Разновидности промышленных сетей

Источник: http://www.weighing-systems.com/, перевод Трофименко И.С.

В настоящие дни существуют сотни промышленных сетей, разработанных различными компаниями и организациями по всему миру. Термин «промышленная сеть» охватывает много различных промышленных сетевых протоколов. Большинство протоколов шины были разработаны и поддерживаются конкретными производителями PLC. В таблице, приведенной ниже, кратко излагаются некоторые основные из них.

На самом низком уровне, сенсорные сети, которые первоначально были предназначены главным образом для цифрового (вкл / выкл) интерфейса. Они действуют быстро и эффективно, но только в небольшом количестве случаев получался относительно простой механизм контроля. ASI (actuator/sensor interface - привод / датчик интерфейс) пользуется популярностью в Европе, в то время как в США развивается Seriplex. ASI - наверное, является самой простой и дешевой промышленной сетью. ASI был разработан консорциумом европейских компаний, автоматизации, который видели необходимость построения сетей простейших устройств на самом низком уровне. ASI является недорогим решением, которое относительно просто конфигурируется. Наиболее часто используется для бесконтактных датчиков, концевых выключателей, клапанов и индикаторов в приложениях, такие как упаковочные машины или системы обработки материалов. ASI предназначен для небольших систем, основанных на дискретном вводе / выводе. Система позволяет подключить до 31 устройств, которые могут иметь по 4 входа и 4 выхода (т.е. суммарно 248 входов\выходов).

Промышленная сеть Filbus была разработана GESPAC как комплексная система удаленной системы ввода/вывода на основе распределенного интеллекта и соединений точка-точка. Аппаратные функции являются встроенными в каждый I/O модуль Filbus и представляет собой набор основных возможностей, таких как счет импульсов, задержка до принятия и отправки/получения сообщений в/из других модулей в сети.

Bitbus была впервые представлена Intel как измененная система Multibus, с добавленными функциями удаленного ввода/вывода. Эта уникальная промышленная сеть в настоящие дни является одной из самых зрелых и наиболее используемых сетей. Bitbus позволяет программам загружаться и выполняться в удаленном узле для по-настоящему распределенным системам конфигурация.

WorldFIP обеспечивает детерминированную и надежную схему для передачи параметров процесса (генерируемых сенсорами) и сообщений (событий, конфигурационными командами) со скоростью до 1Мбит в секунду на основе недорогого кабеля витой пары. FIP использует оригинальный механизм, где в шину поступает широковещательный сигнал для всех узлов сети, который позволяет воспроизвести эту переменную в любой точке сети. Все модули в сети получают эту переменную одновременно. Эта концепция представляет собой децентрализованную базу данных переменных в узлах и обладает неплохими временными характеристиками. Эта функция исключает понятие адрес узла и дает возможность для разработки действительно распределенных систем управления технологическими процессами.

Следующий уровень - устройства с шинами данных, которые обеспечивают поддержку аналоговых и цифровых сигналов для поддержки более сложных инструментов и продуктов. DeviceNet интерфейсы справляются с подобными задачами очень хорошо при помощи программируемых контроллеров. Тем не менее, он по-прежнему лишь на нижнем уровне - на уровне устройств сети, которые обычно работают с сетью до 64 элементом на расстояниях до 300м. Profibus DP и Interbus в чём-то сопоставимы с DeviceNet и являются отличным решением общего назначения на уровне устройств сети.

Profibus - это промышленная сеть, специально разработанная для распределенных систем, которая применяется в основном для соединений между компьютерами. Это один из самых популярных международных сетевых стандартов. Ранее универсальная в Европе и также популярная в Северной и Южной Америке, частях Африки Азии, Profibus может управлять данными на высокой скорости и обслуживать потребности больших установок. Основана на системе реального времени, использующей принцип асинхронной работы шины. Profibus определяет связи «родитель-родитель» и «родитель-потомок» с циклическим или ациклическим доступом, что позволяет передачу данных со скоростью до 500Кбит/с. Физический уровень (2-проводной RS485), линия передачи данных уровня 2 и уровень приложений являются стандартизованными. Profibus DP представляет собой иерархическую структуру сети с возможностью загрузки/скачивания данных конфигурации и точной синхронизации нескольких устройств в сети. В Profibus также могут присутствовать несколько родительских узлов, но передача результатов от любого устройства возможна только одному родителю. Ещё одной особенностью Profibus является то, что шина данных не имеет собственного питания.

