Полеви комуникационни мрежи

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2006

 

Ethernet/IP постепенно измества традиционно използвани полеви стандарти

Пазарната война между поддръжниците на различни полеви комуникационни технологии е важен елемент от стратегията им за налагане в света на индустриалната автоматизация. За разлика от директните пазарни битки между отделните компании, войната в областта на полевите комуникационни мрежи залага на друга тактика. Въпреки че голяма част от наложилите се днес стандарти за полеви мрежи са се развили първоначално като фирмени концепции, днес производителите на автоматизационно оборудване са обединени в различни организации, подкрепящи един или други полеви комуникационен стандарт. Защото победата в комуникациите на полево ниво означава по-голям пазарен дял. По тази причина, въпреки широко декларираната отвореност на полевите мрежи, на практика устройствата на различните производители не са съвместими. И проблемът далеч не е технически, а чисто и просто пазарен. Появата на Ethernet/IP на полевата сцена преди няколко години, обаче, наложи сериозно преразпределение на фирмения “арсенал” на полево ниво. Днес, въпреки все още немалкото си противници, Ethernet/IP бусове и устройства предлагат всички водещи компании в сферата на автоматизацията. Традиционно използвани полеви комуникационни технологии като HART, FOUNDATION Fieldbus, DeviceNet все още имат важна роля на полевото ниво. Всичко това налага необходимостта от добро познаване на основните полеви мрежи.

HART комуникационната технология

е сред най-наложилите се в областта на автоматизацията. Наименованието HART е абревиатура на Highway Addressable Remote Transducer. Областта на приложение на HART протокола обхваща всички сфери на индустрията, включително енергетиката, нефтохимията, хартиената промишленост, ВиК сектора и др. Технологията осигурява двупосочна цифрова комуникация с интелигентни полеви контролно-измервателни уреди. Сред основните предимства на HART протокола са високата гъвкавост при експлоатация, дължаща се на възможността за едновременното използване на 4-20 mA аналогови и цифрови комуникационни сигнали. HART протоколът представлява комуникационно решение, съвместимо с вече инсталираната база от контролно-измервателни уреди, което определя икономическата му ефективност. Приложимостта на комуникационната технология се разширява допълнително от възможността за използването й навсякъде, където вече са инсталирани и работят аналогови полеви устройства.

Компанията Rosemount (днес част от Emerson Process Management) създава продукта през 1988 г. като фирмена комуникационна технология, предназначена за автоматизирани системи за управление на процеси. Разработен е на базата на елементарната идея да се пренася цифровият сигнал по съществуващ аналогов. Днес специално създадената фондация с идеална цел - HART Communication Foundation (HCF), притежава и съхранява спецификациите и стандартите на протокола и осигурява поддръжка на приложенията на технологията в световен мащаб.

Комуникира без прекъсване на 4-20 mA сигнал и позволява цифровата комуникация от полевото устройство да бъде обновявана няколко пъти в секунда при предаването й към хоста.

Технологията е master/slave

Като топология HART протоколът е master/slave комуникационна технология, т.е. комуникацията с всяко slave устройство се инициира от master устройство. Всеки HART контур съдържа до два master-а - главен и второстепенен. Функцията на главен master могат да изпълняват разпределена система за управление (DCS), програмируем контролер (PLC) или персонален компютър (PC). Като второстепенен master се използва PC или хенд-хелд компютър. Slave устройствата в системите с HART протокол са полеви уреди и контролери, които отговарят на командите от основния или второстепенния master.

Скоростта, с която комуникира HART протоколът (1200 bit/s), позволява хостът да получи две или три цифрови обновявания в секунда от интелигентните полеви устройства в режим запитване/отговор. Предлагат се и HART устройства, работещи в т.нар. пакетен (burst) комуникационен режим, който се характеризира с по-бърза комуникация (3-4 обновявания на данни за секунда).

Протоколът работи в две мрежови конфигурации - point-to-point (двуточкова) и multidrop (разклонена). Типичната връзка между контролера и полевото устройство е point-to-point. При работа в режим point-to-point аналоговият 4-20 mA сигнал се използва за предаване на информация за една процесна променлива. Всички допълнителни променливи, конфигурационни параметри и други данни за устройствата се пренасят цифрово на базата на HART протокола. При работа в multidrop режим аналоговият сигнал се използва само във функцията на преносна среда. Комуникацията с полевите устройства се осъществява чрез цифров сигнал. На практика, при multidrop конфигурация множество полеви устройства се свързват към общ кабелен чифт.

Технологията Ethernet/IP

Не съществуват две мнения по въпроса, че Ethernet/IP е най-широко използваната Ethernet технология за комуникация в реално време в индустрията. Ethernet/IP е индустриално разширение на Ethernet TCP/IP (б.ред. TCP/IP или Transmission Control Protocol/Internet Protocol е мрежовият и транспортен протокол на Internet). Това е заложено и в наименованието му - IP e абревиатура на Industrial protocol. Стандартът е базиран на отворен на приложно ниво протокол. Развит е и подкрепян от три мрежови организации - ControlNet International (CI), Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) и Industrial Ethernet Association (IEA).

Като индустриално разширение на Ethernet, TCP/IP комуникационният стандарт EtherNet/IP има някои от недостатъците на Ethernet. Ethernet/IP е разработен на основата на международния стандарт IEEE 802.3. Базиран е на OSI модел, който включва компонентите на стандартната отворена мрежова архитектура. OSI, или Open Systems Interconnect, моделът е съставен от седем нива. Първото е т.нар. физическо ниво, например коаксиален кабел или усукана двойка, второто - канално ниво, например CSMA/CD, третото - мрежово ниво, например IP или ARP, следва транспортно ниво - TCP или UDP, петото - сесийно ниво, шестото - представително ниво, и последното седмо ниво е приложно, например http или FTP.

Универсално полево ниво

Ethernet/IP използва протокол TCP/IP, предлагащ набор от услуги, които се използват от две устройства за обмен на данни, но не гарантира, че те комуникират ефективно при всички случаи. TCP/IP гарантира единствено, че съответните съобщения ще бъдат предадени между комуникиращите устройства. Следователно, за да се постигне ефективна комуникация на полево ниво, индустриалната версия на Ethernet предлага общ език, на който устройствата си “говорят”, а именно универсално полево ниво. За постигането му се използва подход, наречен TCP/IP капсулиране, при който DeviceNet възел капсулира съобщение като порция данни в Ethernet съобщение. След капсулирането възелът TCP/IP протокол със съобщението вътре се изпраща към каналното ниво. Взаимовръзките и взаимодействията на устройствата за управление при индустриалния Ethernet се създават от стандартизираното приложно ниво. Чрез използването на TCP/IP в индустриалната мрежа EtherNet могат да се изпращат т.нар. явни (explicit) съобщения, при които в полето с данни се съдържа едновременно протоколната информация и инструкциите за работа.

Общ протокол на приложно ниво с ControlNet и DeviceNet

EtherNet/IP използва също UDP/IP или User Datagram Protocol/Internet Protocol за изпращане на съобщения в реално време. Протоколът дава възможност да се обработват и изпращат съобщения към групи потребители в мрежата (multi-cast), както и неявни, условни (implicit) съобщения. При неявните съобщения полето с данни не съдържа протоколна информация, а само входно/изходни данни в реално време. Неявните съобщения носят малък обем служебна информация, къси са и осигуряват необходимата за нуждите на управлението производителност. Посредством едновременното използване на TCP/IP и UDP/IP протоколите за капсулиране на съобщенията, могат да се обменят както съобщения от входове/изходи в реално време, така и явни съобщения.

