|
|
ответы по Богдану. 1. Программируемый логический контроллер. Определение. Отличие от других эвм. Контроллер это управляющее устройство
1. Программируемый логический контроллер. Определение. Отличие от других ЭВМ.
Контроллер – это управляющее устройство
Отличие ПЛК от других электронных приборов
От микроконтроллеров
Если предназначением микроконтроллера является управление электронными устройствами, то область применения ПЛК чаще всего – автоматизация процессов производства в контексте целого промышленного предприятия.
От компьютеров
Компьютер ориентирован на то, что принимать решения и управлять будет оператор, а работа ПЛК – на взаимодействие с машинами через ввод сигналов датчиков и дальнейший вывод сигналов на исполнительные механизмы.
От встраиваемых систем
ПЛК имеют вид самостоятельного изделия, изготавливаются отдельно от оборудования, в котором они будут использоваться для автоматизации управления
2. Требования к ПЛК.
1. Способность функционировать в производственных условиях характеризуемых температурными перепадами, наличиями грязи и некачественной сетью электропитания
2. Способность работать со стандартными промышленными сигналами: - дискретными от 24В=тока до 240Втока - аналоговыми 0-10В, (0)4-20мА - цифровые протоколы обмена Modbus, CAN, Profinet…
3. Язык программирования должен быть понятен обслуживающему персоналу, не имеющему специальной подготовки. Пользователь должен быть избавлен от применения компьютерного жаргона.
4. Длительная непрерывная автономная работа
5. Большое внимание должно быть уделено безопасности.
6. Управление в реальном времени. Т.е. система должна обладать достаточным быстродействием и нормированным максимальным временем выполнения цикла программы.
3. Интеграция ПЛК в систему управления предприятием
Контроллеры традиционно работают в нижнем звене автоматизированных систем управления предприятием (АСУ) – систем, непосредственно связанных с технологией производства (ТП). ПЛК обычно является первым шагом при построении систем АСУ. Автоматизированные системы управления содержат в себе человекомашинный интерфейс (HMI). Это так называемые системы сбора данных и оперативного диспетчерского управления (Supervisory Control And Data Acquision System – SCADA). Современные SCADA-системы выполняются с обязательным применением средств мультимедиа (экраны, сенсорные панели, аудио сигналы)
Помимо живого отображения процесса производства хорошие диспетчерские системы позволяют накапливать полученные данные (архивирование), проводят их хранение и анализ, определяют критические ситуации и производят оповещение персонала по каналам телефонной и радиосети, позволяют создавать сценарии управления, формируют данные для анализа экономических характеристик производства. Коммуникация SCADA систем с ПЛК осуществляется через OPC-сервер. Как правило OPC-сервер уже интегрирован в ПЛК.
4. Устройство ПЛК
Моноблочные, или одноплатные, ПЛК имеют фиксированный набор входов-выходов.
В модульных контроллерах модули входов-выходов устанавливаются в разном составе и количестве в зависимости от требуемой конфигурации. Так достигается минимальная аппаратная избыточность.
В распределенных системах модули или даже отдельные входы-выходы, образующие единую систему управления, могут быть разнесены на значительные расстояния.
5. Типы программных блоков
1. Организационные блоки OB
2. Функции FC
3. Функциональные блоки FB
4. Блоки данных DB
6. Возможности структурирования программы
7. Области отображения процесса
Для сохранения состояний входов и выходов в CPU определены специальные области: область отображения входов (PII) и область отображения выходов (PIQ). В процессе отработки программы может производиться доступ к этим областям памяти. Это не будет непосредственным доступом к модулям!
Перед началом выполнения цикла, в область отображения входов (Process-Image Input – PII) в памяти CPU копируются состояния сигналов со всех сконфигурированных входов. При опросе входов в пользовательской программе оценивается последнее состояние из PII, полученное там перед началом очередного цикла из входного модуля. Это гарантирует, что при многократном опросе входа в одном цикле, всегда оценивается одно и то же состояние сигнала
Область отображения выходов (Process-Image Output – PIQ) содержит выходные значения, формируемые при выполнении программы. Они передаются на фактические выходы в конце цикла обработки программы. Выходы могут как формироваться, так и оцениваться в программе. Выходу могут быть присвоены различные значения в нескольких местах программы, но только состояние сигнала, назначенное выходу последним, будет передано на выходной модуль. В результате двойного формирования может появиться ошибка в функционировании установки.
Области PIQ и PII располагаются в системной памяти ПЛК. Помимо них в неё входят: Глобальные ячейки памяти (меркеры) – M; Стек локальных данных – L-стек; Счётчики – С; Таймеры – T.
8. Циклическое выполнение программы
9. Концепция памяти контроллеров
10.Организационные блоки. Определение. Функции блоков OB1, OB10-17, OB30-38, OB100.
11.Целочисленные типы данных
12.Логические типы данных. Действительные типы данных. Строки.
13.Типы данных: интервал времени, время суток и дата.
14.Иерархия элементарных типов данных. Пользовательские типы данных.
15.Венгерская запись.
16.Стандарт МЭК 61131
17.Проблема программирования ПЛК
18.Языки МЭК 61131-3. Диаграммы SFC.
Вопросы с 18 по 21 выше
22.Логическая операция И (&)
23.Логическая операция ИЛИ (>=1)
24.Логическая операция ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ (x)
25.Триггеры. (RS,SR)
26.Обнаружение фронта сигнала
27.Таймеры TP, TON, TOF
28.Счетчики CTUD
29.Отличие промышленных сетей от офисных
Промышленные сети отличаются от офисных следующими свойствами:
специальным конструктивным исполнением, обеспечивающим защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов;
широким температурным диапазоном (обычно от -40 до +70 град);
повышенной прочностью кабеля, изоляции, разъемов, элементов крепления;
повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных помех;
возможностью резервирования для повышения надежности;
повышенной надежностью передачи данных;
возможностью самовосстановления после сбоя;
детерминированностью (определенностью) времени доставки сообщений;
возможностью работы в реальном времени (с малой, постоянной и известной величиной задержки);
работой с длинными линиями связи (от сотен метров до нескольких километров).
30.Наиболее распространённые в промышленности интерфейсы и протоколы передачи данных.
Наиболее распространены в промышленной автоматизации последовательные интерфейсы RS-485, RS-232, RS-422, Ethernet, CAN, HART, AS-интерфейс.
Обычно сеть использует несколько протоколов, образующих стек протоколов - набор связанных коммуникационных протоколов, которые функционируют совместно и используют некоторые или все семь уровней модели OSI. Для большинства сетей стек протоколов реализован с помощью специализированных сетевых микросхем или встроен в универсальный микропроцессор.
31.Понятия «интерфейс» и «протокол».
Интерфейс – совокупность аппаратных и программных средств, необходимых для взаимодействия с программой, устройством, функцией и т.д.
Протокол — набор правил, соглашений, сигналов, сообщений и процедур, регламентирующий взаимодействие между сопрягаемыми объектами.
32.Ведущее и ведомое устройство сети.
Ведущее устройство (Master) – главное устройство в сети, которое может самостоятельно запрашивать данные у ведомых устройств.
Ведомое устройство (Slave) – устройство, которое не может самостоятельно инициировать передачу своих данных, а передает или принимает их только по запросу ведущего устройства сети.
33.Классификация типов данных в распределённых системах на основе промышленных сетей.
В распределенных системах на основе промышленных сетей может быть пять типов данных: сигналы, команды, состояния, события, запросы.
-Сигналы - это результаты измерений, получаемые от датчиков и измерительных преобразователей. Их "время жизни" очень короткое, поэтому часто требуется получить только последние данные и в максимально короткий срок.
- Команды - это сообщения, которые вызывают некоторые действия, например, закрытие клапана или включение ПИД-регулятора.
-Состояние показывает текущее или будущее состояние системы, в которое она должна перейти. Требование к времени его доставки может быть не такие жестким, как для команд; непринятое состояние может быть послано повторно.
-Событие наступает обычно при достижении текущим параметром граничного значения.
-Запрос - это команда, посылаемая для того, чтобы получить ответ. Примером может быть запрос серверу, который выдает на него ответ.
34.Топология сетей.
Сети могут иметь топологию звезды, кольца, шины или смешанную. "Звезда" в промышленной автоматизации используется редко. Кольцо используется в основном для передачи маркера в многомастерных сетях. Шинная топология является общепринятой, что является одной из причин применения термина "промышленная шина" вместо "промышленная сеть". К общей шине в разных местах может быть подключено произвольное количество устройств
35.Основные параметры промышленных сетей.
Основными параметрами промышленных сетей являются производительность и надежность. Производительность сети характеризуется временем реакции и пропускной способностью.
Время реакции сети определяется как интервал времени между запросом ведущего устройства и ответом ведомого при условии, что ведомое устройство имеет пренебрежимо малую задержку выработки ответа на запрос.
Пропускная способность сети определяет количество информации, переносимой сетью в единицу времени. Измеряется в бит/с и зависит от быстродействия сетевых приемопередатчиков и среды передачи.
Важной характеристикой промышленных сетей является надежность доставки данных. Надежность характеризуется коэффициентом готовности, вероятностью доставки данных, предсказуемостью времени доставки, безопасностью, отказоустойчивостью.
Коэффициент готовности равен отношению времени наработки до отказа к сумме времени наработки до отказа и времени восстановления после отказа.
36.Модель OSI.
Полное описание модели OSI занимает более 1000 страниц текста. Это связано с тем, что сетевое взаимодействие устройств является сложной задачей. Для решения таких задач обычно используется декомпозиция сложной задачи на более простые. Декомпозиция выполняется таким образом, чтобы количество и сложность связей, а также поток данных между подзадачами были минимальными. В модели OSI было использовано 7 подзадач (уровней), причем декомпозиция выполнена таким образом, что взаимодействие осуществляется только между соседними уровнями.
На физическом уровне (Physical layer) происходит передача данных по таким линиям связи, как витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель или радиоканал.
Канальный уровень разбивает передаваемые данные на кадры и выполняет функции обнаружения и коррекции ошибок с помощью контрольной суммы, помещаемой в начало или конец каждого кадра.
Основное назначение сетевого уровня (Network Layer) - определение маршрутов пересылки пакетов от источника к приемнику сообщений.
Транспортный уровень (Transport Layer) обеспечивает доставку сообщений с требуемым уровнем качества (надежности).
Сеансовый уровень (Session Layer) управляет диалогом (сеансом связи): отслеживает очередность передачи сообщений участниками сети; вставляет метки в длинные сообщения, чтобы в случае потери связи выполнит повторную передачу только утерянной части сообщения; устанавливает способ обмена (дуплексный или полудуплексный).
Уровень представления (Presentation Layer) оперирует с формой представления передаваемой по сети информации, не изменяя ее содержания.
Прикладной уровень (Application Layer) представляет собой набор популярных протоколов, с помощью которых осуществляется доступ к файлам (например, с помощью протокола FTP) или веб-страницам (с помощью HTTP), к электронной почте (SMTP).
37.Принцип построения интерфейса RS-485.
В основе построения интерфейса RS-485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряжение, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от "земли", а измеряется как разность потенциалов между двумя передающими линиями: Data+ и Data- (рис. 2.1). При этом напряжение каждой линии относительно "земли" может быть произвольным, но не должно выходить за диапазон -7...+12 В.
Второй особенностью передатчика D (D - "Driver") интерфейса RS-485 является возможность перевода выходных каскадов в "третье" (высокоомное) состояние сигналом (Driver Enable) (рис. 2.1). Для этого запираются оба транзистора выходного каскада передатчика. Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам.
Перевод передатчика интерфейса в третье состояние осуществляется обычно сигналом RTS (Request To Send) СОМ-порта.
Интерфейс RS-485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную. Двухпроводная используется для полудуплексной передачи (рис. 2.1), когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной) передачи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим - в обратном
Недостатком четырехпроводной (рис. 2.2) схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого.
Если приемник передающего узла включен во время передачи, то передающий узел принимает свои же сигналы. Этот режим называется "приемом эха". Прием эха иногда используется в сложных протоколах передачи, но чаще этот режим выключен.
Заземление, гальваническая изоляция
Если порты RS-485, подключенные к линии передачи, расположены на большом расстоянии один от другого, то потенциалы их "земель" могут сильно различаться. В этом случае для исключения пробоя выходных каскадов микросхем трансиверов (приемопередатчиков) интерфейса следует использовать гальваническую изоляцию между портом RS-485 и землей. При небольшой разности потенциалов "земли" для выравнивания потенциалов, в принципе, можно использовать проводник, однако такой способ на практике не применяется, поскольку практически все коммерческие интерфейсы RS-485 имеют гальваническую изоляцию.
38.Выбор кабеля для интерфейса RS-485. Зависимость допустимой длины кабеля от скорости передачи.
В зависимости от скорости передачи и необходимой длины кабеля можно использовать либо специально спроектированный для интерфейса RS-485 кабель, либо практически любую пару проводов. Кабель, спроектированный специально для интерфейса RS-485, является витой парой с волновым сопротивлением 120 Ом.
На более высоких частотах допустимая длина кабеля уменьшается с ростом частоты (рис. 2.4) и ограничивается потерями в кабеле и эффектом дрожания фронта импульсов. Потери складываются из падения напряжения на омическом сопротивлении проводников, которое на высоких частотах возрастает за счет вытеснения тока к поверхности (скин-эффект) и потерь в диэлектрике.
При низкой скорости передачи и на постоянном токе большую роль играет падение напряжения на омическом сопротивлении кабеля. Так, стандартный кабель для интерфейса RS-485 сечением 0,35 кв.мм имеет омическое сопротивление 48,5 * 2 = 97 Ом при длине 1 км. При терминальном резисторе 120 Ом кабель будет выполнять роль делителя напряжения с коэффициентом деления 0,55, т. е. напряжение на выходе кабеля будет примерно в 2 раза меньше, чем на его входе. Этим ограничивается допустимая длина кабеля при скорости передачи менее 100 кбит/с.
