Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Лекция 1. Технологи передачи данных, применяемые в промышленности




 

RS-485 (англ. Recommended Standard 485 — Рекомендованный стандарт), EIA-485 (англ. Electronic Industries Alliance-485) — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина».

 

Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485

  • До 32 приёмопередатчиков в одном сегменте сети.
  • Максимальная длина одного сегмента сети: 1200 метров.
  • Только один передатчик активный.
  • Максимальное количество узлов в сети — 256 с учётом магистральных усилителей.
  • Характеристика скорость обмена/длина линии связи:
    • 62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара),
    • 375 кбит/с 500 м (одна витая пара),
    • 500 кбит/с,
    • 1000 кбит/с,
    • 2400 кбит/с 100 м (две витых пары),
    • 10000 кбит/с 10 м.

 

Сетевые протоколы, использующие RS-485

· LanDrive

· ProfiBus DP

· ModBus

· DMX512

· HDLC

 

Modbus

Modbus — открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, а также сети TCP/IP (Modbus TCP).

Не следует путать MODBUS и MODBUS Plus. MODBUS Plus — проприетарный протокол принадлежащий Schneider Electric. Физический уровень уникальный, похож на Ethernet 10BASE-T, полудуплекс по одной витой паре, скорость 1 Мбит/с. Транспортный протокол — HDLC, поверх которого специфицировано расширение для передачи MODBUS PDU.

История

Modbus был разработан компанией Modicon (в настоящее время принадлежит Schneider Electric) для использования в её контроллерах с программируемой логикой. Впервые спецификация протокола была опубликована в 1979 году. Это был открытый стандарт, описывающий формат сообщений и способы их передачи в сети, состоящей из различных электронных устройств.

Первоначально контроллеры MODICON использовали последовательный интерфейс RS-232. Позднее стал применяться интерфейс RS-485, так как он обеспечивает более высокую надёжность, позволяет использовать более длинные линии связи и подключать к одной линии несколько устройств.

Многие производители электронного оборудования поддержали стандарт, на рынке появились сотни использующих его изделий.

Стандарт MODBUS

В настоящее время развитием Modbus занимается некоммерческая организация Modbus-IDA.

Специфическая терминология

  • PDU (Protocol Data Unit) — общая для всех физических уровней часть пакета MODBUS. Включает в себя код функции и данные пакета.
  • ADU (Application Data Unit) — полный пакет MODBUS. Включает в себя специфичную для физического уровня часть пакета и PDU.

MODBUS специфицирует 4 функции чтения данных:



01 - чтение Coils (дискретных выходов);

02 - чтение Discrete Inputs (дискретных выходов);

03 - чтение Holding Registers (аналоговых выходов, выходных регистров);

04 - чтение Input Registers (аналоговых входов, входных регистров).

 

Описание

В России конкуренцию протоколу Modbus может составить лишь протокол Profibus. В настоящее время высокую популярность протокола Modbus можно объяснить лишь его совместимостью с подавляющим большинством имеющегося оборудования. Кроме всего прочего, Modbus обладает высокой степенью достоверности передачи данных. Это связано с надежностью применяемого метода контроля ошибок. Еще одним преимуществом Modbus является унификация команд обмена за счет стандартизации адресов (номеров) регистров и применяемых функций чтения-записи.

Основной недостаток Modbus – сетевой обмен данными по принципу «ведущий/ведомый», что является серьезным препятствием на пути передачи данных ведомыми устройствами по мере их появления, именно поэтому требуется интенсивный опрос ведущим устройством ведомых.

В настоящий момент времени имеются две разновидности Modbus – это протоколы Modbus Plus (кольцевая передача маркера в многомастерном протоколе) и Modbus TCP (разработанный для работы в сетях Ethernet).

Модель OSI стандарта Modbus предусматривает наличие трех уровней – физического, прикладного и канального. На физическом уровне новые разработки основанные на стандарте Modbus настойчиво рекомендуют использовать двухпроводную линию передачи интерфейса RS-485, но возможно применение и интерфейса RS-232 с четырехпроводной линией передачи.



Шина Modbus в обязательном порядке должна быть представлена одним магистральным кабелем, который может содержать отводы. Общий экран магистрального кабеля должен состоять из трех проводников. Первые два – это витая пара, а третий – соединение общих (земляных) выводов интерфейса RS-485 в промышленной сети. Заземление общего провода и экрана должно быть оборудовано в одном месте, желательно в непосредственной близости от ведущего устройства сети Modbus.

Подключение устройств к кабелю может осуществляться тремя различными способами:

· Напрямую к магистральному кабелю;

· При помощи пассивного разветвителя (тройника);

· При помощи активного разветвителя (разветвитель содержит развязывающий повторитель интерфейса).

Каждый конец магистрального кабеля в сети Modbus должен содержать резистор (терминатор), чтобы согласовать линию передачи, подобно интерфейсу RS-485. Их номинальное значение может варьироваться в пределах 150 Ом, а напряжение – 0,5 Вт.

Необходимым условием работы Modbus-устройств в сети является поддержка скоростей обмена данными 9600 бит/с и 19200 бит/с, причем 19200 бит/с устанавливается по умолчанию. Также возможна работа со следующими скоростями: 1200, 2400, 4800….38400 бит/с, 65 кбит/с, 115 кбит/с и др.

К участку сети Modbus, на котором нет повторителей интерфейса, можно подключить до 32 устройств. Максимальное значение длины магистрального кабеля, при работе со скоростью передачи данных в 9600 бит/с и площадью сечения жил не менее 0,13 мм² (AWG26), не должно превышать одного километра. Длина отводов от магистрального кабеля должна быть не более 20 метров.

