Промышленные сети передачи данных

Понятие промышленной сети, ее основные

Характеристики

Промышленные сети передачи данных — это базовый элемент для

построения современных АСУ ТП. Появление промышленных ком-

муникационных протоколов положило начало внедрению террито-

риально распределенных систем управления, способных охватить

множество технологических установок, объединить целые цеха, а

иногда и заводы. Промышленные сети обеспечивают информацион-

ные потоки между контроллерами, датчиками и разнообразными

исполнительными механизмами. Именно коммуникационные сети в

большой степени определяют качество и надежность функциониро-

вания АСУ ТП в целом. Промышленная сеть — это среда передачи

данных, набор стандартных протоколов обмена данными, позволяю-

щих связать воедино оборудование различных производителей, а

также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней

АСУ.

Устройства, подключенные к сети, используют ее для следующих

целей: 1) передачи данных между датчиками, контроллерами и ис-

полнительными механизмами; 2) диагностики и удаленного конфи-

гурирования датчиков и исполнительных механизмов; 3) калибровки

датчиков; 4) питания датчиков и исполнительных механизмов; 5) пере-

дачи данных между датчиками и исполнительными механизмами,

минуя центральный контроллер; 6) связи между датчиками, испол-

нительными механизмами, ПЛК и верхним уровнем АСУ ТП; 7) связи

между контроллерами и системами человекомашинного интерфейса

(операторскими системами).

Средой передачи данных в промышленных сетях могут быть ка-

бели, оптоволоконные линии или беспроводная связь (радиомодемы

и Wi-Fi).

Наиболее значимыми параметрами промышленных сетей являют-

ся топология сети, объем информационного сервиса, предоставляе-

мого сетью, и способ доступа к физическому каналу передачи дан-

ных.

Сетевая топология означает способ (тип) сетевого объединения

различных устройств. Существует несколько топологий, отличаю-

щихся друг от друга по трем основным критериям: режим доступа к

сети; средства контроля передачи и восстановления данных; возмож-

ность изменения числа узлов сети. Эти топологии называются: общая

шина, кольцо и звезда. В топологии звезда вся информация пере-

дается через некоторый центральный узел, так называемый обраба-

тывающий компьютер. Каждое устройство имеет свою собственную

среду соединения. Все периферийные станции могут обмениваться

друг с другом только через центральный узел. Это обеспечивает до-

полнительную защиту всей сети от выхода из строя или отключения

узлов, позволяет существенно оптимизировать трафик, передавая

пакеты только в те лучи, где находятся их получатели. С другой сто-

роны, центральный узел должен быть исключительно надежным

устройством как в смысле логического построения сети (отслежива-

ние конфликтных ситуаций и сбоев), так и физического, поскольку

каждое периферийное устройство имеет свой физический канал

связи и, следовательно, все они должны иметь одинаковые возмож-

ности доступа. Дополнительное устройство может быть включено в

сеть только в том случае, если есть свободный порт для его подсоеди-

нения к центральному узлу. В кольцевой структуре информация пере-

дается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник копирует

данные, регенерирует их и вместе со своей квитанцией подтверждения

передает следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик

получает свою собственную квитанцию, это означает, что его инфор-

мация была корректно получена адресатом. В кольце не существует

определенного централизованного контроля. Каждое устройство по-

лучает функции управляющего контроллера на строго определенный

промежуток времени. Достоинством топологии являются предска-

зуемость и высокая пропускная способность, а недостатками — вы-

сокая стоимость организации канала связи, в большинстве случаев

нерациональное использование сетевого трафика и невысокая на-

дежность: отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению

работы кольца, а следовательно, и к остановке всех передач. Самым

распространенным типом является общая шина. В любой шинной

структуре все устройства подсоединены к общей среде передачи дан-

ных, или шине. В отличие от кольца адресат получает свой инфор-

мационный пакет без посредников. Подключение дополнительных

узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже ра-

ботающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии «звез-

да». Шинная топология требует жесткой регламентации доступа к

среде передачи. Используется как централизованный, так и децен-

трализованный контроль шины. Основными преимуществами общей

шины являются простота и дешевизна, легкость переконфигуриро-

вания, возможность подключения или отключения устройств во

время работы, применимость для сильно распределенных объектов.

К недостаткам следует отнести присутствие в каждой точке сети обще-

го трафика и опасность потери связи при одиночном обрыве канала

связи.

Информационный сервис, предоставляемый сетью, в соответствии

с моделью Международной организации по стандартизации (ISO/OS1)

имеет семь уровней. На физическом уровне определяются физические

характеристики канала связи и параметры сигналов, т. е. он обеспе-

чивает необходимые механические, функциональные и электрические

характеристики для установления, поддержания и размыкания фи-

зического соединения. Канальный уровень формирует основную

единицу передаваемых данных — пакет — и отвечает за дисциплину

доступа устройства к каналу связи и установление логического соеди-

нения. Он гарантирует передачу данных между устройствами, управ-

ляет не только сетевым доступом, но и механизмами защиты и вос-

становления данных в случае ошибок при передаче. Сетевой уровень

отвечает за адресацию и доставку пакета по оптимальному маршруту.

Транспортный уровень разбирается с содержимым пакетов, форми-

рует ответы на запросы или организует запросы, необходимые для

уровня сессий. Уровень сессий оперирует сообщениями и координи-

рует взаимодействие между участниками сети. Уровень представления

занимается преобразованием форматов данных, если это необходимо.

Прикладной уровень — это набор интерфейсов, доступных програм-

ме пользователя, он обеспечивает непосредственную поддержку

прикладных процессов и программ конечного пользователя и управ-

ление взаимодействием этих программ с различными объектами сети

передачи данных. Большинство промышленных сетей ограничива-

ется тремя уровнями: физическим, канальным и прикладным.

Тип доступа к физическому каналу определяет регламент исполь-

зования отдельными устройствами общей линии связи. Существуют

два метода упорядоченного доступа: централизованный и децентра-

лизованный. В случае централизованного доступа к шине выделяется

узел с правами «Мастера», который назначает и отслеживает порядок

и время доступа к шине для всех других участников. При выходе его

из строя циклы обмена по шине останавливаются. Именно по этой

причине наибольшее распространение получил децентрализованный

доступ с переходящими функциями мастера от одного участника (узла

сети) к другому. Во всем мире широко приняты и используются две

модели децентрализованного доступа: с коллизиями и без коллизий.

Доступ к каналу с коллизиями (недетерминированный, или множе-

ственный, доступ) используют, например, сети Ethernet и CAN. В этом

случае все станции на шине имеют право передавать данные. Каждая

из них постоянно прослушивает шину. Если шина свободна, любой

из участников сети может занять шину под свой цикл передач. В том

случае, когда несколько станций претендуют на шину одновременно,

это приводит к так называемому конфликту (коллизии). Для разреше-

ния коллизий применяются различные приемы. Например, в сетях

Ethernet используется технология, основанная на постоянном про-

слушивании линии всеми узлами и генерации повторной попытки

занятия канала через случайный промежуток времени в случае, если

обнаружена попытка одновременного доступа к каналу нескольких

узлов. Принципиально другую форму разрешения коллизий исполь-

зует CAN-протокол, в котором разрешение коллизий производится

аппаратурой по принципу побитового сравнения сетевых адресов

конфликтующих устройств (рис. 14.1, а). Станция № 2, пытающаяся

передать очередную «единицу» из своего адреса, видит, что в канале

передается «ноль», понимает, что конфликтует, и откладывает по-

пытку занять канал на некоторое время, а станция № 1 продолжает

передачу. Коллизии хотя и возникают, но разрешаются предсказуемо

и в предсказуемое время. Существуют сетевые протоколы, в которых

аргументами в споре за канал являются не сетевые адреса, а динами-

чески изменяемые приоритетные уровни пакетов. Это позволяет

пакету, несущему важную информацию и требующему немедленного

ответа, легко пробиться через поток низкоприоритетных информа-

ционных обменов. Недетерминированный доступ позволяет эффек-

тивно использовать пропускную способность канала и предоставлять

доступ в сеть нескольким активным узлам, но его эффективность

снижается при увеличении общей загрузки шины выше 30 %.

Основная масса промышленных сетевых протоколов использует

доступ без коллизий (детерминированный) по принципу «запрос —

ответ» или с помощью передачи маркера, обеспечивающий четкое и

ритмичное сетевое взаимодействие. В основе протоколов с передачей

маркера лежит принцип постоянного наличия в сети синхронизи-

рующего пакета, называемого маркером. Маркер, т. е. право на доступ

к шине, передается в цикле от устройства к устройству (рис. 14.1, б).

Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на

стадии планирования системы. Принцип передачи маркера исполь-

зуется в распределенных системах, где реакция на возникающие со-

бытия должна проявляться за определенное время.

В целом по сравнению с подключением периферийного оборудо-

вания к контроллеру отдельными проводами промышленная сеть

имеет следующие достоинства: 1) в несколько раз снижается расход на

кабель и его прокладку; 2) увеличивается допустимое расстояние до

подключаемых датчиков и исполнительных устройств; 3) упрощается

управление сетью датчиков и исполнительных механизмов; 4) упро-

щается модификация системы при изменении типа датчиков, исполь-

зуемого протокола взаимодействия, добавлении устройств ввода/вы-

вода; 5) обеспечиваются дистанционная настройка и диагностика

датчиков. В качестве недостатков промышленной сети необходимо

отметить следующее. При обрыве кабеля теряется возможность по-

лучать данные и управлять не одним, а несколькими устройствами

(в зависимости от места обрыва и топологии сети остается возможность

автономного функционирования сегмента сети и схемы управления).

Как следствие, для повышения надежности приходится резервировать

каналы связи или использовать кольцевую топологию сети.