Несмотря на то, что сложные распределённые системы управления играют всё большую роль в автоматизации производства, связь приборов с контроллерами по прежнему выглядит как соединение «точка-точка». Однако всё более широко распространяется концепция внедрения локального интеллекта в промышленные приборы и обеспечения связи между равноправными узлами сети. Успех этого подхода зависит от коммуникационной сети, которая связывает промышленные приборы на производственном уровне. Такой сетью является система fieldbus. Она обладает новыми функциями, такими, как автоматическая калибровка промышленных приборов, самотестирование, загрузка в память значений параметров, конфигурирование, диагностика в реальном времени, мониторинг и т.д. Система fieldbus обеспечивает выполнение критичных ко времени операций.
Целью работы является осуществление сравнительного анализа трёх перспективных протоколов fieldbus, а именно: Controller Area Network (CAN), Process Fieldbus (PROFIBUS) и Field Instrumentation Protocol (FIP), выработка рекомендаций по выбору наиболее подходящей.
Fieldbus – это полностью цифровая двунаправленная многоточечная коммуникационная система, используемая для связи приборов на объектах с системами в операторской. Одно из основных свойств системы fieldbus состоит в том, что она поддерживает двунаправленную связь со множеством переменных величин. Физически в fieldbus могут использоваться три вида топологий межсоединений: двухточечная, древовидная и многоточечная. Каждая система fieldbus должна поддерживать общую Службу сообщений fieldbus (FMS), чтобы обеспечивать выполнение пользовательских требований.[2]
В настоящее время на рынке среди 50 различных промышленных шин выделяют следующие 3 вида fieldbus :
- CAN – протокол последовательной связи, эффективно поддерживающий распределённое управление в реальном времени с очень высоким уровнем защиты.Система имеет широкий диапазон применений: от высокоскоростных сетей до недорогого уплотнённого монтажа. До 40м данные могут передаваться со скоростью 1 Мбит/с, при 1км скорость падает до 50 кбит/с.[3]
- PROFIBUS – в стандарте определяются технические и функциональные характеристики fielbus. Система включает ведущие и ведомые устройства. Т.о., может быть реализована либо централизованная система, либо система, полностью работающая в режиме точка-точка, либо гибридная. Скорость передачи от 9,6 Кбит/с до 2 Мбит/с. Для критичных ко времени задач рекомендуется система с 32 ведущими станциями. Возможна как ациклическая, так и циклическая передача данных с 255 байтами в кадре.[1]
- FIP – представляет собой многопрофильную систему реального времени для управления процессами и комплексных автоматизированных производств. Используются как витые пары, так и оптоволокно. Скорость передачи от 31,25 Кбит/с до 2,5 Мбит/с. Система имеет периодический трафик. Адрес источника – имя точно идентифицированного объекта.[2]
Каждый сетевой протокол обычно сравнивают с многоуровневой ISO-моделью и между ними устанавливают соответствие. Систему PROFIBUS можно прямо свести к ISO-модели с пустыми уровнями 3. Аппаратура, канал передачи данных и управление определены в разделе 1; FMS, LLI и управление уровнем у в разделе 2. Канальный уровень делится на подуровни Medium Access Control -MAC (уровень доступа в среду) и Fieldbus Logical Control - FLC (логическое управление fieldbus). MAC обеспечивает протокол доступа в гибридную среду. FMS описывает объекты связи, сервис и соответствующую модель с точки зрения партнера по коммуникации. Основными задачами LLI являются организация отображения FMS и FMA на FDL, установление связи, отключение, диспетчеризации связи и управление потоками, FMA выполняет контекстное конфигурирование и исправление ошибок.
Система CAN имеет трехуровневую структуру: физический уровень, уровень пересылки и объектный уровень. Уровень пересылки воспроизводит сообщения, получаемые на объектном уровне, и принимает сообщения, которые следует передать на объектный уровень. Уровень пересылки ответствен за битовое тактирование и синхронизацию, кадрирование сообщений, арбитраж и т.д. Объектный уровень занимается фильтрацией сообщений, а также обработкой статуса и сообщений.