Типовое значение магистрального кабеля – AWG 24 (0,2 мм² при диаметре провода 0,51 мм). При работе с кабелем категории 5 максимальное значение его длины не должно превышать 600 метров. Во время выбора кабеля необходимо учитывать его волновое сопротивление, его значение не должно быть ниже 100 Ом, особенно если скорость передачи имеющихся данных превышает 19200 бит/с.

Задача прикладного уровня протокола Modbus RTU – обеспечение коммуникации между устройствами «ведущий/ведомый». Поскольку прикладному уровню доступны к использованию протоколы Modbus TCP/IP (Ethernet TCP/IP) и Modbus Plus, то его можно считать независимым от физического и канального уровней.

Работа прикладного уровня Modbus основывается на запросах, которые при помощи кодов функций указывают ведомому устройству, что за операцию в данный момент времени оно должно выполнить.

Во время работы протокола прикладного уровня с широким разнообразием протоколов канального и транспортного уровней основной блок Modbus – сообщений остается неизменным, поскольку этот блок включает в себя различные данные и код функции (название блока Protocol Data Unit – PDU – элемент данных протокола). Если во время работы к блоку PDU добавить дополнительные поля (как правило, такое происходит во время работы в разнообразных промышленных сетях), то его название сменится на Application Data Unit – ADU – элемент данных приложения.

На канальном уровне протоколом Modbus предполагается, что промышленная сеть может состоять из одного ведущего устройства (контроллера) и примерно 247 ведомых устройств (модулей ввода-вывода). Инициатором обмена данными является ведущее устройство. Ведомые устройства без запроса ведущего никогда не начнут осуществление передачи данных. Обмен данными между ведомыми устройствами также невозможен, именно поэтому в сети Modbus в любой промежуток времени происходит лишь один акт обмена данными.

Адреса Modbus-устройств в находящиеся в одной сети идут по порядку от 1 до 247, а адреса с 248 по 255 - зарезервированы. Сеть Modbus не должна содержать двух одинаковых адресов, а ведущее устройство всегда остается без адреса.

У ведущего устройства имеется возможность использования как широковещательного режима - рассылки запросов всем ведомым устройствам одновременно, так и режима при котором, запрос может быть отправлен только одному устройству. Широковещательный режим использует адрес «0» (команда с таким адресом принимается к обработке сразу всеми устройствами).

 

Спецификация

Спецификация Modbus описывает структуру запросов и ответов. Их основа — элементарный пакет протокола, так называемый PDU (Protocol Data Unit). Структура PDU не зависит от типа линии связи и включает в себя код функции и поле данных. Код функции кодируется однобайтовым полем и может принимать значения в диапазоне 1…127. Диапазон значений 128…255 зарезервирован для кодов ошибок. Поле данных может быть переменной длины. Размер пакета PDU ограничен 253 байтами.

Modbus PDU
код функции данные
1 байт N < 254 (байт)

Для передачи пакета по физическим линиям связи PDU помещается в другой пакет, содержащий дополнительные поля. Этот пакет носит название ADU (Application Data Unit). Формат ADU зависит от типа линии связи. Существуют три варианта ADU, два для передачи данных через асинхронный интерфейс и один — через TCP/IP сети:

  • Modbus ASCII — для обмена используются только ASCII символы. Для проверки целостности используется однобайтовая контрольная сумма. Начало и конец сообщения помечаются специальными символами (начало сообщения ":", конец сообщения CR/LF).
  • Modbus RTU — компактный двоичный вариант. Сообщения разделяются по паузе в линии. Сообщение должно начинаться и заканчиваться интервалом тишины, длительностью не менее 3,5 символов при данной скорости передачи. Во время передачи сообщения не должно быть пауз длительностью более 1,5 символов. Для скоростей более 19200 бод допускается использовать интервалы 1,75 и 0,75 мс, соответственно. Проверка целостности осуществляется с помощью CRC.
  • Modbus TCP — для передачи данных через TCP/IP соединение.

 

В протоколе Modbus имеются два режима передачи имеющихся данных – RTU («удаленное терминальное устройство») и ASCII. Из представленных режимов в протоколе Modbus требуется обязательное присутствие режима RTU, а наличие режима ASCII – опционно. Пользователю дается возможность выбора режима на свое усмотрение, но при этом должно обязательно выполняться одно условие – все модули, работающие в сети по протоколу Modbus, должны обладать одним и тем же режимом передачи данных.

Поскольку протокол Modbus ASCII в России используется достаточно редко, то рассматривать мы будем исключительно протокол Modbus RTU.

 

Общая структура ADU следующая (в зависимости от реализации, некоторые из полей могут отсутствовать):

адрес ведомого (подчинённого) устройства код функции данные блок обнаружения ошибок

где

  • адрес ведомого устройства — адрес подчинённого устройства, к которому адресован запрос. Ведомые устройства отвечают только на запросы, поступившие в их адрес. Ответ также начинается с адреса отвечающего ведомого устройства, который может изменяться от 1 до 247. Адрес 0 используется для широковещательной передачи, его распознаёт каждое устройство, адреса в диапазоне 248…255 — зарезервированы;
  • код функции — это следующее однобайтное поле кадра. Оно говорит ведомому устройству, какие данные или выполнение какого действия требует от него ведущее устройство;
  • данные — поле содержит информацию, необходимую ведомому устройству для выполнения заданной мастером функции или содержит данные, передаваемые ведомым устройством в ответ на запрос ведущего. Длина и формат поля зависит от номера функции, также в поле данных может быть детализация кода функции;
  • блок обнаружения ошибок — контрольная сумма для проверки отсутствия ошибок в кадре.

