Андрей Любашин
В первой части статьи, опубликованной в предыдущем выпуске PC Week/RE, рассматривались общие принципы построения и история создания промышленных сетей. Вторая часть содержит описание наиболее популярных стандартов в этой области.
Первое знакомство 1. ASI
Первые сети, работающие по технологии ASI, вышли на рынок в 1993 г. Сегодня эта технология поддерживается рядом известных фирм: IFM, Limberg, Siemens, Pepperl+Fuchs, Allen-Bradley и др.
Основная задача этих сетей - связать в единую информационную структуру устройства самого нижнего уровня автоматизируемого процесса, а именно датчики и разнообразные исполнительные механизмы, с системой контроллеров. Это следует из названия: Actuator Sensor Interface (ASI).
ASI позволяет через свои коммуникационные линии передавать не только данные, но и запитывать датчики. Здесь используется принцип последовательной передачи на базовой частоте, на которую и модулируется информационный сигнал.
В качестве физической среды используется специальный неэкранированный двухпроводной кабель с трапециевидным профилем. Этот кабель позволяет подключать датчики, установленные на подвижных частях механизмов. Топологией ASI-сети может быть шина, звезда, кольцо или дерево с циклом опроса 31 узел за 5 мс. Максимальный объем данных с одного ASI-узла - 4 бит.
Адрес в Internet: www.as-interface.com.
2. CAN
История этого протокола просматривается с начала 80-х годов, когда на современных транспортных средствах потребовалось установить большое число датчиков. Эти датчики должны были быть увязаны в единую информационую сеть, замыкающуюся на бортовом компьютере автомобиля. Компания Bosch (Германия) разработала для этой цели CAN (Control Area Network) - протокол, получивший статус международного стандарта ISO 11898. Он отвечает требованиям задач реального времени и способен обнаруживать и исправлять ошибочные сообщения с высокой степенью вероятности.
CANbus - это последовательная шина c децентрализованным доступом на основе CSMA/CM-модели. Возможные коллизии, связанные с одновременным запросом шины, разрешаются на основе приоритетности передаваемых сообщений.
История развития этого протокола служит ярким примером того, как не доведенная до конца работа по стандартизации приводит к появлению целого семейства несовместимых между собой протоколов. Дело в том, что для CAN определены только два первых уровня OSI-модели. Многие разработки седьмого уровня для CAN оформлены как самостоятельные протокольные решения, например SDS (Honeywell), DeviceNET (Allen Bradley), CAL (ассоциациация CiA), CAN11 (BMW), SeleCAN (Selectron), Kingdom (Kvaser), MiCAN (RMI) и т. д.
Очевидно, что такая ситуация мало устраивает пользователей: им самим предлагается сделать выбор в пользу той или иной вариации на тему CAN. При этом лидируют в семействе, безусловно, SDS и DeviceNET (американский рынок) и CAL (Европа).
Адрес в Internet: www.can-cia.de.
3. HART
Разработанный в середине 80-х годов фирмой Rosemount протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer) реализует известный стандарт BELL 202 FSK (Frequency Shift Keying), основанный на 4 - 20 мА технологии.
Взаимоотношения между узлами сети основаны на принципе Master/Slave. В HART-сети могут присутствовать один или два Master-узла (обычно один). Второй, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и используется для организации связи с какой-либо системой контроля/отображения данных. Стандартная топология - звезда, но возможна и шинная организация. Для передачи данных по сети используются два режима:
1) асинхронный - по схеме “Master-запрос/Slave-ответ” (один цикл укладывается в 500 мс);
2) синхронный - пассивные узлы непрерывно передают свои данные Master-узлу (время обновления данных в Master-узле 250 - 300 мс).
За одну посылку один узел может передать другому до четырех технологических переменных, а каждое HART-устройство насчитывает до 256 переменных, описывающих его состояние. Корректность передаваемых данных контролируется получением подтверждения.
Адрес в Internet: www.hartcomm.org.
4. Foundation Fieldbus
Эта сеть появилась в результате совместной работы двух ведущих на американском рынке ассоциаций (ISP и WorldFIP). До 1993 г. каждая из них самостоятельно разрабатывала универсальную промышленную сеть. В 1994 г. была образована ассоциация Fieldbus Foundation, продвигающая на рынке и обеспечивающая поддержку сети Foundation Filedbus (FF). После многолетних безуспешных попыток по разработке универсальной промышленной сети, предпринятых комитетами по стандартизации IEC и ISA, в рамках Fieldbus Foundation ассоциации решили пойти по пути создания синтезированного решения на основе разных источников. Таким образом появилась Foundation Fieldbus. Итак, FF сегодня - это:
- физический уровень H1 FF (медленный), обеспечивающий рабочую скорость 31,25 кбит/с. Он основан на модифицированной версии стандарта IEC 1158-2 и предназначен для объединения устройств, функционирующих во взрывоопасных газовых средах;
- физический уровень H2 FF (быстрый), обеспечивающий рабочую скорость до 1 Мбит/с и основанный также на стандарте IEC 1158-2;
- сетевой уровень, базирующийся на элементах проекта IEC/ISA SP50 универсальной промышленной сети;
- прикладной уровень, содержащий элементы из ISP/Profibus-проекта.
