Промышленные информационные сети

Передача информации по каналам связи решает следующие задачи (см.рис.1.2):

- обмен информацией между пультом управления и процессорным блоком УВМ;

- обмен информацией между УВМ и технологическим объектом управления (ТО);

- обмен информацией между локальной и центральной УВМ.

Обмен информации между ПУ и ПБ включает в себя организацию связи между человеком-оператором и АСУТП с помощью клавиатуры, дисплея, принтера и различных средств индикации. Кроме того обычно реализуется связь с ВЗУ, выполненными на магнитных дисках и дискетах. Связь с технологическим объектом обеспечивается, прежде всего, через модули выдачи и приема дискретных сигналов, а также с помощью специализированных модулей. В частности, выдача и прием непрерывных сигналов обеспечивается с помощью модулей ЦАП и АЦП.

Обмен информацией в УВМ осуществляется при помощи двоичных кодовых комбинаций фиксированной величины, называемых словами. Величина слов, обрабатываемых ЛУВМ, обычно равна 1-2 байт. Передача дискретной информации между различными уровнями управления АСУТП производится словами или объединениями слов, называемыми кадрами. Различают два основных способа передачи информации:

· параллельная передача слова информации внутри УВМ (все биты слова передаются одновременно, параллельно);

· последовательная передача слова или кадра информации между УВМ и исполнительным устройством, между ЛУВМ и ЦУВМ, когда биты информации, передаются один за другим в заданной последовательности.

Совокупность правил обмена информацией между двумя соседними уровнями управления, а также совокупность проводов и иных технических средств, обеспечивающих такой обмен информацией, называется интерфейсом. В настоящее время в АСУТП применяют почти исключительно стандартные интерфейсы, т.е. интерфейсы, которые обеспечивают заданный международным или иным стандартом порядок обмена информацией независимо от технической базы, на которой реализованы конкретные модификации того или иного интерфейса. При параллельной передаче слов информации используется параллельный интерфейс. В нем число проводов, по которым передается информация, должно быть не меньше числа битов передаваемого слова. Так, для параллельной передачи слова в два байта необходимо иметь шину связи, с учетом общего провода, из не менее чем 17 проводов. В то же время для последовательной передачи информации посредством последовательного интерфейса достаточно иметь только два связных провода независимо от величины передаваемых слов. Многопроводную шину трудно уберечь от помех, ее стоимость много выше стоимости двухпроводной связи. Поэтому параллельную передачу информации применяют при расстоянии между объектами связи, не превышающем 1-2 метра, преимущественно внутри УВМ.

Обмен информацией как с помощью параллельного интерфейса, так и с помощью последовательного может быть двух видов: синхронный и асинхронный. При синхронном обмене информацией время и темп выдачи слов управления и записи сигналов обратной связи определяется исключительно тактовыми импульсами УВМ. При асинхронном обмене информацией время и темп выдачи и приема информации определяется также и сообщениями, поступающими от технологического объекта, оператора или от ЦУВМ. Обмен информацией внутри УВМ строится по синхронному принципу, но для связи с внешними устройствами (ВУ) широко применяется асинхронный обмен.

Пропускная способность канала связи определяется соотношением

C=S/T,                                                                             (2.14)

где S – величина слова (кадра) информации, бит;

Т – время цикла передачи, с.

Передача слова информации сопровождается управляющими сигналами, один из которых инициирует начало передачи слова, а второй информирует о конце передачи (приема) слова. Для управления передачей слова информации в параллельном интерфейсе должно быть не менее двух дополнительных связных проводов, а в последовательном интерфейсе должна быть предусмотрена передача не менее двух (стартового и стопового) дополнительных битов информации.

Отдельные производственные модули (ПМ) автоматизируемого объекта обычно разбросаны на достаточно большой производственной территории. Каждый из них, имея собственную систему управления, объединяется для согласованной работы с другими ПМ посредством ЦУВМ. Большие расстояния отдельных узлов автоматизируемых объектов друг от друга делают целесообразным применение исключительно последовательных интерфейсов как для связи между ЦУВМ и ЛУВМ, так и для обмена информацией между ЛУВМ, которые реализуют управление ПМ, и исполнительными устройствами. АСУТП, объединенная устройствами последовательной связи, принимает вид распределенной системы управления. Совокупность программ, устройств и проводов, которые обеспечивают обмен информацией в АСУТП, называют промышленной информационной сетью. Способ соединения отдельных устройств в такой сети составляет её топологию. Управляющие устройства, входящие в состав сети, называются её узлами, а совокупности проводов, соединяющих узлы, называют разделяемым (между составляющими узлами) физическим каналом или разделяемой средой передачи данных (shared media). Наиболее распространенными сетевыми топологиями являются звезда, кольцо и шина.

О соединении в звезду(star) говорят в тех случаях, когда порядок обмена информацией определяется одним управляющим устройством, которое в таком случае называется центральным узлом, или master (ведущий). Остальные устройства (узлы), участвующие в обмене информацией, называются slave (ведомый). Такой порядок характерен для обмена информацией между ПЛК и исполнительными устройствами, где отказ центрального узла ПЛК не скажется на функционировании АСУТП в целом.

