Цифровые коммуникации в управлении процессами (стр. 6 )

Рис. 9.26. Сбор данных через контроллеры, шины локального управления и фронтальный процессор

Количество данных, передаваемых на верхние уровни иерархии, можно уменьшить, если локальные процессоры делают выборки из своих входных данных. Локальный процессор может, например, передавать только одно из десяти измеренных значений или среднее этих значений, что, следовательно, в десять раз снизит общий объем передаваемой информации.

В распределенных системах приходится выбирать между загрузкой коммуникаций и интеллектом локальных устройств. Современная тенденция заключается в установке локальных вычислительных устройств как можно ближе к реальным процессам; при этом предусматривается, что центр управления всегда может изменить решение локального устройства. Такая схема является как экономичной, так и надежной. Сбои центрального компьютера или линий связи не влекут нарушения работы всей системы. Точность управления требует минимального запаздывания в контуре регулирования, и управляемость ухудшается, если все сообщения от локального процессора должны посылаться центральному компьютеру для обработки и затем обратно для исполнения. Более того, запаздывания в передаче данных могут в ряде случаев привести к неустойчивости процесса (раздел 6.7.1). Наконец, в распределен­ных системах многочисленные процессоры значительно лучше справляются с обра­боткой данных, чем один даже очень мощный процессор.

9.6.3. Протокол автоматизации производства (MAP)

Необходимость в практичном и едином способе соединения различных устройств производственных линий и систем управления в течение длительного времени была в центре внимания. Американский автостроительный гигант General Motors одним из первых осознал, что несовместимость различных вычислительных систем являет­ся главной помехой для комплексной автоматизации их производств. Компания на­чала исследования для объединения своих производственных ЭВМ. Было замечено, что затраты на системы управления значительно превышали общие затраты на пере-оснащение производства при запуске новых моделей автомобилей и имели только одну тенденцию — к увеличению. В соответствии с оценками, сделанными в начале 1980-х годов, к 1990 году было бы необходимо объединить порядка ста тысяч единиц различного оборудования типа роботов и ПЛК. Стоимость объединения должна была составить значительную долю всех вложений компании в автоматизацию. По­этому General Motors пришла к необходимости разработать ясный и стандартный подход к открытой системе заводских коммуникаций, имея в виду универсальное взаимодействие и взаимозаменяемость. Первое означает, что любая информация должна быть понятна устройствам-получателям без использования программ преоб­разования; второе — что устройство нового поколения или другого производителя, заменяющее некоторое старое устройство, должно работать без изменений в системе, к которой оно присоединяется. Идея сразу вызвала интерес у основных производите­лей ВТ и других компаний, связанных с промышленной автоматизацией, и привела к созданию Протокола автоматизации производства (Manufacturing Automation Protocol ~ MAP).

Протокол MAP — не стандарт аппаратного интерфейса или типа электрического кабеля, а четкая концепция сопряжения разнотипного оборудования локального или заводского уровня и более высоких планирующих и управляющих подразделений. Принцип MAP достаточно прост — различные устройства должны иметь возмож­ность общаться друг с другом, используя общие протоколы, однако внедрение потре­бовало более тридцати лет, а концепция все еще далека от завершения. Главные при­чины — это отсутствие общего принципа для организации передачи данных и то, что основные корпорации не считали себя заинтересованными в производстве продукции, совместимой с изделиями конкурентов. Сейчас наконец совместимость и возможность обмена информацией стали решающими аргументами при продаже и существуют ком­муникационные механизмы, базирующиеся на модели ВОС и соответствующих стан­дартах или протоколе TCP/IP,

MAP следует схеме разделения на уровни, принятой в модели ВОС. Для каждого уровня существует определенный стандарт, являющийся частью общей структуры MAP. Стандарты уровней от 1 до 6 используются и в других приложениях, а непосред­ственно к MAP относится Служба производственных сообщений (Manufacturing Message Specification — MMS), которая описана далее. Ниже приведено соответствие стандартов MAP уровням модели ВОС.

