Промышленные сети

Введение

С начала восьмидесятых годов идеи децентрализованного управления стали воплощаться в АСУ ТП. Однако, если административный уровень системы управления производством сегодня представлен целым рядом протоколов, то для более низких уровней (field level) стандартной информационной системы не существует. В данный момент эта область развивается усилиями отдельных компаний.

Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, называются «промышленными сетями» (FieldBus). Ниже приведен краткий обзор данных сетей.

Краткий обзор промышленных сетей

«Закрытые» и «открытые» системы связи

«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».

Табл. 1. Сравнительные характеристики основных топологий

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.

Табл. 2. Сравнительные характеристики стандартных физических интерфейсов

Кроме типа физического интерфейса при построении промышленной сети не менее важно учитывать особенности и ограничения физической среды передачи данных (см. табл. 3).

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).

Для совместной работы сетей типа CSMA/CD и Token Model необходим так называемый межсетевой шлюз.

Табл. 3. Сравнительные характеристики различных сред передачи данных

Области применения

В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня:

• Field level (промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров);
• Sensor/actuator level (задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механизмов).

Другими словами, необходимо различать промышленные сети для системного уровня (field busses) и датчикового уровня (sensor/actuator busses). Сравнение этих двух классов см. в табл. 4.

Табл. 4. Сравнительные критерии промышленных сетей типов Fieldbus и Sensorbus

Типичные открытые промышленные сети:

• PROFIBUS (Process Field Bus)
• BITBUS

Типичные открытые сенсорные (датчиковые) сети:

• ASI (Actuator/Sensor Interface)
• Interbus-S
• PROFIBUS-DP (Profibus for Distributed Periphery)
• SERCOS interface

Типичные открытые сети для обоих уровней применения:

• CAN (Controller Area Network)
• FIP (Factory Instrumentation Protocol)
• LON (Local Operating Network

Табл. 5. Промышленные сети. Таблица обобщенных данных

Промышленная сеть BITBUS

Историческая справка

1983 г. — первая публикация с описанием протокола BITBUS фирмы INTEL.

1985 г. — на рынок поступили первые микроконтроллеры семейства RUPI-44 (i8044, i8344, i8744) со встроенной поддержкой интерфейса BITBUS, имеющие систему команд популярной серии MCS-51. Одновременно появились первые модули ввода-вывода (RCB-44) для распределенных систем управления и адаптеры для микроЭВМ.

1986 г. — начало широкого применения протокола BITBUS в системах автоматизации в Европе.

1989 г. — учрежден специальный комитет в рамках IEEE для подготовки стандарта на основе BITBUS.

1991 г. — опубликован стандарт по сетям уровня «fieldbus», получивший номер IЕЕЕ 1118, который базируется на существующем де-факто стандарте BITBUS фирмы INTEL.

1992 г. — была основана международная организация BITBUS European Users Group (BEUG) с постоянно действующим секретариатом в городе Баден-Баден (Германия).

Структура, основные свойства и технические характеристики сети BITBUS

BITBUS представляет собой интерфейс, специально разработанный и оптимизированный для связи программируемых контроллеров, интеллектуальных устройств связи с объектом (УСО), управляющих ЭВМ и т.п. и интеграции этих устройств в локальную управляющую сеть распределенных АСУ ТП

Типовая структура технических средств промышленной локальной сети BITBUS следующая:

• промышленный компьютер, ведущий узел сети BITBUS;
• адаптер сети BITBUS для компьютера;
• ретранслятор сети BITBUS (для больших расстояний);
• интеллектуальное УСО с интерфейсом BITBUS;
• программируемый контроллер моноблочный, с интерфейсом BITBUS;
• программируемый контроллер магистрально-модульный, с интерфейсом BITBUS;
• шлюз;
• программируемый контроллер магистрально-модульный, с произвольным интерфейсом;
• интеллектуальные датчики.

Центральным элементом сети BITBUS является ведущее устройство, функции которого, как правило, возлагаются на промышленный компьютер. Этот компьютер обычно выполняет несколько функций:

• инструментальное средство для программирования контроллеров;
• графическая операторская станция;
• элемент локальной сети (LAN) верхнего уровня АСУ ТП.

На практике в качестве этого элемента системы часто применяют IBM-совместимые персональные компьютеры. Интерфейс с локальной сетью BITBUS осуществляет адаптер сети, установленный в слот компьютера. Как правило, применяются адаптеры, обеспечивающие гальваническую изоляцию компьютера от сети BITBUS.

