан пример многоуровневой сети, на базе PROFIBUS.

Рис. 3.1. Структура АСУ ТП на базе PROFIBUS

Рисунок иллюстрирует две задачи, решаемые с помощью промышленных сетей:

1. автоматизация на общезаводском уровне;

2. автоматизация на уровне управления конкретными технологическими процессами.

Для решения первой задачи необходимо иметь высокую скорость передачи данных, длину линий до 300 метров, на этом уровне требований к взрыво- пожаро-защищенности обычно не предъявляется.

Вторая задача требует следующие качества: среднее время цикла опроса датчиков (до 10 мс), длина линий связи до 1,5 км и более, реализация механизмов внутренней и внешней защиты.

Дата добавления: 2014-01-04