Промышленные сети. Лекция 6

1. Лекция 6 Промышленные сети

1

2. Литература

Благовещенская М.М. Злобин Л.А. Информационные
технологии систем управления технологическими
процессами, М.:"Высшая школа", 2005. — 768 с.
2

3. Введение

Промышленная сеть — сеть передачи данных,
связывающая различные датчики, исполнительные
механизмы, промышленные контроллеры и
используемая в промышленной автоматизации.
Термин употребляется преимущественно в
автоматизированной системе управления
технологическими процессами (АСУ ТП). Описывается
стандартом IEC 61158.
3

4. Введение

Устройства используют сеть для:
передачи данных, между датчиками, контроллерами и
исполнительными механизмами
диагностики и удалённого конфигурирования
датчиков и исполнительных механизмов
калибрования датчиков
питания датчиков и исполнительных механизмов
4

5. Введение

передачи данных между датчиками и
исполнительными механизмами минуя центральный
контроллер
связи между датчиками, исполнительными
механизмами, ПЛК и АСУ ТП верхнего уровня
связи между контроллерами и системами человекомашинного интерфейса (SCADA)
5

6. Введение

В промышленных сетях для передачи данных
применяют:
кабели
волоконно-оптические линии
беспроводную связь (радиомодемы и Wi-Fi).
6

7. Введение

Промышленные сети могут взаимодействовать с
обычными компьютерными сетями, в частности
использовать глобальную сеть Internet.
Термин полевая шина является дословным переводом
английского термина fieldbus. Термин промышленная
сеть является более точным переводом и в настоящее
время именно он используется в профессиональной
технической литературе.
7

8. Введение

Корнем термина fieldbus является слово field - область,
сфера, место приложения.
Промышленные сети (fieldbuses) применяются на
уровне устройств, обслуживающих реальный процесс
производства и переработки материалов.
Выход в системы представления (визуализации) данных,
коммерческие и административные системы
организуется, как правило, через стандартные
офисные сети типа Ethernet через протокол TCP/IP.
8

9. Введение

Fieldbus - это основополагающий термин,
определяющий некоторую цифровую сеть,
призванную заменить широко использовавшуюся
ранее централизованную аналоговую 4-20мАтехнологию. Такая сеть является цифровой,
двунаправленной, многоточечной, последовательной
коммуникационной сетью, используемой для связи
изолированных друг от друга (по функциям) таких
устройств, как контроллеры, датчики, силовые
привода и т. п.
9

10. Введение

Fieldbus - это сеть для промышленного применения, логически
очень похожая на LAN-сети, применяемые в офисных
приложениях. Однако промышленные сети отвечать
специфическому набору требований:
жесткая детерминированность (предсказуемость) поведения;
обеспечение функций реального времени;
работа на длинных линиях с использованием недорогих
физических сред (например, витая пара);
повышенная надежность физического и канального уровней
передачи данных для работы в промышленной среде
(например, при больших электромагнитных помехах);
наличие специальных высоконадежных механических
соединительных компонентов.
10

11. Виды промышленных сетей

Сети на базе асинхронного интерфейса
Сети на базе промышленного Ethernet
Сети закрытых стандартов
11

12. Асинхронный интерфейс

Узел и способ в вычислительных устройств,
предназначенный для организации связи с другими
цифровыми устройствами.
Преобразует передаваемые данные в
последовательный вид так, чтобы было возможно
передать их по одной физической цифровой линии
другому аналогичному устройству.
Метод преобразования хорошо стандартизован и
широко применяется в компьютерной технике
12

13. Асинхронный интерфейс

Передача данных в UART осуществляется по
одному биту в равные промежутки времени.
Этот временной промежуток определяется
заданной скоростью UART и для конкретного
соединения указывается в бодах (что в данном случае
соответствует битам в секунду).
Существует общепринятый ряд стандартных скоростей:
300; 600; 1200; 2400; 4800; 9600; 19200; 38400; 57600;
115200; 230400; 460800; 921600 бод.
13

