Перспективные средства коммуникации в распределенных промышленных системах

Игорь Бабанов

В настоящее время понятие “распределенная система сбора информации и управления” приобретает для промышленных приложений ключевое значение. Такие системы обеспечивают уход от жестко централизованной иерархической структуры управления и контроля за промышленным объектом к менее зависимой, но более эффективной в целом распределенной структуре. Причем отдельные компоненты подобных систем достаточно самостоятельны, обычно они отвечают за обработку объектов управления, сгруппированных по общим признакам. Все компоненты могут взаимодействовать не только через базовый сервер, но и напрямую друг с другом. При отказе одного из компонентов или даже фатальном сбое базового сервера вся система в целом не утрачивает живучести и работоспособности. В подобных распределенных системах функциональная эффективность зависит в первую очередь от характеристик отдельных компонентов, средств коммуникации между ними и, быть может в последнюю очередь, от характеристик самого базового сервера. Все это напоминает принципы, заложенные в технологиях, связанных с Internet.

Споры о коммуникационных технологиях в промышленных средах возникают постоянно с определенной регулярностью. Каждая компания или союз компаний активно доказывают преимущества своей полевой шины (промышленной сети). И действительно, многие из них делают свое дело добросовестно и, самое главное, отвечают специализированным, даже самым затейливым, требованиям потребителя. Перечень названий и связанных с ними сетевых промышленных технологий весьма обширен: начиная с простейших  -  T1, GrayHill, Opto 22, Optomux, ModBus, до cпециализированных типа BitBus, WorldFIP, InterBus, DeviceNet, Profibus, Arcnet, CAN, Fieldbus Foundation, LonWorks. В последнее время многие смело используют в промышленных средах хрестоматийный Ethernet (10/100 Мбит/с). Другие упрекают их за это, обвиняя в теоретической недетерминированности коммуникационной магистрали и возможной потере наиболее важных информационных кадров. Но сейчас сеть Ethernet стала в промышленности чуть ли не стандартом де-факто. В большинстве случаев использование Ethernet для многих задач вполне оправданно и универсально с точки зрения преобладания Ethernet-технологий на компьютерном рынке. Кроме того, существуют специализированные версии Ethernet, позволяющие достичь той или иной степени детерминированности. Примером этого направления могут служить сети 100VG AnyLan от HP и Sinec от Siemens. Все более уверенно набирают силу технологии удаленной обработки и управления промышленными объектами, включающие аппаратные и программные ресурсы и технологии Internet.

В данной статье коротко изложены основные характеристики уже хорошо известных универсальных последовательных магистралей USB и IEEE 1394 по материалам компании Intel (www.intel.com). В первую очередь эти интерфейсы используются в качестве универсальной шины для подключения периферийных устройств к современным ПК. Они отвечают многим важным требованиям (plug & play, “горячая” замена, автоконфигурирование, динамическое реконфигурирование, высокая пропускная способность) и поддерживаются многими производителями  -  отсюда и большой соблазн использовать их как средство коммуникации в промышленности. При этом управляющие компоненты, как то: промышленный компьютер, встроенный компьютер, промышленный контроллер, интеллектуальное УСО (устройство связи с объектом), электронное бытовое устройство  -  можно рассматривать как некое интеллектуальное периферийное устройство. Конечно, небольшие расстояния, допустимые на сегодняшний день в этих технологиях, сдерживают применение подобных магистралей в промышленных средах, но для некоторых локальных приложений этого вполне достаточно. А для связи с удаленными компонентами ничто не мешает использовать через всевозможные шлюзы стандартные промышленные сетевые средства.

В настоящее время технология USB поддержана многочисленными производителями ПК и периферийных устройств. Начинается выпуск УСО-компонентов, поддерживающих USB. В отличие от только входящей в моду USB, технология IEEE 1394 переживает бурный рост. В этом году специфицирована новая версия P1394B, причем характеристики пропускной способности увеличились в восемь раз.

Технологии USB и 1394 взаимно дополняют друг друга и предназначены для подключения всевозможных периферийных устройств. Обе технологии базируются на идеологии plug & play, и каждая из них обслуживает свой класс периферии. Ограничения, связанные с пропускной способностью шины USB, разрешаются при переходе к шине 1394, как более эффективной, но в то же время и более дорогой.

Топология 1394 имеет древовидную структуру. Каждое устройство может быть присоединено к любому другому подобному при условии отсутствия зацикливания. Сеть 1394 может поддерживать до 63 устройств, обладающих возможностью “горячей” замены. Если устройство во время работы изымается из сети или вставляется в нее, происходит сначала общий сброс в сети, затем наступает фаза реконфигурации, после чего вся система возвращается в нормальный рабочий режим. Если шина 1394 по каким-то причинам разрывается, каждая из частей сначала сбрасывается, реконфигурируется и затем самостоятельно возобновляет нормальный рабочий режим. В результате образуются две независимые, зато работоспособные магистрали. Шина 1394 позволяет вести обмен информации по принципу “каждый с каждым”, при этом информация необязательно проходит через базовый сервер.

USB, в отличие от 1394, имеет топологию “звезда”, где в центре находится ПК (хост). Каждое устройство присоединяется через специализированный концентратор, который выполняет функцию не только подключения (через специальные стандартизированные разъемы), но и повторителя. Электропитание концентратора может быть как автономным, так и через шину. На шине допускается наличие нескольких концентраторов, завязанных в так называемый каскадный режим. Общее число устройств на шине не превышает 127.

USB поддерживает скорость обмена по шине от 1 до 12 Мбит/с. Текущий стандарт IEEE 1394 (1995 г.) допускает скорость от 100 до 400 Мбит/с. В новой спецификации P1394b интервал скоростей начинается от 800 и доходит до 3200 Мбит/с (при сохранении совместимости с предыдущей версией по разъемам, кабелям и ПО).

USB обычно используется для присоединения к ПК таких периферийных устройств, как клавиатура, мышь, модем, телефонные приставки, монитор и другие относительно медленные устройства ввода-вывода. В отличие от нее 1394 позволяет подключать высокоскоростные устройства, например цифровые видеокамеры, DVD-устройства, дисковые массивы большой емкости, быстрые принтеры и сканеры и другие устройства, требующие большой пропускной способности.

В заключение хотелось бы привести информацию компании 3А International (www.3a.com) о появлении коммуникационного контроллера CPCIBA-400 для поддержки магистрали IEEE 1394. Этот контроллер, базирующийся на архитектуре Compact PCI (в формате 3U), предназначается в первую очередь для коммуникации и расширений Compact PCI-компонентов высокоскоростными современными периферийными устройствами. При этом предполагается его использование в режиме реального времени (под Windows 98, NT 5.0, QNX) с такими устройствами, как цифровые видеокамеры, дисковые массивы, устройства DVD, высокоскоростные принтеры и сканеры, интеллектуальные УСО. Кроме того, контроллер рассматривается компанией 3А как возможное сетевое средство взаимодействия между промышленными компьютерами класса Compact PCI.