Протокол BITBUS определяет два режима передачи данных по шине:

1. Синхронный режим
   Этот режим используется при необходимости работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях. В этом случае топология сети может включать до 28 узлов, а длина шины ограничиваться 30 м. Скорость может быть от 500 до 2400 кбод. Синхронный режим передачи предполагает использование двух дифференциальных сигнальных пар: одной для данных, другой для синхронизации.
    
2. Режим с самосинхронизацией
   Использование этого режима позволяет значительно удлинить шину. Стандартом определены три скорости передачи: 1500 Мбод, 375 кбод (до 300 м) и 62,5 кбод (до 1200 м). Используя шинные репитеры, можно объединять последовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на сегмент). Тогда общее число узлов можно довести до 250, длину общей шины — до нескольких километров. При этом режиме передачи используются две дифференциальные пары: одна для данных и одна для управления репитером.

В протоколе BITBUS биты кодируются на основе NRZI-способа.

Табл. 1. Основные технические данные сети BITBUS

Производители продукции с использованием BITBUS

Общее количество фирм, поставляющих продукцию с использованием BITBUS, превышает в настоящее время 50. Наиболее известные производители аппаратных и программных средств с применением BITBUS:

• Sycat Software-Design-Automation, Австрия;
• Quin Systems Ltd., Великобритания;
• Elzet 80 Mikrocomputer GmbHinrec GmbHISK AutomationPhoenix-ContactSelectron System GmbH, Германия;
• Brodersen Control Systems A/S, Дания;
• System Electronics SpABoconsult Ingegneria dei Sistemi SpA, Италия; INCAA Computers BV, Нидерланды;
• АО "ТЕКОН", Россия;
• Industrial Service Technology, Ltd. (DATEM div.), США;
• Efisysteme, Франция;
• Syslogic Datentechnik AG, Швейцария.

Номенклатура выпускаемого в настоящее время оборудования с протоколом BITBUS включает полную гамму технических средств АСУ ТП:

адаптеры (hostadapters) в формате наиболее распространенных IBM-совместимых промышленных компьютеров, в стандарте VME, PS/2, контроллеров Simatic S5, DEC-VAX, STD, SBX и т. п.;
 

шлюзы для подключения к сети BITBUS наиболее распространенных моделей контроллеров через их внешние интерфейсы: Allen-Bradley (DF1), Simatic S5 (L1), AEG-Modicon (Modbus), Gegelec GEM80, IDEC, SattCon (Comli), Telemecanique (Unitelway), Klockner-Moeller (Suconet) и др.;
 

ретрансляторы для основной (витая пара) и альтернативной сред (оптоволокно), а также для радиоканала, 3 моноблочные и магистрально-модульные программируемые контроллеры;
 

модули удаленного дискретного и аналогового ввода-вывода;
 

устройства для интерфейса с оператором, начиная от однострочных дисплеев до операторских панелей и промышленных рабочих станций систем графической визуализации;
 

устройства считывания штрих-кода, магнитных карт и прочие устройства, непосредственно выходящие в интерфейс BITBUS.

В настоящее время протокол BITBUS реализован на следующих микропроцессорах: 8044, 80С152, 68302, HD64180S, Z8530, 80188.

Области применения

Общее количество установленного промышленного оборудования с использованием протокола BITBUS — более 2,5 миллионов единиц, BITBUS применяется в системах с различной информационной мощностью: от единиц до сотен узлов в сети. Пример — система водоснабжения Лондона, включающая более миллиона первичных датчиков.

BITBUS также принят за основу стандартов в некоторых отраслях. Примерами могут служить:

• системы управления передатчиками в радиостанциях Европы (Telefunken, Thomcast);
• EUROMAP-15 — стандартная сеть машин для литья пластмасс под давлением;
• системы управления электроэнергетики Франции (EDF).

Заключение. BITBUS — простая и надежная сеть

BITBUS является типичной локальной промышленной сетью уровня fieldbus. Её особенностями являются:

• простота реализации;
• низкая стоимость сети и ее компонент;
• минимальное время освоения и приложения к конкретному применению;
• высокая пропускная способность и гарантированное время ответа.

Наиболее крупные сети BITBUS используются в энергетике (ТЭЦ-27), атомной промышленности (Уральский Электрохимический комбинат), в пищевой и комбикормовой промышленности (Магнитогорский комбинат хлебопродуктов), черной (Магнитогорский металлургический комбинат) и цветной металлургии, химии и др. отраслях. Таким образом, BITBUS явился практическим фундаментом для реализации идей распределенных АСУ ТП.