14. Асинхронный интерфейс

Помимо собственно информационного потока, UART
автоматически вставляет в поток синхронизирующие
метки, так называемые стартовый и стоповый биты.
Многие реализации UART имеют возможность
автоматически контролировать целостность данных
методом контроля битовой чётности.
14

15. Асинхронный интерфейс

Такая технология может быть использована в пределах
одного устройства, однако непригоден для
коммутируемых длинных соединений по причине
низкой защищённости от электрического разрушения
и помехоустойчивости.
Для таких случаев были разработаны
специальные физические уровни, такие, как токовая
петля, RS-232, RS-485 и тому подобные.
15

16. Токовая петля

- способ передачи информации с помощью измеряемых
значений силы электрического тока.
В настоящее время такой способ более распространён в
инженерной практике, чем использование для этой
цели напряжения.
16

17. Токовая петля

Аналоговая токовая петля используется для передачи аналогового
сигнала по паре проводов в лабораторном
оборудовании, системах управления производством и т. д.
Применяется смещенный диапазон 4—20 мА, то есть наименьшее
значение сигнала (например, 0) соответствует току 4 мА, а
наибольшее — 20 мА.
Таким образом весь диапазон допустимых значений занимает 16
мА. Нулевое значение тока в цепи означает обрыв линии и
позволяет легко диагностировать такую ситуацию.
Интерфейс аналоговой токовой петли позволяет использовать
разнообразные датчики (давления, потока, кислотности и т. д.) с
единым электрическим интерфейсом.
17

18. RS-232

RS-232 (англ. Recommended Standard 232) —
стандарт физического уровня для асинхронного
интерфейса (UART). Широко известен как
последовательный порт персональных компьютеров.
Исторически имел широкое распространение
в телекоммуникационном оборудовании.
В настоящее время всё ещё используется для
подключения к компьютерам специального или
устаревшего оборудования, однако, в основном, уже
вытеснен интерфейсом USB.
18

19. RS-232

В настоящее время чаще всего используется в
промышленном и узкоспециальном
оборудовании, встраиваемых устройствах.
На портативных компьютерах (ноутбуках, нетбуках, КПК
и т. п.) RS-232 уже не ставят, однако материнские
платы стационарных персональных
компьютеров обычно ещё содержат RS-232 — либо в
виде разъёма на задней панели, либо в виде
внутренней контактной панели, к которой можно
подключить шлейф
19

20. RS-232

Информация передаётся по проводам двоичным
сигналом с двумя уровнями напряжения.
Логическому «0» соответствует положительное
напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а
логической «1» — отрицательное (от −5 до −15 В для
передатчика).
Для электрического согласования линий RS-232 и
стандартной цифровой логики UART выпускается
большая номенклатура микросхем драйверов.
20

21. RS-232

Устройства для связи по последовательному каналу
соединяются кабелями с 9 или 25-контактными
разъёмами типа D-sub
21

22. RS-232

Длина кабеля влияет на максимальную скорость
передачи информации. Максимальным расстоянием
обычно считается равным 15 м;
Скорость передачи информации по RS-232 измеряется
в Бодах. Максимальная скорость согласно стандарту
20000 Бод.
22

23. RS-485

RS-485 (англ. Recommended Standard 485), EIA485 (англ. Electronic Industries Alliance-485) —
стандарт физического уровня для асинхронного
интерфейса.
Стандарт приобрел большую популярность и стал
основой для создания целого
семейства промышленных сетей, широко
используемых в промышленной автоматизации.
23

24. RS-485

В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных
используется одна витая пара проводов, иногда
сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим
проводом.
Передача данных осуществляется с помощью
дифференциальных сигналов. Разница напряжений
между проводниками одной полярности означает
логическую единицу, разница другой полярности —
ноль.
Передача данных идёт по двум линиям, A и B.
Логическая единица: (A-B) > +200 мВ.
Логический ноль: (A-B) < −200 мВ.
24

