Промышленные информационные сети.

Передача информации по каналам связи решает следующие задачи (см.рис.1.2):

• обмен информацией между пультом управления и процессорным блоком УВМ;

• обмен информацией между УВМ и технологическим объектом управления;

• обмен информацией между локальной и центральной УВМ.

Обмен информацией между ПУ и ПБ включает в себя организацию связи между человеком-оператором и АСУТП с помощью клавиатуры, дисплея, принтера и различных средств индикации. Кроме того, обычно реализуется связь с ВЗУ, выполненным на магнитных дисках и дискетах. Связь с ТО обеспечивается, прежде всего, через модули выдачи и приёма дискретных сигналов, а также с помощью специализированных модулей. В частности, выдача и приём непрерывных сигналов обеспечивается с помощью модулей цифро-аналогового преобразования ЦАП и АЦП.

Обмен информацией в УВМ осуществляется при помощи двоичных кодовых комбинаций фиксированной величины, называемых словами. Величина слов, обрабатываемых ЛУВМ, обычно равна 1…2 байт. Передача дискретной информации между различными уровнями управления АСУТП производится словами или объединениями слов, называемых кадрами. Различают два основных способа передачи информации:

• параллельная передача слова информации внутри УВМ (все биты слова передаются одновременно, параллельно);

• последовательная передача слова или кадра информации между УВМ и исполнительным устройством, между ЛУВМ и ЦУВМ, когда биты информации передаются один за другим в заданной последовательности.

Совокупность правил обмена информацией между двумя соседними уровнями управления, а также совокупность проводов и иных технических средств, обеспечивающих такой обмен информацией, называется интерфейсом. В настоящее время в АСУТП применяют только стандартные интерфейсы – интерфейсы, которые обеспечивают заданный международным или иным стандартом порядок обмена информацией независимо от технической базы, на которой реализованы конкретные модификации того или иного интерфейса.

При параллельной передаче слов информации используется параллельный интерфейс. В нём число проводов, по которым передаётся информация, должно быть не меньше числа битов передаваемого слова. Так, для параллельной передачи слова в два байта необходимо иметь шину связи с учётом общего провода из не менее чем 17 проводов. В то же время для последовательной передачи информации посредством последовательного интерфейса достаточно иметь только два связных провода независимо от величины передаваемых слов. Многопроводную шину трудно уберечь от помех, её стоимость намного превышает стоимость двухпроводной сети. Поэтому параллельную передачу информации применяют при расстоянии между объектами связи, не превышающем 1…2 м, преимущественно внутри УВМ.

Обмен информацией с помощью как параллельного, так и последовательного интерфейса может быть двух видов: синхронный и асинхронный. При синхронном обмене информацией время и темп выдачи слов управления и записи сигналов обратной связи определяются исключительно тактовыми импульсами УВМ. При асинхронном обмене информацией время и темп выдачи и приёма информации определяются также и сообщениями, поступившими от ТО, оператора или ЦУВМ. Обмен информацией внутри УВМ строится по синхронному принципу, но для связи с внешними устройствами (ВУ) широко применяется асинхронный обмен.

Пропускная способность канала связи С определяется соотношением:

, (2.14)

где S – величина слова (кадра) информации, бит;

Т – время цикла передачи, с.

Передача слова информации сопровождается управляющими сигналами, один из которых инициирует начало передачи слова, а другой информирует о конце передачи (приёма) слова. Для управления передачей слова информации в параллельном интерфейсе должно быть не менее двух дополнительных связных проводов, а в последовательном интерфейсе должна быть предусмотрена передача не менее двух (стартового и стопового) дополнительных битов информации.

Отдельные производственные модули (ПМ) автоматизируемого объекта обычно разбросаны на достаточно большой производственной территории. Каждый из них, имея собственную систему управления, объединяется для согласованной работы с другими ПМ посредством ЦУВМ. Большие расстояния между отдельными узлами автоматизируемых объектов делают целесообразным применение исключительно последовательных интерфейсов как для связи между ЦУВМ и ЛУВМ, так и для обмена информацией между ЛУВМ, управляющими производственными модулями и исполнительными устройствами.

АСУТП, объединённая устройствами последовательной связи, принимает вид распределённой системы управления. Совокупность программ, устройств и проводов, которые обеспечивают обмен информацией в АСУТП, называется промышленной информационной сетью. Способ соединения отдельных устройств в такой сети составляет её технологию. Управляющие устройства, входящие в состав сети, называются её узлами, а совокупности проводов, соединяющих узлы, называется разделяемым (между составляющими узлами) физическим каналам, или разделяемой средой передачи данных (shared media). Наиболее распространёнными сетевыми топологиями является «звезда», «кольцо» и «шина».

О соединении в звезду (star) говорят в тех случаях, когда порядок обмена информацией определяется одним управляющим устройством, которое в таком случае называется центральным узлом, или master (ведущий). Остальные устройства (узлы), участвующие в обмене информацией, называются slave (ведомый). Такой порядок характерен для обмена информацией между ПЛК и исполнительными устройствами, где отказ центрального узла ПЛК не скажется на функционировании АСУТП в целом.

