книги / Проектирование систем управления технологическими процессами и производствами

выполнять собственные разработки, в том числе и такие, которые могут использоваться другими.

Если некоторая /?е/<йм.г-технология относится к открытым систе­ мам, то она должна обладать следующим рядом принципиальных качеств:

-включаемостью (interconnectivity), т.е. возможностью свобод­ ного физического включения в общую сеть устройств от различных производителей;

-взаимодействием {interoperability), т.е. возможностью постро­ ения работоспособной сети на основе включения компонентов от различных поставщиков;

-взаимозаменяемостью {inter-changeability), т.е. возможностью замены компонентов аналогичными устройствами от других про­ изводителей.

Очевидно, что конечной целью создания открытой промышлен­ ной сети является достижение именно взаимозаменяемости отдель­ ных ее компонентов. Это возможно, если спецификации протоколов полные и существует отлаженная система тестирования и сертифи­ кации новых изделий.

Результаты исследований рынка промышленных сетей, предо­ ставленные независимыми маркетинговыми компаниями, убеди­ тельно свидетельствуют о постоянном росте открытых fieldbus-си­ стем: около 20% в год. Однако до сих пор существенную долю рынка занимают закрытые (частнофирменные) решения.

Определение “fieldbus”

Корнем термина fieldbus является слово field - область, сфера, место приложения. Промышленные сети (fieldbuses) применяются на уровне устройств, обслуживающих реальный процесс производ­ ства 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.

Fieldbus- э то основополагающий термин, определяющий некото­ рую цифровую сеть, призванную заменить широко использовавшуюся ранее централизованную аналоговую 4 - 2 0 мАтехнологию. Такая сеть является цифровой, двунаправленной, многоточечной, после­

довательной коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от друга (по функциям) таких устройств, как контроллеры, датчики, силовые приводы и т. п. Каждоеfield-устрой­ ство обладает самостоятельным вычислительным ресурсом, позво­ ляющим относить его к разряду интеллектуальных {smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно самостоятельно выпол­ нять ряд функций по самодиагностике, контролю и обслуживанию функций двунаправленной связи. Доступ к нему возможен не только со стороны инженерной станции, но и со стороны аналогичных ему устройств. Поэтому технология fieldbus - это нечто большее, чем просто замена 4 - 20мА - технологии.

Fieldbus - это сеть для промышленного применения, логически очень похожая на LAN-сети, применяемые в офисных приложениях. Однако промышленные сети должны 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.

Одним из ключевых требований рассматриваемой технологии является повышенная надежность передачи данных и детермини­ рованность поведения, предполагающая, что все возможные события

всети могут быть заранее четко определены.

Переход на fieldbus-технопогию обещает улучшение качества, снижение затрат и повышение эффективности конечной системы. Эти обещания основаны на том факте, что принимаемая или передаваемая информация кодируется в цифровом виде. Каждое устройство может выполнять функции управления, обслуживания и диагностики. В частности, оно может сообщать о возникающих ошибках и обес­ печивать функции самонастройки. Это существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровож­ дению. Серьезный ценовой выигрыш получается за счет проводников

и монтажных работ: аналоговая технология связи требует, чтобы каж­ дое устройство имело собственный набор проводов и собственную точку соединения. Fieldbus устраняет эту необходимость, так как использует всего одну витую пару проводников для объединения всех активных (контроллеры) и пассивных (датчики) устройств.

Кроме того, общее количественное снижение оборудования дела­ ет всю систему не только проще в эксплуатации, но и надежнее за счет уменьшения потенциальных аппаратных отказов.

Место полевых шин в иерархии систем

1.GAN - Global Area Network (глобальные сети): спутники

асвязи, трансатлантические линии связи.

2.WAN - Wide Area Network (широкомасштабные сети): Интернет.

3.MAN- Megapolis Area Network (объединенные мегаполисные сети).

4.LAN - Local Area Network (локальные сети): сети, не выходящие из здания офиса.

5.FAN - Field Area Network (промышленные сети).

6.$AN (шины, интерфейсы): сети низшего уровня.

LAN и FAN объединены в LON - Local Operating Network. Рассмотрим несколько популярных технологий Fieldbus проекти­

рования автоматизированных систем управления технологическими процессами.

7.6.1. Технология “Шина P-NET”

Общая характеристика P-NET

P-NET- это шина, которая была создана для объединения отдель­ ных компонент вычислительного процесса, а именно: компьютера, датчиков, исполняющих устройств, устройств ввода/вывода, цен­ трального и периферийного контроллеров и т.д., которые обычно сое­ диняются двумя кабелями. Такое соединение заменяет традиционное при использовании большого количества кабелей. Данные, получа­ емые в ходе выполнения процесса (показания измерительных приборов, сигналы датчиков) преобразуются в числовые величины (рис. 7.13). P-NET используется также для объединения данных, для конфигурации узлов/датчиков и для загрузки программ.