Система FIP является также трехуровневой моделью с физическим уровнем, уровнем передачи данных и уровнем приложений. Уровень передачи данных отвечает за все функции управления в реальном времени, а именно: за выбор в реальном времени циклов сканирования, подтверждение управления качеством и передачи переменной, связность элементов распределенной базы, синхронизированное квантование и управление, выбор множества диспетчерских услуг без внесения помех в трафик реального времени и т.д. Система PROFIBUS определяет в качестве среды лишь экранированную витую пару с характеристическим импедансом 100...130 Ом. Длина кабеля не превышает 1200 м. Длина линии и число связанных станций могут быть увеличены путем установки повторителей (не более трех). Кабель шины должен оканчиваться так, как это описано в стандарте EIA RS-485. Каждая станция, предназначенная для окончания линии, должна обеспечивать напряжение +5В на контакте б сетевого соединения и ток не менее 10 мА. Система FIP поддерживает как витую пару, так и оптоволоконные средства передачи. Максимальное расстояние между узлами может составлять 2 км при 256 станциях в сети. В CAN не определяются характеристики драйвера/приемника и среды, что позволяет оптимизировать в соответствии с применением среду передачи и реализацию уровня сигналов.
В системе PROFIBUS каждый бит кодируется без возвращения к нулю и передается дифференциальным напряжением. Во время периода молчания незаземленная дифференциальная линия переводится оконечным устройством в единицу. Она передает данные как символ- ориентированные. Система FIP передает код и информацию таймера, кодируя их посредством Manchester II. Скорости передачи данных определены равными 31,25 Кбит/с, 1 и 2,5 Мбит/с. Арбитраж в FIP основан на назначении ременного окна каждому узлу для периодических данных и назначении окна по запросу для апериодических; существует необходимость глобальной синхронизации тактового генератора. Аналогично в CAN осуществляется передача двух взаимно дополняющих логических значений: рецессивного и доминантного. При одновременной передаче доминантного и рецессивного битов результирующий канал будет доминантным. Для аппаратной реализации логического "И" используется логический "О". Бит кодируется без возвращения к нулю. Время передачи каждого бита делится на не перекрывающие друг друга сегменты: синхронизацию, прохождение, фазы / и 2.Сегмент синхронизации используется для синхронизации различных узлов системы. Предполагается, что фронт импульса лежит внутри этого сегмента. Сегмент прохождения служит для компенсации времени физической задержки. Он равен удвоенной сумме времени прохождения сигнала по линии. Фазовые сегменты используются для компенсации фазовой ошибки фронта импульса. Эти сегменты можно укоротить или удлинить. Уровень канала считывается в конце фазы. Все контроллеры CAN синхронизируют на старте кадра. Таким образом, необходим типичный допуск на генератор, составляющий 1,58 % при скорости передачи информации по каналу, равной 125 Кбит/с. Поскольку системы FIP и CAN работают при глобальной синхронизации тактовых генераторов, им в отличие от PROFIBUS требуются жесткие допуски на частоту тактовых генераторов.
Проведенный анализ показывает, что PROFIBUS и FIP – сильные соперники в приборном оснащении технологических процессов. В то время, как в FIP реализуются новые концепции, например разделение пропускной способности шины, путём выделения интервалов времени при использовании синхронизированных тактовых генераторов, Profibus основывается на обычной передаче маркера с циклическим информационным обслуживанием для удовлетворения потребностей в реальном времени. Изучение затрат на внедрение показывает, что протоколы Profibus могут быть реализованы с незначительным дополнительным оборудованием, поскольку основная передача данных асинхронна и ведется посимвольно. Что касается CAN, то они прекрасно подходят там, где требуется весьма незначительное время ожидания (порядка 5 мс) и необходимо соединить большое число при малых издержках.
Существует множество производств, требующих интегрированных решений по организации единого информационного пространства в пределах всего предприятия, надежных решений по доставке данных с любого уровня автоматизации, высокой степени защищенности используемых протоколов связи. Весь этот набор требований возможно решить на основе промышленной сети PROFIBUS.
Промышленная сеть в применении к реальному производству - это необходимый компонент единой системы, отвечающей не только за надежность используемого оборудования, но и часто за безопасность самого персонала, непосредственно работающего с этим оборудованием.
Для того чтобы та или иная коммуникационная технология (протокол) получила промышленную прописку, необходимо, чтобы она отвечала следующим жестким требованиям:
1. Должен быть реализован механизм передачи коротких сообщений;
2. Протокол должен обеспечивать детерминированность состояний при передаче команд управления и данных
3. И, разумеется, должна быть обеспечена высокая производительность протокола.
Технология PROFIBUS полностью отвечает этим требованиям. [3]
© 2009 ДонНТУ Линькова Ольга Владимировна