Максимальный размер ADU для последовательных сетей RS232/RS485 — 256 байт, для сетей TCP — 260 байт.

Для Modbus TCP ADU выглядит следующим образом:

ID транзакции ID протокола длина пакета адрес ведомого устройства код функции данные

где

  • ID транзакции — два байта, обычно нули
  • ID протокола — два байта, нули
  • длина пакета — два байта, старший затем младший, длина следующей за этим полем части пакета
  • адрес ведомого устройства — адрес подчинённого устройства, к которому адресован запрос. Обычно игнорируется, если соединение уже установлено с конкретным устройством, или в системе только одно устройство. Может использоваться, если соединение установлено с мостом, который связан физически, например, с сетью RS-485.

Следует обратить внимание, что поле контроля ошибок в Modbus TCP отсутствует, так как целостность данных обеспечивает TCP/IP стек.

 

Категории кодов функций

В действующей в настоящее время спецификации протокола определяются три категории кодов функций:

Стандартные команды

Их описание должно быть опубликовано и утверждено Modbus-IDA. Эта категория включает в себя как уже определенные, так и неиспользуемые в настоящее время коды.

Пользовательские команды

Два диапазона кодов (от 65 до 72 и от 100 до 110), для которых пользователь может назначить произвольную функцию. При этом не гарантируется, что какое-то другое устройство не будет использовать тот же самый код для выполнения другой функции.

Зарезервированные

В эту категорию входят коды функций, не являющиеся стандартными, но уже используемые в устройствах, производимых различными компаниями. Это коды 9, 10, 13, 14, 41, 42, 90, 91, 125, 126 и 127.

Модель данных

Одно из типичных применений протокола — чтение и запись данных в регистры контроллеров. Спецификация протокола определяет четыре таблицы данных:

Таблица Тип элемента Тип доступа
Дискретные входы (Discrete Inputs) один бит только чтение
Регистры флагов (Coils) один бит чтение и запись
Регистры ввода (Input Registers) 16-битное слово только чтение
Регистры хранения (Holding Registers) 16-битное слово чтение и запись

Доступ к элементам в каждой таблице осуществляется с помощью 16-битного адреса, первой ячейке соответствует адрес 0. Таким образом, каждая таблица может содержать до 65536 элементов. Спецификация не определяет, что физически должны представлять собой элементы таблиц и по каким внутренним адресам устройства они должны быть доступны. Например, допустимо организовать перекрывающиеся таблицы. В этом случае команды работающие с дискретными данными и с 16-битными регистрами будут фактически обращаться к одним и тем же данным.

Следует отметить, что со способом адресации данных связана определённая путаница. Modbus был первоначально разработан для контроллеров Modicon. В этих контроллерах для каждой из таблиц использовалась специальная нумерация. Например, первому регистру ввода соответствовал номер ячейки 30001, а первому регистру хранения — 40001. Таким образом, регистру хранения с адресом 107 в команде Modbus соответствовал регистр № 40108 контроллера. Хотя такое соответствие адресов больше не является частью стандарта, некоторые программные пакеты могут автоматически «корректировать» вводимые пользователем адреса, например, вычитая 40001 из адреса регистра хранения.

Доступ к данным

Чтение данных

Для чтения значений из перечисленных выше таблиц данных используются функции с кодами 1—4 (шестнадцатеричные значения 0x01—0x04):

  • 1 (0x01) — чтение значений из нескольких регистров флагов (Read Coil Status).
  • 2 (0x02) — чтение значений из нескольких дискретных входов (Read Discrete Inputs).
  • 3 (0x03) — чтение значений из нескольких регистров хранения (Read Holding Registers).
  • 4 (0x04) — чтение значений из нескольких регистров ввода (Read Input Registers).

Запрос состоит из адреса первого элемента таблицы, значение которого требуется прочитать, и количества считываемых элементов. Адрес и количество данных задаются 16-битными числами, старший байт каждого из них передается первым.

В ответе передаются запрошенные данные. Количество байт данных зависит от количества запрошенных элементов. Перед данными передается один байт, значение которого равно количеству байт данных.

Значения регистров хранения и регистров ввода передаются начиная с указанного адреса, по два байта на регистр, старший байт каждого регистра передаётся первым:

байт 1 байт 2 байт 3 байт 4 байт N-1 байт N
RA,1 RA,0 RA+1,1 RA+1,0 RA+Q-1,1 RA+Q-1,0

Значения флагов и дискретных входов передаются в упакованном виде: по одному биту на флаг. Единица означает включённое состояние, ноль — выключенное. Значения запрошенных флагов заполняют сначала первый байт, начиная с младшего бита, затем следующие байты, также от младшего бита к старшим. Младший бит первого байта данных содержит значение флага, указанного в поле «адрес». Если запрошено количество флагов, не кратное восьми, то значения лишних битов заполняются нулями:

байт 1 байт N
FA+7 FA+6 FA+5 FA+4 FA+3 FA+2 FA+1 FA FA+Q-1 FA+Q-2  
                               

Запись одного значения

  • 5 (0x05) — запись значения одного флага (Force Single Coil).
  • 6 (0x06) — запись значения в один регистр хранения (Preset Single Register).

Команда состоит из адреса элемента (2 байта) и устанавливаемого значения (2 байта).

Для регистра хранения значение является просто 16-битным словом.

Для флагов значение 0xFF00 означает включённое состояние, 0x0000 — выключенное, другие значения недопустимы.

Если команда выполнена успешно, ведомое устройство возвращает копию запроса.

Запись нескольких значений

  • 15 (0x0F) — запись значений в несколько регистров флагов (Force Multiple Coils)
  • 16 (0x10) — запись значений в несколько регистров хранения (Preset Multiple Registers)

Команда состоит из адреса элемента, количества изменяемых элементов, количества передаваемых байт устанавливаемых значений и самих устанавливаемых значений. Данные упаковываются так же, как в командах чтения данных.

