Первоисточник: http://www.asutp.ru/?p=600191

Первое знакомство: краткий обзор промышленных сетей по материалам конференции “FieldComms’95”

А. Н. ЛЮБАШИН, АО РТСофт

"Всякая вещь есть форма проявления беспредельного разнообразия..."
Козьма Прутков

1. В качестве введения

Около 25 лет назад технология приборной связи 0, 4, ...20 мА стала стандартом де-факто. В результате, производители контрольно-измерительной аппаратуры получили стандарт, на основе которого их продукты можно было интегрировать в системы без особого труда.

С развитием цифровой технологии ситуация в этой области изменилась. Благодаря таким преимуществам, как экономичность решений, информативность, надежность и безопасность, следующие несколько пет можно будет наблюдать постепенный переход от аналоговой технологии к цифровой. Перед тем как говорить об особенностях тех или иных аппаратно-программных решений, полезно будет дать некоторые базовые понятия из области передачи данных на уровне реального производства и контроля (field level), перечислить основные требования к промышленным сетям передачи данных и дать краткое описание моделям промышленных сетей.

Фабрика будущего

18-й век положил начало промышленной революции, 20-е годы этого столетия связаны с появлением технологий массового производства. Но третий, пожалуй, даже более значимый по важности шаг, сделанный в 80-х годах и обусловленный появлением цифровой системы связи, можно смело назвать "цифровой революцией". В это время цифровая технология проникла на все уровни промышленного производства: начиная с офисов и кончая датчиками. Естественно, возникла задача обмена данными между всеми уровнями технологического процесса. Таким образом, появились следующие понятия:

• CIM(Computer Integrated Manufacturing)
• CIP (Computer Integrated Processing)

Эти понятия, сформулированные в конце 80-х годов, окружают все технологические и организационные моменты, необходимые для получения

нового качества изделий, для так называемой "Фабрики будущего". Самым существенным компонентом модели CIM/CIP является организация связи,

а это, прежде всего, гарантия надежной регистрации событий, получения и обработки данных, своевременной выдачи управляющих воздействий.

Все это вместе и предопределяет успех.

Текущее состояние

На каждом уровне технологического процесса происходит обработка "своих", специфических наборов данных.

Такие требования, как скорость передачи данных, протоколы передачи, физические интерфейсы и т.д., управляют

выбором того или иного сетевого решения при построении сложных распределенных систем. Гарантия совместной

работы отдельных частей системы возможна лишь при использовании соответствующих стандартов связи между этими

частями.

Административный уровень системы управления производством сегодня представлен целым рядом протоколов,

среди которых наиболее известны два:

• Протокол автоматизации производства (Manufacturing Automation Protocol, MAP, фирмы General Motors);
• Протокол технического и административного учреждения (Technical Office Protocol, TOP, фирмы Boeing).

    
Они являются стандартами де-факто в этой области.
    

Для более низких уровней (field level), т.е. уровней промышленных контроллеров, датчиков и исполнительных механизмов, стандартной

информационной системы не существует. Эта область развивается сейчас благодаря усилиям отдельных компаний или их групп, и еще

далеко не ясно, какая из систем будет стандартом хотя бы и де-факто.

Любая производственная технология представляет собой набор отдельных шагов: от обработки сырья до организации системы хранения продукции,

и все эти операции должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между

контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием

"промышленные сети" (FieldBus, или "полевая" шина). Промышленная сеть должна решать две основные задачи:

• обеспечивать совместимость на уровне сети приборов от разных производителей;
• обеспечивать выход в коммерческие системы обработки данных, например MAP или ТОР.

"Закрытые" и "открытые" системы связи

Объединение в одну цифровую сеть нескольких устройств - это только начальный шаг к эффективной и 
надежной работе системы связи между ними. В дополнение к аппаратным требованиям предъявляется также 
ряд программных.
Там, где системы связи, или сети, гомогенные (однородные), то есть объединяют устройстве от одного 
производителя, эти проблемы, как правило, решены. Но когда речь идет о построении сети из устройств 
различных производителей - эти проблемы обретают множественный характер.

