Локальные промышленные сети

Сначала иерархию уровней автоматизации представляли в виде трехэтажной пирамиды: уровень управления устройствами; уровень управления технологическими процессами; уровень управления предприятием. На уровне управления предприятием располагались персональный компьютер и файловые серверы, которые объединялись локальными вычислительными сетями. Их задачами являлись: визуальный контроль параметров процесса, построение отчетов, архивирование данных. Объемы передаваемых данных между узлами сети измерялись мегабайтами, временные показатели обмена не являлись критичными. Задачами уровня управления технологическими процессами являлись: текущий контроль и управление в ручном режиме с пульта управления или в автоматическом по заданному алгоритму. Здесь осуществлялись согласование параметров отдельных участков производства, отработка аварийных ситуаций, загрузка технологических программ и др. Информационные уровни этого уровня содержали несколько байтов, допустимые временные задержки исчислялись 100¸ 1000 мс.

На уровне управления устройствами располагались контроллеры. Они собирали данные и управляли оконечными устройствами. Данные, которыми контроллер обменивался с оконечными устройствами, составляли порядка 1¸ 2 байт, но требования к скорости обмена были высоки – 10 мс и менее.

Тенденции последних лет сделали эту структуру более сложной и размытой. Во-первых, автоматизированные системы управления технологическими процессами стали интегрироваться в АСУ ТП, а через нее стали выходить в сферу Internet -технологий. Во-вторых, значительные успехи имеет промышленный Ethernet, поддерживаемый номенклатурой программно-аппаратных средств и способствующий интеграции отдельных частей АСУ ТП в единую систему. В-третьих, удешевление микропроцессоров и развитие микропроцессорной техники привело к встраиванию интеллектуальных средств на нижний уровень иерархии автоматизации – в датчики и исполнительные механизмы. Теперь каждое интеллектуальное устройство имеет возможность накапливать, хранить и выдавать информацию о том, где и кем оно было изготовлено, приобретено и установлено, о рабочих характеристиках, о результатах диагностики и т.д. Все это требует использования промышленных сетей и на данном уровне. Таким образом, пирамида иерархии становится четырехэтажной. При этом уровень управления технологическими процессами делят на два уровня: управления участком и управления производством. Анализ объема данных и времени реакции между уровнями иерархии показывает, что при движении от нижних уровней к верхним объем данных возрастает, время реакции снижается, частота обновления данных падает.

Рис. 2. Структура пирамиды автоматизации:

УУП₂ – уровень управления предприятием; УУП₁ – уровень управления производством; УУУ₂ –

уровень управления участком (цехом); УУУ₁ – уровень управления устройствами

Все уровни пирамиды автоматизации должны иметь как вертикальную информационно-техническую связь друг с другом, так и горизонтальную, т.е. с компонентами своего уровня. Потребность в таких связях есть на всех уровнях. Данные, передаваемые на вышестоящие уровни, необходимо сокращать и снижать, чтобы не перегружать вышестоящий уровень. Данные, передаваемые на нижестоящий уровень, необходимо расширять дополнительной информацией. Если каждый уровень будет самостоятельным настолько, насколько это возможно, то вертикальный обмен будет минимальным, а горизонтальный обмен будет увеличиваться.

При прямых (двухточечных) связях связь между двумя компонентами одного уровня возможна только через вышестоящие уровни. Это создает длинный путь, запаздывание информации, низкую пропускную способность. Поэтому такой путь не приемлем для нижних уровней. Здесь нужна быстрая горизонтальная коммуникация. Напрашивается другой путь: каждый объект коммуникации должен быть связан с каждым другим объектом коммуникации (многоточечная связь).

Такая структура становится запутанной, имеет дорогую кабельную систему, затрудняет дальнейшее развитие системы. Очевидно, что при многочисленных связях архитектура прямой связи неэффективна, поэтому компоненты и установки системы автоматизации общаются по локальным сетям и шинам.

Шина – это общая информационная линия, к которой подключены все партнеры коммуникации, т.е. она представляет определенный способ транспортировки данных, и является связующим компонентом в системе автоматизации.

Техника автоматизации предъявляет к сетям и шинам следующие требования: по скорости передачи данных, количеству подключаемых устройств, возможностям расширения сети, стоимости. Каждая из конкретных сетей отвечает определенным требованиям.

Сегодня на рынке промышленных сетей существует несколько десятков открытых сетей. В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно поделить на три уровня:

1. сети датчиков используют протоколы для взаимодействия средств КИП и контроллеров систем ввода/вывода;

2. сети контроллеров используют протоколы для соединения систем ввода/вывода данных, контроллеров, операторских станций, систем оперативного управления;

3. сети промышленного предприятия используют протоколы для административного уровня системы управления производством.

Часто используют локальные и глобальные вычислительные сети. Для промышленных сетей обычно являются предельными расстояния между узлами сети (датчиками, исполнительными устройствами, контроллерами) в сотни метров, размеры сообщений в сжатой форме – порядка 1 Кб. Опрос датчиков – периодический. Важное требование к промышленным сетям – обеспечение работы системы управления в реальном масштабе времени. Поэтому офисные сети типа Ethernet, если и используются в промышленности, то на верхнем уровне пирамиды автоматизации, так как они не гарантируют ограничения задержек информации сверху.

Промышленная сеть – это коммуникационная сеть, объединяющая несколько промышленных систем и функционирующая почти как и локальная сеть, но кроме детерминированности (гарантированной временной задержки информации), такая сеть должна поддерживать значительные расстояния между узлами, иметь надежную защиту от электромагнитных помех, обладать прочной механической конструкцией. Она должна быть универсальной, т.е. передавать как данные, так и управляющую информацию.

Многие промышленные сети на физическом уровне используют электрический стандарт RS-485, обеспечивающий взаимосвязь нескольких устройств на расстояниях в 100 м за счет повышенной помехозащищенности.

Для промышленных сетей характерно, что оперативность и предсказуемость времени передачи информации – характеристики более важные, чем способность передавать большие объемы данных. Поэтому типичные скорости передачи по ним – от 10 Кбит/с до 10 Мбит/с. В качестве электрической среды используют медные кабали, которые для защиты от электромагнитных помех, создаваемых технологическими устройствами, приходится тщательно экранировать. Применяют оптоволоконную передающую среду, нечувствительную к электромагнитным помехам. Некоторые стандарты промышленных сетей прямо определяют использование оптоволоконных кабелей. Другие допускают использование серийно выпускаемых преобразователей электрического сигнала в оптический и наоборот при использовании сети в условиях повышенных электромагнитных помех.