Ответ состоит из начального адреса и количества изменённых элементов.

Изменение регистров

  • 22 (0x16) — запись в один регистр хранения с использованием маски "И" и маски "ИЛИ" (Mask Write Register).

Команда состоит из адреса регистра и двух 16-битных чисел, которые используются как маски, с помощью которых можно индивидуально сбросить или установить отдельные биты в регистре. Конечный результат определяется формулой:

Результат = (Текущее_значение AND Маска_И) OR (Маска_ИЛИ AND (NOT Маска_И))

Очереди данных

  • 24 (0x18) — Чтение данных из очереди (Read FIFO Queue)

Функция предназначена для получения 16-битных слов из очереди, организованной по принципу «первым пришёл — первым ушёл» (FIFO).

Доступ к файлам

  • 20 (0x14) — Чтение из файла (Read File Record)
  • 21 (0x15) — Запись в файл (Write File Record)

Эти функции используются для доступа к 16-битным регистрам, организованным в файлы, состоящие из записей произвольной длины. В команде указывается номер файла, номер записи и длина записи в 16-битных словах. С помощью одной команды можно записать или прочитать несколько записей, не обязательно соседних.

Кроме того, команда содержит однобайтовый код для указания типа ссылки на данные. В действующей версии стандарта определен только один тип (описанный выше) с кодом 0x06.

Диагностика

Перечисленные ниже функции предназначены для устройств на последовательных линиях связи (Modbus RTU и Modbus ASCII).

  • 7 (0x07) — Чтение сигналов состояния (Read Exception Status)

Функция предназначена для получения информации об индикаторах состояния на удалённом устройстве. Функция возвращает один байт, каждый бит которого соответствует состоянию одного индикатора.

  • 8 (0x08) — Диагностика (Diagnostic)
  • 11 (0x0B) — Чтение счетчика событий (Get Com Event Counter)
  • 12 (0x0C) — Чтение журнала событий (Get Com Event Log)

Эти функции предназначены для проверки функционирования последовательной линий связи.

  • 17 (0x11) — Чтение информации об устройстве (Report Slave ID)

Функция предназначена для передачи данных в произвольных форматах (определённых другими стандартами) от ведущего(master) к ведомому(slave) и обратно.

Тип передаваемых данных определяется дополнительным кодом (MEI — MODBUS Encapsulated Interface), передаваемым после номера функции. Стандарт определяет MEI 13 (0x0D), предназначенный для инкапсуляции протокола CANopen. MEI 14 (0x0E) используется для получения информации об устройстве и MEI в диапазонах 0—12 и 15—255 зарезервированы.

Обработка ошибок

Во время обмена данными могут возникать ошибки двух типов:

  • ошибки, связанные с искажениями при передаче данных;
  • логические ошибки (запрос принят без искажений, но не может быть выполнен)

При передаче по асинхронным линиям связи ошибки первого типа обнаруживаются при помощи проверки соответствия принятого запроса установленному формату ADU и вычисления контрольной суммы. Дополнительно, для проверки каждого символа может использоваться бит четности. Если подчинённое устройство обнаруживает искажение данных, принятый запрос игнорируется, ответное сообщение не формируется. Главное устройство может обнаружить ошибку по истечению времени, отведённого на ответ.

В Modbus TCP дополнительная проверка целостности данных не предусмотрена. Передача данных без искажений обеспечивается протоколами TCP/IP.

При ошибках второго типа подчинённое устройство отсылает сообщение об ошибке (если запрос адресован этому устройству; на широковещательные запросы ответ не отправляется). Признаком того, что ответ содержит сообщение об ошибке, является установленный старший бит номера функции. За номером функции, вместо обычных данных, следует код ошибки и, при необходимости, дополнительные данные об ошибке.

Стандартные коды ошибок

  • 01 — Принятый код функции не может быть обработан
  • 02 — Адрес данных, указанный в запросе, не доступен
  • 03 — Величина, содержащаяся в поле данных запроса, является недопустимой величиной
  • 04 — Невосстанавливаемая ошибка имела место, пока подчинённый пытался выполнить затребованное действие.
  • 05 — Подчинённый принял запрос и обрабатывает его, но это требует много времени. Этот ответ предохраняет главного от генерации ошибки тайм-аута.
  • 06 — Подчинённый занят обработкой команды. Главный должен повторить сообщение позже, когда подчинённый освободится.
  • 07 — Подчинённый не может выполнить программную функцию, принятую в запросе. Этот код возвращается для неудачного программного запроса, использующего функции с номерами 13 или 14. Главный должен запросить диагностическую информацию или информацию об ошибках от подчинённого.
  • 08 — Подчинённый пытается читать расширенную память, но обнаружил ошибку паритета. Главный может повторить запрос, но обычно в таких случаях требуется ремонт.

Протокол BACnet

BACnet расшифровывается как Building Automation Control network и представляет из себя коммуникационный протокол для автоматизации зданий, разработанный ассоциацией ASHRAE (ANSI/ASHRAE стандарт 135-2001), а недавно получивший статус еще и стандарта ISO 16484-5.

Главная цель протокола BACnet — стандартизировать взаимодействие между устройствами систем автоматизации зданий от различных производителей, позволяя вести обмен информацией и совместную работу оборудования.

 

Для чего разрабатывался протокол BACnet?

ASHRAE осознавало, что системам автоматизации зданий необходим общий стандартизированный протокол. Это было связано с тем, что данная область по своей природе склонна к применению закрытых протоколов, не позволяющих существующим системам от разных производителей вести совместную работу и взаимодействовать.