Основная область применения этой сети - самый нижний уровень распределенной системы автоматизации с обвязкой устройств, работающих во взрывоопасных средах и использующих сеть как для информационного обмена, так и для собственной запитки.
У протоколов FF и Profibus-PA много общего, и именно поэтому европейская ассоциация по стандартизации CENELEC предложила включить FF в стандарт EuroNorm 50170 как самостоятельную часть этого стандарта.
Адрес в Internet: www.fieldbus.org.
5. LON
Протокол LON (точнее, LONTalk) был разработан американской компанией Echelon для построения интеллектуальных систем жизнеобеспечения зданий. В основе LON-технологии лежит использование специального интерфейсного Neuron-кристалла. В 1990 г. компания Echelon заключила договор с компаниями Toshiba и Motorola об исключительном праве этих компаний на его производство. Этот однокорпусный кристалл содержит три микропроцессора:
1) MAC-процессор поддерживает первый и второй уровни OSI-модели;
2) NET-процессор реализует функции с третьего по шестой уровень;
3) APP-процессор обрабатывает функции прикладного уровня.
Существуют протоколы и методы кодирования для самых разнообразных физических каналов передачи данных. Например, метод дифференциального манчестерского кодирования выбран для витой пары, FSK-модуляция применяется для работы по линиям электропроводки и на радиоканалах. Lon-сеть может состоять из сегментов, имеющих различные физические среды передачи: витая пара, радиочастотный канал, инфракрасный луч, линии напряжения, коаксиальный и оптический кабели. Для каждого типа физического канала существуют трансиверы, обеспечивающие работу сети на различных по длине каналах, скоростях передачи и сетевых топологиях.
При разрешении коллизий используется предсказывающий алгоритм их предупреждения, т. е. доступ к каналу упорядочивается на основе знания о предполагаемой нагрузке на нем. Узел, желающий передавать, всегда получает доступ к каналу со случайной задержкой из некоторого диапазона. Для предотвращения снижения пропускной способности сети величина задержки представлена как функция числа незавершенных заданий (backlog), стоящих в очереди на выполнение. Способность алгоритма, реализованного на MAC-уровне, “предсказывать” основана на оценке числа незавершенных заданий. Каждый узел имеет и поддерживает текущее значение backlog: инкрементирование и декрементирование основано на результатах отправления и приема пакетов.
Максимальный размер LON-сети - 32 000 узлов, соединенных различными физическими средами в произвольной сетевой конфигурации.
Адрес в Internet: www.echelon.com.
6. Profibus
При построении многоуровневых систем автоматизации, как правило, возникает задача организации информационного обмена между уровнями. В одном случае необходим обмен комплексными сообщениями на средних скоростях. В другом нужен быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола (уровень датчиков). Кроме этого иногда требуется работа на опасных участках производства (газопереработка, химическое производство). Для всех этих случаев пригоден Profibus. Однако говоря о нем, следует иметь в виду, что под этим общим названием понимается совокупность трех отдельных протоколов: Profibus-FMS, Profibus-DP и Profibus-PA. Все три варианта протокола используют общий канальный уровень (второй уровень OSI-модели).
Profibus-DP был спроектирован для организации быстрого канала связи с датчиковым уровнем. В основе алгоритма работы лежит модель циклического опроса каналов. Кроме того, существует набор ациклических функций для конфигурирования, диагностики и поддержки сигналов. В DP-протоколе имеется три типа устройств.
1. Мастер класса 2 (DPM2) - выполняет функции конфигурирования и диагностики устройств сети.
2. Мастер класса 1 (DPM1) - программируемые контроллеры (PLC, PC), в оперативном режиме выполняющие функции ведущего узла в сети.
3. Ведомые устройства (DP Slave) - пассивные устройства с аналоговым или дискретным вводом-выводом.
DP-протокол позволяет организовать одномастерную (один DPM1 и до 126 DP-Slaves) и многомастерную (несколько DPM1 и DP-Slaves) конфигурацию.
Протокол Profibus-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Здесь требуется высокая степень функциональности и этот критерий более важен, чем скорость. FMS-протокол допускает гибридную архитектуру взаимодействия узлов, основанную на таких понятиях, как виртуальное устройство сети, объектный словарь устройства (переменная, массив, запись, область памяти, событие и др.), логическая адресация и т. д.
Profibus-PA представляет собой расширение DP-протокола в части технологии передачи, основанной не на RS485, а на реализации стандарта IEC1158-2 для организации технологии передачи во взрывоопасных средах. Он может быть использован как замена старой 4 - 20 мА технологии связи. Для коммутации требуется всего одна витая пара, которая может одновременно использоваться и для информационного обмена, и для запитки устройств.
На одном физическом канале (RS485 или оптоволокно) одновременно могут работать устройства всех трех типов Profibus.
Рабочая скорость передачи может быть выбрана в диапазоне 9,6 - 12 000 кбит/с.