Уровень 7: ISO 9506 Manufacturing Message Specification (MMS)

Уровень 6: ISO 8824 Abstract Syntax Notation (ASN. l) и ISO 8825 Basic Encoding

Rules

Уровень 5: ISO 8326/8327 Уровень 4: ISO 8072/8073

Уровень 3: ISO 8348/8473 (CLNS) и ISO 9542 (ES/IS)

Уровень 2: ISO 8802.2 Logical Link Control и ISO 8802.4 Token Bus

Уровень 1: Широкополосная/Узкополосная среда передачи (Broadband/Carrier - band Link)

Другими словами, МАР-устройство должно использовать физические соедине-­
ния, которые соответствуют стандарту маркерной шины локальных вычислитель-­
ных сетей (Token Bus) с управлением логическим звеном данных в соответствии
с IEEE 802.2, должно кодировать данные, следуя ASN. l (ISO 8824) и ISO 8825, и об­-
мениваться сообщениями в формате MMS (ISO 9506). Любая другая комбинация
стандартов, даже если она технически возможна, не совместима со схемой MAP. На­
пример, решение, при котором Ethernet используется вместо маркерной шины на
физическом и канальном уровнях, не соответствует MAP. Тем не менее MMS в соче­-
тании с Ethernet работает и находит применение в промышленности.

На физическом уровне MAP можно реализовать на основе различных сред пере­дачи и типов сигналов. Первоначальные пожелания General Motors — передавать данные со скоростью 10 Мбит/с — требовали двух смежных каналов с полосой про­пускания 6 МГц, при условии использования широкополосной модуляции AM-PSK. Для узкополосного MAP определены две скорости передачи данных и применяется частотная модуляция FSK: для пропускной способности 5 Мбит/с несущие частоты равны 5 и 10 МГц, для 10 Мбит/с - 10 и 20 МГц.

Для обмена укрупненной (интегрированной) информацией о процессах и адми­нистративными данными используется схема, аналогичная MAP, — это Протокол автоматизации учрежденческой деятельности (Technical and Office Protocol — TOP). Архитектура TOP в основном совпадает с архитектурой MAP и опирается на те же стандарты. В архитектуре ТОР на физическом и канальном уровне используется Ethernet, а не маркерная шина. На прикладном уровне протокол ТОР включает в се­бя виртуальный терминал (Virtual Terminal — VT), систему обработки сообщений (Message Handling System — MHS) и протокол передачи, доступа и управления фай­лами (File Transfer Access and Management — FT AM). Концепция TOP разработана корпорацией Boeing, которая в течение длительного времени использовала Ethernet для связи производственного оборудования и системы планирования производства. Основные идеи архитектур MAP и ТОР практически одинаковы.

MAP был специально разработан для применения на производстве в режиме ре­ального времени. Причина, определившая выбор конкретных стандартов для MAP, и в первую очередь широкополосной сети и маркерной шины в качестве метода досту­па, заключалась в том, что они уже были опробованы в условиях реального производ­ства, а соответствующие устройства производились серийно. Маркерная шина имеет детерминированное и поддающееся расчету время передачи сообщения в наихудших условиях, чего нет в протоколе Ethernet (некоторые приложения реального времени нельзя реализовать при неопределенном времени передачи сообщения). Не удиви - тельно, что протоколы MAP и ТОР благодаря своей структуре были поддержаны компаниями с резко различающимися требованиями. General Motors производит ав­томобили на конвейерах, движущихся с заданной скоростью, а компания Boeing со­бирает самолеты на неподвижных стапелях; соответственно, требования синхрони­зации совершенно различны. Совместимость на верхних уровнях гарантирует сопряжение приложений MAP и ТОР.

В системах автоматизации производства, вообще говоря, имеется три функцио­нальных уровня — общее (целевое) управление, управление процессом или производ­ственной линией и локальное управление. MAP поддерживает взаимодействие на среднем уровне, на его основе координируется работа множества участков в техноло­гической цепочке и нескольких технологических цепочек на уровне предприятия. MAP не подходит для связи и управления на уровне датчиков. MAP является доста­точно "тяжеловесным" продуктом из-за большого количества уровней и соответствую­щих протоколов, и поэтому не соответствует нуждам простых, быстрых и дешевых тех­нологий, используемых на нижнем уровне автоматизации производства. Здесь рационален другой подход — использование шины локального управления Fieldbus (раздел 9.7). MAP также не годится для поддержки системы управления верхнего уровня, на котором принимаются стратегические решения. Программные средства этого уровня не должны удовлетворять специфическим требованиям реального време­ни и могут разрабатываться на основе обычного программирования, использующего статистическую обработку и анализ больших объемов данных. Тем не менее MAP оста­ется ключевым подходом к практической реализации автоматизированных систем уп­равления производством (АСУП, Computer Integrated Manufacturing — CIM).