В 1987 году ASHRAE предприняло попытку разработать протокол (набор правил), управляющий взаимодействием между различными устройствами, используемыми в системах автоматизации зданий. В настоящее время стандарт BACnet принят ANSI (Американским Национальным Институтом Стандартов) и ASHRAE, а также получил международное признание и был адаптирован в ряде стран в качестве национального стандарта. Так была заложена основа для будущего развития этой области промышленности.

 

Что представляет из себя BACnet оборудование?

BACnet-устройства по своей физической сущности напоминают другие стандартные устройства систем автоматизации зданий, но их физическая форма — это не главное, т.к. BACnet — это всего лишь набор правил по взаимодействию между устройствами в системах автоматизации здания. Микропроцессоры этих устройств программируются, а значит, они смогут «понимать» друг друга и соответствовать требованиям протокола BACnet. Физическая природа самого устройства остается неизменной.

 

Протокол Profibus

Протокол Profibus (Process Field Bus) – это комплексной понятие открытой промышленной сети, построенной на основе прототипа, разработанного компанией Siemens AG для промышленных контроллеров Simatic при поддержке правительственных органов Германии в 1989 году. Позже по наработкам этого прототипа Организация пользователей Profibus создала международные стандарты открытой промышленной сети Profibus. Наибольшую популярность технология Profibus получила на территории Европы, а вышло так благодаря высокой скорости передачи, большой длины соединений, внушительных возможностей по обработке информации и другим преимуществам этой технологии. На сегодняшний день этот протокол считается по праву одной из лучших сетевых технологий в сфере промышленной автоматизации.

Протокол Profibus отвечает международным стандартам IEC 61158 и EN 50170. Построена сеть в соответствии многоуровневой сетевой модели ISO 7498. Из возможных вариантов обмена данными используется либо обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA), либо обмен между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS).

Открытая, независимая система связи возможна в построении благодаря использованию стандартных протоколов, речь о которых пойдет ниже.

Согласно сетевой модели ISO 7498, протокол Profibus имеет следующие уровни:

 

1. Физический уровень. На этом уровне осуществляется контроль характеристики физической передачи данных.

2. Канальный уровень. На этом уровне определяется конкретный протокол доступа сети.

3. Прикладной уровень. На этом уровне осуществляются прикладне функции.

 

На физическом уровне Profibus может представлять собой инфракрасную сеть/оптическую сеть/электрическую сеть с топологией шина, созданной на основе экранированной витой пары, в соответствии стандарта RS-485.

Скорость передачи данных, может колебаться в пределах от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек(в случае использования FMS спецификации ).

Благодаря Profibus, о чем уже писалось выше, устройства разных производителей могут объединятся в одну общую сеть.

Существует 3 протокола передачи данных:

 

1. Profibus DP (где DP это- Decentralized Peripheral — Распределенная периферия) – протокол, основная задача которого состоит в осуществлении высокоскоростного обмена данными между ведущими — системами автоматизации и ведомыми — устройствами распределённого ввода-вывода данных. Этот протокол так же отмечают, как протокол с минимальным временем реакции и высокой степени стойкости к электромагнитным помехам. Протокол электрически близок к RS-485, однако сетевая карта оборудована рефлективной памятью, для минимизации загрузки центрального процессора контроллера.

2. Profibus PA (где РА – это Process Automation — автоматизация процесса) – это протокол обмена для оборудования расположенного в взрывоопасных зонах. Полностью соответствует стандарту IEC 61158-2. Датчики, исполнительные механизмы, приводы можно подключать на одну линейную шину или кольцевую шину.

3. Profibus FMS (где FMS – это Fieldbus Message Specification — спецификация сообщений полевого уровня) — это протокол разработанный для обеспечения высокоскоростной передачи данных между контроллерами и компьютерами на более высоких уровнях АСУ ТП. Именно этот протокол позволяет достигать скорости передачи порядка 12 мБит/с.

Благодаря одинаковым технологиям передачи данных в DP и FMS вариантах протокола, а так же одному и тому же методу доступа к шине, они могут работать на одной и той же шине.

Максимально возможное количество узлов в системах Profibus достигает 127. Длина соединения может быть от 100 м до 24 км(естественно, при применении оптического волокна). Возможные коннекторы : 9-штырьковый разъем типа D-Shell либо 12- миллиметровый разъём IP67.

LonWorks

LonWorks — сетевая платформа для достижения производительности, гибкости, соответствия инсталляционным и эксплуатационным потребностям в задачах активного мониторинга и управления.

Платформа построена на созданном компанией Echelon Corporation протоколе сетевого взаимодействия устройств через различные среды передачи данных, такие как, витая пара, линии электропитания, оптоволокно, и беспроводные радиочастотные.

Платформа взяла свое начало с создания чипа, технологии передачи сигналов по витой паре и линиям электропитания, маршрутизаторов, сетевого управляющего программного обеспечения, и других продуктов. Начало было положено компанией Echelon Corporation. В 1999 коммуникационный протокол LonWorks - LonTalk был представлен на рассмотрение в ANSI (American National Standards Institute) и принят как стандарт для сетей управления (ANSI/EIA709.1-B). Созданные фирмой Echelon технологии передачи сигналов по витой паре и линиям электропитания были также представлены в ANSI для стандартизации и утверждения. С тех пор, ANSI/EIA709.1 был принят как базис для стандартов IEEE 1473-L (управление в поездах), AAR (Association of American Railroads) электро-пневматических тормозных систем грузовых поездов, IFSF (управление автозаправочной станцией), SEMI (производство полупроводникового оборудования), и в 2005 как EN14908 (Европейский стандарт автоматизации зданий). Также, протокол LonTalk используется как один из уровней данных в BACnet ASHRAE/ANSI стандарта для автоматизации зданий.

Использование

Принятие протокола LonTalk как ANSI стандарта стимулировало появление стандартов в различных областях индустрии, включая IEEE 1473-L (управление в поездах), AAR (Association of American Railroads) электро-пневматических тормозных систем грузовых поездов, IFSF (управление автозаправочной станцией), SEMI (производство полупроводникового оборудования). Протокол используется как один из уровней данных/физический в BACnet ASHRAE/стандарт ANSI стандарт для автоматизации зданий. Более того, в 2005 Европейское сообщество приняло стандарт автоматизации зданий EN14908, в основу которого положен LonWorks; Китай ратифицировал технологию как национальный стандарт управляющих сетей — GB/Z 20177.1-2006, и как стандарт интеллектуальных зданий и строений — GB/T 20299.4-2006; в 2007 CECED, Европейский комитет производителей бытовой техники, принял протокол как часть стандарта Управление и Мониторинг Бытовой Техники — Спецификация Межсетевого Использования (Household Appliances Control and Monitoring — Application Interworking Specification (AIS)).

Основным недостатком интерфейса LonWorks является то, что он разрабатывался не только как уникальное техническое решение, но и как коммерческий проект, способный принести хорошую прибыль. Именно поэтому в стоимость каждого чипа включена стоимость лицензии на использование программного обеспечения. И все же, несмотря ни на что, интерфейс LonWorks продолжает завоевывать все больше и больше жизненного пространства и популярности, поскольку выигрыш от его использования значительно выше затрат на программное обеспечение и его установку.

Применения использующие LonWorks

  • Управление поставками
  • Производство полупроводниковых приборов
  • Системы управления освещением
  • Системы управления потреблением энергии
  • Системы Отопление/вентиляция/кондиционирование воздуха
  • Системы безопасности
  • Домашняя автоматизация
  • Управление бытовой техникой
  • Уличное освещение, мониторинг, и управление
  • Управление автозаправочной станцией (IFSF)

 

LanDrive

 

LanDrive2 — это универсальная платформа для построения классических шинных распределённых систем управления в системах умный дом, в автоматизации зданий, созданная российской компанией INSYTE на базе протокола Modbus/RTU. Предназначена для управления внутренним и уличным освещением, силовыми нагрузками, электроприборами, а также такими системами как отопление, кондиционирование, вентиляция, охранная сигнализация, контроль доступа, контроль протечек воды. Также возможно управление: аудио-, видеотехникой, жалюзи, рольставнями, шторами, воротами, насосами, двигателями. В основном ориентирована на применение в составе «умного дома»

Структурно система состоит из центрального контроллера и исполнительных модулей, связанных между собой полевой шиной (сетью). К исполнительным модулям подключаются управляемое оборудование. Используя любой Modbus OPC сервер, возможно управление системой без центрального контроллера, с компьютера. Также возможна интеграция в любую SCADA систему (SCADA - аббр. от англ. supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных).

 

Протокол передачи данных

Для взаимодействия система использует на физическом уровне стандарт RS-485. Для взаимодействия на прикладном уровне используется широко известный протокол Modbus/RTU. Оборудование поддерживает скорость обмена информацией в режимах 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 76800, 115200 бит/c, что достаточно для мгновенного выполнения команд. Максимальное количество устройств, управляемых одним главным контроллером (ПЛК) — 100. Возможно объединение нескольких главных контроллеров в одну сеть. Ввиду использования стандартных протоколов возможно включение в систему оборудования сторонних производителей, также возможно использование устройств серии LanDrive в других системах.

 

Элементы системы

  • Центральный управляющий контроллер, позволяющий управлять всеми устройствами по заданным сценариям. Имеет на борту GSM-модем, порт Ethernet, порт RS-232, USB-порт, порт 1Wire, 4 реле, 4 дискретных входа, 2 аналоговых входа 0-10В.
  • Релейные модули, обеспечивающие коммутацию мощной нагрузки от 0,6 до 5,0 кВт, а также опрос датчика типа «сухой контакт».
  • Диммирующие модули, обеспечивающие возможность плавного изменения мощности в нагрузке от 0,6 - 1,0 кВт.
  • Модули инфракрасной связи, обеспечивающие приём команд с пультов дистанционного управления и передачу сохранённых команд на телевизоры, кинотеатры, кондиционеры, любую ИК-технику.
  • Модули управления приводами, моторами, жалюзи, рольставнями, воротами, шторами, экранами.
  • Модули с цифровыми входами, обеспечивающие опрос нескольких датчиков.
  • Модули расширения с аналоговыми входами-выходами, обеспечивающие опрос аналоговых датчиков, например, температуры, и управление аналоговыми устройствами.
  • Модули и датчики сбора информации: температуры, влажности, движения.
  • Блоки питания всей системы и центрального контроллера.

 

Программирование

В этой системе необходимо программирование только главного контроллера. Для программирования используется специализированное программное обеспечение — LanDrive Configurator Pro.

Оперативное управление

Система может управляться с помощью большого перечня программного обеспечения:

  • IridiumMobile для Windows, AppleOS, Android
  • SCADA-приложения для любых ОС
  • OPC-серверы Modbus
  • Специальные приложения для управления зданиями, умными домами, такие как TeslaScada, ScadaMobile.

Весь перечень приложений позволяет осуществлять оперативное визуализированное управление умным домом, в том числе:

  • управление системой LanDrive с сенсорных мониторов, панелей;
  • управление системой LanDrive с карманных компьютеров;
  • управление системой LanDrive с iPod, Android, iPad и iPhone;
  • управление системой LanDrive через Интернет по защищеному каналу;
  • объединение множества центральных контроллеров SPIDER2 в единую сеть;
  • создание собственных виртуальных панелей управления зданием;
  • возможность интеграции с оборудованием сторонних производителей.