Profibus - это маркерная шина, в которой все циклы строго регламентированы по времени и организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии в сети. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя.
Исследования, проведенные независимыми западными маркетинговыми компаниями, свидетельствуют о том, что Profibus покрывает свыше 40% рынка открытых промышленных сетей в Германии и Европе. Идет стремительный процесс завоевания и американского рынка. Но самое главное - это то, что Profibus рассматривается сегодня как кандидат на обретение статуса международного IEC-стандарта.
Адрес в Internet: www.Profibus.com.
7.WorldFIP
WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) был разработан на основе французского стандарта, известного как NFC46-600 или FIP. Это детище консорциума компаний, производящих полевые устройства, в которых используется система сообщений. Протокол WorldFIP удовлетворяет требованиям реального времени. Главными членами консорциума являются: Honeywell, Baily Controls, Cegelec, Allen Bradley, Telemecanique, Electricity de France, Elf.
Протокол построен на гибридном (централизованном-децентрализованном) доступе к шине и для передачи данных использует режим широкого вещания (broadcast). Контроль ведется со стороны центрального узла сети, называемого “Арбитром”. Основной поток данных организован как набор отдельных переменных, каждая из которых идентифицирована своим именем. Любая переменная, обработанная в одном узле-передатчике, может быть прочитана всеми узлами-приемниками одновременно. Режим широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса.
Функции управления процессом могут быть распределены между различными устройствами на шине. Это возможно, так как все “приемники” одновременно принимают одинаковые переменные, а обновление данных и их передача подчиняются строгому контролю.
Адрес в Internet: www.worldfip.org.
Сегодня российские компании широко участвуют в международных ассоциациях и клубах, связанных с промышленной автоматизацией, хотя всего несколько лет назад об этом приходилось только мечтать. На российском рынке уже существуют центры “кристаллизации” в области fieldbus-технологий:
- Datamicro (Таганрог) - CAN;
- ассоциация “Vera+” (Москва) - Profibus;
- НИИ “Теплоприбор” (Москва) - Fieldbus Foundation (FF).
Эти центры не только знакомят с протоколами, распространяют нормативную документацию, но и способствуют внедрению стандартных fieldbus-технологий через конкретные проекты независимых компаний.
Однако, на мой взгляд, проникновение новых fieldbus-технологий на российский рынок носит несколько хаотичный и сиюминутный характер. Подчас новые решения приходят на уровне компонента системы. А поскольку устаревшие системы автоматизации модернизируются часто фрагментарно, то необходимо решить проблему стыковок этих фрагментов. Это можно сделать либо на основе аппаратно-программных межпротокольных шлюзов/коммуникационных промышленных серверов: например, TCP/IP в/из Fieldbus, либо на основе старой частной сети в/из Fieldbus.
Сегодня довольно легко найти или скомпоновать межпротокольный шлюз, например: ASI-Profibus (Siemens, www.siemens.de), Interbus-S - Profibus (Foenix Contact), Ethernet - MIL1553 - CAN - Profibus - LON (PEP Modular Compu- ters, www.pep.de) и т. д. Другое дело - организовать коммуникационные серверы с функциями обработки и архивирования данных. Эти задачи можно решить на различных промышленных архитектурах (VME, CompactPCI, Open PLC, PCI, ISA, PC104 и т. п.) и под управлением широкого класса операционных систем: Windows NT, Windows CE, OS9, VxWorks, QNX, pSOS+ и пр.
Некоторые итоги
Итак, можно констатировать, что рынок промышленных сетей сформировался: существует множество сетевых технологий, огромен спектр готовых изделий, ведущие компании объединены в различные ассоциации и группы, постоянно ведутся работы по стандартизации в рамках как национальных, так и международных комитетов.
Создание fieldbus-технологий - это путь к прекращению противостояния производителей контрольного оборудования, с одной стороны, и появление универсальных инструментов для построения интегрированных комплексов - с другой.
При выборе коммуникационной технологии можно руководствоваться количественными параметрами (объем передаваемых полезных данных, максимальная длина шины, допустимое число узлов на шине, помехозащищенность и др.), ценовым критерием (затраты в расчете на один узел), популярностью, эффективностью решения задачи, простотой конфигурирования и т. д. При этом улучшение одного параметра может привести к ухудшению другого. Таким образом, при выборе того или иного протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности.
Но наиболее важным критерием выбора должно быть соответствие принципам открытых систем: стандартизация и доступность. Только это позволяет делать надежные прогнозы.
Стремление иметь одно универсальное сетевое решение на все случаи жизни, безусловно, похвально, но представляется мало реальным. Каждая промышленная сеть имеет свои преимущества и недостатки. Важно определить некоторое подмножество решений с тем, чтобы сконцентрировать на нем основные усилия и производителей оборудования, и разработчиков сопутствующего программного обеспечения, и системных интеграторов.
К автору статьи можно обратиться по телефону: (095) 742-6828 или по E-mail: lubashin@rtsoft.msk.ru.
Основные сравнительные характеристики некоторых промышленных сетей
