3.1 Общие требования к системе fieldbus

Fieldbus - это полностью цифровая двунаправленная многоточечная коммуникационная система, используемая для связи приборов на объектах с системами в операторской. В число приборов на объектах могут входить трансмиттеры, регулирующие и отсечные клапаны, двигатели, насосы, весы, устройства считывания штрих - кода, мультиплексоры, многоканальные регуляторы, программируемые логические контроллеры, портативные устройства связи и т. п. Одно из самых основных свойств системы fieldbus состоит в том, что она поддерживает двунаправленную связь со множеством переменных величин. Физически в fieldbus могут использоваться три вида топологий межсоединений: двухточечная, древовидная и моноготочечная. Для соединения нескольких низкоскоростных систем fieldbus с высокоскоростной могут служить устройства сопряжения (мосты). Тип используемых средств зависит от приложения. Витая пара - наиболее дешe:вое средство, широко применяемое и удобное для установки. Оптоволоконные средства обеспечивают защиту от электромагнитных помех. Избыточность кабелей представляется необходимой, но способность продолжать работу в случае любых возможных отказов намного важней. Весьма значима также гальваническая изоляция, поскольку плохая изоляция между сенсорами может стать причиной серьe:зных проблем. В большинстве случаев сеть fieldbus должна подводить электропитание к связываемым ею приборам. Важным фактором является техника безопасности на определe:нных видах производств, в частности в горном деле. Среднее число приборов, присоединe:нных к сети может колебаться от 50 до 200 при длине сети м. Помимо физического соединения приборов сеть должна обеспечивать выполнение следующих функций:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

программного обеспечения

На пользовательском уровне система fieldbus должна обладать:

возможностью пересылать циклические и ациклические данные двумя или четырьмя уровнями приоритетов для сообщений способностью: считывать и записывать значения переменных в режимах "точка-точка", групповом или широковещательном приводить в действие исполнительные устройства определять текущее состояние сенсоров и их возбуждения запоминать конфигурацию устройств проводить точную идентификацию прибора синхронизировать работу двух станций

Каждая система fieldbus должна, таким образом поддерживать общую Службу сообщений fieldbus (FMS), чтобы обеспечивать выполнение перечисленных пользовательских требований. Спецификации fieldbus должны поддерживать также временно присоединe:нные устройства, такие как портативные терминалы (HTT) для калибровки. Горизонтальный информационный поток в fieldbus характеризуется главным образом передачей коротких сообщений в заданное время. Интеграция fieldbus в глобальную среду должна быть возможна для вертикальных информационных потоков, направленных на диспетчерский уровень.

Большая часть горизонтальных информационных потоков будет в основном циклического типа с временем цикла длиной 0,25..2 с с типичной длиной 1..5 байт на одно присоединe:нное устройство, с задержками в передаче сообщений порядка 100 мс. Приведeнные цифры достаточно типичны. Требования тем не менее широко различаются для разных типов производств и особо строги для ядерных объектов.

3.2 Типичные стандарты

Идея объединения в сеть устройств, расположенных на уровне объектов управления столь же стара, как и идея распределe:нных вычислений. Несколько производителей разработали свои собственные стандарты и имеют реализованные технические решения. На сегодняшний день на рынке насчитывается по меньшей мере 10..15 систем fieldbus, некоторые из которых являются национальными стандартами и борются за право стать международными. С начала 1991 г. два коллектива работают совместно для разработки международного стандарта fieldbus: Подкомитет SP50 Приборостроительного общества Америки (ISA) и Группа по стандартизации SC65CWG6 Международной электротехнической компании (IEC).

3.3 Система Profibus.

Несколько университетов и промышленных компаний ФРГ разработали национальный стандарт системы PROFIBUS-DIN 19245. Стандарт определяет необходимые функции, позволяющие пересылать данные между устройствами, изготовленными различными производителями. Физический уровень, уровень каналов передачи данных и управление системой fieldbus для обоих уровней определены в стандарте DIN 19245, ч 1 (1). Спецификации сообщений fieldbus (Fieldbus Message Specification - FMS), аналогичные Спецификациям производственных сообщений (Manufacturing Message Specification MMS); интерфейс нижнего уровня (Lower Layer Interface LLI) и управление системой fieldbus на седьмом уровне определены в DIN 19245, ч.2 (2). Этот стандарт нацелен на реализацию протокола с помощью одной коммерчески доступной интегральной схемы, содержащей однокристальный микроконтроллер и внутренний универсальный синхронный приe:мопередатчик, что минимизирует стоимость взаимного соединения устройств, расположенных на объектах. Сеть содержит ведущие и ведомые станции. Ведущая станция может управлять системой и передавать сообщения, когда она имеет право доступа (маркер). В отличие от нее ведомая станция может лишь подтверждать полученное сообщение или пересылать информацию по удалe:нному запросу. Маркер циркулирует по логическому кольцу, образованному ведущими станциями. Таким образом, может быть реализована либо централизованная система, либо система, полностью работающая в режиме точка-точка, либо гибридная. Скорость передачи лежит в диапазоне от 9,6 Кбит/с до 2 Мбит/с. Для критичных ко времени задач рекомендуется система с 32 ведущими станциями. Возможна как ациклическая, так и циклическая передача данных с 255 байтами в кадре.

3.4 Система FIP (6)

FIP представляет собой многопрофильную систему реального времени для управления процессами и комплексных автоматизированных производств (CIM). Проект FIM поддерживается Минестерством промышленности Франции и более чем 80 европейскими компаниями. При помощи широкополосного канала связи могут быть соединены до 256 станций, расположенных на расстоянии до 2 км. Используются как витые пары, так и оптоволокно. Скорость передачи данных лежит в пределах от 31,25 Кбит/с до 2,5 Мбит/с. Связь не строится по принципу связи источника с приe:мником. Адрес источника представляет собой имя точно идентифицированного объекта. Например, измеряемая прерменная процесса это объект. Все технологические объекты, подключенные к сети, знают и называют объект по его уникальному имени. Арбитр сети посылает объект в предписанном порядке в организованный список. Система FIP имеет главным образом периодический трафик. Апериодические информационные сообщения типа событий передаются в виде обмена запросами, сопровождающими циклическую передачу данных, с апериодическим открытием окон апериодической передачи данных. FIP это система fieldbus, функционирующая как распределe:нная база данных реального времени. Временная и пространственная непротиворечивость данных гарантируется благодаря локальным считыванию и записи данных, о чeм будет сказано далее.

3.5 Система CAN (3,4)

CAN представляет собой протокол последовательной связи, эффективно поддерживающий распределe:нное управление в реальном времени с очень высоким уровнем защиты. Система имеет широкий диапазон применений: от высокоскоростных сетей до недорогого уплотненного монтажа. Данный стандарт приобрe:л популярность в автомобильной электронике, где различные подсистемы связываются между собой c помощью CAN при скорости передачи 1 Мбит/с. Информация посылается по каналу в виде сообщений фиксированного формата.

Узел CAN не использует какой-либо информации о конфигурации системы (адрес станции). Содержанию сообщения присваивается имя (идентификатор). Идентификатор не указывает на само сообщение, но описывает содержащуюся в нем информацию. Таким образом, все узлы сети могут решать, фильтруя сообщения, должна ли обрабатываться на них эта информация или нет.

Как следствие из концепции передачи сообщения, любое число узлов может получать и одновременно отрабатывать одно и то же сообщение. Следовательно, согласованность данных в системе достигается путем группового использования данных и обработки ошибок. Всегда, когда канал свободен, любой узел сети может начать передачу сообщения. Конфликты в системе разрешаются с помощью поразрядного арбитража. Во время арбитража каждый передатчик сравнивает уровень переданного бита с уровнем бита в канале. Когда посылается рецессивный уровень, а обнаруживается доминантный, блок считается проигравшим арбитраж и должен быть отозван без посылки бита.

Общее число блоков, которое может быть охвачено сетью CAN, ограничено лишь временем задержки и электрической нагрузкой линии связи.

3.6 Сравнительное изучение

В данном разделе проводится детальное сравнение всех аспектов полного протокола.