 

 

1-Wire

1-Wire (англ. один провод) — двунаправленная шина связи для устройств с низкоскоростной передачей данных (обычно 15,4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с в режиме overdrive), в которой данные передаются по цепи питания (то есть всего используются два провода — один для заземления, а второй для питания и данных; в некоторых случаях используют и отдельный провод питания). Разработана корпорацией Dallas Semiconductor и является её зарегистрированной торговой маркой.

Соответственно, топология такой сети — общая шина. Сеть устройств 1-Wire со связанным основным устройством названа «MicroLan», это также торговая марка Dallas Semiconductor.

Обычно используется для того, чтобы связываться с недорогими простыми устройствами, такими как, например, цифровые термометры и измерители параметров внешней среды.

 

 

SCADA ситемы

SCADA (аббр. от англ. supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) — программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью АСУ ТП, АСКУЭ, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т. д. SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, использует драйверы ввода-вывода или OPC/DDE серверы. Программный код может быть как написан на языке программирования (например на C++), так и сгенерирован в среде проектирования.

Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogic.

Термин «SCADA» имеет двоякое толкование. Наиболее широко распространено понимание SCADA как приложения[2], то есть программного комплекса, обеспечивающего выполнение указанных функций, а также инструментальных средств для разработки этого программного обеспечения. Однако, часто под SCADA-системой подразумевают программно-аппаратный комплекс. Подобное понимание термина SCADA более характерно для раздела телеметрия.

Значение термина SCADA претерпело изменения вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 80-е годы под SCADA-системами чаще понимали программно-аппаратные комплексы сбора данных реального времени. С 90-х годов термин SCADA больше используется для обозначения только программной части человеко-машинного интерфейса АСУ ТП.

SCADA-системы решают следующие задачи:

  • Обмен данными с «устройствами связи с объектом» (то есть с промышленными контроллерами и платами ввода-вывода) в реальном времени через драйверы.
  • Обработка информации в реальном времени.
  • Логическое управление.
  • Отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме.
  • Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.
  • Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.
  • Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.
  • Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.
  • Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.). В системе управления предприятием такими приложениями чаще всего являются приложения, относимые к уровню MES.

SCADA-системы позволяют разрабатывать АСУ ТП в клиент-серверной или в распределённой архитектуре.

Основные компоненты SCADA

SCADA—система обычно содержит следующие подсистемы:

  • Драйверы или серверы ввода-вывода — программы, обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами, счётчиками, АЦП и другими устройствами ввода-вывода информации.
  • Система реального времени — программа, обеспечивающая обработку данных в пределах заданного временного цикла с учетом приоритетов.
  • Человеко-машинный интерфейс (HMI, англ. Human Machine Interface) — инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им.
  • Программа-редактор для разработки человеко-машинного интерфейса.
  • Система логического управления — программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки.
  • База данных реального времени — программа, обеспечивающая сохранение истории процесса в режиме реального времени.
  • Система управления тревогами — программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером.
  • Генератор отчетов — программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов для их разработки.
  • Внешние интерфейсы — стандартные интерфейсы обмена данными между SCADA и другими приложениями. Обычно OPC, DDE, ODBC, DLL и т. д.
OPC (OLE for Process Control) — семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами. Многие из OPC протоколов базируются на Windows-технологиях: OLE, ActiveX, COM/DCOM.

 

Программные продукты класса SCADA широко представлены на мировом рынке. Это несколько десятков SCADA - систем, многие из которых нашли свое применение и в России. Наиболее популярные из них приведены ниже:

InTouch (Wonderware) - США;

Citect (CI Technology) - Австралия;

FIX (Intellution ) - США;

Genesis (Iconics Co) - США;

Factory Link (United States Data Co) - США;

RealFlex (BJ Software Systems) - США;

Sitex (Jade Software) - Великобритания;

TraceMode (AdAstrA) - Россия;

Cimplicity (GE Fanuc) - США;

САРГОН (НВТ - Автоматика) - Россия.

 

Лекция 2. Концепция "Умного Дома"

У́мный дом (англ. smart home МФА: sma:t haus, также англ. intelligent building, рус. АСУЗ) — жилой дом современного типа, организованный для проживания людей при помощи автоматизации и высокотехнологичных устройств. Под «умным» домом следует понимать систему, которая обеспечивает комфорт (в том числе безопасность), и ресурсосбережение для всех пользователей. В простейшем случае она должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в доме, и соответствующим образом на них реагировать: одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам. Кроме того, от автоматизации нескольких подсистем обеспечивается синергетический эффект для всего комплекса.

Это проще понять, если представить, например, что система отопления никогда не сможет работать против системы кондиционирования. А отопление осуществляется не только по погоде, но и с учетом целого ряда других факторов. От силы ветра, по предсказанию, от времени суток (ночью комфортная температура меньше).

Можно считать, что это наиболее прогрессивная концепция взаимодействия человека (пользователей) с жилым пространством, когда в автоматизированном режиме в соответствии с внешними и внутренними условиями задаются и отслеживаются режимы работы всех инженерных систем и электроприборов.

В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопительными системами, системами видеонаблюдения и охранной сигнализации, моторизированными воротами и прочим.

История

В 1995 году разработчики технологий Java предрекали одним из основных назначений для этой технологии увеличения интеллекта бытовых приборов[1] — например, холодильник сам будет заказывать продукты из магазина. Промышленного распространения эта идея не получила, но такие компании, как Miele и Siemens, уже выпускают бытовую технику с возможностью включения в «умный дом».