Кольцевой структурой, или кольцом (ring), называют такой порядок обмена информацией, когда роль ведущего узла (master) играют по очереди все управляющие устройства, участвующие в обмене информацией. При этом каждое устройство получает возможность инициировать необходимый ему обмен информацией только в момент получения специального сообщения, называемого маркером (token), и на ограниченное время. Одна из стандартных сетевых технологий, реализующих при обмене информацией принцип передачи маркера по кольцу, так и называется: Token Ring («маркерное кольцо»).

Шинная топология соответствует объединению всех участвующих в обмене информацией устройств посредством общей линии связи, называемой шиной (bus), или магистралью. В условиях распределенной системы управления, каковой является АСУТП, общая шина является малопроводной, предназначенной для одновременного обмена информацией лишь между какими-либо двумя устройствами, причем в последовательном коде. Физическое соединение через общую шину может соответствовать логическому соединению в звезду в том случае, когда один из участников обмена по общей шине является ведущим (master), т.е. определяющим порядок доступа к ней, порядок «захвата» шины. С другой стороны, если доступ к шине определяется передачей маркера устройству, которое путем предварительного распределения шинных ресурсов признано «достойным» играть роль ведущего в текущем цикле обмена информацией, то имеет место логическое соединение участников обмена информацией в кольцо.

 Наиболее распространенным стандартным способом распределения шинных ресурсов в собственно шинной топологии является метод коллективного доступа с наблюдением за несущей и обнаружением коллизий, имеющий обозначение CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Этим методом организует доступ к шинным ресурсам наиболее популярная сетевая технология Ethernet. Согласно этому методу любое устройство из подключенных к общей шине может начать передачу данных, если в течение условленного промежутка времени передачу данных не начало никакое другое устройство. О том, что шина свободна, свидетельствует отсутствие на ней напряжения несущей частоты. При появлении несущей частоты все устройства, подключенные к общей шине, осуществляют прием начавшейся передачи. Пока устройство, начавшее передачу, не закончит её, остальные устройства, подключенные к общей шине, не могут войти в режим передачи. Время передачи не может превышать заданного предела, чтобы не было чрезмерной задержки передачи данных для всех устройств, претендующих на режим передачи. Если случайным образом окажется, что одновременно начали передачу сразу два устройства, то такой режим является ненормальным и называется коллизией. Коллизия обнаруживается по повышенному напряжению несущей. В случае коллизии все устройства, начавшие передачу, прекращают её на некоторое время. Величина выдержки времени после коллизии выбирается для каждого устройства различной, с помощью генератора случайных величин. Благодаря этому по окончании выдержки времени коллизия между устройствами, ранее бывшими в состоянии коллизии, вновь не возникает.

Метод CSMA/CD не гарантирует доступа к общей шине при большой загруженности информационной сети из-за большого количества коллизий, но он предоставляет возможность быстрого доступа при малой загруженности сети. Метод с передачей маркера, напротив, гарантирует каждому узлу доступ к общей шине, но лишь при наступлении очереди на передачу информации после обхода кольца. Поэтому сетевые технологии с применением метода CSMA/CD более эффективны при малой загрузке сети (менее 30 %), а при большой загрузке целесообразно использовать системы с передачей маркера.

Технология обмена информацией в АСУТП имеет стандартизированную трехуровневую структуру, построенную в соответствии со стандартной семиуровневой моделью OSI (Open Systems Interconnection) взаимодействия открытых систем, предложенной Международной организацией по стандартизации (ISO). Обычно информационные сети АСУТП поддерживают 1-й,2-й и 7-й уровни модели OSI, т.е. физический, канальный и прикладной уровни.

На физическом уровне (Physical Layer) информация передается побитно. Биты информации передаются последовательно, один за другим по конкретным физическим каналам связи (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель и др.). При этом определяются характеристики сигналов, тип кодирования битовых последовательностей, параметры сред передачи данных, стандартизируются разъемы и назначение контактов.

На канальном уровне (Data Link Layer) биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректную передачу кадра путем добавления специальных битов, обеспечивающих опознавание кадра и контроль правильности его передачи. Обмен информацией на канальном уровне зависит от принятой сетевой технологии: Modbus, Profibus, Ethernet, Token Ring, FDDI (оптоволоконная технология) и др.

На прикладном уровне (Application Layer) обеспечивается связь прикладной программы управления техпроцессом с управляемыми исполнительными устройствами через нижележащие уровни обмена информацией.

Описание взаимодействия одноименных уровней обмена информацией, находящихся в разных узлах, принято называть протоколом. Интерфейсом же, при построении системы обмена информацией в соответствии с моделью OSI, называют стандарт взаимодействия между соседними уровнями обработки информации в одном узле. Соответственно стандарт обмена информацией между канальным и физическим уровнями OSI, называют физическим интерфейсом.