Использование P-NET характеризуется низкими затратами, осо­ бенно для небольших систем. Расходы прямо пропорционально зависят от размера системы. Р-NET одинаково хорошо подходит как для малых производственных систем, так и больших, имеющих большое количество контроллеров, датчиков и интерфейсных моду­ лей. Кроме того, любые системы такого вида всегда можно расширить в случае необходимости.

Области применения Р-NET Полевая шина P-NET нашла приме­ нение более чем в 5000 системах, внедренных по всему миру. Диапа­ зон применения Р-NET распространяется от простых инсталляций с несколькими I/O точками до очень больших и сложных инсталляций, использующих более 4000 I/O точек.

Р-NET нашла широкое применение как в промышленности в целом, так и в отдельных частях производства.

Основные принципы функционирования Р-NET Электрическая спецификация Р-NET основана на стандарте &5-485, использующем защищенную витую пару, что позволяет использовать кабель длиной до 1200 метров без повторителей. Данные посылаются асинхронной передачей в NRZ коде. Интерфейс Р-NET гальванически изолирован. К нему может быть присоединено до 125 устройств на каждый сег­ мент шины через специальную цепь зажимов без использования повторителей.

Р-NET обладает очень эффективным протоколом полевой шины,

вкотором можно выполнить до 300 передач подтвержденной инфор­ мации в секунду от 300 адресов независимых узлов. Эта информация может передаваться либо в форме полностью обработанной перемен­ ной (переменной с плавающей точкой), таких как температура, давление, электрический ток и т.д., либо в качестве 300 блоков от 32 независимых бинарных сигналов, означающих состояние, положение и т. д. Это приводит к выполнению до 9600 бинарных сигналов в секунду, доступных из любой точки всей системы.

Р-NET является шиной с несколькими мастерами, число которых может доходить до 32. Основной принцип связи заключается в следу­ ющем: мастер посылает запрос - и слэйв отправляет немедленный ответ. Запрос может быт типа читать - писать. Мастера и слэйвы показаны на рис. 7.14.

кими мастерами. Другие шины, например, PROFIBUS, передают реальные телеграфные сообщения для передачи маркера. Такой метод передачи увеличивает время работы мастера и позволяет сократить мощность шины. Принцип передачи виртуального маркера также применим при отсутствии мастера. В этом случае все устройства, включая остальные мастера, будут продолжать свою работу обычным образом.

Большое количество осуществленных передач данных достига­ ется за счет одновременной работы слэйвов по обработке данных и получению и передачи блоков. Процесс запроса начинается в слэйве сразу же после прибытия первого байта данных. Это является отличи­ ем от схем, где запрос не посылается до прибытия всего блока данных. Таким образом, стандартная скорость передачи данных 76800 бит/с не является ограничивающим фактором при выполнении. Выпол­ нение может быть образовано в системах со скоростью передачи данных свыше 500000 бит/с.

Мулътисетевая структура Р-NET Существовавшие до сих пор пути создания архитектуры сетей для промышленных предприятий имели периферийные шины, непосредственно связывающие датчики и исполняющие устройства (см. рис.7.14).

Периферийная шина могла бы быть соединена с элементомконтроллером или несколько элементов-контроллеров могли бы быть соединены с элементами сети иерархически, что означало бы изме­ нение высокоскоростной сути сети. Скорость передачи данных в сети на самом высоком уровне была принята за величину больше, чем у сетей нижнего уровня.

Возможно, это было резонной философией в той части, где все окончательные данные хранились в мощном компьютере на верхнем уровне. Практикой сегодняшнего дня и дня будущего является рас­ пределение сведений между элементами-контроллерами, интерфей­ сом и датчиками. На каждом уровне данные накапливаются и хра­ нятся внутри одной и той же шины. Потребность в высокой скорости передачи данных на высшем уровне уменьшается, так как большин­ ство сведений распределено. Это является основанием для примене­ ния Р-NET на различных уровнях в полной системе автоматизации предприятия.

Деление системы на элементы, возможность связи с любым производственным объектом позволяет исключить отдельные секции, не воздействуя при этом на остальные. Выполнение программы может быть разделено на один или больше независимых процессов на элемент. Программная или аппаратная ошибка в элементе не будет влиять на работу остальных элементов. Отдельный элемент сейчас имеет только ограниченную потребность в обмене данными с другими элементами, например, чтобы начать или завершить процесс, чтобы загрузить средства, чтобы передать результаты и т.д. В системе, в которой сведения действительно распределены, всегда может быть добавлен дополнительный управляющий контроллер за счет высвобожденных ресурсов и, следовательно, это позволяет системам расширить свою структуру.

Среди имеющихся систем связи с периферией только P-NET осуществляет прямую адресацию между несколькими сегментами шины, которые известны так же как и структура мульти-сети. Эта особенность является специфической частью Р-МЕТ-протокола. Прямая адресация может быть построена внутри стандартной операционной системы многопортовых мастеров. Соединение осуществляется прямо через различные сегменты шины и узлы с двумя или более интерфейсами P-NET. Это значит, что несколько компьютеров одного сегмента шины могут иметь прямой доступ к нескольким узлам из другого сегмента без использования специ­ альной программы в мастере.

