Журнал Мир компьютерной автоматизации - Через открытые сети в открытый мир

Через открытые сети в открытый мир

По материалам книги Клауса Бендера "PROFIBUS. The Fieldbus for Industrial Automation"

		Основу данной статьи составил материал книги идеолога PROFIBUS г-на Клауса Бендера. Данная книга рассказывает не только о конкретной fieldbus-системе (PROFIBUS), но и предлагает заинтересованному читателю взглянуть на весь мир промышленных сетей с позиции стороннего наблюдателя. Что объединяет все fieldbus-системы? Каково их место в распределенной системе автоматизации? Каковы критерии выбора? Это основные вопросы, на которые автор книги пытается ответить.

В 90-ых годах на техническое развитие сильно влияет стремление к децентрализации в распределенных системах автоматизации. Современная микроэлектроника предлагает разработчикам технических информационных систем почти безграничные возможности в реализации новых изделий. Возможность добиться высоких технических характеристик за относительно низкую цену позволяет реализовать функции автоматизации вне блока центрального процессора, например в станках, агрегатах, датчиках и исполнительных механизмах.

Это перемещение функциональности на периферийное технологическое оборудование породило потребность в новых видах коммуникаций. Раньше передача сигналов осуществлялась при простом подключении автоматизируемого процесса к компьютеру, однако сейчас интеллектуальные компоненты технологического процесса требуют специально разработанных видов связей, действующих в рамках их собственной функциональности. Появление цифрового интерфейса сделало шаг к локальной сети почти неминуемым. Этот вид сети, функционирующей на нижнем уровне автоматизации, непосредственно рядом с автоматизируемым технологическим процессом, совсем недавно получил название fielfdbus (полевая шина, или промышленная сеть).

Аналогично тому, что существуют несовместимые компьютерные сети общего назначения, также существует огромное число несовместимых (в каждой фирме своих) реализаций в области промышленных сетей, что приводит к невозможности интегрировать компоненты от различных производителей в более крупную общую систему. А это препятствует быстрому распространению и экономическому использованию интеллектуальных fieldbus-устройств и диктует необходимость перехода к открытым системам. Поэтому на протяжении последних нескольких лет в промышленности делаются попытки разработать стандарт в области компьютерных коммуникаций для автоматизации производства и строительства, который помог бы уйти от закрытых решений. Цель этого стандарта - открытость коммуникаций, означающая, что компоненты автоматизации от различных поставщиков могут без проблем соединяться в общую сеть.

1. Области применений Fieldbus-систем

Процесс производства требует перемещения продуктов, материалов и информации. Обмен информацией, касающейся технологического процесса в некотором производственном пространстве (в отношении времени и топологии), осуществляется по fieldbus-сетям. Различия пользовательских взглядов на мониторинг, работу, обслуживание, ремонт и т.п., а также требований к обработке продуктов в разных процессах и пространствах (топологии, климатических условиях) приводят к потребности в легко адаптируемой системе связи. Адаптацию коммуникационной информационной системы к различным прикладным областям в значительной степени облегчает точная детерминированность коммуникационных спецификаций.

Термин процесс можно определить следующим образом:

Процесс - это набор взаимодействующих системных событий, которые трансформируют, передают или сохраняют материю, энергию или информацию.

Технология автоматизации имеет дело с тремя различными видами процессов:

Технологические процессы служат главной цели предприятия, например, производство изделий, производство энергии, испытания и хранение произведенной продукции.

Прикладные процессы образуют систему сбора, обработки и отображения информации. Они обычно состоят из контроллеров процесса и программируемых микроэлектронных компонентов, например программируемых контроллеров.

Коммуникационные процессы в компьютерной науке представляют собой динамические процедуры, которые обмениваются информацией между коммуникационными партнёрами через выполнение коммуникационных программ. Этот набор коммуникационных процессов, взаимодействующих через общий информационный канал (провода, оптоволокно и т.п.), называется коммуникационной системой.