Сред предимствата на EtherNet/IP е общият протокол на приложно ниво със стандартите ControlNet и DeviceNet. Изброените цифрови комуникационни технологии без проблеми обменят помежду си профили на устройства и обектни библиотеки. На практика това означава, че сложни устройства като контролери, задвижвания, баркод четци и други могат да се свързват, без да се нуждаят от допълнителен специализиран софтуер. Следователно EtherNet/IP комуникационните мрежи се отличават с високо бързодействие.

Технологията PROFinet

PROFinet е fieldbus стандарт за автоматизирани системи с разпределена архитектура. Базиран е на обектно-ориентирани IT стандарти, като TCP/IP, Ethernet, XML и COM. Все по-широко се използва като Real-time Ethernet решение за индустриален контрол и управление в реално време. PROFinet е дефиниран с международния стандарт IEEE 802.3. Съвместим е с PROFIBUS-DP. Поддръжката на TCP/IP позволява внедряването на PROFinet в съществуващи Ethernet решения. Най-новите възможности на стандарта са залегнали в последната за момента - трета, версия на PROFinet. PROFinet V3 е отворен комуникационен стандарт, в концепцията на който е залегнала възможността за интеграция на съществуващи автоматизирани системи в бъдещите комуникационни структури. Твърди се, че отвореността на стандарта позволява интеграцията на съществуващи Profibus системи в PROFinet автоматизирани решения.

Принадлежност към Real-time Ethernet решенията

Във функцията на индустриален комуникационен стандарт, Ethernet осигурява унифицирана инфраструктура, във висока степен интегрирани комуникации и използване на IT стандарти за диагностика и сервиз. Най-новата версия на стандарта PROFinet, който, както бе подчертано, е сред Real-time Ethernet решенията за индустриална автоматизация, съответства на интегрирания системен подход и позволява неограничен TCP/IP достъп.

Изисквания за комуникация в реално време се поставят при автоматизацията на значителна част от индустриалните приложения. Характеристика на комуникацията в реално време е т.нар. време на реакция на системата. Счита се, че за преимуществена част от индустриалните процеси необходимото време за реакция на системата покрива диапазона от 10 до 100 ms. За решаване на подобни автоматизационни задачи, предпоследната версия на стандарта PROFinet V2 поддържа оптимизиран софтуерно-базиран комуникационен канал.

Трансфер на големи информационни пакети

Общият стремеж на разработчиците и потребителите на индустриални комуникационни технологии в посока развитие на Ethernet концепцията води до създаването на т.нар. Switched Ethernet. Базиран е на point-to-point комуникация и е развит с оглед бъдещето на индустриалните комуникации, когато концентраторите (хъбовете) като технология окончателно изчерпат възможностите си за развитие. Специфики на Switched Ethernet са по-големият обем на предаваните информационни пакети, изцяло дуплексната комуникация, осигуряваща едновременно предаване на информация и в двете посоки, и улеснен достъп до магистралата. Недостатък на Switched Ethernet е несиметричната комуникация, което на практика прави работата на мрежата зависима от текущото й натоварване. В критични ситуации не е изключена дори загуба на фрейма (frame), което би могло да се определи като най-големия проблем в приложения в реално време с неограничен TCP/IP трафик и различно натоварване на мрежата. Най-новата версия на PROFinet е разработена с оглед решаване на описаните проблеми при комуникациите в реално време.

Полевата мрежа FOUNDATION Fieldbus

Разработването на широко използваната полева мрежа FOUNDATION Fieldbus би могло да се разглежда като резултат от усилията на две водещи световни организации - Instrument Society of America (ISA) и International Electrotechnical Commission (IEC). Пазарната необходимост от разработването на общ стандарт води до създаването на две fieldbus групи, обединени около водещите производители на автоматизационно оборудване в света. Първата - Interoperable Systems Project (ISP), се подкрепя от Fisher-Rosemount, която от години е част от структурата на концерна Emerson Precess Management, от Siemens, Foxboro, ABB и Yokogawa Electric. Производителите, обединени в ISP, поддържат стандарта Profibus. Втората група - WorldFIB (Factory Instrumentation Protocol) е създадена няколко месеца по-късно. Основатели на WorldFIB са други водещи производители от света на индустриалната автоматизация, сред които Honeywell, Schneider Electric, Rockwell Automation. В края на 1994 г. двете групи обединяват усилията си в създаването на общ стандарт за комуникационна мрежа, създавайки FOUNDATION Fieldbus. Днес почти всички водещи компании в областта на индустриалната автоматизация предлагат Fieldbus устройства.