Interbus была одной из первых промышленных сетей, которые получили широкою популярность. Эти промышленные сети по-прежнему популярны из-за своих положительных свойств - универсальности, скорости, диагностики и автоматической адресации. Физически, он имеет вид типичной line-and-drop сети, но в действительности это последовательный регистр циклического сдвига. Каждый подчиненный узел имеет два разъема, для получения данных и передачи данных на следующий элемент сети.

Controller Area Network (CAN) это быстрая последовательная шина, разработанная для эффективного, надежного и очень экономичного соединения между датчиками и исполнительными механизмами. CAN использует витую пару для соединения на скоростях до 1Мбит\с до 40 устройств. Первоначально разработанная для упрощения проводки в автомобилях, CAN распространилась и используется в машинах и продуктах промышленной автоматизации. CAN обеспечивает стандартизированные соединения объектов связи для обработки данных, обслуживания данных, сетевого управления, синхронизации, фиксации времени и аварийных сообщений. Данная сеть лежит в основе ряда промышленных сетей, таких, как DeviceNet (Allen-Bradley), SDS Honeywell или CAN Application Layer (CAL). Системами CAN занимается группа международных пользователей и производителей, что составляет более 300 компаний. Обширные средства обнаружения и коррекции ошибок позволяют CAN легко выдерживать помехи, как физические, так и электрические. SDS была разработана Bosch для управления распределенными электрическими устройствами по всему автомобилю, первоначально для замены больших и дорогих проводов в Mercedes.

LonWorks работает на больших расстояниях и представляет собой практическую сеть сети точка-точка, расширяемой до многих тысяч узлов. LonWorks она может быть сравнительно медленной и сложной. Profibus PA является спецификацией для использования Profibus в искробезопасных приложениях. Она обеспечивает повышенную производительность на уровне промышленной сети, может применяться для приборов и пультов управления, заменяя функции и возможности, которые предусмотрены в HART, изначально разработанные для калибровки передатчика и диагностики оборудования. Основные различия этих систем - в скорости, сложности и расстояния.

Foundation Fieldbus H1 - сложный, объектно-ориентированный протокол, который использует несколько форматов сообщений и позволяет контроллеру распознавать большой набор конфигурационных параметров и информации ("подпись устройства") от устройств, которые были подключены в сеть. FFH1 даже позволяет устройству передавать параметры, относящиеся к оценке достоверности определенной части данных. FFH1 использует планировщик, чтобы гарантировать доставку сообщений. Каждый сегмент сети содержит один планировщик.

В США, DeviceNet, Profibus DP, и Foundation Fieldbus H1 заняли свои места в качестве доминирующих открытых систем для подключения промышленных устройств. DeviceNet является лидером в производстве автомобилей, устройствах обработки материалов и полупроводниковых приложений, в то время Foundation Fieldbus играет ведущую роль в процессах управления. Profibus силен в обеих этих сферах, и также является доминирующей технологией в Европе.

С момента своего появления, DeviceNet, быстро растет в Великобритании и, по словам председателя DeviceNet Великобритании Ричарда Мак-Лафлина, в настоящее время насчитывается более 320 компаний во всем мире, в которых активно развиваются совместные продукты в рамках ассоциации Open DeviceNet Vendor (ODVA). К ним относятся датчики, приводы и интеллектуальные устройства.

Ещё десять лет назад не было предложено никаких серьезных инженерно-конструкторских решений использования технологии Ethernet для сетевых устройств заводского цеха. Ethernet, технология для автоматизации делопроизводства, была разработана более 20 лет назад в качестве высокоскоростной последовательной сети передачи данных. Она стала мировым стандартом и в настоящее время наиболее широко используется как локальная вычислительная сеть (ЛВС). Более 85% всех установленных сетевых подключений в мире представляют собой Ethernet. Но это намеренно игнорировалось в качестве сетей в промышленности, и по вполне понятным причинам. Основной причиной была ненадежность, что недопустимо в промышленных сетях, используемых для управляющих механизмов. Тем не менее, сегодня ситуация перевернулась. Из-за чего это произошло? За последние несколько лет сеть Ethernet прошла путь улучшения, особенно в областях скорости и надежности. Таким образом, были устранены причины, по которым Ethernet не использовался в промышленных сетях. Кроме того, Ethernet являются экономически эффективной и открытой системой. А так как Ethernet уже является выбором для большинства сетей в мире, то оказалось очень удобным использовать его на всех уровнях – от датчика на заводе до зала заседаний дирекции завода. Еще одна хорошая причина. Технология относительно недорогая и пользуется спросом на рынке