Разбиение на сегменты также позволяет иметь в распоряжении независимые локальные нагрузки на каждом сегменте шины, которые увеличивают скорость передачи данных и ввод/вывод данных через всю систему.

Еще одно важное преимущество разбиения системы на неболь­ шие сегменты - ограничение влияния ошибки в одном сегменте на работу остальных благодаря эффективной службе защиты системы. Более того, эти отличительные черты мульти-сети учитывают естест­ венную избыточность, которая делает общую инсталляцию производ­ ства очень крепкой, что касается ошибок. Важное преимущество многосетевой топологии P-NET в том, что она не нуждается в иерар­ хической структуре в сегментах шины. Это особенно важно при рас­ ширении P-NET и при подсоединении к другой сети.

Для соединения двух сегментов внутри одного узла в системе не мульти-сетевых шин требуется специальная программа в этом узле. Такая программа требует все данные от всех устройств одного сегмен­ та для того, чтобы сделать этот сегмент доступным для других (так называемое создание “представления о процессе”). При большом количестве данных, которые имеются в распоряжении сегодняшнего программируемого узла, почти невозможно поддерживать верное “представления о процессе” для полного сегмента шины. Такая про­ цедура занимает значительную часть мощности шины и запрашивает большое количество памяти. Более того, создать и проверить создан­ ную программу для соединения каждого сегмента дорого. Р-NET не требует создания такого “представления о процессе”.

Преимущества протокола Р-NET Распределенная мощность выполняемого процесса может быть увеличена за счет простого добавления мастера.

Все узлы, подчиняющиеся Р-NET, могут быть прямо связаны с шиной и друг с другом, так как Р-NET использует только одну ско­ рость передачи данных и только один вариант на каждом коммуни­ кационном уровне. Это является отличием от других стандартов, которые допускают несколько вариантов на одном и том же уровне, что является результатом несовместимости.

Любые /V/VZiT-модули, включая управляющие, могут быть присо­ единены к шине или отсоединены от нее без обращения к остальным системам шины. Следовательно, возможен обмен модулей и расши­ рение системы может осуществляться без прекращения работы системы.

Потребность в конфигурации связанных параметров в P-NET весьма незначительна по сравнению с другими системами. В слэйвах системный интегратор Р-NET должен только подключить адреса узлов, а в управляющих модулях нужно только определить адрес узла и номер управляющего модуля. Следовательно, не нужно долго обучаться, чтобы понять и инсталлировать систему P-NET.

Для изменения адреса отдельного модуля сети посредством его уникального серийного номера в P-NET-стандарт включены специ­ альные процедуры. Они позволяют изменить адрес узла системы без прерывания работы. Переключатели и другие механизмы могут быть удалены, следовательно, это позволяет создать герметически закры­ тые узлы P-NET.

При разработке нового устройства для P-NET можно извлечь пользу из того факта, что P-NET может иметь доступ к любому адресу внутри устройства, логическому или физическому. Когда устройство подключается к P-NET, обе процедуры проверки, которые выполня­ ются во время фазы развития для прикладных программ внутри устройства, и последующая калибровка и эксплуатация могут быть упрощены. P-NET может использоваться для просмотра устройства на програм-мные переменные монитора.

Результаты измерений, проведенных в слэйве, предоставляются мастеру в допроцессной форме в единицах измерения СИ. Выигрыш очевиден, так как ненадобность повторного преобразования, произво­ димого мастером (мастерами), приводит к значительной экономии мощности. Например, результат измерения температуры слэйв преобразует в переменную с плавающей точкой и предоставит по запросу мастера в градусах Цельсия.

Идентификаторы, используемые для доступа к физическим пере­ менным в сети, определены в списке “Программное обеспечение”. Этот список создается во время компиляции действующей програм­ мы. Следовательно, не требуется передача в режиме реального времени, что приводит к очень быстрому доступу к данным. Чтобы обеспечить хранение данных в режиме реального времени, каждый блок данных, передаваемый в сеть, ограничен 56 байтами. Если запрашиваемые данные длиннее, чем 56 байтов, они автоматически делятся на несколько групп, удобных для передачи.

Программируемые модули P-NET. Типичный модуль P-NET

(рис. 7.15) дает системному интегратору большие функции, чем просто ввод/вывод, которые очень часто содержат в себе дополнитель­ ные функции, определяющие процесс. Их диапазон распространяется от простого ограниченного направленного мониторинга до регулятора или программных каналов, разрешения системному интегратору устанавливать локальный контроль или специальные шаги процесса.

Другая возможная функция слэйваиспользование его как пере­ датчика, где аналогичные сигналы от загруженных элементов непрерывно поступают, обрабатываются и хранятся в памяти слэйва. Если от мастера поступает запрос, то слэйв немедленно посылает самые последние результаты из хранящихся. В слэйве также осущест­ вляется постоянный контроль за ошибками, и мастер, благодаря коду