39.Интерфейсы RS-232 и RS-422.
Интерфейсы RS-232 и RS-422
Интерфейс RS-422 используется гораздо реже, чем RS-485 и, как правило, не для создания сети, а для соединения двух устройств на большом расстоянии (до 1200 м), поскольку интерфейс RS-232 работоспособен только на расстоянии до 15 м. Каждый передатчик RS-422 может быть нагружен на 10 приемников. Интерфейс работоспособен при напряжении общего вида до ±7 В.
40.HART-протокол.
HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer - "магистральный адресуемый удаленный преобразователь") является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который включает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи, поэтому устоявшийся термин "протокол", означающий алгоритм взаимодействия устройств, применен здесь не совсем корректно.
HART находит применение для связи контроллера с датчиками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным оборудованием.
Однако HART-устройства могут быть объединены в сеть. Для этого используют только цифровую часть HART-протокола, без аналоговой, а информация передается в форме напряжения, что позволяет соединять HART-устройства параллельно
Принцип работы HART-протокола на физическом уровне
41.Модификации PROFIBUS
Слово PROFIBUS получено из сокращений PROcess FIeld BUS, что приблизительно переводится как "промышленная шина для технологических процессов".
Сеть Profibus использует только первый и второй уровни модели OSI.
Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA.
Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals - "Profibus для децентрализованной периферии") использует уровни 1 и 2 модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к канальному уровню осуществляется с помощью DDLM (Direct Data Link Mapper - "прямой преобразователь для канального уровня"). Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP в отличие от FMS и PA построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый обмен данными с устройствами, подключенными к сети.
Profibus FMS (Profibus с FMS протоколом) использует уровень 7 модели OSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS предоставляет большую гибкость при передаче больших объемов данных, но проигрывает протоколу DP в популярности вследствие своей сложности.
Profibus PA (Profibus for Process Automation - "для автоматизации технологических процессов") использует физический уровень на основе стандарта IEC 1158-2, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Особенностью Profibus PA является возможность работы во взрывоопасной зоне.
Profibus является многомастерной сетью (с несколькими ведущими устройствами). В качестве ведомых устройств выступают обычно устройства ввода-вывода, клапаны, измерительные преобразователи. Они не могут самостоятельно получить доступ к шине и только отвечают на запросы ведущего устройства.
42.Физический и канальный уровень Profibus DP.
Физический уровень
На физическом уровне Profibus DP и FMS используют стандарт RS-485 при скорости передачи до 12 Мбит/с и с размерами сегментов сети до 32 устройств. Количество устройств можно увеличить с помощью повторителей интерфейса.
Особые требования установлены к сетевому кабелю. Он должен иметь волновое сопротивление от 135 до 165 Ом при погонной емкости не более 35 пФ/м, площадь поперечного сечения проводников более 0,34 кв. мм. и погонное сопротивление не более 110 Ом/км. Кабель должен иметь одну или две витые пары с медным экраном в виде оплетки или фольги.
С обеих сторон линии передачи подключаются согласующие резисторы, которые конструктивно установлены во все сетевые разъемы и подключаются с помощью микропереключателей. При скоростях передачи более 1,5 Мбит/с для согласования линии дополнительно используются плоские (печатные) катушки индуктивности.
Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный формат, включающему стартовый бит ("0"), 8 бит данных младшими разрядами вперед, бит паритета (четный) и стоп-бит ("1"). Бит паритета равен нулю, если количество бит в слове четное и равен единице в противном случае.
Канальный уровень Profibus DP
Далее мы будем рассматривать только Profibus DP, поскольку он получил несравненно более широкое распространение, чем FMS и PA.
Канальный уровень модели OSI в Profibus называется FDL- уровнем (Fieldbus Data Link - "промышленный канал связи"). Объект MAC (Medium Access Control - "управление доступом к каналу") на канальном уровне определяет процедуру передачи данных устройствами, включая управление правами на передачу данных через сеть. Протокол канального уровня обеспечивает выполнение следующих важных требований:
- в процессе коммуникации между ведущими устройствами необходимо обеспечить выполнение каждым из них своей задачи в течение заранее определенного интервала времени;
- взаимодействие ведущих устройств (контроллеров) с ведомыми должно происходить максимально быстро.
43.Передача сообщений в Profibus DP.
Передача сообщений
Profibus использует два типа сервисов для передачи сообщений: SRD (Send and Receive Data with acknowledge - "отправка и прием данных с уведомлением") и SND (Send Data with No acknowledge - "отправка данных без уведомления").