Кольцевой структурой, или кольцом (ring), называется такой порядок обмена информацией, при котором роль ведущего узла (master) играют по очереди все управляющие устройства, участвующие в обмене информацией. При этом каждое устройство получает возможность инициировать необходимый ему обмен информацией только в момент получения специального сообщения, называемого маркером (token), и на ограниченное время. Одна из стандартных сетевых технологий, реализующих при обмене информацией принцип передачи маркера по кольцу, так и (называется: Token Ring (маркерное кольцо).

Шинная топология соответствует объединению всех участвующих в обмене информацией устройств посредством общей линии связи, называемых шиной (bus), или магистралью. В условиях распределённой системы управления, каковой является АСУТП, общая шина является малопроводной, предназначенной для одновременного обмена информацией лишь между какими-либо двумя устройствами, причём в последовательном коде.

Физическое соединение через общую шину может соответствовать логическому соединению «в звезду» в том случае, когда один из участников обмена по общей шине является ведущим (master), т.е. определяющим порядок доступа к ней, порядок «захвата» шины. С другой стороны, если доступ к шине определяется передачей маркера устройству, которое путём предварительного распределения шинных ресурсов признано достойным играть роль ведущего в текущем цикле обмена информацией, то имеет место логическое соединение участников обмена информацией «в кольцо».

Наиболее распространённым стандартным методом распределения шинных ресурсов является метод коллективного доступа с наблюдением за несущей и обнаружением коллизий, имеющий обозначение CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Этим методом организует доступ к шинным ресурсам наиболее популярная сетевая технология Ethernet. Согласно этому методу любое устройство из подключенных к общей шине может начать передачу данных, если в течение условленного промежутка времени передачу данных не начало никакое другое устройство. О том, что шина свободна, свидетельствует отсутствие на ней напряжения несущей частоты. При появлении несущей частоты все устройства, подключенные к общей шине, осуществляют приём начавшейся передачи. Пока устройства, начавшие передачу, не закончат её, остальные устройства, подключенные к общей шине, не могут войти в режим передачи.

Время передачи не может превышать заданного предела, чтобы не было чрезмерной задержки передачи данных для всех устройств, претендующих на режим передачи. Если случайным образом окажется, что одновременно начал передачу сразу два устройства, то такой режим является ненормальным и называется коллизией. Коллизия обнаруживается по повышенному напряжению несущей. В случае коллизии все устройства, начавшие передачу, прекращают её на некоторое время. Выдержка времени после коллизии выбирается для каждого устройства разной, с помощью генератора случайных величин. Благодаря этому по окончании выдержки времени коллизия между устройствами, ранее бывшими в состоянии коллизии между устройствами, ранее бывшими в состоянии коллизии, вновь не возникает.

Метод CSMA/CD не гарантирует доступа к общей шине при большой загруженности информационной сети из-за большого количества коллизий, но он предоставляет возможность быстрого доступа при малой загруженности сети. Метод с передачей маркера, напротив, гарантирует каждому узлу доступ к общей шине, но лишь при наступлении очереди на передачу информации после обхода кольца. Поэтому сетевые технологии с применением метода CSMA/CD более эффективны при малой загрузке сети (менее 30%), а при большей загрузке сети целесообразно использовать системы с передачей маркера.

Технология обмена информацией в АСУТП имеет стандартизированную трёхуровневую структуру, построенную в соответствии со стандартной моделью OSI (Open Systems Interconnection) взаимодействия открытых систем, предложенной семиуровневой международной организаций стандартизации (OSI). Обычно информационные сети АСУТП поддерживают 1, 2 и 7-й уровни модели OSI, т.е. физический, канальный и прикладной уровни.

На физическом уровне (Physical Layer) информация передаётся побитно. Биты информации передаются последовательно, один за другим по конкретным физическим каналам связи (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель и др.). При этом определяются характеристики сигналов, тип кодирования битовых последовательностей, параметры сред передачи данных, стандартизируются разъёмы и назначение контактов.

На канальном уровне (Data link Layer) биты группируются в наборы, называемые кадрами (flames). Канальный уровень обеспечивает корректную передачу кадра путём добавления специальных битов, обеспечивающих опознавание кадра и контроль правильности его передачи. Обмен информацией на канальном уровне зависит от принятой сетевой технологии: Modbus, Profibus, Ethernet, Token Ring, FDDI (оптоволоконная технология) и др.

На прикладном уровне (Application Layer) обеспечивается связь прикладной программы управления техпроцессом с управляемыми исполнительными устройствами через лежащие ниже уровни обмена информацией.

Описание взаимодействия одноимённых уровней обмена информацией, находящихся в разных узлах, принято называть протоколом. Интерфейсом при построении системы обмена информацией в соответствии с моделью OSI называют стандарт взаимодействия между соседними уровнями обработки информацией между канальным и физическим уровнями OSI называют физическим интерфейсом.