Организация процесса производства

Любое предприятие - это далеко не только изготовление соответствующей продукции. Сегодня производство должно быть очень гибким, чтобы адаптироваться к рыночным процессам. Это означает, что на каждом технологическом этапе между соответствующими точками должен обеспечиваться свободный обмен информацией. Большие и малые циклы управления производством требуют некоего потока информации из зоны производства к остальной части предприятия. Сюда относится, помимо отделов снабжения и сбыта, управление потоком и качеством создаваемой продукции.

Для того чтобы манипулировать потоком информации на физическом уровне, любая коммуникационная fieldbus-система должна обеспечивать логические коммуникационные структуры. Для конкретного приложения эти структуры включают коммуникационные взаимоотношения между процессами, адресуемые объекты (данные) и используемые службы. Службы - это операции с коммуникационными объектами определённого класса. Измеряемая величина, например, является объектом сети. Службы для этого класса объектов - это операции Read (Чтение) и Write (Запись).

Кроме того, для некоторых прикладных задач требуются фиксированные пределы времени на передачу сообщений и защита от неавторизованного доступа к данным.

Для изготовления изделия производственный поток требует хорошо спланированной доступности сырья и запасов, заготовок, инструментов и полуфабрикатов. А это требует проведения закупок, хранения, непосредственной сборки и транспортировки. Подобные требования определяют коммуникационный профиль fieldbus-систем. Различные информационные и коммуникационные требования, существующие между этими различными производственными фазами, описываются как коммуникационные взаимоотношения (communication relationships).

Для реализации оптимальной fieldbus-системы важно знать, какие возможны типы и скорости потоков сообщений. В области датчиков и исполнительных устройств, выполняющих задачи, непосредственно относящиеся к конкретному процессу (например, управление электродвигателем), первостепенную важность имеет такая характеристика коммуникационной системы, как работа в реальном масштабе времени. Другие характеристики, например эффективная передача больших объёмов информации или замена параметров во время работы, менее важны.

Обычно устройства, объединенные в некую fieldbus-систему, недороги и могут управляться программируемыми контроллерами. Как правило, количество передаваемой информации невелико (менее 1 Кбайта), а расстояния не превышают нескольких сотен метров.

Организация процесса обработки

Технологии обработки промежуточных продуктов (нефтеочистительные, аффинажные заводы, химические и сталелитейные производства) основаны на процессах, в которых часто результаты управления доступны не сразу. Временные постоянные таких процессов довольно велики (около 100 мс и более). Однако это не означает, что время здесь не играет важной роли. Особенность этих процессов в том, что качество управляющего вмешательства определяется правильной отработкой предписанных временных интервалов. Здесь решающее значение имеет квантование временного интервала переменной, например, регулярный опрос измеряемой величины, что в случае с организацией производства не важно.

По сравнению с процессами изготовления изделий поток информации в обрабатывающих областях гораздо больше. Поэтому сообщения от различных автономных устройств, участвующих в технологическом процессе, могут переполнять передающие каналы.

Ещё одна важная проблема - продолжительность процесса, что в значительной степени определяет эксплуатационные параметры и функциональные расширения оборудования. Непрерывные процессы останавливаются редко, иногда только раз в месяц или в год, поэтому соответствующую установку приходится обслуживать во время её работы. В последовательностных процессах (например, производство лекарств) соответствующее оборудование должно манипулировать такими переменными характеристиками, как короткое время жизни продукта, частота прерывания процессов производства, а также частая смена продуктов.

То есть поток информации, обрабатываемой и передаваемой внутри fieldbus-системы, для различных технологических фаз сильно зависит от характеристик применяемых процессов.

2. Связь промышленных коммуникационных систем

Так как информационный поток в системе может быть очень сложным, он обычно структурируется по иерархическим уровням. На уровне планирования данные, подготовленные при проектировании, пересылаются к рабочим местам. Здесь огромные объёмы некритичной ко времени информации обычно передаются по протоколу MAP (Manufacturing Automation Protocol). На этом уровне доступные для данной инфраструктуры информационные каналы могут использоваться множеством различных способов (например, дружественные базы данных и почтовые ящики). Далее информационные потоки спускаются от уровня планирования ниже, на уровень датчиков. При этом в фокусе интересов оказывается и множество других аспектов коммуникации.