Системы, являющиеся уникальными (их делает и поддерживает только один производитель), работающие по уникальным протоколам связи,

получили название "Закрытых систем" (closed/proprietary systems), большинство таких систем зародилось во времена, когда проблема

интеграции изделий других производителей не считалась актуальной.

"Открытые системы" (open systems) приводят в соответствие специфические требования интересам всех. Только при использован

ии принципов открытых систем интеграция изделий разных производителей в одну сеть может быть решена без особых проблем.

Модель взаимосвязи открытых систем

В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) в противовес закрытым сетевым системам и с целью разрешения проблемы

взаимодействия открытых систем с различными видами вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была

предложена "Описательная модель взаимосвязи открытых систем" (OSI-модель, ISO/OSI Model или семиуровневая модель). В табл. 1

представлены все уровни и функции этой модели.

Все, что находится выше 7-го уровня модели, это задачи, решаемые в прикладных программах. Идея семиуровневого открытого соединения

состоит не в попытке создания универсального множества протоколов связи, а в обеспечении "модели", в рамках которой могут быть

использованы уже существующие различные протоколы.

Применение OSI-модели в промышленных сетях

Большинство промышленных сетей поддерживают 1, 2 и 7-ой уровни OSI-модели: физический уровень, уровень передачи данных и прикладной

уровень. Все другие уровни, как правило, избыточны.

• Физический уровень (Physical Layer) обеспечивает необходимые механические, функциональные и электрические характеристики для установления

поддержания и размыкания физического соединения.

• Уровень передачи данных (Data Link Layer) гарантирует передачу данных между устройствами. Этот уровень управляет не только сетевым доступом,

но также механизмами защиты и восстановления данных в случае ошибок при передаче.

• Прикладной уровень (Application Layer Inferface) обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного

пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных. Как исключение существуют протоколы

промышленных сетей, реализующие все семь уровней OSI-модели, например LonWorks.

Табл. 1. Функции уровней OSI-модели

Определяет синтаксис данных, управляет их отображением на виртуальном терминале.

2. 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. Сравнение этих топологий представлено в таблице 2.
    

Табл. 2. Сравнительные характеристики основных топологий

Сбой центрального узла - сбой всей системы

Структура "звезда"

В данной топологии вся информация передается через некоторый центральный узел, так называемый обрабатывающий компьютер. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения. Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Преимущество этой структуры в том, что никто другой не может влиять на среду передачи. Один собственник управляет и владеет ею.

С другой стороны, центральный узел должен быть исключительно надежным устройством как в смысле логического построения сети (отслеживание конфликтных ситуаций и сбоев), так и физического, поскольку каждое периферийное устройство имеет свой физический канал связи и, следовательно, все они должны обеспечивать одинаковые возможности доступа. Дополнительное устройство может быть включено в сеть только в том случае, если организован порт для его подсоединения к центральному узлу.

Структура "кольцо"

В кольцевой структуре информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник копирует данные, регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом. В кольце не существует определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего контроллера на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а, следовательно, и к остановке всех передач. Чтобы этого избежать, необходимо включать в сеть автоматические переключатели, которые берут на себя инициативу, если данное устройство вышло из режима нормальной работы. То есть, они позволяют включать/выключать отдельные узлы без прерывания нормальной работы.

Структура "шина"

В любой шинной структуре все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или шине. В отличие от "кольца" адресат получает свой информационный пакет без посредников.

Процесс подключения дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии "звезда".

Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи. Существует два метода регулирования такого доступа, известного еще под термином "шинный арбитраж":

• "фиксированный мастер" (централизованный контроль шины):
• доступ к шине контролируется центральным мастер-узлом;
• "плавающий мастер" (децентрализованный контроль шины):
• благодаря собственному интеллекту каждое устройство само определяет регламент доступа к шине.

3. Передача данных

Основными достоинствами промышленных сетей являются недорогие линии и надежность передачи данных. Данные передаются последовательно бит за битом, 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. Время передачи, однако, увеличивается пропорционально длине битовой строки.

Интерфейс RS-232C

Этот широкоиспользуемый стандартный интерфейс обеспечивает работу стандартного оборудования передачи данных между модемами, терминалами и компьютерами. Электрически система основана на импульсах ±12В, кодирующих последовательности "О" и "1". Механически этот стандарт определяет 9- и 25-контактные разъемы.

Основные сигналы передаются по линиям "передача/прием" данных. Скорость передачи выбирается из диапазона от 50 до 38400 бод,

Остальные сигнальные линии передают статусную информацию коммутируемых устройств.

Интерфейс RS-422

Симметричный интерфейс RS-422 использует дифференциальные сигнальные линии. На приемном конце используются две информационные линии и линия заземления. В основе кодирования передаваемых/принимаемых данных лежит принцип изменения напряжения на сигнальных линиях. Реализованный принцип кодирования делает этот стандарт устойчивым к внешним возмущениям.

Использование этого стандарта позволяет значительно удлинять физические линии передачи данных и увеличивать скорость.

С помощью интерфейса RS-422 можно строить и шинные структуры.

Интерфейс RS-485

Этот тип интерфейса соответствует спецификации симметричной передачи данных, описанной в американском стандарте IEA RS-485.

Этот интерфейс пригоден для высокоскоростной передачи данных.

Максимальная длина варьируется от 1,2 км на скорости до 90 кбод и до 200 м - на скорости до 500 кбод.

В табл. 3 приводятся сравнительные характеристики этих трех стандартных физических интерфейсов.

Табл. 3. Сравнительные характеристики стандартных физических интерфейсов

32/32

Кроме типа физического интерфейса при построении промышленной сети не менее важно учитывать особенности и ограничения физической среды передачи данных. В табл. 4 приведены оценочные данные, сравнивающие основные типы сред передачи по ряду критериев (по данным журнала "SPECTRUM IEEE").

4. Методы доступа к шине

Если несколько устройств коммутируются между собой через общую линию связи (шину), то должен быть определен ясный и понятный протокол доступа к ней.

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. Если вдруг Мастер "сломался", то и 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 две модели децентрализованного доступа:

• модель CSMA/CD (например, Ethernet) как стандарт IEEE 802-3;
• 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.

Случайный метод доступа к шине (CSMA/CD)

Наиболее известным механизмом управления локальной сетью шинной конфигурации является метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD). Наиболее широко известная реализация этого метода - спецификация Ethernet.

Все станции на шине имеют право передавать данные. Каждая из них постоянно прослушивает шину. Если шина свободна, любой из участников сети может занять шину под свой цикл передач. В том случае, когда несколько станций претендуют на шину одновременно, это приводит к так называемому конфликту (коллизии), и тогда все "претенденты снимают свою заявку".

    
Затем каждый из участников включает некий случайный генератор, который задает случайный интервал ожидания до следующего момента запроса шины.
    

Метод CSMA/CD получил широкое распространение в офисных системах и наиболее эффективен в условиях относительно низкой общей загрузки канала (менее 30%). В условиях большей загрузки канала выгоднее использовать сети, реализующие модель с передачей маркера.

Табл. 4. Сравнительные характеристики различных сред передачи данных

Метод передачи маркера (The Token Passing Method)

В этом методе маркер, то есть право на доступ к шине, передается в цикле от устройства к устройству. Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на стадии планирования системы.

    
Этот метод предлагает каждому участнику сети "справедливое" разделение шинных ресурсов в соответствии с их запросами. Принцип передачи маркера используется в системах, где реакция на события, возникающие в распределенной системе, должна проявляться за определенное время.
    

Табл. 5. Сравнительные критерии промышленных сетей типов Fieldbus и Sensorbus

</FON