Протокол Modbus profibus
 Скачать 1.26 Mb.
|
1 2 Физический уровень модели OSI обеспечивает надежную передачу битов, игнорируя содержание передаваемой информации. Основными понятиями физического уровня являются линии передачи (в большинстве случаев это витая пара, хотя допускается использовать плоский кабель или один провод и "корпусную землю", оптоволокно, радиоканал), временные диаграммы, система синхронизации, формат данных, обеспечение достоверности передачи (контрольная сумма, методы кодирования, обнаружение и восстановление ошибок). Характеристики передатчика и приемника стандартом не устанавливаются, поскольку они могут быть выбраны для каждого конкретного случая исходя из требований применения. Кабель витой пары в сети CAN должен иметь общий (третий) провод; на обоих концах витой пары должны быть согласующие резисторы, сопротивление которых равно волновому сопротивлению кабеля. Максимальная длина кабеля составляет 1 км. Для увеличения длины, количества узлов или гальванической развязки могут быть использованы повторители интерфейса, сетевые мосты и шлюзы. Витая пара может быть в экране или без, в зависимости от электромагнитной обстановки. Топология сети должна быть шинной, максимальная длина отвода от шины при скорости передачи 1 Мбит/с не должна превышать 30 см. Длину отвода можно рассчитать по формуле  , где - длительность переднего фронта передатчика. Основные требования к линии передачи и ее характеристикам близки к RS-485, однако в передатчиках CAN есть режим управления длительностью фронтов импульсов. Управление выполняется путем заряда емкостей затворов выходных транзисторов от источников тока, при этом величина тока задается внешним резистором. Увеличение длительности фронта позволяет снизить требования к согласованию линии на низких частотах, увеличить длину отводов и ослабить излучение электромагнитных помех. Выводы "земли" всех передатчиков сети должны быть соединены (если интерфейсы гальванически не изолированы). При этом разность потенциалов между выводами заземлений не должна превышать 2 В. Гальваническая изоляция рекомендуется при длине линии более 200 м, но не является обязательным требованием стандарта. Для электрического соединения устройств с CAN интерфейсом стандарт предусматривает два варианта. Первый вариант состоит в применении Т-образных разветвителей, которые состоят из трех 9-штырьковых разъемов D-sub, расположенных в одном корпусе, одноименные контакты которых соединены между собой. Разветвители имеют один разъем со штырьками и два - с гнездами. Второй вариант требует наличия в каждом CAN-устройстве двух разъемов. Для включения устройства в сеть кабель разрезают и на его концах устанавливают ответные части разъемов. Устройство включается буквально в разрыв линии передачи. Такой подход позволяет наращивать количество устройств и изменять топологию сети путем добавления в разрыв кабеля новых устройств и кабеля с разъемами на концах. Один из разъемов должен быть со штырьками, второй - с гнездами. Подключение устройств к шине без разъемов не допускается. Согласующий резистор должен располагаться внутри разъема, который подключается к концу кабеля. Для присоединения модулей к CAN-шине должен использоваться 9-штырьковый разъем типа D- Sub. На модуле устанавливается разъем с гнездами, на соединяющем кабеле - со штырьками. Применение разъемов со штырьками или гнездами определяется следующим правилом: при "горячей" замене модулей питание должно оставаться только на разъемах с гнездами; это позволяет избежать случайного короткого замыкания. Отметим, что в основанном на CAN стандарте CANopen предусмотрено гораздо большее разнообразие вариантов разъемов, в том числе для плоского кабеля, RJ-10, RJ45, разъемный винтовой клеммник, и еще около десяти вариантов специальной конструкции. Допускается применение и других разъемов. Стандарт устанавливает следующие скорости обмена: 1 Мбит/с, 800 кбит/с, 500 кбит/с, 250 кбит/с, 125 кбит/с, 50 кбит/с, 20 кбит/с. CAN-модули могут поддерживать не все скорости, но желательно, чтобы их количество было наибольшим.передатчик имеет очень важное свойство: если один из передатчиков устанавливает в сети логический ноль, а второй - логическую единицу, то это состояние не является аварийным, как в сети на основе интерфейса RS-485, поскольку сквозного тока не возникает. В случае CAN линия остается в состоянии логической единицы. Иначе говоря, логическая единица всегда доминирует над логическим нулем. Поэтому в стандарте CAN используется понятие " доминантное состояние" (доминирующее) состояние линии для обозначения состояния линии с током, и понятие "рецессивное состояние" как противоположное доминантному. 6. Промышленный Ethernet появился более 30 лет назад. В настоящее время под Ethernet понимают семейство продуктов для локальных сетей, которые соответствуют стандарту IEEE 802.3. Промышленному применению стандарта долгое время мешал метод случайного доступа к сети, не гарантировавший доставку сообщения в короткое и заранее известное время. Однако это проблема была решена применением коммутаторов (см. ниже). Доля Ethernet среди установленных промышленных сетей в 2000 году составляла 11%, в 2005 г. - уже 23%. В настоящее время (с 2004 по 2009 год) рынок промышленного Ethernet растет со скоростью 51% в год, он стал промышленным стандартом и имеется большой выбор оборудования, удовлетворяющего промышленным требованиям. Недостатком промышленного Ethernet является относительно высокая цена: Ethernet модули ввода-вывода в среднем в 2 раза дороже аналогичных Modbus-устройств. Внедрению Ethernet в промышленность способствовали следующие его качества: · высокая скорость передачи (до 10 Гбит/с) и соответствие требованиям жесткого реального времени при высоком быстродействии (например, при управлении движением); · простота интеграции с Internet и Intranet, в том числе по протоколам прикладного уровня SNMP (Simple Network Management Protocol), FTP, MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions), HTTP; · простота интеграции с офисными сетями; · наличие большого числа специалистов по обслуживанию Ethernet; · по-настоящему открытые решения; · возможность организации многомастерных сетей; · неограниченные возможности по организации сетей самых разнообразных топологий; · широкое применение в офисных сетях, что обеспечило экономическую эффективность технической поддержки стандарта со стороны международных организаций по стандартизации; · появление недорогих коммутаторов, решивших проблему недетерминированности Ethernet. Продвижением и технической поддержкой промышленного Ethernet занимается Industrial Ethernet Association (IEA, www.industrialethernet.com), которая была организована в 1999 году по инициативе шести компаний (Synergetic Micro Systems, Grayhill, HMS Fieldbus Systems, Hilscher, Contemporary Controls и Richard Hirschmann). Существуют 4 стандартные скорости передачи данных в сетях Ethernet по оптоволоконному кабелю и витой паре проводов: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1 Гбит/с и 10 Гбит/с. Ethernet имеет несколько модификаций, структура наименований которых имеет следующий вид: <скорость передачи>Base<дополнительные обозначения>. Скорость указывается цифрой в Мбит/с или в Гбит/с, в последнем случае к цифре добавляется буква G. Буквы после "Base" означают тип кабеля (T - "Twisted pair"- "витая пара", F - "Fiber optic" -"оптоволоконный", S - "Short wavelength optic" - "оптический коротковолновый", L - "Long wavelength" - "длинноволновый", C - "short Copper cable"). Символ "X" означает наличие блока кодирования на физическом уровне. В тексте стандарта IEEE 802.3-2005 [IEEE Табл. 3. Уровни модели OSI для сети Ethernet
В табл. 3 приведена типовая модель OSI для локальной сети LAN, в которой Ethernet, как стандарт IEEE 802.3, охватывает только физический и канальный уровень. На других уровнях в табл. 2.14 Уровни 1 и 2 Ethernet-протокола обычно воплощаются аппаратно, остальные - программно. При использовании стандартного Ethernet время реакции сети часто превышает 100 мс. В локальных сегментах сети с малым количеством устройств оно снижается до 20 мс при использовании протокола TCP и до 10 мс - для UDP. Использование прямой MAC - адресации в локальных сегментах сети может уменьшить время реакции до 1 мс. Однако это время в Ethernet является случайной величиной. Поэтому основным отличием промышленного Ethernet от офисного является наличие коммутаторов, которые превращают Ethernet в сеть с детерминированным поведением. Для промышленных применений не годятся кабели и разъемы, используемые в офисных сетях. Поэтому ряд производителей представляют на рынке разъемы RJ-45 со степенью защиты IP67 от воздействий окружающей среды. Надежность промышленного Ethernet обеспечивается резервированием кабельных линий и сетевых карт, а также специальным программным обеспечением для резервирования. Для повышения степени защиты системы управления от несанкционированного доступа магистральную сеть Industrial Ethernet отделяют от офисной брандмауэром Отличительными признаками промышленного Ethernet являются: · отсутствие коллизий и детерминированность поведения благодаря применению коммутаторов; · индустриальные климатические условия; · устойчивость к вибрациям; · отсутствие вентиляторов в оборудовании; · повышенные требования к электромагнитной совместимости; · компактность, крепление на ДИН-рейку; · удобное подключение кабелей; · диагностическая индикация на панели прибора; · электропитание от источника напряжения в диапазоне от 10 до 30 В; · возможность резервирования; · разъемы и оборудование со степенью защиты до IP67; · защита от электростатических зарядов, электромагнитных импульсов, от превышения напряжения питания; · полнодуплексная передача. Недостатком Ethernet является значительный уровень "накладных расходов" в протоколах TCP/IP, которые рассчитаны на пересылку данных больших объемов. Если же устройство пересылает всего 8 байт, что типично для АСУ ТП, то полезная информация в протоколе составляет всего 11%, поскольку каждый пакет TCP/IP содержится 68 байт служебной информации. Однако это часто можно скомпенсировать большой пропускной способностью сети. 7. FOUNDATION Fieldbus Полевая шина FOUNDATION fieldbus является полностью цифровой последовательной двунаправленной коммуникационной системой со скоростью обмена 31,25 Кбит/с, с помощью которой обмениваются данными такие полевые устройства, как датчики, приводы и контроллеры. Она представляет собой локальную вычислительную сеть для приборов, используемых в автоматическом управлении технологическим процессом, со встроенными возможностями распределения управляющих приложений по всей сети. Foundation Fieldbus сохраняет все достоинства «токовой петли», такие как: · использование стандартного физического интерфейса с проводной сетью связи, · подача питания по шине на устройства, находящиеся на одной проводной паре, · обеспечение искробезопасности. Применение технологии fieldbus в жизненном цикле системы управления позволяет достигнуть существенных преимуществ. Технология Fieldbus позволяет передавать множество переменных из каждого прибора в управляющую систему в обоих направлениях. Высокое разрешение и отсутствие искажений достигается использованием полностью цифровой системы связи. При обнаружении нештатных ситуаций или при необходимости проведения профилактического технического обслуживания устройства Fieldbus могут передать соответствующие сообщения оперативно-технологическому и обслуживающему персоналу. Полева шина Fieldbus позволяет подключать несколько устройств к одной проводной паре. Это приводит к уменьшению протяженности кабелей, снижению числа барьеров искрозащиты и кроссовых шкафов. Основным преимуществом Foundation Fieldbus является возможность распределения функций управления процессом среди устройств нижнего уровня (уровня полевых устройств) АСУ ТП. В FOUNDATION fieldbus используются унифицированные "функциональные блоки", представляющие собой стандартные функции задач автоматизации. С использованием функциональных блоков в полевых устройствах могут выполняться многие функции системы управления, например аналоговый ввод (AI), аналоговый вывод (AO) и ПИД-регулирование. Основными недостатками протокола Foundation Fieldbus являются высокая стоимость оборудования, ограниченный набор совместимых устройств и затянутость процессов стандартизации и принятия в промышленности. Заключение Данный материал посвящен знакомству только с несколькими представителями огромного семейства промышленных сетей. У каждого протокола есть свои достоинства и недостатки. Наиболее простым и наиболее распространенным в мире и России сетевым протоколом является Modbus, популярность которого объясняется простотой как для разработчиков, так и потребителей, а также низкой стоимостью реализации. Однако отсутствует возможность использования во взрывоопасных зонах. Очень эффективным и широко применяемым протоколом является Profibus, однако его распространенность объясняется, в первую очередь, мощным брендом "Siemens". Наиболее продуманным, универсальным и многообещающим протоколом является Foundation Fieldbus, однако высокая стоимость мешают его быстрому распространению. Для передачи крупных объемов данных наиболее подходящими являются протоколы на основе промышленного Ethernet. 1 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||