Висока сигурност и бързодействие

Комуникационната технология FOUNDATION Fieldbus е особено подходяща за високоскоростни процеси в опасни индустриални производства, което се дължи на прецизната синхронизация между управлението и комуникацията. Разработена е специално за високоотговорни приложения, изискващи висока сигурност и голямо бързодействие. Стандартът FOUNDATION Fieldbus е разработен в съответствие с международните стандарти IEC1158 и ISA S50. Като структура и характеристики, полевата мрежа FOUNDATION Fieldbus е много подобна на Profibus PA.

Осигурява двупосочна комуникация между полеви устройства и управляващи системи. Протоколът FOUNDATION Fieldbus е структуриран в седем нива. Като топология мрежата е линейна, дървовидна с предаване и на захранването. На физическо ниво преносната среда би могла да бъде оптична, радио или усукана двойка. Методът на комуникация е single master или multi master. Скоростта на обмен зависи от модификацията - от 30 кbit/s до 2.5 Mbit/s.

Полевата комуникационна технология Profibus

е подходяща за решаване на разнообразие от автоматизационни задачи, както на ниво полеви устройства, така и за системи от по-високо йерархично ниво. Отличава се с техническите характеристики на серийните полеви системи, които позволяват цифрови програмируеми контролери с разпределена интелигентност да се свържат в обща мрежа. Като топология Profibus е multimaster система, което на практика означава, че позволява съвместна работа на няколко автоматизирани системи с техните разпределени периферии върху обща магистрала. Стандартът Profibus е разработен от Siemens и днес се поддържа от голям брой производители.

Комуникационната технология Profibus обхваща три основни типа мрежи - DP (decental periphery), FMS (fieldbus message specification) и PA (process automation).

FMC комуникационният профил е проектиран за комуникация на по-високо йерархично ниво, т.е. той не е подходящ във функцията на комуникационна среда на ниво полеви прибори. Типични области на приложение на

Profibus DP

са управлението на процеси и промишлената автоматизация. DP комуникационният профил е проектиран за ефективен обмен на информация на ниво полеви устройства. Характеризира се със скорост на обмен на данни 12 Mbit/s. Методът на комуникация е или master/slave, или равноправен достъп. На физическо ниво преносната среда е усукана двойка. Максималният брой възли (устройства), които могат да се включат в една мрежа Profibus DP, е над 100.

Profibus PA е подобен като характеристики на FOUNDATION Fieldbus. Сред типичните му области на приложение са управление на процеси и интелигентни измервателни прибори. При Profibus PA скоростта на обмен е около 30 kbit/s, магистралата е от тип или master/slave, или равноправен достъп, максималният брой възли е над 250 на мрежа.

Комуникационната технология CAN

Мрежите CAN представляват цифрова комуникационна магистрала, която все още не се наложила масово в областта на индустрията. Обменът на информация при CAN мрежите се осъществява чрез предаване на цифрови данни в сериен вид, което позволява връзката между модулите да се осъществява по два проводника. Предаването на съобщения по шината е от т.нар. радиоразпръсквателен тип (Broadcast Type Bus), при който всички модули могат да работят като предаватели, генерираните съобщения са без адрес и достигат до всички модули, работещи като приемници. CAN е абревиатура на Controller Area Network.

Скоростта на предаване на данни по шината е между 10 kbit/s и 1 Mbit. Предаваните съобщения са къси - максималният обем на полезната информация е 94 bit. Сред спецификите на мрежата CAN е висока достоверност при предаването на информацията. Сигурността на работа в комбинация със сравнително ниската й цена е предпоставка за все по-широкото използване на CAN мрежите в различни отрасли на промишлеността. Друго предимство на CAN мрежите е възможността за разширяване на системата без никакви промени в програмното осигуряване.

Над 30 протоколи

Съществуващите CAN протоколи са над 30. В основата на всеки протокол, независимо от различията между тях, е стандартният протокол CAN - Standard CAN, CAN2.0А и разширеният протокол CAN - Extended CAN, CAN2.0B. При стандартния CAN протокол цялата обменяна по една CAN мрежа информация се състои по принцип от четири вида пакети - за данни (Data Frame), за искане на данни (Remote Frame), пакет за грешки (Error Frame) и пакет за претоварване (Overload Frame). Първите два пакета се разделят от останалите чрез поле за съобщения (Intermission Field) или наличие на свободна шина (Bus-Idle). При останалите два пакета не е необходимо подобно разделяне. Пакетът за данни е носителят на информацията, т.е. всички останали пакети са спомагателни. Основният пакет е съставен от седем пакета с различно предназначение и продължителност. Предназначението на пакета за искане на данни е да даде възможност на всеки модул не само пасивно да чака съобщения, но и да накара съответния предавател да ги получи.

Неограничен брой модули

Принципът на работа на мрежите CAN се базира на обстоятелството, че при наличие на свободна шина (в момента по нея не се предава информация) всеки модул може да започне да предава съобщения. Тъй като всяко съобщение носи в себе си приоритет, в случай че няколко модула предават едновременно, достъп до шината получава съобщението с най-голям приоритет. Аналогично, когато до даден модул едновременно достигнат повече от едно съобщение, приемането се извършва в зависимост от приоритета им. Всеки от модулите, включени в мрежата CAN, би могъл да изиска получаването на съобщения, като изпраща запитвания. На всяко правилно прието съобщение се изпраща потвърждение (acknowledgment). В случаите, при които дадено съобщение не се приеме поради грешка, се изпраща отговор. CAN мрежата разпознава появата на постоянни грешки и автоматично изключва повредения модул.

Въпреки че на теория не съществува ограничение върху броя на модулите в една CAN мрежа, на практика това не е така, тъй като всеки модул представлява електрически товар за шината.

Мрежовата технология DeviceNet

Разработена е американската компания Allen-Bradley, понастоящем част от концерна Rockwell Automation. Днес редица водещи доставчици на автоматизационно оборудване предлагат DeviceNet продукти. Полевата мрежа се поддържа от ODVA (Open DeviceNet Vendor Association). Разглежда се като икономически ефективно мрежово решение, посредством което контролери и индустриални полеви устройства се свързват директно, при което отпада необходимостта от допълнително окабеляване на входовете и изходите. DeviceNet е CAN (Control Area Network) базирана мрежа.

Като топология DeviceNet мрежите традиционно са master/slave. Едва през 1996 г. ODVA въвежда DeviceNet мрежи с разклонена (multiple) конфигурация, peer-to-peer комуникация и др.

Предимство на полевата комуникационна технология е общият протокол на приложно ниво с EtherNet/IP, което дава възможност за обмен на профили на устройства. Предимство на технологията DeviceNet е и високата скорост на пренос на данни. Също така, DeviceNet се отличава с практичност и ефективност по отношение манипулирането на данните. Опростената топология на DeviceNet позволява различни устройства да бъдат свързани директно към общ мрежов кабел. Изграждането на DeviceNet мрежи с plug-and-play полеви устройства опростява в значителна степен процеса на преконфигуриране на системата. За разлика от Ethernet, DeviceNet може да осигури захранване и комуникации по един и същ кабел. Общите обекти и профили позволяват наличието на plug-and-play функционалност на устройства от различни производители.




Новият брой 2/2017

брой 2-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top