Для мониторинга и управления технологическими процессами должны иметься подходящие интерфейсы, доступные как для пользователя, так и для периферийного оборудования.

Что касается последнего, при планировании системных межсоединений должны учитываться технические требования. Важную роль играет и исторический аспект, например наличие более старых интерфейсов. Такие вещи живут долго, особенно в некоторых традиционных сферах промышленности, таких, как текстильная промышленность и автоматизация зданий и сооружений. Существующее кабельное хозяйство и соединения, обычно являющиеся результатом многолетних инвестиций, должны использоваться и в дальнейшем, по крайней мере в течение некоторого переходного периода. Стоимость соединяемых компонентов (датчиков, исполнительных механизмов, программируемых контроллеров и т.п.) лежит в диапазоне от 10 до нескольких тысяч долларов. Всё это требует низких цен на подключение к коммуникационной инфраструктуре, чтобы первоначальная стоимость компонента повышалась незначительно.

Обязательным условием компьютерно-автоматизированного производства, мониторинга и управления технологическими процессами является совместимая информационная сетевая архитектура. На любом предприятии для получения мощной и совместимой информационной сети на различных информационных уровнях должны быть развёрнуты адаптированные к ним типы сетей, соединяющиеся с вышестоящей и нижестоящей сетью подходящими связными устройствами.

Иерархические уровни информационных сетей

Каждый иерархический уровень предъявляет целый ряд требований к физической среде передачи (провод, оптический кабель, радиоволны), методу передачи (например, защищённый/незащищённый) и к рабочим характеристикам. На втором месте по значимости такие параметры, как расходы на установку, физические и юридические ограничения, уже сделанные инвестиции и, наконец, соотношение цена/производительность.

Уровень датчиков (field level). Этот уровень включает устройства, соответствующие технологическому процессу, например датчики и исполнительные механизмы. Задача этих устройств - формировать и передавать информацию о состоянии изготавливаемого продукта и технологического процесса. Измеренные значения являются базисом для вмешательства в технологический процесс, или управления. Посредством измерения и управления участвующие в производстве приборы и оборудование могут оптимально контролироваться и управляться.

Для разных технологических процессов виды измерения и управления разные. Они могут быть цифровыми или аналоговыми. Измеряемые величины могут быть доступны в течение короткого промежутка времени (динамически) или через большой промежуток времени (квазидинамически). Все эти значения могут служить в качестве входных параметров для целого ряда функций, таких, как отображение, хранение, документирование, преобразование и управление.

Непосредственно над уровнем датчиков может находиться уровень управления, что относится к случаю, когда используются рефлексивные функции (функции регулирования и управления). Здесь обработка данных непосредственно влияет на field-уровень в форме управляющих сигналов. Данные оптимизации, диагностики и мониторинга перемещаются в больших циклах управления и направляются далее в функции управляющего уровня, но непосредственного временного или функционального влияния на датчиковый уровень не оказывают. Вся эта информация переносится к задающим функциям управляющего уровня, которые обеспечивают новые качественные производственные характеристики и для пользователя являются наиболее важным аспектом коммуникационной системы. Для того чтобы реализовать такую коммуникационную систему, первостепенную важность имеет концепция согласованности коммуникационных структур на всех уровнях и качество коммуникационных служб (чтение, запись, оповещение о событии и т.п.).

Для передачи информации как внутри, так и вне цикла управления используется некая промышленная сеть (fieldbus). Следовательно, представление и транспортировка объектов должны быть адаптированы к требованиям данной сети. Это означает, что информация, собираемая датчиками через регулярные интервалы времени должна непрерывно опрашиваться. Периодически измеренные значения должны передаваться через определенные интервалы времени с помощью служб периодической транспортировки в приёмник (например, программируемый контроллер) для дальнейшей обработки. Представление данных должно быть коротким (насколько это возможно) для того, чтобы уменьшить время передачи сообщений по шине.

Сообщения на шине можно укоротить, не передавая каждый раз повторяющиеся части, а заранее подтверждая их. Этот метод называется передачей информации, ориентированной на сигналы. В будущих реализациях для обмена информацией с управляющим уровнем будет использоваться передача информации, ориентированной на приложение (например, мониторинг станка). Это означает, что для задач мониторинга нет необходимости передавать в управляющий уровень каждое значение сигнала. Было бы достаточно передавать каждую минуту среднее значение. С другой стороны, значения, выходящие за рамки допустимого диапазона, должны иметь высокий приоритет. Такой принцип передачи данных требует поддержки приоритетности сообщений со стороны fieldbus-системы.

Обработка рефлексивных функций может выполняться как подпрограммами, сосредоточенными в одном полевом устройстве, так и подпрограммами, которые распределяются по разным устройствам. Существует тенденция к использованию первого варианта, и таким образом снижается нагрузка на шину. Если на управляющем уровне для функций мониторинга обновление информации требуется циклически, с временной точки зрения это уже не страшно.

Цеховой уровень (cell level). Под цехом/участком подразумевается производственная единица в гибком производстве, где на автономном оборудовании выполняются независимые задачи. Это может быть обрабатывающий или сборочный цех/участок. Благодаря гибкой конфигурации цехов/участков, зависящей от специфических требований к изготовляемой продукции, система может легко адаптироваться к изменениям типов изделий и их количеству.

На цеховом уровне поток информации состоит главным образом из загрузки программ, параметров и данных. В процессах с малым временем простоя станков и перенастройкой всё это выполняется во время процесса производства. В небольших контроллерах может понадобиться загружать подпрограммы в течение одного производственного цикла. Всё это определяет временные требования, а не характер передачи информации. Передача является ациклической и в зависимости от времени цикла станков и агрегатов может выполняться в пределах заданного интервала времени. Этот информационный поток от направления, как правило, не зависит. Кроме того, синхронизация станков и управление событиями может потребовать короткие времена реакции на шине. Эти строгие требования к реальному времени несовместимы с длительными передачами прикладных программ, откуда вытекает необходимость в адаптируемой сегментации сообщений.

Уровень управления производством (process managment level). Уровень управления производством, называемый также диспетчерским управлением предприятием, состоит из участков, объединённых в группы, контролирующие технологические процессы. Участки представляют собой подсети, функции которых ориентированы на соответствующую прикладную задачу.

Поток информации на управляющем уровне можно реализовать через ациклическую передачу данных, которая в настоящее время является распространённой практикой в сетях MAP. В будущем выбор на управляющем уровне между циклической и/или ациклической передачей данных будет, по сравнению с подготовкой данных, не так важен. В коммуникации MAP/MMS (Manufacturing Automation Protocol/Manufacturing Message Specification) всё более и более преобладает объектно-ориентированный подход к информации. Только этот метод делает возможной интерпретацию прикладных данных при взаимодействии нескольких разных прикладных задач.

Функциональность устройств

Устройства, используемые в технологии автоматизации, обычно предназначены исключительно для выполнения конкретной функции (например, измерения или управления). Что касается информационного потока к устройству и от него, важны следующие параметры:

Точки доступа. Они включают настраиваемые параметры управления, называемые также объектами. В качестве точек доступа важны параметры обслуживания. Например, измерители времени могут считываться через коммуникационную систему и давать информацию о дате следующего сервисного вмешательства.

Объём приходящей информации. Для сервисного вмешательства, такого, как запуск и останов прибора, важно знать объём передаваемой устройству информации. Этот объём, размер буфера приёмника и имеющийся в распоряжении вид служб передачи влияют на длительность такого вмешательства.

Условия доступа. Обычно эталонные параметры доступны только во время некритичного времени простоя станка. Для доступа к параметрам, которые управляют технологическим процессом или с помощью которых может быть получена конфиденциальная информация об этом процессе, может быть обязательна авторизация имеющегося доступа (необходимость получения разрешения на него).

3. Открытое взаимодействие

Основной принцип открытого взаимодействия заключается в возможности взаимодействия прикладных систем от различных поставщиков. Всё это требует большой работы по стандартизации сетевых интерфейсов. Содержательное значение (семантика) передаваемой информации зависит от прикладной задачи.

Существующие коммуникационные системы можно классифицировать по двум типам архитектур. Так называемая CSI-архитектура (Closed Systems Interconnection - взаимодействие закрытых систем) представляет собой локальную сеть, в которой все компоненты спроектированы и поставляются одним поставщиком. Пользователь вынуждается к покупке законченного решения у одного поставщика и "привязке" к нему при всех дальнейших расширениях системы. При желании можно подключить к системе устройства от других поставщиков, что дорого и сложно.

Вот почему сторонники OSI-архитектуры (Open System Interconnection - взаимодействие открытых систем) пытаются разработать общую спецификацию, которая даст возможность интегрировать устройства в одну распределенную ("мультивендорную") систему.

Модель ISO/OSI

Современные коммуникационные системы проектируются в соответствии с эталонной моделью ISO (Международная организация по стандартизации)/OSI (ISO 7498), в которой коммуникационные функции структурируются по 7 уровням. В этой модели каждый функциональный уровень соединяется с соседним через точки интерфейса. В итоге пользователь имеет прозрачную коммуникационную систему, которая позволяет просто и эффективно передавать данные между станциями. Прозрачная коммуникационная система означает, что передаваемые по ней сообщения не искажаются и не модифицируются как-либо иначе.

Уровень 1: Физический уровень.

Физический уровень определяет электрические, механические и процедурные параметры физического соединения. Его задача - поддержание реального физического интерфейса (то есть, передача "необработанного" битового потока). На этом уровне определяется физическая форма логических сигналов, какие выводы используются для каждой функции и т.п.

Уровень 2: Канальный уровень. Канальный уровень предоставляет функциональные средства для установления, поддержания и прерывания информационного канала между отдельными станциями. Поток "голых" битов обрамляется дополнительной информацией. Для передачи этих данных формируются кадры, которые, кроме самого сообщения, содержат информацию от передатчика и приёмника, а также некоторые дополнительные управляющие данные. Кроме того, протокол канального уровня должен обнаруживать потерю информационных пакетов и соответствующим образом реагировать на эти ситуации.

Уровень 3: Сетевой уровень. Сетевой уровень выполняет маршрутизацию - выбор маршрута передачи данных через сеть узлов. Эти маршруты никогда не должны перегружаться. Поэтому должен быть найден самый эффективный маршрут.

Ещё одна важная задача сетевого уровня - управление потоком данных в сети. В подсетях данные буферируются в конечной точке одного подмаршрута. Однако эти буфера не должны переполняться. Такие проблемы возникают в локальных сетях (ЛВС) в случаях, когда некоторые из них соединяются через шлюзовые ЭВМ.

Уровень 4: Транспортный уровень.

Транспортный уровень предлагает надёжный транспортный сервис для соседнего вышестоящего уровня, пряча от него "всю кухню" передачи принимаемой от него информации. Он устанавливает один или несколько логических каналов, которыми управляет средствами трёх нижележащих уровней. Транспортный уровень выполняет управление ошибками от одной конечной системы до другой. При необходимости, когда пакеты передаются с ошибками или теряются, он разбивает сообщения на более короткие пакеты, и пытается повторить запросы от других станций.

Этот уровень переупорядочивает пакеты, когда они приходят в неправильном порядке, и автоматически корректирует ошибки. Транспортный уровень завершает транспортную часть коммуникации.

Протоколы уровней с первого по четвёртый называются также сетевыми протоколами, а протоколы уровней с пятого по седьмой - прикладными протоколами.

Уровень 5: Сеансовый уровень. Сеансовый уровень - самый низкий из уровней, ориентированных на прикладную задачу. Сеанс может использоваться, например, для входа во внешнюю систему или для файлового обмена между внешними системами. Сеансовый уровень тесно работает с главной операционной системой и предлагает следующий сервис (службы):

начало и завершение сеанса,

мониторинг работы во время сеанса,

управление информационным потоком

управление диалогом.

Уровень 6: Уровень представления данных. Задача уровня представления данных - предоставить доступ прикладному уровню, интерпретирующему поступающую и уходящую информацию, к служебным операциям. Передаваемые данные модифицируются таким образом, чтобы прикладные процессы, участвующие в коммуникации, могли их понимать.

Уровень представления особенно важен для защиты данных от неавторизованного доступа. На этом уровне могут реализовываться процедуры шифрации и дешифрации.

Уровень 7: Прикладной уровень. Самый верхний уровень эталонной модели OSI, прикладной, не предоставляет пользователю "явного" сервиса, ориентированного на конкретное приложение. Скорее пользователь (например, прикладной процесс) представляется инстанцией прикладного уровня.

Это означает, что прикладной уровень не выполняет своих собственных служебных операций. Они выполняются соответствующим прикладным процессом, который находится вне прикладного уровня.

Основная функция эталонной модели OSI

Говоря в общем, эталонная модель OSI показывает, как можно получить взаимодействие между физически связанными системами от различных поставщиков.

Полевой шине для конкретных приложений автоматизации нужны не все вышеупомянутые свойства, а только те, которые имеют отношение к данному приложению.

4. Основные классы локальных сетей

Локальные вычислительные сети (ЛВС) устанавливаются, как правило, внутри помещений (зданий или цехов), заводских построек или в пределах больших институтов. Эти сети связывают такие устройства, как терминалы, рабочие станции, процессоры и т.п. В цехах это могут быть устройства, имеющие отношение к технологическому процессу (например, датчики, исполнительные устройства, трансмиттеры, программируемые контроллеры или роботы, станки с программным управлением и т.п.).

Для многочисленных прикладных сфер уже разработана соответствующая техника ЛВС. Семейство ЛВС можно условно разделить по уровням использования

ЛВС первого уровня. Это высокопроизводительные ЛВС. Они поддерживают широкий спектр служебных функций и используются в основном для неспециализированных прикладных областей. В частности, они могут поддерживать передачу речи и изображений. ЛВС первой группы базируются на технологии широкополосной передачи, стоящей относительно дорого, что оправдывается только большим количеством подключенных к ЛВС станций и оптимальным использованием своих ресурсов. Среда передачи включает коаксиальные и оптоволоконные кабели. Скорость передачи лежит в районе 100 Мбит/с. Эти сети приобрели известность под именем высокоскоростные ЛВС (HS-LAN, High-Speed LAN). В технологии автоматизации они могут использоваться как базовые сети.

ЛВС второго уровня. Это тоже высокопроизводительные ЛВС. Обычный радиус их функционирования - до 2,5 км. Несмотря на применение техники широкополосной передачи, они дешевле, но для поддержания передачи изображений не годятся. Типичной средой передачи является коаксиальный кабель со скоростями передачи до 50 Мбит/с. Типичный пример - сеть Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с.

ЛВС третьего уровня. Они также хорошо известны как "дешёвые ЛВС" (промышленные сети, fieldbus). Они недороги и часто используются в прикладных или системно-специализированных системах на базе ПК. Дешевизна установки и эксплуатации таких сетей обуславливается применением основополосной технологии с использованием экранированных линий, витых пар и недорогих коаксиальных кабелей. Скорости передачи лежат в диапазоне от 9,6 Кбит/с до 2,5 Мбит/с. Расстояния передачи, в зависимости от скорости передачи, могут достигать 2,5 км.

Типичные пользовательские требования, предъявляемые к промышленной сети:

простая среда передачи, двухпроводная линия;

различная топология: звезда, шина, дерево;

расстояния передачи: до нескольких километров;

в качестве опции - электропитание через шину;

различные скорости передачи;

защита передаваемой информации;

короткие сообщения;

простота использования.

Последовательные и параллельные шины

Цифровая информация в компьютерной системе обычно обрабатывается блоками по 8, 16 и 32 бита. В модульных компьютерных системах высокоскоростную коммуникацию между различными компонентами обеспечивают так называемые параллельные информационные шины. В настоящее время широко распространены 32-разрядные информационные и 24- или 32-разрядные адресные линии. При мультиплексной работе адреса и данные могут передаваться по одним и тем же линиям. В случае параллельных шин все операции передачи и доступа к передающей среде обычно управляются по отдельным линиям. К параллельным шинам относятся такие шины, как VMEbus, Multibus II, NuBus, EISA и Futurebus +.

Для обмена данными между контроллерами и компьютерами, работающими на уровне датчиков (fieldbus level), необходимы сетевые мосты до 2 км длиной. Организация такого взаимодействия наиболее экономична лишь на основе последовательных шин, где данные передаются бит за битом последовательно.

Говоря в общем, шинные системы можно классифицировать по методам:

мультиплексирования: с частотным или временным разделением;

передачи: синхронная или асинхронная;

доступа к шине: управляемый или произвольный;

управления шиной: централизованное или децентрализованное.

При мультиплексировании с временным разделением различные станции на шине могут передавать данные только поочередно, что требует введения некоторых правил доступа к шине. Этот метод широко распространён и может быть легко реализован. Поэтому для недорогих промышленных сетей этот тип доступа к шине используется чаще всего.

В аналоговой передаче сигналов речи и видеоизображений хорошо известен метод мультиплексирования с частотным разделением. Он базируется на делении всей полосы частот передающей среды на частотные диапазоны. По логическим каналам уже установленных физических каналов одновременно передаётся несколько информационных кадров. Основной недостаток этого метода заключается в том, что информация может передаваться только ненаправленно, что означает: каждая станция должна иметь каналы приёма и передачи.

Методы доступа к передающей среде

Метод доступа к среде передачи зависит от правил, по которым каждая станция следит за сообщениями, принимаемыми и передаваемыми по шине. Шины, в которых используется метод временного разделения, можно грубо разделить на следующие категории:

Управляемый доступ. Его можно подразделить на централизованный и децентрализованный. При централизованном арбитраже право доступа к шине различных станций определяет выделенная мастер-станция. В таких системах используются различные варианты метода циклического опроса всех станций. Вариацией этого метода является метод, реализующий Принцип Переходящего Мастера (Flying Master Principle): функции мастер-узла поочередно передаются другим станциям.

Еще один метод децентрализованного доступа - метод множественного доступа с разделением времени (TDMA - time division multiple access). В этом случае для каждой станции шины резервируется фиксированный временной интервал, в течение которого она может обращаться к шине. Реализация этого метода требует надёжной синхронизации информационных кадров.

Произвольный доступ. Произвольный доступ означает, что с точки зрения шины доступ к передающей среде предоставляется случайно. Наиболее известным примером этого метода является метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection - множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов). Станция, желающая передать сообщение, сначала "прослушивает" шину. Если она не выявит наличие передачи сообщений, она начинают свою передачу. Если одновременно с ней передачу начинает другая станция, оба сообщения "сталкиваются" друг с другом на шине. Для разрешения такого конфликта существуют различные алгоритмы.

На практике существуют различные комбинации методов доступа, которые можно классифицировать как смешанные.

Сегодня дискуссия о наилучшем методе доступа приобретает почти "религиозный" характер. При выборе конкретной fieldbus-системы существенны такие критерии, как:

поведение в реальном времени,

гарантированный доступ за определённое время,

управление приоритетами станций,

равномерный по времени доступ к шине,

различные методы доступа к передающей среде.

5. Аспекты реализации

Соответствие открытым протоколам

Необходимым условием взаимодействия устройств от различных поставщиков является поддержка ими открытых протоколов связи. Основой "открытых" протоколов является публикация спецификации протокола, достаточной для того, чтобы любой поставщик мог реализовать своё собственное коммуникационное устройство. В идеальном случае спецификации должны быть такими, что при педантичной их реализации теоретически возможно безошибочное взаимодействие открытых систем. Однако на практике спецификации протокола являются неполными или неоднозначными, оставляющими простор для различных интерпретаций, что приводит к различию в реализациях.

Если некая реализация удовлетворяет конкретной спецификации, то говорят о соответствии данной спецификации. Это соответствие является атрибутом качества данного продукта, что должно быть подтверждено тестированием в уполномоченном на это учреждении. Испытания на соответствие - это единственный способ избежать несовместимых реализации стандартных протоколов, так как сертификат о прохождении испытаний на соответствие - это, некоторым образом, знак качества и составляющая гарантии качества компонентов автоматизации.

Интероперабельность открытых протоколов

Испытания на соответствие тестируют только одну выбранную реализацию данной спецификации. Испытаниями на интероперабельность проверяют возможность совместной работы нескольких реализации, уже протестированных на соответствие, с целью обнаружения несовместимости, причина которой кроется либо в неправильном выборе параметров конфигурации коммуникационной системы, либо в неправильном функционировании служебных операций.

Взаимозаменяемость устройств, работающих с открытыми протоколами

Новым понятием в технологии автоматизации является понятие взаимозаменяемости устройств от различных поставщиков. Обязательным условием при этом является то, что эти устройства имеют одинаковое прикладное назначение и характеристики. Взаимозаменяемость - это свойство, требующее классификации объектов по группам, которые могут заменять друг друга в отношении характеристик конкретного класса. Для этого должны быть определены профили, которые предлагают пользователю критерии выбора этих устройств.

Необходимые условия интегрирования систем

Вопросы интеграции систем интересуют людей двух категорий: тех, кто планирует интегрировать некоторую fieldbus-систему в организацию производства своей компании, и тех, кто хочет реализовать ее со стороны собственных изделий.

Первый шаг - это определение существующего состояния и ближайших, промежуточных и перспективных задач, которые компания желает решить. В этом анализе особый интерес вызывают экономические аспекты, такие, как конкурентоспособность продукции, рыночные и эволюционные тенденции, позиционирование конкурентов и гибкость предложений по созданию специализированных систем технологической автоматизации.

После того как вышеперечисленные задачи поставлены, следующим шагом является определение технических требований, которым должна удовлетворять fieldbus-система. Пригодность какой-либо сети для решения конкретной задачи сильно зависит от топологии этой сети. На период реструктуризации ее можно, например, адаптировать к первоначальной организационной структуре компании. Однако во многих случаях эта структура перестаёт быть эффективной, поэтому более выгодной может быть адаптация структуры фирмы к оптимальной топологии сети fieldbus.

После того как оптимальная топология найдена, необходимо рассмотреть характеристики, относящиеся к производительности, а именно: скорость передачи, максимальную общую длину сети, максимальное расстояние между отдельными станциями. Все эти три параметра в значительной степени влияют на важные критерии определения технической пригодности полевой шины, включая временные требования, предъявляемые к коммуникационной среде со стороны производственной среды или конкретной функции отдельного устройства.

После определения требований к характеристикам производительности необходимо определить набор функций выбранной шины. Сюда также относится информация о том, какие виды служебных функций требует система fieldbus, какие возможны методы доступа и как эта нагрузка распределяется по системе. Во многих случаях достаточно конфигурации с одним ведущим и несколькими подчинёнными устройствами ("мономастерная система").

И, наконец, возможные решения необходимо оценить с экономической точки зрения. Должна быть проанализирована сложность интеграции и определена номенклатура и рыночное предложение необходимых для системы fieldbus изделий. Необходимо определиться, какое решение больше подходит - открытая система или система, "завязанная" на одного поставщика.

Рассматривая упомянутые выше критерии - топологию, производительность, функциональность и экономическую эффективность, - можно решить, подходит ли для вашей компании данная промышленная сеть. Если такое решение принято, то следующим этапом будет реализация этой сети либо внутренними силами фирмы, либо с помощью покупки существующей технологии.

Благодаря стремительному развитию технологии автоматизации, информационные структуры переплетаются всё более и более. Поэтому необходимо предоставлять не только различные формы коммуникаций для реализации конкретных функций (например, обслуживания и управления), но и обеспечивать возможность межуровневых взаимодействий, где без использования открытых сетевых решений не обойтись.

А.Любашин, ЗАО РТСофт, (095) 742-68-28