Осенью 2012 года компания Panasonic анонсировала полномасштабное производство систем управления энергией SMARTHEMS, предназначенных для «умных домов». Panasonic обещает ввести совместимость с системой HEMS(Home Energy Management System) во всю линейку своих бытовых приборов, таких как: кондиционеры, «умная» кухонная техника и системы горячего водоснабжения EcoCute. Новая система AiSEG позволяет связать все оборудование и домашние устройства в единую сеть организовав отображение информации о работе солнечных батарей, расходе электричества, газа и воды и автоматически контролируя работу бытовых приборов с помощью протокола ECHONET Lite[2].

Умный дом в России и Европе

Основное различие в системах видится скорее в их конкретном предназначении и в подходе реализации.

В Европе:
  • Предназначение: прежде всего энергосбережение и только потом комфорт
  • Подход: максимальная унификация
  • Установка: в Европе проекты автоматизации частных домов и квартир готовит сам разработчик и производитель систем, установкой занимаются обычные, но квалифицированные монтажники, работающие строго по схеме.
В России:
  • Предназначение: комфорт и имидж (для высокобюджетных проектов); простейшая охранно-пожарная сигнализация, иногда с функцией GSM-оповещения (для минимальных бюджетов).
  • Подход: строго индивидуальный.
  • Установка: установкой занимаются специалисты. Как правило, они работают со многими производителями систем автоматизации, это позволяет подбирать систему оптимально для решения поставленных задач. Эти же специалисты занимаются проектированием, продажей, монтажом, запуском и в дальнейшем обслуживанием клиентов построенного умного дома.

В настоящее время ситуация изменилась, появились российские разработки высокотехнологичных систем и интеллектуальных приборов, по цене и надежности ориентированные на использование именно в России.

По оценкам аналитиков рынок умного дома активно развивается. К 2020 году общий объем мирового рынка достигнет $51.77 млрд. В период с 2013 по 2020 года среднегодовые темпы роста рынка будут на уровне 17.74%. Основными игроки в этой отрасли за рубежом - Siemens AG (Германия), Schneider Electric SA (Франция),TELETASK (Бельгия), ABB Ltd. (Швейцария), компания Ingersoll-Rand PLC (Ирландия), Tyco International Ltd. (Швейцария), Emerson Electric Co. (США), Legrand С.А. (Франция), Crestron Electronics, Inc. (США) , Lutron Electronics, Inc. (США), Control4 Corporation (США), и др.

Объемы российского рынка значительно скромнее. В 2012 году объем рынка у нас в стране превысил 56 млн. евро или 2,3 млрд. рублей. В 2013 году по предварительным оценкам рынок вырос на 30% - до 65 млн. евро или почти 3 млрд. рублей. К 2017 году его общий объем может достигнуть 176 млн. евро или 7,9 млрд. рублей.

Технологии

Под термином «умный дом» обычно понимают интеграцию следующих систем в единую систему управления зданием:

  • Системы управления и связи
  • Система отопления, вентиляции и кондиционирования
  • Система освещения
  • Система электропитания здания
  • Система безопасности и мониторинга

 

Система управления

  • Управление с одного места аудио-, видеотехникой, домашним кинотеатром, мультирум
  • Удалённое управление электроприборами, приводами механизмов и всеми системами автоматизации. Электронные бытовые приборы в умном доме могут быть объединены в домашнюю Universal Plug’n’Play — сеть с возможностью выхода в сети общего пользования.
  • Механизация здания (открытие/закрытие ворот, шлагбаумов, электроподогрев ступеней и т. п.)

 

Система отопления, вентиляции и кондиционирования

Система отопления, вентиляции и кондиционирования (Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC) обеспечивает регуляцию температуры, влажности и поступление свежего воздуха. Кроме этого, HVAC экономит энергию за счет рационального использования температуры среды. Некоторые подсистемы:

  • управляемый через сеть кондиционер
  • механизмы автоматического открытия/закрытия окон для поступления холодного или теплого воздуха в подходящее время суток

 

Система освещения

Система освещения (Lighting control systems, LCS) контролирует уровень освещенности в помещении, в том числе для экономии электроэнергии за счет рационального использования естественного освещения. Некоторые подсистемы:

  • автоматика для включения/выключения света в заданное время суток
  • датчики движения для включения света только тогда, когда в помещении кто-то находится
  • автоматика для открытия/закрытия ставней, жалюзи, для регулировки прозрачности специальных оконных стекол.

 

Система электропитания здания

Системы электропитания обеспечивают бесперебойное питание, в том числе за счет автоматического переключения на альтернативные источники электропитания. Некоторые подсистемы:

  • Автоматический ввод резерва
  • промышленные ИБП
  • дизель-генераторы

 

Система безопасности и мониторинга

В систему безопасности и мониторинга входят следующие подсистемы:

  • система видеонаблюдения
  • система контроля доступа в помещения
  • Охранно-пожарная сигнализация (в том числе контроль утечек газа)
  • Телеметрия — удалённое слежение за системами
  • Система защиты от протечек — автоматическая блокировка водоснабжения при протечке и заливе помещения. Состоит из контролирующего устройства, специальных кранов и датчиков, детектирующих затопление (Аквасторож, Neptun, Гидролок и другие)
  • GSM-мониторинг — удалённое информирование об инцидентах в доме (квартире, офисе, объекте) и управление системами дома через телефон. В некоторых системах при этом можно получать голосовые инструкции по планируемым управляющим воздействиям, а также голосовые отчеты по результатам выполнения действий.
  • IP-мониторинг объекта

mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2019 год. (0.051 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал