Кратко о цифровых промышленных сетях

В современном мире цифровые коммуникации почти полностью вытеснили аналоговые. Инженерному персоналу всё чаще приходится заниматься конфигурированием цифрового сетевого оборудования не только офисного, но и промышленного. Связь между различными видами   автоматизированных устройств управления, таких как: программируемые логические контроллеры, полевые устройства, системы контроля перемещений, человеко-машинный интерфейс и так далее,  обеспечивается при помощи дискретных способов передачи данных, включающих в себя как аппаратные так и программные средства. Ниже на рисунке, в качестве примера, изображена схематическая картина комплексной автоматизации (TIA – Totally Integrated Automation) предлагаемой фирмой Siemens.

Структурная схема комплексной автоматизации предприятия

Из рисунка видно, что полная комплексная автоматизация включает в себя следующие уровни: полевой уровень, уровень технического управления, технологический уровень, уровень управления производством, уровень управления предприятием. Взаимодействие между устройствами и уровнями осуществляется при помощи цифровых коммуникаций (интерфейсов) таких как:  AS-interface, Profibus, Profinet, промышленный Ethernet, Ethernet. Для управления зданием (освещение, кондиционирование, безопасность и так далее) используется система GAMMA KNX на базе шины KNX. На основании приведенного рисунка можно составить следующую таблицу:

Уровни автоматизации предприятия

Большое внимание уделяется безопасности передаваемых по сети данным, для этого включают в работу и постоянно совершенствуют интегрированные функции безопасности такие как PROFIsafe, ASIsafe и другие.

AS-interface

AS-interface (англ. Actuator Sensor Interface) используется как интерфейс датчиков и исполнительных устройств, в основном в машиностроении, и предназначен для передачи преимущественно дискретных сигналов в промышленных сетях. Версия AS-i 2.11 позволяет передавать аналоговые сигналы. Существует профиль протокола для систем повышенной безопасности ASI-Safe.

AS-Interface — это система с одним ведущим устройством. Возможна любая топология сети. Позволяет производить подключение к одному ведущему устройству до 62 ведомых устройств AS-Interface. Все сетевые компоненты соединяются между собой специальным двух-жильным кабелем по которому производится подача питания и передача информации. Это плоский кабель с подключением под прокол изоляции (ножевые клеммы предусмотрены в конструкции модулей ввода-вывода).

Применение модулей связи DP/AS-I, производства ф-мы Siemens, даёт возможность интегрировать сеть AS-interface в сеть PROFIBUS-DP, что в свою орчередь даёт возможность интеграции AS- interface в комплексные инженерные решения на базе изделий SIMATIC.

Преимущества: высокая помехозащищённость, простота и низкая стоимость монтажа, относительно низкая цена, широко распространён.

Недостатки: плохо приспособлен для передачи аналоговых сигналов, относительно небольшие длина и скорость передачи.

PROFIBUS

Profibus (англ.  Process Field Bus — шина полевого уровня) – ”пока что” самая успешная открытая полевая шина в технике автоматизации. Применяется во многих приложениях, особенно широко распространена в Европе. Изначально прототип сети был разработан фирмой Siemens AG для своих контроллеров семейства Simatic, затем ”идею“ начали применять и другие фирмы. В результате устройства разных фирм-производителей (Siemens,Mitsubishi, Heidenhain и т.д.) могут работать друг с другом без каких либо специальных интерфейсов. Сеть соответствует требованиям международных стандартов по IEC61158/ EN50170. Промышленная сеть Profibus в разной степени присутствует почти во всех регионах земного шара. Её поддержкой, стандартизацией и развитием занимается организация Profibus Network Organization (PNO).

На физическом уровне шина Profibus может выполняться как:

  • электрическая сеть с шинной топологией, использующая экранированную витую пару,  соответствующую стандарту RS-485;
  • оптическая сеть на основе волоконно-оптического кабеля;
  • инфракрасная сеть.

Скорость передачи от 9,6 кБит/сек до 12 Мбит/сек , максимальная длина передачи зависит от очень многих факторов (от скорости передачи данных и т.п.) — для электрической сети до 1км (без повторителей)  и до 10км (с повторителями), для оптической — до 15км(без повторителей) и до 100км(с повторителями).

Profibus состоит из трёх версий взаимодействующих друг с другом (ниже).

Три версии Profibus

Сеть Profibus спроектирована в соответсвии с семиуровневой сетевой моделью ISO OSI, из которой используются только несколько уровней, из семи (рисунок 2 для Profibus DP).

Структура технической системы Profibus DP

Физический уровень отвечает за характеристики физической передачи.

Канальный уровень определяет протокол доступа к шине.

Уровень приложений отвечает за прикладные функции.

К сети Profibus могут быть подключены: программируемые логические контроллеры Simatic S7 и других производителей, датчики и исполнительные устройства, станции распределённого ввода/вывода ET200, приборы и системы человеко-машинного интерфейса SIMATIC HMI, персональные и промышленные компъютеры, приводы и системы защиты электромоторов SIMOCOD, системы числового программного управления SINUMERIK …а также устройства других производителей оснащённых интерфейсом Profibus.

PROFINET

    PROFINET (англ. Process Field Network – сеть полевого уровня) от ассоциации Ethernet PROFIBUS & PROFINET International (PI) представляет собой открытый промышленный стандарт для автоматизации, в основе построения которого используются TCP / IP протоколы и IT(интернет) — стандарты, а также режим реального времени, как в Ethernet. Например, PROFINET IO представляет собой Ethernet версию сети Profibus.

Модульная структура концепции PROFINET позволяет пользователям выбирать каскадирование самих функций, которые могут существенно отличаться в зависимости от типа обмена данными для выполнения отчасти очень высоких требований к скорости.

Для реализации этих функций, имеется три протокола:

Реализация протокола Profinet

Составные части Profinet

Поскольку PROFINET использует протокол TCP/IP, то каждый модуль этой сети имеет три адреса: MAC-адрес, IP-адрес и логическое имя модуля в рамках общей конфигурации (имя устройства). Протоколы PROFINET можно записывать и отображать при помощи программ-анализаторов сети Ethernet, например, таких как Wireshark.

PROFINET может выполнять сквозную коммуникацию от уровня управления до полевого уровня, предлагая вместе с тем инжиниринг в масштабе всей установки, используя при этом проверенные стандарты из среды IT, например, TCP/IP и UDP(User Datagram Protocol). Возможно интегрирование в сеть PROFINET существующих полевых шин, например Profibus, без внесения изменений в эти устройства.

Конфигурирование систем PROFINET IO выполняется в среде STEP 7 и ничем не отличается от подобных операций для сети PROFIBUS DP.

PROFINET CBA и PROFINET IO могут использоваться по отдельности или в сочетании, таким образом, что модуль PROFINET IO может выступать в роли модуля PROFINET CBA для топологии промышленного объекта.

Промышленный Ethernet

Основное различие между интернетом и сетью Ethernet состоит в том, что Internet — это глобальная сеть (WAN – Wide Area Network), а сеть Ethernet — это локальная сеть (LAN – Local Area Network):

Промышленный Ethernet

Промышленный Ethernet (англ. Industrial Ethernet) разработан специально для применения в промышленности. В этой сети  используют процедуру доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий) которая работает на канальном уровне в модели OSI.

Промышленный Ethernet, в основном, используют для обмена данными между программируемыми логическими контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса, реже между самими контроллерами и, ещё реже для подключения по сети к контроллерам удалённого оборудования например, датчиков и различных исполнительных   устройств. В последней задаче, широкому применению промышленного Ethernet препятствует сама суть метода CSMA/CD, делающая невозможным гарантированный обмен небольшим количеством информации (единиц байт) с высокой частотой (миллисекундные циклы обмена).

В отличии от обычного (офисного)  Ethernet, промышленному Ethernet присущи следующие особенности:

  • стандарты на кабели и разъёмы соответствуют специфическим требованиям промышленности таким как: стойкость и работа в агрессивной  среде, усиленное экранирование и т.п. ;
  • применение специальных стандартов и устройств для связи с подвижными объектами (гибким кабелям, устройствам беспроводной связи и т.п. );
  • возможность применения специальных коммутаторов для организации кольцевых топологий,  которые при обрыве, для  восстановления связи, находят новый путь передачи данных быстрее,  чем «алгоритм избыточного дерева» применяемый в обычных сетях;
  • возможности обеспечение регулярной и частой передачи по сети небольшых объёмов информации, характерной для обмена данными между промышленными контроллерами, применяя дополнение стека протоколов TCP/IP протоколом RFC1006 (ISO Transport Service);
  • для синхронизации устройств в сети используют протокол PTP (англ.  Precision Time Protocol — «протокол точного времени»)  стандарта IEEE 1588 ;

В этой статье очень кратко рассмотрены основные особенности только четырёх довольно распространённых промышленных сетей (AS-Interface, Profibus, Profinet, Industrial Ethernet) , на самом деле видов и категорий промышленных сетей гораздо больше   (рисунки ниже). В связи с развитием новых технологий в производстве, разработчики постоянно совершенствуют технические параметры промышленных сетей, а также создают принципиально новые сети, при этом, происходит естественное ”отмирание” устаревших.

Области применения промышленного Ethernet

Распространение промышленных сетей в зависимости от региона

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *