 Средства коммуникации
промышленного применения нижнего уровня иерархииП.Иванов, АО
Сименс | ||||||
| ||||||
| ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Признанной базой для определения применяемых в
промышленной области средств коммуникации считается
7-уровневая модель ISO/OSI. Она служит ориентиром при попытке
сформулировать требования к коммуникационной системе для
компьютерного интегрированного производства, CIM (Computer
Integrated Manufacturing), в форме общих правил построения
такой системы. Модель предлагает рассматривать любую
коммуникационную систему как систему, состоящую из 7
иерархических уровней. Каждый уровень обслуживает вышележащий
уровень и, в свою очередь, пользуется услугами нижележащего.
На самом верху этой иерархической лестницы находится
прикладной уровень, служащий интерфейсом к пользователю.
Каждый уровень распространяется по всей коммуникационной
системе от партнера к партнеру. Протоколы каждого уровня
обеспечивают возможность "взаимопонимания" между подключенными
к шине устройствами. Устройства должны использовать одни и те
же уровни, для того чтобы правильно "запаковывать" и
"распаковывать" передаваемую полезную информацию. Модель
построена таким образом, что отдельные уровни, если
исполняемая ими функция не нужна, могут быть при рассмотрении
опущены или обойдены. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Для шины промышленного применения не нужны все уровни. Так
в стандарте DIN 19245, называемом также PROFIBUS, реализованы
уровни 1, 2 и 7. Уровень 1 (физический) обеспечивает передачу
и распознавание битов. Уровень 2 (канальный) образует так
называемые битовые пакеты, или фреймы. Он обеспечивает
достоверность передачи битовой информации, а также
регламентирует доступ к среде передачи. Уровень 7 (прикладной)
предлагает пользователю базовые службы, например работу с
файлами. Для работоспособности этой коммуникационной модели
некоторые функции из уровней 3-6 интегрированы в уровень 7
(например, установление и разрыв соединения). | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Целью создания шины промышленного использования является
соединение промышленных электронных устройств в единую систему
управления некоторым технологическим процессом. Промышленные
электронные устройства - это датчики, исполнительные
механизмы, весы, регуляторы, привода и т. д. Однако к такой
шине должны также подключаться и программируемые логические
контроллеры (ПЛК) и персональные компьютеры (ПК) с простыми
функциями. В стандарте PROFIBUS предусматривается подключение
к шине до 127 устройств. Существует шкала настройки скорости
передачи, которая может составлять до 1500 Кбит/с (12 Мбит/с
для DP). Эта скорость вполне достаточна для передачи сообщений
о текущем состоянии и команд управления между различными
устройствами. Такие сообщения и команды по своему объему
обычно не превышают несколько десятков байт. В исключительных
случаях возможна передача пакетов данных размером в несколько
килобайт. PROFIBUS как шина промышленного применения должна с
точки зрения работы в режиме реального времени удовлетворять
самым высоким требованиям. Особенно это касается критичных по
времени задач управления и регулирования. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| В зависимости от стоящих перед ними задач пользователи
рассматривают шины промышленного применения как бы с двух
сторон. Существуют пользователи, которые понимают шину
промышленного использования как составную часть идеи MAP.
Обычно они хотят конфигурировать эту шину таким образом, чтобы
обеспечить возможность ее интеграции в архитектуру MAP в любое
время. В этом случае необходимо особенно заботиться о
независимости 7-го уровня от применяемой шинной системы, а в
гетерогенных шинных конфигурациях - и о его единстве.
Преимущества гомогенной коммуникационной среды с функционально
одинаковыми службами достигаются принятием соглашений о том,
какие службы можно использовать в подключаемых устройствах.
Это обуславливает наличие дополнительной интеллектуальности в
устройствах, однако позволяет оснастить их оптимальным набором
служб. | ||||||
| Другим пользователям нужна такая шина промышленного
применения, которая позволит, в первую очередь, снизить
затраты в области производства. Применявшаяся до последнего
времени параллельная система передачи состояний сигналов вела
к большим затратам на прокладку кабелей. Требование, которое в
этой связи предъявляется к шине промышленного применения, -
это обеспечение такой же надежной и достоверной передачи
битовых и аналоговых сигналов и пакетов данных, как у
оправдавшей себя на практике технике +- 20 мА. В шине
используются при этом только два провода! | ||||||
| Этим требованием определяются и необходимые
коммуникационные службы. Объем функций такой коммуникационной
среды приспособлен к условиям промышленной эксплуатации. Связь
с информационными сетями верхнего уровня иерархии происходит
через соответствующие межсетевые
преобразователи. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Промышленные шины и шины производственных
участков | ||||||
| Эти шины отличаются друг от друга тем, что промышленные
шины соединяют между собой внешние устройства некоторого
технологического процесса, а шины производственных участков -
отдельные производственные участки. Их принадлежность к
системам различного класса мощности поясняет следующее
сопоставление требований к обеим шинным
системам. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Промышленная шина - переключатели, привода
позиционирования, электронные мультиплексоры, датчики, моторы,
вентили, обладающие интерфейсом шины. Кроме того, ПЛК и ПК,
чья функция заключается в координации работы отдельных
электронных устройств и предварительной обработке
информации. | ||||||
| Шина производственных участков: спектр простирается от
логических программируемых контроллеров до больших ЭВМ. Между
ними лежит целый ряд других компонентов, например ЦП, системы
управления роботами, ПК и рабочие станции. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Промышленная шина - передача машинных данных, например,
состояния переключателей, измеряемые величины и т.п. Кроме
того, должна существовать возможность параметрирования и
программирования подключенных устройств через шину, например,
от центрального программатора. | ||||||
| Шина производственных участков - главным образом, должна
осуществляться передача уже обработанных данных. Очень часто
используются такие иерархические структуры, в которых узлы
нижнего уровня иерархии шлют пакеты узлам верхнего уровня
иерархии, например, сообщения об ошибках. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Промышленная шина - требования по мощности неоднозначны. К
некоторым промышленным шинам ставится требование очень быстрых
времен реакции. Для других систем на первом месте стоит
дешевизна. | ||||||
| Шина производственных участков - из-за близости к
управляемому процессу к этим шинам предъявляются очень высокие
требования. Типичное время реакции при обмене данными процесса
составляет порядка 50 мс. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| В промышленных шинах - небольшие, поскольку посылаются
пакеты, как правило, небольшого объема. Упомянутые выше
функции удаленного параметрирования и программирования тоже
работают с относительно небольшими объемами данных. Кроме
того, эти функции исполняются сравнительно
нечасто. | ||||||
| В шинах производственных участков - значительно выше, чем
в промышленных шинах. Необходимо обеспечить возможности
передачи файлов, как между компьютерами. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Промышленная шина - количество подключаемых устройств
колеблется от нескольких штук до примерно 100. | ||||||
| Шины производственных участков - верхняя граница примерно
в 3 раза выше, чем у промышленных шин. На практике, однако,
встречаются и установки с количеством узлов меньше
5. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Промышленная шина - должна стоить мало. Существует общее
правило: чем ниже стоимость подключаемых к шине устройств, тем
меньше должен стоить интерфейс к шине. Это значит, что
стоимость интерфейса для датчика стоимостью в несколько сот DM
должна быть значительно ниже стоимости самого датчика. ПЛК,
которые частично подключаются через собственные модули
подключения, могут стоить, конечно, выше. Это оправдывается
тем, что такие координирующие элементы чаще всего подключаются
к шине в небольших количествах. Зачастую в шине присутствует
только одно такое устройство. | ||||||
| Шина производственных участков - должна обладать большей,
по сравнению с промышленной шиной, мощностью. Скорости
передачи такой шины достигают нескольких Мбит/с. Более высокие
скорости передачи предполагают использование более мощной
техники, которая стоит дороже. Стоимость подключения к такой
сети обычно составляет от 500 до 3000 DM. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Промышленная шина - в некоторых случаях требуется
способность к автономной работе или электроснабжению
подключаемых устройств через шинный кабель. | ||||||
| Шины производственных участков - находятся, как правило,
вне пределов опасных зон. Поэтому требование автономности не
ставится. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| MAP (протокол автоматизации производства) был разработан
как принцип коммуникации внутри целого предприятия. В этом
качестве он обеспечивает магистральную сеть процесса
производства. | ||||||
| MAP не является системой реального времени. При
подключении шины промышленного применения это обстоятельство
должно учитываться. Функции, определяемые в нижних уровнях
модели ISO/OSI, всегда реализуются на базе аппаратных средств.
Средние уровни реализуются в форме программного обеспечения
нижнего уровня. Верхние уровни - в виде программного
обеспечения среднего и верхнего уровня. Так как в PROFIBUS
реализованы только уровни 1, 2 и 7 модели ISO/OSI, временные
затраты на переходы от уровня к уровню исключаются. Службы
прикладного уровня PROFIBUS, FMS (Fieldbus Message
Specification) сориентированы на службы MAP MMS (Manufacturing
Message Specification). Однако функционально эти службы
несовместимы. PROFIBUS может взаимодействовать с MAP только
через соответствующий межсетевой
преобразователь. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Уровень 1 | ||||||
| PROFIBUS предусматривает различные варианты техники
передачи (Таблица 1) и базируется на известном американском
стандарте RS-485. | ||||||
 Табл.1. Стандарт PROFIBUS, Часть 1 | ||||||
| Уровень 2 | ||||||
| Промышленные сети требуют детерминированного метода
доступа к среде передачи с гарантированным временем реакции.
Для удовлетворения этого требования при построении даже
простых систем управления в PROFIBUS комбинируется два метода
доступа к среде передачи: децентрализованному методу передачи
маркера (принцип Token-Passing) может быть подчинен
централизованный метод "Master-Slave". Поэтому в PROFIBUS
различается два класса узлов. | ||||||
 Рис.1. Архитектура PROFIBUS | ||||||
| Активные узлы (Master) находятся в логическом кольце, в
котором от узла к узлу циклически передается право доступа к
шине (маркер) (рис. 1). Кроме того, каждый активный узел знает
своих соседей (предшественника и последователя). Протокол
поддерживает автоматическое включение и выключение активных
узлов из логического кольца и обрабатывает ситуации ошибок
(например: потерю маркера, ошибки передачи маркера и т.д.).
Активный узел может обращаться к шине только в том случае,
если у него есть маркер. Пассивные узлы не могут
самостоятельно обращаться к шине, а только отвечают на запросы
активных узлов, которые в данный момент обладают
маркером. | ||||||
| На уровне 2 различаются циклические и нециклические
службы. Эти службы охватывают передачу без квитирования SDN
(Send Data with No Acknowledgment), с квитированием SDA (Send
Data with Acknowledgment), передачу и запрос данных SRD (Send
and Request Data), а также циклический вариант последней
службы CSRD (Cyclic Send and Request Data). | ||||||
| Уровни 1 и 2 стали стандартом в начале 1990 года (DIN
19245 Т1). | ||||||
| Уровень 7 | ||||||
| Как уже говорилось, в стандарте PROFIBUS уровни 3-6 не
используются. Отдельные необходимые функции нереализованных
уровней интегрированы в уровень 7 как "Интерфейс Нижнего
Уровня" (Lower Layer Interface), LLI. Задача LLI - отображать
службы интерфейса уровня 7 на службы интерфейса уровня 2 и
обеспечивать такие функции, как установление связи, окончание
связи, контроль соединения, контроль потока данных.
Центральное значение при этом играет понятие коммуникационной
связи. Коммуникационная связь чаще всего существует в форме
логического соединения между двумя узлами (one-to-one).
Возможно, однако, определить коммуникационную связь и для
посылки одинаковой информации нескольким или всем узлам на
шине. | ||||||
| Для связеориентированных логических соединений различаются
3 фазы: установление логического соединения, передача данных,
окончание логического соединения. Для каждой из этих фаз LLI
предоставляет специальные службы. Если на протяжении всей
рабочей фазы определены оба партнера, говорят о
детерминированном соединении. Возможны, однако, и открытые
соединения, которые устанавливаются друг за другом с разными
партнерами. Эти открытые соединения позволяют, с одной
стороны, использовать необходимые ресурсы, такие, как точки
доступа к службам и буфера памяти для различных соединений, а
с другой - подключать устройства диагностики и обслуживания,
так как для них не определены жесткие партнеры. | ||||||
| Если данные передаются нерегулярно, соединение
проектируется для нециклической передачи данных. Тогда каждый
вызов службы LLI представляет собой законченный цикл
коммуникации, при котором возможен двухсторонний или
параллельный обмен данными (несколько параллельных вызовов
внутри одного соединения). | ||||||
| Очень часто ставится требование циклического опроса
датчиков или, соответственно, циклического снабжения
исполнительных механизмов данными. Соответствующие соединения
проектируются в этом случае как циклические. Это ведет к
оптимизации передаваемых данных и времен передачи. Контроль
потока данных проверяет, что необходимые для работы некоторой
службы ресурсы (буфера сообщений, блоки параметров и т. д.)
имеются в наличии. Протокол PROFIBUS гарантирует, что в данный
момент времени, независимо от загрузки шины, параллельно
внутри одного соединения может быть выполнено определенное при
конфигурировании системы количество служб. Именно для шин
промышленного применения это имеет большое значение, так как в
критических состояниях процесса, несмотря на возросший объем
передаваемой информации, должны быть соблюдены определенные
максимальные времена реакции. | ||||||
| LLI предоставляет также возможность проверки соединения
путем посылки через определенные промежутки времени
тестирующих пакетов. Это имеет смысл в том случае, если внутри
некоторого соединения передача данных происходит очень редко,
но отсутствие соединения должно быть быстро распознано
(например, передача сообщений о неполадках или тревоге). Все
названные здесь свойства коммуникационной связи и
соответствующие им параметры уровня 2 и прикладного уровня
определяются в шинах PROFIBUS перед началом рабочего цикла и
сохраняются в списке коммуникационных связей. | ||||||
| Существенной составной частью каждого устройства PROFIBUS
является так называемый список объектов (переменных, программы
и т. п.), которые данное устройство хочет сделать доступными
для других узлов шины. Если эти узлы считывают через шину этот
список объектов, они обладают всей необходимой информацией для
того, чтобы, например, читать содержимое переменных из
соответствующего устройства, писать в эти переменные или
запустить на этом устройстве некоторую
программу. | ||||||
| Таким образом, объекты, связанные с коммуникацией,
описываются, передаются и обрабатываются в стандартной форме.
Поэтому говорят о "виртуальном промышленном электронном
устройстве" (Virtual Field Device, VFD). Специфические
свойства реальных устройств, такие, как порядок расположения
старшего и младшего байта в слове памяти (High Byte и Low
Byte) или различные действия для запуска какой-то программы
под различными операционными системами, остаются совершенно
скрытыми. | ||||||
| Эти виртуальные электронные устройства с их определенными
объектами образуют целевую область и область-источник для
служб FMS (Fieldbus Message Specification). | ||||||
| Не каждое устройство должно поддерживать все службы. В то
время как логический программируемый контроллер загружает и
исполняет программы, обычный датчик должен только передавать
измеряемую величину. По этой причине службы PROFIBUS
подразделяются на следующие группы: | ||||||
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Службы управления событиями. С помощью этих служб можно
рассылать и обрабатывать сигналы тревоги. | ||||||
| Вторая часть PROFIBUS была определена как стандарт "DIN
19245 часть 2" в декабре 1990 года. Первые продукты были
запущены в производство в начале 1992 года. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| После окончания работ по объединенному проекту шин
промышленного применения в апреле 1990 и стандартизации первых
двух уровней PROFIBUS было объявлено о начале производства
различных новых продуктов. Один из первых продуктов - SINEC L2
фирмы SIEMENS. С помощью этой шинной системы теперь есть
возможность соединять устройства различных производителей,
которые соответствуют стандарту PROFIBUS. | ||||||
| В качестве шинного кабеля используется недорогой
двухжильный кабель, который легко прокладывать. Отдельные
устройства подключаются посредством интерфейса RS-485.
Максимальная длина кабеля при этом составляет 1200 м при
скорости передачи 93,75 Кбит/с и максимальным количеством
узлов 32. При использовании репитеров максимальная длина может
быть увеличена до 9600 м, а максимальное количество узлов до
127. | ||||||
| Метод доступа к шине SINEC L2 соответствует норме PROFIBUS
и является комбинацией метода Toking-Passing (передача
маркера) и подчиненного ему метода "Master-Slave". Маркер
(право доступа к шине) передается от одного активного узла
другому в течение заданного времени. При этом автоматически
определяется, работает ли еще некоторый узел и не появился ли
на шине новый активный узел. | ||||||
| Узел, владеющий маркером, может в течение отведенного ему
времени обратиться к пассивным узлам и дать им команду на
передачу. Пассивный узел никогда не получает маркер и должен
ждать, когда к нему обратится какой-либо активный узел.
Типичными представителями этого класса являются простые
электронные устройства, в то время как активными узлами часто
являются логические программируемые контроллеры. | ||||||
|
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| Два контроллера SIMATIC S5 связываются друг с другом по
SINEC L2. Для коммуникации используются стандартные
функциональные блоки SEND и RECEIVE, которые вызываются в
пользовательской программе для обслуживания передачи данных по
шине. На базе предлагаемых PROFIBUS-служб в SINEC L2
существует возможность работы с глобальной периферией.
Некоторую область памяти этого устройства программист
передающего устройства описывает как глобально доступную в
модуле подключения SINEC L2 (а не в своей программе). Если
содержимое этой области памяти изменяется, модуль подключения
к SINEC L2 следит за этим. Таким образом, каждый узел в шине
имеет возможность считать состояние этой области памяти в
устройстве-источнике. | ||||||
| Если контроллер SIMATIC должен связываться по SINEC L2 с
устройством другого производителя, возможность прямого
обращения к уровню 2 предоставляет модуль подключения к SINEC
L2. | ||||||
| Ниже приведены главные особенности SINEC L2: | ||||||
| ||||||
| ||||||
| ||||||
| ||||||