Лекция 18 Промышленные контролеры

Локальные промышленные сети

Информационный обмен между различными уровнями уп­равления, их интеграция в единую систему осуществляются по­средством локальных вычислительных сетей. Локальные вычисли­тельные сети [25, 26] представляют собой системы распределен­ной обработки данных, охватывающие относительно небольшие территории (до 5 — 10 км) внутри отдельных предприятий и объ­единяющие с помощью общего канала связи сотни абонентских узлов. Локальные вычислительные сети могут подключаться к другим локальным, а также региональным и глобальным сетям ЭВМ. Преимущества интегрированных систем для автоматизи­рованных производств — снижение затрат материалов и времени производственного цикла.

Промышленные контролеры

Локальные вычислительные сети, обеспечивающие физичес­кую и логическую связь между распределенными промышленны­ми контроллерами, измерительными преобразователями и ис­полнительными механизмами и их интеграцию в единую систему управления технологическим процессом, называются локальны­ми промышленными сетями (Fieldbus — «полевая» шина). Основ­ными требованиями к вычислительным сетям, эксплуатирую­щимся в промышленных условиях, являются простота монтажа, высокая надежность и высокая скорость передачи данных (что отличает их, например, от глобальных сетей, которые могут вно­сить в передачу данных значительные задержки).

Семиуровневая эталонная модель взаимодействия открытых систем

Стандарты играют первостепенную роль при проектировании современных вычислительных сетей. Без стандартов пользовате­ли были бы вынуждены покупать все сетевое оборудование от од­ного производителя, так как оборудование разных производите­лей могло быть несовместимым. Стандарты призваны облегчить интеграцию продуктов различных производителей в одной сети.

Международная организация по стандартизации (International Organization of Standardization — ISO) разработала стандарт, описывающий правила соединения аппаратных и программных средств в единую систему. Этот стандарт носит название модели взаимосвязи открытых систем — ВОС (Open System Interconnection — OSI). Как правило, производители се­тевого оборудования определяют свои изделия в терминах OSI-модели.

Архитектура OSI-модели разбита на семь независимых уров­ней. В соответствии с этим передача информации в сети сводит­ся к семи подзадачам, соответствующим определенным уровням модели. OSI-модель определяет назначение и правила взаимо­действия уровней. Отдельные уровни отличаются по специфике выполняемых процессов и по технологиям реализации. Каждый уровень обеспечивает полный набор услуг для уровня, располо­женного выше.

В табл. 18.1 указаны конкретные примеры реализации всех се­ми уровней OSI-модели. Нижние два уровня — физический и ка­нальный — реализуются аппаратно-программным способом, ос­тальные пять — в основном программным. Так, сетевой уровень реализуется драйверами операционной системы, а также аппа­ратными и программными средствами маршрутизаторов. Верх­ние четыре уровня реализуются средствами сетевой операцион­ной системы.

При передаче информации между прикладными программа­ми, находящимися на разных узлах сети, передаваемая информа­ция проходит вниз через все уровни системы и преобразуется к виду, пригодному для передачи по физическим каналам связи. После доставки по требуемому адресу информация проходит че­рез все уровни наверх и преобразуется в исходный вид.

Таблица 18.1 Примеры реализации уровней OSI-модели

Но­мер уров­ня	Название	Назначение	Пример
1	Физический	Физическое (механическое и электрическое) соединение среды передачи данных	Стандарт lOBaseT (витая пара) Стандарт 10Base2/IOBase5 (коаксиальный кабель) Стандарт 10 Base F (оптоволоконные линии)
2	Канальный	Передача по физическому адресу по сети Доступ к среде передачи данных	Ethernet Token Ring Протокол CSMA/CD / (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection — Сети с множественным доступом с контролем несушей и обнаружением коллизий)
3	Сетевой	Логическая адресация и маршрутизация	IP (Internet Protocol — Протокол Интернет) IPE (Internetwork Packet Exchange — Межсетевой протокол обмена пакетами) DDP (Datagram Delivery Protocol — Протокол доставки пакетов (Apple Talk))
4	Транспорт­ный	Прозрачная передача пакетов данных по сети	TCP (Transmission Control Protocol — Протокол контроля передачи данных) SPX (Sequenced Packet Exchange — Протокол последовательного обмена пакетами) ATP (Apple Talk Transaction

Продолжение

Но­мер уров­ня	Название	Назначение	Пример
			Protocol — Протокол управления транзакциями Apple Talk)
5	Сеансовый	Управление диалогом между устройствами сети	NPS (Network Print Service — Сервисы печати) NFS (Network File System -Разделяемые файловые системы)
6	Представи­тельный	Преобразование данных при передаче информации между устройствами с различными форматами данных	Код ASCII (American Standard Code for Information Interchange — Американский стандартный код для обмена информацией) EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code — Расширенный двоично-десятичный код для обмена информацией)
7	Прикладной	Предоставление сетевого сервиса для программ пользователя	Электронная почта Удаленный доступ (Telnet)

Промышленные сети, как правило, реализуют физический, канальный и прикладной уровни OSI-модели, остальные уровни в большинстве случаев избыточны.

Топологии сетей

Топология сети описывает способ объединения различных сетевых устройств. Выбор топологии влияет на характеристики

сети: способ доступа к сети, возможность ее расширения, надеж­ность. Основными топологиями являются шина (Bus), кольцо (Ring) и звезда (Star).

При построении вычислительных сетей используются два ва­рианта подключения сетевых устройств: радиальное и магист­ральное. Радиальное соединение между двумя сетевыми устройст­вами (ЭВМ, ПК и т.п.) называется соединением точка к точке (point to point interface). Магистральное соединение сетевых уст­ройств, при котором они независимо выходят на общую линию передачи, называется «многоточечным» соединением (multi­point).

Наиболее простыми и распространенными являются сети с топологией типа шина (магистраль). Для объединения группы ус­тройств в сеть здесь применяется единый кабель. Кабель имеет несколько промежуточных ответвлений, которые используются для соединения магистрального провода с сетевыми устройства­ми. Тип соединения — многоточечный. Каждое сетевое устройст­во может передавать данные только в том случае, если другие «молчат». Сеть с такой топологией отличается легкостью расши­рения, однако чем больше абонентских узлов в сети, тем ниже ее производительность (сетевой абонентский узел — это ЭВМ, ПК, панель визуализации и т.д.). Основной недостаток этой тополо­гии заключается в том, что выход из строя магистрального кабе­ля влечет за собой остановку всей сети. В то же время выход из строя одного узла не нарушает работоспособности сети.

В топологии типа кольцо информация передается от узла к уз­лу последовательно по физическому кольцу. Каждый узел переда­ет информацию только одному из узлов. Тип соединения — точ­ка к точке. Приемный узел выступает в роли повторителя, реге­нерируя полученную информацию. К передатчикам и приемни­кам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широ­ковещательных конфигурациях, где передаваемые данные полу­чают все узлы сети. На различных участках сети могут использо­ваться разные виды физической передающей среды. Выход из строя линии связи приводит к отказу сети.

Топология типа звезда предполагает, что все сетевые узлы подключены собственным физическим каналом связи к цент­ральному концентратору или контроллеру. Тип соединения — точка к точке. Информация от периферийного передающего уз-

ла поступает к другим периферийным узлам через центральный узел. Центральный узел должен отличаться повышенной надеж­ностью, поскольку выход его из строя останавливает всю сеть. Выход из строя периферийного узла или одного физического ка­нала связи отключает только один сетевой узел и не влияет на ра­ботоспособность остальной сети.

Канал передачи данных

Локальная промышленная сеть использует последовательную передачу данных по каналу связи. Такой способ обеспечивает на­дежную передачу данных на большие расстояния и является эко­номичным.

Среда передачи данных ЛПС. В качестве физической среды передачи данных обычно применяется витая пара, коаксиальный кабель или оптоволокно, реже — канал беспроводной связи.

Витая пара представляет собой пару изолированных прово­дящих жил, скрученных друг с другом и помещенных в общую диэлектрическую оболочку. Достоинства витой пары — низкая стоимость и простота применения.

Коаксиальный кабель представляет собой медную токоведу-щую жилу, окруженную слоем диэлектрика и покрытием в виде металлической оплетки или фольги. Существует в двух вариан­тах: тонкий - 6 мм (10 Base2 /IEEE 802.3) и толстый — 12 мм (10 Base5/IEEE802.3) коаксиальный кабель. Достоинство коакси­ального кабеля — возможность прямых ответвлений (путем про­калывания изоляционного слоя), благодаря чему сеть может лег­ко наращиваться, а также помехозащищенность.

Оптоволоконный кабель состоит из оптоволокна и защитного покрытия. Оптоволокно изготавливается из стекла или специ­ального пластика и служит для передачи световых сигналов. Оп­товолокно покрывается светоотражающим составом, предотвра­щающим рассеивание света. Снаружи оптоволокно покрыто по­диви нилхлоридом или каким-либо другим защитным покрыти­ем, повышающим прочность кабеля.

Используется в основном оптоволокно двух типов. Первый тип предполагает параллельную передачу нескольких световых сигналов и применяется для передач на расстояние до 2 000 м, источник сигнала — диод. Второй тип предусматривает одиноч ный режим передачи, применяется для передачи сигнала на рас­стояние до 5 000 м, источник сигнала — лазер.

Достоинства оптокабеля — высокая скорость передачи дан­ных и устойчивость к электромагнитным помехам, так как опто­волокно не является электропроводящим материалом.

Основные характеристики рассмотренных сред передачи дан­ных сведены в табл. 18.2.

Таблица 18.2 Основные характеристики сред передачи данных

Тип среды передачи	Скорость передачи, Мбит/с	Длина сетевого сегмента, м	Примерная стоимость 1 м, долл.
Витая пара	До 100	100	0,3-0,7
Тонкий коакси­альный кабель	До 10	185	2 /
Толстый коак­сиальный ка­бель	До 100	500	2,5
Оптоволокно	100 и выше	2—5 км	2-6