25. RS-485

Электрические и временные характеристики
интерфейса RS-485
До 32 приёмопередатчиков в одном сегменте сети.
Максимальная длина одного сегмента сети: 1200
метров.
В один момент активным может быть только один
передатчик.
Максимальное количество узлов в сети — 256 с
учётом магистральных усилителей.
Характеристика скорость обмена/длина линии связи:
62,5 кбит/с - 10000 кбит/с
25

26. RS-485

Хотя стандартом это не определено, обычно разъем для
полудуплексной связи состоит из двух или трех
контактов:
A или «+» (TxD+/RxD+), неинвертированный.
B или «−» (TxD-/RxD-), инвертированный.
Опциональный общий провод. Соединение общих
шин устройств не обязательно, но улучшает
устойчивость работы интерфейса. При наличии
гальванической развязки не нужен.
Стандарт EIA-485 не специфицирует какой-нибудь
определенный разъем, и, соответственно, какую-либо
распайку.
26

27. Modbus

Modbus — открытый коммуникационный протокол,
основанный на архитектуре ведущий-ведомый
(master-slave). Широко применяется в
промышленности для организации связи между
электронными устройствами. Может использоваться
для передачи данных через последовательные линии
связи RS-485, RS-422, RS-232, а также
сети TCP/IP (Modbus TCP).
27

28. Modbus

Контроллеры на шине Modbus взаимодействуют, используя
master-slave модель, основанную на транзакциях,
состоящих из запроса и ответа.
Обычно в сети есть только одно ведущее, так называемое,
«главное» (англ. master) устройство, и несколько ведомых
— «подчинённых» (англ. slaves) устройств.
Мастер может адресовать запрос индивидуально любому
подчиненному или инициировать передачу
широковещательного сообщения для всех подчиненных
устройств. Подчинённое устройство, опознав свой адрес,
отвечает на запрос, адресованный именно ему. При
получении широковещательного запроса ответ
подчинёнными устройствами не формируется.
28

29. Modbus

Спецификация Modbus описывает структуру запросов и
ответов. Их основа — элементарный пакет протокола,
так называемый PDU (Protocol Data Unit).
Структура PDU не зависит от типа линии связи и
включает в себя код функции и поле данных.
Код функции кодируется однобайтовым полем и может
принимать значения в диапазоне 1…127.
Диапазон значений 128…255 зарезервирован для кодов
ошибок. Поле данных может быть переменной длины.
Размер пакета PDU ограничен 253 байтами.
29

30. Modbus

Для передачи пакета по физическим линиям связи PDU
помещается в другой пакет, содержащий
дополнительные поля.
Этот пакет носит название ADU (Application Data Unit).
Формат ADU зависит от типа линии связи.
Существуют три варианта ADU, два для передачи
данных через асинхронный интерфейс и один — через
TCP/IP сети
30

31. Modbus

Общая структура ADU следующая (в зависимости от
реализации, некоторые из полей могут отсутствовать):
адрес ведомого устройства — адрес подчинённого
устройства, к которому адресован запрос.
код функции —говорит ведомому устройству, какие
данные или выполнение какого действия требует от
него ведущее устройство;
данные — поле содержит информацию, необходимую
ведомому устройству для выполнения заданной
мастером функции
блок обнаружения ошибок — контрольная сумма для
проверки отсутствия ошибок в кадре.
31

32. Profibus

Profibus (Process Field Bus) (читается «профи бас») —
открытая промышленная сеть, прототип которой был
разработан компанией Siemens AG для своих
промышленных контроллеров Simatic. На основе этого
прототипа Организация пользователей Profibus
разработала международные стандарты, принятые
затем некоторыми национальными комитетами
по стандартизации.
32

33. Profibus

Profibus использует обмен данными
между ведущим и ведомыми
устройствами (протоколы DP и PA) или между
несколькими ведущими устройствами
(протоколы FDL и FMS).
Требования пользователей к получению открытой,
независимой от производителя системе связи,
базируется на использовании стандартных протоколов
Profibus.
33

34. Profibus

Сеть Profibus построена в соответствии
с многоуровневой сетевой моделью ISO 7498.
Profibus определяет следующие уровни:
1 — физический уровень — отвечает за
характеристики физической передачи;
2 — канальный уровень — определяет протокол
доступа к шине;
3 — уровень приложений — отвечает за прикладные
функции.
34

35. Физический уровень Profibus

Физически Profibus может представлять собой:
электрическую сеть с шинной топологией,
использующую экранированную витую пару,
соответствующую стандарту RS-485;
оптическую сеть на основе волоконно-оптического
кабеля;
инфракрасную сеть.
Скорость передачи по ней может варьироваться от 9,6
Кбит/сек до 12 Мбит/сек.
35

36. Протокол доступа к шине

Данный протокол реализует процедуру доступа с
помощью маркера (англ. token). Сеть Profibus состоит
из ведущих (англ. master) и ведомых (англ. slave)
станций.
Ведущая станция может контролировать шину, то есть
может передавать сообщения (без удалённых
запросов), когда она имеет право на это (то есть когда
у неё есть маркер).
36

37. Profibus

Ведомая станция может лишь распознавать полученные
сообщения или передавать данные после
соответствующего запроса.
Маркер циркулирует в логическом кольце, состоящем из
ведущих устройств. Если сеть состоит только из одного
ведущего, то маркер не передаётся (в таком случае в
чистом виде реализуется система master-slave).
Сеть в минимальной конфигурации может состоять либо
из двух ведущих, либо из одного ведущего и одного
ведомого устройства.
37

38. Profibus

Profibus допускают одновременное использование
нескольких протоколов передачи данных
Profibus DP — распределённая периферия) — протокол,
ориентированный на обеспечение скоростного обмена
данными между системами автоматизации
Profibus PA — протокол обмена данными с оборудованием
полевого уровня, расположенным в обычных
или взрывоопасных зонах.
Profibus FMS - универсальный протокол для решения задач
по обмену данными между интеллектуальными сетевыми
устройствами (контроллерами,
компьютерами/программаторами, системами человекомашинного интерфейса) на полевом уровне.
38

39. Controller Area Network (CAN)

стандарт промышленной сети, ориентированный
прежде всего на объединение в единую сеть
различных исполнительных устройств и датчиков.
Режим передачи — последовательный,
широковещательный, пакетный.
39

40. Controller Area Network (CAN)

CAN разработан компанией Robert Bosch GmbH в
середине 1980-х и в настоящее время широко
распространён в промышленной автоматизации,
технологиях «умного дома», автомобильной
промышленности и многих других областях.
Стандарт для автомобильной автоматики. Но на На
практике под CAN-сетью обычно подразумевается сеть
топологии «шина» с физическим уровнем в
виде дифференциальной пары, определённым в
стандарте ISO 11898. Передача ведётся кадрами,
которые принимаются всеми узлами сети. Для доступа
к шине выпускаются специализированные
микросхемы — драйверыCAN-шины.
40

41. Controller Area Network (CAN)

Во всех высокотехнологичных системах современного
автомобиля применяется CAN-протокол для
связи ЭБУ с дополнительными устройствами и
контроллерами исполнительных механизмов и
различных систем безопасности.
В некоторых автомобилях CAN связывает IMMO,
приборные панели, SRS блоки и т. д.
41

42. HART

HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol) —
цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка
внедрить информационные технологии на уровень полевых
устройств.
Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить
информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку,
накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня
4—20 мА.
Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и
вторичной информации осуществляется по двум проводам. HARTпротокол — это практически стандарт для современных
промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка
датчика осуществляется с помощью HART-модема или HARTкоммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено
несколько датчиков. По этим же проводам может передаваться сигнал
4—20 мА.
42