Сервис SRD позволяет отправить и получить данные в одном цикле обмена. Этот способ обмена наиболее распространен в Profibus и очень удобен при работе с устройствами ввода-вывода, поскольку в одном цикле можно и отправить, и получить данные.
Сервис SND используется, когда надо отправить данные одновременно группе ведомых устройств (многоабонентский режим) или всем ведомым устройствам (широковещательный режим). При этом ведомые устройства не отправляют свои уведомления мастеру.
Сообщение в Profibus называется телеграммой. Телеграмма может содержать до 256 байт, из них 244 байта данных, плюс 11 служебных байт (заголовок телеграммы). Все телеграммы имеют заголовки одинаковой длины, за исключением телеграммы с названием Data_Exchange. Заметим, что 11 байт служебной информации делают Profibus очень неэффективным при передаче коротких сообщений. Однако при больших объемах данных такой формат телеграммы достаточно эффективен.
Структура телеграммы Profibus
SD - стартовый разделитель. Используется для указания начала телеграммы и ее формата. Имеется четыре типа разделителей для телеграмм запроса и ответа и один тип для короткого уведомления. Короткое уведомление имеет поле SD, но не в начале телеграммы;
LE - длина передаваемых данных (DA+SA+FC+DSAP+SSAP+DU);
LEr - повторение поля LE с целью его резервирования;
DA - адрес устройства-получателя телеграммы;
SA - адрес отправителя;
FC - код типа телеграммы (запрос, уведомление, ответ, диагностические данные, тип устройства - мастер или ведомый, приоритет, уведомление);
DSAP - устройство-получатель использует это поле чтобы определить, какой тип сервиса нужно выполнить;
SSAP - COM порт отправителя;
DU - данные длиной от 1 до 244 байт;
FCS - контрольная сумма телеграммы (сумма значений полей DA+SA+ FC+DU, по модулю 255);
ED - признак конца.
44.Преимущества и недостатки Modbus. Модель OSI для Modbus (RTU, ASCII).
Одним из преимуществ Modbus является отсутствие необходимости в специальных интерфейсных контроллерах (Profibus и CAN требуют для своей реализации заказные микросхемы), простота программной реализации и элегантность принципов функционирования.
Высокая степень открытости протокола обеспечивается также полностью бесплатными текстами стандартов, которые можно скачать с сайта www.modbus.org.
Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу "ведущий/ведомый", что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного опроса ведомых устройств ведущим.
Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit – «удаленное терминальное устройство») и ASCII.
Стандарт предусматривает, что режим RTU в протоколе Modbus должен присутствовать обязательно, а режим ASCII является опционным. Пользователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные в сеть Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи. Мы рассмотрим только протокол Modbus RTU, поскольку Modbus ASCII в России практически не используется.
Модель OSI протокола Modbus содержит три уровня: физический, канальный и прикладной.
45.Физический и канальный уровень Modbus (RTU, ASCII).
Физический уровень
В новых разработках на основе Modbus стандарт рекомендует использовать интерфейс RS-485 с двухпроводной линией передачи, но допускается применение четырехпроводной линии и интерфейса RS-232.
Modbus-шина должна состоять из одного магистрального кабеля, от которого могут быть сделаны отводы. Магистральный кабель Modbus должен содержать 3 проводника в общем экране, два из которых представляют собой витую пару, а третий соединяет общие ("земляные") выводы всех интерфейсов RS-485 в сети.
Modbus-устройство обязательно должно поддерживать скорости обмена 9600 бит/с и 19200 бит/с, из них 19200 бит/с устанавливается "по умолчанию". Допускаются также скорости 1200, 2400, 4800,...,38400 бит/с, 65 кбит/с, 115 кбит/с,... .
Скорость передачи должна выдерживаться в передатчике с погрешностью не хуже 1%, а приемник должен принимать данные при отклонении скорости передачи до 2%.
Максимальная длина магистрального кабеля при скорости передачи 9600 бит/с и сечении жил более 0,13 кв. мм (AWG26) составляет 1 км. Отводы от магистрального кабеля не должны быть длиннее 20 м. При использовании многопортового пассивного разветвителя с N отводами длина каждого отвода не должна превышать значения 40 м/N.
Типовым сечением кабеля является AWG 24 (0,2 кв. мм, диаметр провода 0,51 мм). При использовании кабеля категории 5 его длина не должна превышать 600 м. Волновое сопротивление кабеля желательно выбирать более 100 Ом, особенно для скорости обмена более 19200 бит/с.
Канальный уровень
Протокол Modbus предполагает, что только одно ведущее устройство (контроллер) и до 247 ведомых (модулей ввода-вывода) могут быть объединены в промышленную сеть. Обмен данными всегда инициируется ведущим. Ведомые устройства никогда не начинают передачу данных, пока не получат запрос от ведущего. Ведомые устройства также не могут обмениваться данными друг с другом. Поэтому в любой момент времени в сети Modbus может происходить только один акт обмена.
Адреса с 1 по 247 являются адресами Modbus устройств в сети, а с 248 по 255 зарезервированы. Ведущее устройство не должно иметь адреса и в сети не должно быть двух устройств с одинаковыми адресами.
Ведущее устройство может посылать запросы всем устройствам одновременно ("широковещательный режим") или только одному. Для широковещательного режима зарезервирован адрес "0" (при использовании в команде этого адреса она принимается всеми устройствами сети).
46.Структура Modbus RTU сообщения.
Структура Modbus RTU сообщения
Сообщения Modbus RTU передаются в виде кадров, для каждого из которых известно начало и конец. Признаком начала кадра является пауза (тишина) продолжительностью не менее 3,5 шестнадцатеричных символов (14 бит). Кадр должен передаваться непрерывно. Если при передаче кадра обнаруживается пауза продолжительностью более 1,5 шестнадцатеричных символа (6 бит), то считается, что кадр содержит ошибку и должен быть отклонен принимающим модулем. Эти величины пауз должны строго соблюдаться при скоростях ниже 19200 бит/с, однако при более высоких скоростях рекомендуется использовать фиксированные значения паузы, 1,75 мс и 750 мкс соответственно.
47.Основные качества Ethernet, способствующие его внедрению в промышленность.
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.
48.Отличительные признаки промышленного Ethernet.
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.
49.Методы кодирования.
Наиболее распространенные в промышленной автоматизации стандарты 10Base-T и 100 Base-TX используют манчестерский код (см. раздел "Физический уровень") для скорости передачи 10 Мбит/с и 4B/5B кодирование в сочетании с NRZI (NRZ Inverted - инвертированный NRZ, см. рис. 2.12) для скорости 100 Мбит/с.
При низкой скорости обмена (10 Мбит/с) используется манчестерский код, при котором логическая единица кодируется переходом сигнала с низкого уровня на высокий (рис. 2.12), а логический ноль - переходом с высокого уровня на низкий. Недостатком манчестерского кода является широкая полоса частотного спектра, связанная с необходимостью переключения уровней сигнала при поступлении каждой двоичной цифры
NRZI-кодирование, как и NRZ, позволяет передать в два раза больше информации по сравнению с манчестерским кодированием при той же частоте смене уровней сигнала и, соответственно, в два раза понизить максимальную частоту излучаемых помех при той же скорости передачи информации. Максимальная частота смены уровней при NRZI кодировании понижается до 62,5 МГц по сравнению с максимальной частотой смены уровней сигнала 125 МГц для скорости передачи 100 Мбит/с (пояснения см. ниже, при описании 4В/5В кодирования).
50.Структура фрейма Ethernet.
На рис. 2.14 представлена структура Ethernet-фрейма. Он начинается с преамбулы, которая представляет собой чередующиеся единицы и нули и указывает получателю, что начинается передача фрейма. Поле "Флаг начала" указывает получателю, что сразу по окончании этого поля начнется передача содержательной части фрейма. Адрес отправителя и получателя представляют собой MAC-адреса. Поле "Тип" указывает, какой тип протокола более высокого уровня (TCP/UDP и IP) инкапсулирован в поле данных. Поле CRC содержит значение циклического избыточного кода (CRC) для всего фрейма.
51.Протокол Modbus TCP.
Modbus TCP
Протокол Modbus TCP [Modbus] (или Modbus TCP/IP) используется для того, чтобы подключить устройства с протоколом Modbus к Ethernet или Internet сети. Он использует кадры Modbus RTU на 7-м (прикладном) уровне модели OSI, протоколы Ethernet на 1-м и 2-м уровне модели OSI и TCP/IP на 3-м и 4-м уровне, т. е. Ethernet TCP/IP используется для транспортировки модифицированного кадра Modbus RTU.
Поле "Идентификатор обмена" используется для идентификации сообщения в случае, когда в пределах одного TCP соединения клиент посылает серверу несколько сообщений без ожидания ответа после каждого сообщения.
Поле "Идентификатор протокола" содержит нули и зарезервировано для будущих применений. Поле "Длина" указывает количество следующих за ним байт.
Поле "Идентификатор устройства" идентифицирует удаленный сервер, расположенный вне сети Ethernet (например, в сети Modbus RTU, которая соединена с Ethernet с помощью межсетевого моста). Чаще всего это поле содержит нули или единицы, игнорируется сервером и отправляется обратно в том же виде (как эхо).
В сети c протоколом Modbus TCP устройства взаимодействуют по типу "клиент-сервер", где в качестве клиента выступает ведущее устройство, в качестве сервера - ведомое. Сервер не может инициировать связи в сети, но некоторые устройства в сети могут выполнять роль как клиента, так и сервера.
Modbus TCP не имеет широковещательного или многоабонентского режима, он осуществляет соединение только между двумя устройствами
52.Основные проблемы при проектировании распределённых АСУ ТП с применением промышленных сетей.
При проектировании распределенных АСУ ТП с применением промышленных сетей могут возникать следующие проблемы:
требуемая длина отводов от общей шины (например, для сетей на основе интерфейса RS-485) превышает допустимую;
предельно допустимая длина линии связи меньше необходимой;
необходимое количество подключенных к сети устройств превышает допустимое по спецификации на используемое оборудование;
к сети необходимо подключить устройство, не имеющее соответствующего порта (например, вольтметр с портом RS-232 к сети на основе интерфейса RS-485 или Ethernet;
необходимо объединить несколько различных сетей с различными протоколами в единую сеть (например, когда требуется объединить Ethernet c CAN и Modbus RTU);
не удается ослабить влияние помех до допустимого уровня, используя медный кабель;
фрагмент сети установлен на подвижном объекте.
Эти и аналогичные проблемы решаются с помощью вспомогательных сетевых устройств: повторителей и преобразователей интерфейса, концентраторов, коммутаторов, мостов, маршрутизаторов, шлюзов.
53.Протокол EtherNet/IP.
Данный протокол был разработан в 2000 г. компанией Allan-Bradley и в данный момент поддерживается и развивается ассоциацией компаний Open DeviceNet Vendors Association, Inc. (ODVA).
Протокол EtherNet/IP взаимодействие между собой промышленных устройств, используя верхние уровни модели OSI (начиная с сеансового). Взаимодействие устройств описывается протоколом в виде объектной модели. Высокоуровневость протокола позволяет использовать его поверх имеющейся транспортной инфраструктуры сетей передачи данных, в том числе и поверх сетей Ethernet. Протокол EtherNet/IP является адаптацией протокола CIP для использования с этой группой сетевых стандартов
Протокол поддерживает различные режимы обмена данными: запрос-ответ, циклический опрос, уведомление о наступлении события.
В целом использование нижних уровней стандарта Ethernet без изменений делает протокол EtherNet/IP пригодным лишь для управления системами в режиме мягкого реального времени. Неконтролируемые задержки в доставке пакетов UDP не могут быть полностью скомпенсированы процедурами вышележащих уровней. Можно лишь минимизировать их, придерживаясь некоторых рекомендаций:
устранить весь посторонний траффик в сегменте сети;
минимизировать широковещательные посылки путем настройки коммутаторов сети (отключение алгоритмов Spanning Tree, ARP и подобных);
повышение приоритетности траффика между узлами путем выделения его в отдельный VLAN или маркировки флагами повышенного приоритета.
54.Протокол EtherCAT.
Протокол EtherCAT [14] (Ethernet for Control Automation Technology) был разработан компанией Bechoff Automation и может использоваться для достижения как жесткого, так и мягкого реального времени доставки сообщений.
В отличие от стандартного Ethernet, протокол EtherCAT по-другому использует имеющиеся физические линии связи. Если в стандартном сегменте линии, подсоединенные к каждому устройству сети, используются только для связи с этим устройством посредством коммутатора, то в протоколе EtherCAT все физические линии в сегменте образуют логическое кольцо, информация по которому всегда передается только по заранее заданному маршруту.
Передача кадра без задержек на буферизацию и обработку позволяет оценить максимальное время оборота кадра в сети (время от момента начала его отправки ведущим устройством и до момента конца приема им же). Вследствие этого протоколом гарантируется доставка сообщения любому узлу в заранее определенный промежуток времени (время оборота кадра).
Технология EtherCAT описана для физической среды передачи, удовлетворяющей стандарту 100Base-TX (100 Мбит/c по витой паре). Разработка гигабитной версии протокола разработчиками пока не проводится и не планируется. Это может стать препятствием в развитии данной технологии при переходе на более скоростные сети Ethernet
55.Общие сведения о CAN. Основные свойства.
CAN (Controller Area Network - "область, охваченная сетью контроллеров") представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности. Центральное место в CAN занимает протокол канального уровня модели OSI. Первоначально CAN был разработан для автомобильной промышленности, но в настоящее время быстро внедряется в область промышленной автоматизации.
CAN характеризуется следующими основными свойствами:
каждому сообщению (а не устройству) устанавливается свой приоритет;
гарантированная величина паузы между двумя актами обмена;
гибкость конфигурирования и возможность модернизации системы;
широковещательный прием сообщений с синхронизацией времени;
непротиворечивость данных на уровне всей системы;
допустимость нескольких ведущих устройств в сети ("многомастерная сеть");
способность к обнаружению ошибок и сигнализации об их наличии;
автоматический повтор передачи сообщений, доставленных с ошибкой, сразу, как только сеть станет свободной;
автоматическое различение сбоев и отказов с возможностью автоматического отключения отказавших модулей.
К недостаткам можно отнести сравнительно высокую стоимость CAN-устройств, отсутствие единого протокола прикладного уровня, а также чрезмерную сложность и запутанность протоколов канального и прикладного уровня, изложенных в стандартах организации CAN in Automation (CiA).
56.Физический и канальный уровень CAN.
Физический уровень [Robert - CAN] 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.
В соответствии с [CAN] канальный уровень CAN состоит из двух подуровней: LLC и MAC. Ниже описаны только главные идеи, положенные в основу их функционирования.
Адресация и доступ к шине
В CAN сети ни один из узлов не имеет адреса. Вместо этого сообщения посылаются "всем", но содержат идентификатор, который описывает смысл посылаемых данных. В соответствии с этим смыслом любой узел сети может принять это сообщение, если оно необходимо устройству для функционирования. Сообщение принимается узлом, если его идентификатор проходит через фильтр сообщений, имеющийся в каждом узле.
В CAN сети гарантируется, что сообщение будет принято любым из узлов в одно и то же время или не будет принято ни одним из них. Это достигается благодаря широковещательной передаче и использованным методом подтверждения приема сообщений.
Борьба за доступ к шине происходит следующим образом. Если два или более устройств обнаружили, что линия свободна и начали передачу сообщений одновременно, то возникший конфликт разрешается путем побитного сравнения идентификатора передаваемого сообщения с состоянием линии. В процессе арбитража (урегулирования конфликта) каждое устройство сравнивает логический уровень передаваемого бита с логическим уровнем на шине. Если эти уровни одинаковы, устройства продолжают передавать следующий бит идентификатора. Если приемник устройства показывает, что на шине доминантный уровень, а передатчик в это же время передает рецессивный уровень, то устройство сразу прекращает передачу данного сообщения. Такой механизм арбитража гарантирует, что ни информация, ни время не будут потеряны.
Достоверность передачи
Для достижения максимальной надежности (достоверности) передачи данных протокол предусматривает специальные методы обнаружения ошибок, сигнализации об ошибках и самоконтроля, которые воплощены в каждом узле сети.
Для обнаружения ошибок приняты следующие меры:
передатчик сравнивает каждый бит на шине с переданным битом для подтверждения правильности передачи на уровне битов;
выполняется контроль циклическим избыточным кодом (CRC - Cyclic Redundancy Check);
используется бит-стаффинг (см. выше);
используется проверка каждого переданного фрейма.
Механизм обнаружения ошибок характеризуется такими свойствами:
обнаруживаются все глобальные ошибки;
обнаруживаются все ошибки, вносимые передатчиком;
в сообщении обнаруживаются до 5 случайно распределенных ошибок;
в сообщениях обнаруживается пакет следующих друг за другом ошибок длиной до 15 бит;
обнаруживаются ошибки четности.
Передача сообщений
Сообщения в CAN передаются с помощью фреймов (блоков данных). Используется два разных формата фреймов, которые различаются длиной поля идентификатора: стандартный фрейм с идентификатором длиной 11 бит и расширенный фрейм с длиной идентификатора 29 бит.
Существует 4 различных типа фреймов:
DATA FRAME - "фрейм данных" - переносит данные от передатчика к приемнику;
REMOTE FRAME - "дистанционный фрейм" (фрейм вызова) - передается одним из устройств для того, чтобы получить от другого устройства данные в формате DATA FRAME с тем же идентификатором, что и в REMOTE FRAME;
ERROR FRAME - "фрейм ошибок" - передается любым устройством, обнаружившим ошибку на шине;
OVERLOAD FRAME - "фрейм перегрузки" - используется для запроса дополнительной задержки между предыдущими и последующими данными.
Фрейм данных состоит из следующих полей (рис. 2.22): начало фрейма (Start Of Frame), поле арбитража (Arbitration Field), поле контроля (Control Field), поле данных (Data Field), поле циклического избыточного кода (CRC Field), поле уведомления о приеме (ACKnowledgement Field) и поле конца фрейма (End Of Frame). Поле данных может иметь нулевую длину. |
|
|
Скачать 2.82 Mb.