3.7 Многоуровневая структура

Каждый сетевой протокол обычно сравнивают с многоуровневой ISO-моделью и между ними устанавливают соответствие. Систему PROFIBUS можно прямо свести к ISO-модели с пустыми уровнями 3. Аппаратура, канал передачи данных и управление определены в разделе 1; FMS, LLI и управление уровнем у в разделе 2. Канальный уровень делится на подуровни Medium Access Control - MAC (уровень доступа в среду) и Fieldbus Logical Control - FLC (логическое управление fieldbus). MAC обеспечивает протокол доступа в гибридную среду. FMS описывает объекты связи, сервис и соответствующую модель с точки зрения партнера по коммуникации. Основными задачами LLI являются организация отображения FMS и FMA** на FDL***, установление связи, отключение, диспетчеризации связи и управление потоками, FMA выполняет контекстное конфигурирование и исправление ошибок.

Система CAN имеет трехуровневую структуру: физический уровень, уровень пересылки и объектный уровень. Уровень пересылки воспроизводит сообщения, получаемые на объектном уровне, и принимает сообщения, которые следует передать на объектный уровень. Уровень пересылки ответствен за битовое тактирование и синхронизацию, кадрирование сообщений, арбитраж и т. д. Объектный уровень занимается фильтрацией сообщений, а также обработкой статуса и сообщений.

Система FIP является также трехуровневой моделью с физическим уровнем, уровнем передачи данных и уровнем приложений. Уровень передачи данных отвечает за все функции управления в реальном времени, а именно: за выбор в реальном времени циклов сканирования, подтверждение управления качеством и передачи переменной, связность элементов распределенной базы, синхронизированное квантование и управление, выбор множества диспетчерских услуг без внесения помех в трафик реального времени и т. д.

3.8 Физический уровень

Среда

Система PROFIBUS определяет в качестве среды лишь экранированную витую пару с характеристическим импедансом 100...130 Ом. Длина кабеля не превышает 1200 м. Длина линии и число связанных станций могут быть увеличены путем установки повторителей (не более трех). Кабель шины должен оканчиваться так, как это описано в стандарте EIA RS-485. Каждая станция, предназначенная для окончания линии, должна обеспечивать напряжение +5В на контакте б сетевого соединения и ток не менее 10 мА. Система FIP поддерживает как витую пару, так и оптоволоконные средства передачи.

Максимальное расстояние между узлами может составлять 2 км при 256 станциях в сети. В CAN не определяются характеристики драйвера/приемника и среды, что позволяет оптимизировать в соответствии с применением среду передачи и реализацию уровня сигналов.

3.9 Метод передачи

В системе PROFIBUS каждый бит кодируется без возвращения к нулю и передается дифференциальным напряжением. Во время периода молчания незаземленная дифференциальная линия переводится оконечным устройством в единицу. Она передает данные как символ - ориентированные. Система FIP передает код и информацию таймера, кодируя их посредством Manchester II. Скорости передачи данных определены равными 31,25 Кбит/с, 1 и 2,5 Мбит/с. Арбитраж в FIP основан на назначении ременного окна каждому узлу для периодических данных и назначении окна по запросу для апериодических (рис. 2); существует необходимость глобальной синхронизации тактового генератора. Аналогично в CAN осуществляется передача двух взаимно дополняющих логических значений: рецессивного и доминантного. При одновременной передаче доминантного и рецессивного битов результирующий канал будет доминантным. Для аппаратной реализации логического "И" используется логический "О". Бит кодируется без возвращения к нулю. Время передачи каждого бита делится на не перекрывающие друг друга сегменты: синхронизацию, прохождение, фазы / и 2.

Сегмент синхронизации используется для синхронизации различных узлов системы. Предполагается, что фронт импульса лежит внутри этого сегмента. Сегмент прохождения служит для компенсации времени физической задержки. Он равен удвоенной сумме времени прохождения сигнала по линии.

Фазовые сегменты используются для компенсации фазовой ошибки фронта импульса. Эти сегменты можно укоротить или удлинить. Уровень канала считывается в конце фазы. Все контроллеры CAN синхронизируют на старте кадра. Таким образом, необходим типичный допуск на генератор, составляющий 1,58 % при скорости передачи информации по каналу, равной 125 Кбит/с. Поскольку системы FIP и CAN работают при глобальной синхронизации тактовых генераторов, им в отличие от PROFIBUS требуются жесткие допуски на частоту тактовых генераторов.

4. FOUNDATION FIELDBUS или PROFIBUS-PA?

4.1 Выбор промышленной сети для автоматизации технологических процессов

В течение последних нескольких лет развитие промышленных (полевых) сетевых архитектур было одной из самых обсуждаемых тем среди производителей и потребителей оборудования для промышленной автоматизации. С середины 80-х годов предпринимались попытки выработать единый стандарт полевой шины (fieldbus), устанавливающий требования к открытому цифровому протоколу обмена, который бы обеспечивал возможность взаимодействия контроллеров, устройств связи с объектом, датчиков и исполнительных механизмов разных производителей.

С топологией fieldbus связано много ожиданий:

самое важное

К преимуществам такого рода распределенных систем управления относится полное (за счет параллельной обработки) использование вычислительных ресурсов микропроцессорных устройств нижнего уровня АСУ ТП, что может привести:

автоматизированной системы

После нескольких лет технологических и политических баталий появилось несколько разновидностей систем, использующих технологию полевых шин. Можно выделить два коммуникационных протокола — FOUNDATION™ fieldbus и PROFIBUS-PA, которые вместе со связанными с ними технологиями доступны для применения в системах промышленной автоматизации.

Несмотря на то, что в названиях обоих протоколов есть единый корень — fieldbus, между ними имеется множество различий по архитектуре, функциям и уровню совместимости. Кроме того, существуют различия и между организациями, которые разрабатывают и поддерживают эти два протокола. В данной статье анализируются эти различия.

4.2 Общие черты и отличительные особенности

PROFIBUS-PA

Название PROFIBUS относится к ряду родственных протоколов полевыхшин, первоначально разработанных компаниями Siemens, Bosch и Klockner-Moeller для удовлетворения нужд автоматизации дискретного производства. Контроль над технологией PROFIBUS осуществляет европейская организация PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO). В настоящее время существует три основных разновидности PROFIBUS. Протокол PROFIBUS-FMS, используемый с 1990 г., применяется для организации связи между устройствами в соответствии с протоколом высокого уровня. PROFIBUS-DP (1992) предназначен главным образом для обмена данными между программируемыми логическими контроллерами и устройствами связи с объектом. И, наконец, PROFIBUS-PA (1997) предназначен для обмена данными между верхним уровнем систем управления, контроллерами, а также датчиками и исполнительными механизмами. Однако под именем трех названных протоколов существует несколько версий PROFIBUS, являющихся фактически частнофирменными протоколами Siemens.

Протоколы DP, FMS и PA были сначала приняты в качестве стандарта в Германии (DIN 19245) и несколько позже в странах Евросоюза (CENELEC EN501702). PROFIBUS имеет наибольшую популярность и долю рынка в Германии и соседних с ней странах.

FOUNDATION™ FIELDBUS

Протокол FOUNDATION™ fieldbus был разработан «с нуля» для удовлетворения требованиям, предъявляемым к современным системам промышленной автоматизации. Интенсивные совместные усилия многих производителей средств промышленной автоматизации по разработке нового протокола, включая обширную программу объектовых испытаний, закончились в 1996 г. выпуском спецификаций на низкоскоростную (31,25 кбод) версию FOUNDATION™ fieldbus (Н1). В этой версии полностью определены способы создания управляющих программ на базе функциональных блоков, а ее коммуникационные возможности нижнего уровня обеспечивают поддержку управления непосредственно по шине.

Недавно завершена работа над высокоскоростной реализацией протокола FOUNDATION™ fieldbus (H2). Протоколы H1 и H2 идентичны, что позволяет, используя простые «мосты», создавать многоуровневые масштабируемые сети. Протокол, используемый в FOUNDATION™ fieldbus, является подмножеством стандартов IEC-61158 часть 2и TS-61158 части 3 и 4. Консорциум Fieldbus Foundation является некоммерческой организацией, которая была образована в результате слияния двух других консорциумов, продвигавших протоколы полевых шин, — WorldFIP (North America) и InterOperable Systems Project. В работе Fieldbus Foundation, штаб-квартира которой расположена в городе Остин (штат Техас), участвуют практически все основные мировые поставщики аппаратно-программных средств АСУ ТП.

PROFIBUS-PA и FOUNDATION™ fieldbus имеют ряд общих характеристик (табл. 4.1, табл. 4.2):

обе системы удовлетворяют требованиям спецификаций физического уровня H1 IEC/ISA, которые определяют среду передачи данных; обе системы искробезопасны и способны по одним и тем же проводам передавать как данные, так и электропитание для подключенных к сети устройств, что позволяет использовать их во взрывоопасных зонах; обе системы поддерживаются международными организациями, объединяющими как конечных пользователей, так и поставщиков; обе системы могут быть развернуты в качестве цифровой замены аналоговых каналов 4-20 мА с использованием тех же самых, уже существующих линий связи; обе системы поддерживают работу в многоточечном режиме, благодаря чему снижаются затраты на монтаж и обслуживание кабельного хозяйства.

Однако между сетевыми системами имеются и существенные различия (табл. 1, табл. 2). Хотя обе системы способны управлять событиями в самой сети, применяемая в PROFIBUS-PA коммуникационная модель «главный-подчиненный», а также отсутствие протокола системного администрирования делают PROFIBUS-PA неудовлетворительным решением для управления распределенными процессами. FOUNDATION™ fieldbus, напротив, создавалась не только для организации обмена цифровой информацией между управляющим устройством сети и устройствами нижнего уровня (полевого оборудования), но и для распределенного управления, включая поддержку функции автоматического конфигурирования (plug-and-play), что существенно расширяет границы совместимости оборудования.

FOUNDATION™ fieldbus при передаче данных одновременно поддерживает маркерный доступ и обмен по расписанию. Таким образом, данные, передаваемые между функциональными блоками прикладной программы, исполняющейся на разных узлах сети, могут быть точно синхронизированы по времени. Исполнение функционального блока координируется с передачами по шине, так как каждое устройство содержит синхронизируемый таймер. Таким образом, контур управления, распределенный между несколькими устройствами, может завершить операцию в наикратчайшее время. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению времени запаздывания и увеличению быстродействия контура.

Прикладной уровень в FOUNDATION™ fieldbus обеспечивает поддержку квитированного взаимодействия между клиентом и сервером, что может использоваться для изменения оператором значений уставок, удаленной загрузки и настройки параметров конфигурации. Кроме того, поддерживается рассылка оповещений об аварийных событиях и их подтверждений. Это основано на том же прикладном уровне, который используется в PROFIBUS-FMS.

В PROFIBUS-PA один ведущий узел использует протокол DP для опроса подчиненных узлов, содержащих функциональные блоки ввода/вывода. Время опроса всех узлов сети зависит от количества узлов и ряда других факторов, поэтому детерминированным может быть только время начала опроса.

На прикладном уровне PROFIBUS-PA вместо FMS использует расширения DP, что приводит к ограничению возможностей по удаленному конфигурированию, а также по чтению и записи.

Сравнение коммуникационных протоколов (таблица 4.1).

	PROFIBUS-PA	FOUNDATION fieldbus
Физический уровень	Стандарт IEC 61158-2	Стандарт IEC 61158-2
Скорость обмена	31,25 кбит/с	31,25 кбит/с
Питание устройств по линии связи	Да	Да
Использование существующей кабельной инфраструктуры	Да	Да
Работа во взрывоопасных зонах	Да	Да
Канальный уровень	802.4 (передача маркера, «ведущий-подчиненный»)	ANSI S50.02-3,4; TS,4 (специально разработан для полевой шины)
Связь «точка-точка»	Нет	Да
Синхронизация по времени	Нет	Да
Периодические сеансы обмена	Опрос выполняется ведущим устройством	Планируемая подписка узлов на данные, публикуемые другими узлами
Прикладной уровень	Расширения DP	Fieldbus Messaging (FMS) — обмен сообщениями
Функциональные блоки	Типы блоков ограничены профилем устройства	Полностью определены и могут быть расширены производителем устройств
Язык описания устройств	Нет	Да
Cистемное администрирование	Нет	Да
Поиск тега	Нет	Да
Присвоение адреса	Нет	Да
Исполнение функционального блока по расписанию	Нет	Да

Сравнение достоинств (таблица 4.2).

Преимущества полевой шины	PROFIBUS-PA	FOUNDATION fieldbus
Начальная экономия на стоимости монтажных материалов	Да	Да
Идентификация устройства	Да	Да
Диагностическая и регламентная информация	В ограниченном объеме	Да
Удаленное конфигурирование устройств	В ограниченном объеме	Да
Удаленная калибровка	Нет	Да
Управление на уровне датчиков и исполнительных механизмов (полевых устройств)	Нет	Да
Обработка аварийных событий и тренды	Нет	Да
Расширенное представление о контролируемом процессе	Да, однако имена тегов и параметров не хранятся в устройстве	Да
Свобода выбора поставщика оборудования	Ограниченная	Да
Поддержка нескольких ведущих узлов	Ограничена. Добавление следующего ведущего устройства влияет на длительность цикла опроса	Да. Количество ведущих узлов не влияет на характеристики шины
Классы производимых устройств	Устройства цифрового и аналогового ввода/вывода с функциями сбора данных	Устройства цифрового и аналогового ввода/вывода с функциональными блоками

4.3 Какая система обеспечивает управление на базе устройств нижнего уровня?

Одним из ожидаемых достоинств полевой шины является возможность распределения функций управления процессом среди устройств нижнего уровня (уровня полевых устройств) АСУ ТП. Архитектура FOUNDATION™ fieldbus, основанная на модели публикации данных одними сетевыми узлами и подписки на эти данные других сетевых узлов, позволяет организовывать тесное взаимодействие между устройствами различных производителей, объединенными в одну сеть. Таким образом, логика алгоритма управления может быть перенесена на нижний уровень системы управления (т. е. УСО, датчики и исполнительные механизмы). Архитектура «ведущий-подчиненный», используемая в PROFIBUS, означает, что весь обмен происходит по инициативе ведущего устройства. В результате из-за непред-сказуемых задержек невозможно обеспечить функционирование распределенных по устройствам нижнего уровня контуров управления с обратной связью.

Функции системного администрирования в FOUNDATION™ fieldbus обеспечивают исполнение функциональных блоков на разных узлах сети в точно заданной последовательности в течение детерминированных интервалов времени, что необходимо при реализации контуров регулирования на нижнем уровне системы. Подсистема администрирования и канальный уровень FOUNDATION™ fieldbus способны также выполнять следующие важные функции:

автоматическое присвоение сетевого адреса при добавлении нового устройства, что обеспечивает функциональность plug-and-play; предотвращение дублирования сетевых адресов, каждому устройству назначается один уникальный адрес; синхронизация времени в прикладных программах, когда по сети рассылаются широковещательные пакеты, синхронизирующие время во всех узлах сети; это необходимо для правильного функционирования контуров управления или, например, для простановки метки времени в аварийных сообщениях для их дальнейшего корректного хронологического анализа; поиск тегов; это устраняет необходимость в репликации системной базы данных, содержащей информацию об устройствах.

PROFIBUS не имеет средств системного администрирования, а значит, не способен обеспечить выполнение описанных ранее функций.

4.4 Какая из систем предоставляет наибольшую степень функциональной совместимости

Функциональная совместимость устройств — это возможность замены устройства полевой шины одного изготовителя на устройство другого изготовителя без потери функциональности или степени интеграции с системой управления или хост-контроллером. Функциональная совместимость устройств позволяет пользователю для своего проекта выбрать наиболее подходящую аппаратуру, независимо от того, кто является производителем конкретного контроллера, датчика, исполнительного механизма или иного полевого оборудования.

В то время как семиуровневая модель OSI является общепринятой в области сетевых коммуникаций, FOUNDATION™ fieldbus вводит еще один, восьмой уровень, называемый пользовательским (User Level). В этом, в частности, состоит ее отличие от PROFIBUS-PA. Элементами пользовательского уровня в архитектуре, используемой FOUNDATION™ fieldbus, являются функциональные блоки, которые представляют собой стандартизированные объекты управления, такие, например, как аналоговый вход, аналоговый выход и ПИД-регулятор (рис. 4.1). Существуют также дополнительные стандартные функциональные блоки, такие как дискретный вход, дискретный выход, селектор сигналов, операторский ввод, блок отношение/смещение и блок отношение. Функциональные блоки встроены в датчики и исполнительные устройства, за счет чего обеспечивается высокий уровень их функциональных возможностей.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6

Краткий экскурс в историю промышленных сетей (стр. 2 )