Так Ethernet готова к применению во всей иерархии сети завода, вплоть до уровня ввода/вывода. Это делает использование некоторых программируемых контроллеров (PLC) неудобным. Уже другие промышленные системы чувствуют конкуренцию, которую составляет Ethernet по отношению к другим системам. Кроме того, DeviceNet, Profibus и Foundation Fieldbus находятся в развитии, а большинство контроллеров Ethernet уже сейчас предлагают очень много стандартных опций сети. Высокоскоростной Ethernet (HSE) является 100 Мбит\сек Ethernet стандартом, который использует тот же протокол и объекты, что и в Foundation Fieldbus H1, по TCP/IP. Следующее поколение Ethernet называется Gigabit Ethernet с допустимой скоростью до 1 Гбит / сек). Это позволит сократить разрыв между промышленной необходимостью обработки данных и растущую потребность в обработке данных через бизнес-сети в Интернет. Большинство компаний не могут позволить себе иметь DeviceNet или Profibus специалиста, который будет отлично разбираться в данном сетевом протоколе. Даже если компания может позволить себе такого человека, то маловероятно, промышленные сети будут использоваться по назначению. Однако, почти каждая компания имеет в штате сетевого администратора, который хорошо разбирается и специализируется на Ethernet протоколе, делая Ethernet все более привлекательным для промышленного контроля.

Сравнительная таблица промышленных сетей

Название	Технология	Год выпуска	Физическое представление	Макс. количество узлов	Макс. расстояние	Применение
Profibus DP/PA	Siemens	DP: 1994 PA: 1995	Витая пара, оптокабель	32 без повторителей	200м	Соединения между PLC
				127 с повторителями	800m	Автоматизация заводов, фабрик
Interbus-S	Phoenix Contact Interbus Club	1984	Витая пара, оптопара, кольцо сдвига	256	400м	Подъемно-транспортные машины
DeviceNet	Allen-Bradley	1994	Витая пара для сигнала + питание	64	500м	Подъемно-транспортные машины
Arcnet	Datapoint	1977	Коаксиальный кабель, витая пара, оптопара	255	400-2000 футов
AS-I	AS-I Consortium	1993	2х-проводной кабель	31 узлов	100-300м	упаковочные и транспортные механизмы
Foundation Fieldbus H1	Fieldbus Foundation	1995	Витая пара, оптопара	240/сегмент	1900м
				65,000 сегментов
Foundation Fieldbus HSE	Fieldbus Foundation	Current	Витая пара, оптопара	IP-адресация, практически неограничена	100-2000м
IEC/ISA SP50 Fieldbus	ISA & Fieldbus Foundation	1992-1996	Витая пара, оптопара, радио	IS: 3-7; non-IS 128	500-1700м
Seriplex	APC	1990	4-проводной защищенный кабель	500+ устройств	>500 футов
WorldFIP	WorldFIP	1988	Витая пара, оптопара	64 без повторителей	2 км	Системы реального времени управления и контроля
				256 с повторителями	>10 км
LONWorks	Echelon	1991	Витая пара, оптопара, кабель питания	32,000 на 1 домен	2000м
SDS	Honeywell	1994	Витая пара для сигнала + питание	64 узла, 126 адресов	500м	Сортирущие, транспортирующие, упаковывающие механизмы
ControlNet	Allen-Bradley	1996	Коаксиальный кабель, оптопара	99	250-1000м	Заводы, фабрики
CANOpen	CAN in Automation	1995	Витая пара + опционально сигнал и питание	30	25-1000м	Сенсоры, автомобили, исполнительные механизм
Промышленный Ethernet	DEC, Intel, Xerox	1976	Тонкий коаксиальный кабель, витая пара, коаксиальный кабель, толстый коаксиальный кабель	1024, или более через маршрутизаторы	185м (тонкий)	везде
Modbus Plus	Modicon		Витая пара	32 на каждый сегмент, макс 64	500м на каждый сегмент
Modbus RTU/ASCII	Modicon		Витая пара	250 на каждый сегмент	350м
Remote I/O	Allen-Bradley	1980	Биаксиальный	32 на каждый сегмент	6км
Data Highway Plus (DH+)	Allen-Bradley		Биаксиальный	64 per segment	3km
Filbus	Gespac		Витая пара	32 без повторителей	1.2км	Удаленные устройства ввода-вывода
				250 с повторителями	13.2 км
Bitbus	Intel		Витая пара	32 без повторителей	1.2км	Контроль производства, модули ввода-вывода
				250 с повторителями	13.2 км