9.6.4. Служба производственных сообщений

Служба производственных сообщений (Manufacturing Message Specification — MMS) — это набор абстрактных команд или язык для дистанционного мониторинга и управления промышленным оборудованием. MMS определяет содержание опрос­ных и управляющих сообщений и действий, которые должны за ними следовать, ожидаемых реакций, процедур подтверждения и т. д. Структура MMS описана в стандарте ISO/IEC 9506 в следующих документах. Часть 1. Описание службы (Service Definition) Часть 2. Описание протокола (ProtocolDefinition) Часть 3. Управляющие сообщения робота (Robot Control Messages') Часть 4. Сообщения цифрового управления (Numerical Control Messages) Часть 5. Сообщения программируемого логического устройства (Messages for

Programmable Logic Controllers)

Часть 6. Сообщения управления процессом (Process Control Messages). MMS обеспечивает большое количество функций и вариантов обслуживания. Функции общего типа, например чтение и запись переменных на удаленном устрой­стве, запуск и остановка программ и передача файлов между различными устрой­ствами, рассмотрены в частях 1 и 2. Связанные с MMS производственные стандарты (части 3-6) ориентированы на конкретные реальные устройства. Хотя при разработ­ке MMS сделана попытка включить все функции, необходимые в задачах производ­ственной автоматизации, тем не менее оставлена определенная свобода, чтобы обеспечить будущие расширения. Не обязательно, чтобы каждое устройство восприни­мало все команды MMS, достаточно некоторого подмножества, как это описано в со­ответствующей части документа. Каждое подмножество всего стандарта разрабаты­вается и пересматривается независимо от других его частей.

MMS основано на объектно-ориентированной концепции программирования, в которой классы объектов определяются вместе с допустимыми операциями. Ос­новной идеей MMS является концепция виртуального производственного устрой­ства (Virtual Manufacturing Device — VMD). VMD — это набор всех возможных ко­манд для устройства какого-либо типа, например робота. Реальный механизм будет реагировать на команды VMD, выполняя заданные операции стандартным, заранее определенным способом. MMS и VMD вынужденно являются сложными, чтобы ох­ватить различные типы похожих устройств; реальные устройства обычно могут ис­полнять лишь часть команд VMD.

Функции MMS основаны на модели "клиент-сервер" (рис. 9.27). Клиент запра­шивает определенную услугу от сервера. Сервер выполняет запрос и сообщает кли­енту результат операции.

Рис. 9.27. Модель "клиент-сервер" в архитектуре MMS

VMD выполняет функции реального устройства, но с точки зрения клиента — это виртуальный сервер. Клиент может отдать VMD-команду виртуальному роботу, на­пример повернуть руку на 30" вокруг оси Z. Эта команда заставляет настоящего ро­бота выполнить это действие. Команды, которые вырабатываются системой управления роботом для его исполнительных устройств, могут быть совершенно другими в зависимости от их конкретной электрической и механической конструкции. В слу­чае, если робот не в состоянии выполнить команду поворота, например потому что рука достигла упора или ось Z вообще отсутствует, вырабатывается ответ с кодом возврата, который соответствует причине.

Важной чертой модели клиент-сервер является отсутствие у устройства-сервера, состояний, определенных на локальном уровне и неизвестных клиенту. Вес запросы со стороны клиента приводят к самодостаточным ответам и не предполагают ссылок на ранее использованную информацию. Другими словами, информация от сервера (VMD) может рассматриваться как его собственная база данных, в которой собира­ются и хранятся новые значения. Независимость VMD от предшествующих данных, которые должны собираться клиентом, и то, что все запросы обязательно подтверж­даются VMD, помогают избежать ошибок и противоречий, которые могут произойти из-за потери или задержки сообщений.

9.7. Шины локального управления (Fieldbus)

9.7.1. Решение для производственных коммуникаций нижнего уровня

Особое внимание, уделяемое в протоколах ВОС и MAP организации связей меж­ду уровнями на основе специальных протоколов, не всегда совпадает с потребностью в быстрой, эффективной и малозатратной системе коммуникаций, которая необхо­дима в промышленных системах реального времени. Как уже указывалось по поводу модели ВОС, не каждый уровень необходим для всех прикладных задач. Когда все связываемые устройства расположены в пределах замкнутого производственного участка и присоединены к одной и той же физической шине, нет необходимости в многочисленных проверках передачи, как в случае прохождения данных по между­народным коммуникационным сетям. Для соединения устройств в ограниченном пространстве производственного предприятия вполне достаточно организации об­мена на 1-м и 2-м уровнях модели ВОС и протокола MMS. В этих условиях использо­вание более высоких уровней нерационально и их можно не применять.

В промышленных системах наибольшая часть работы (и стоимости) по сбору и обработке данных связана не с центральным вычислительным комплексом, а отно­сится к локальному уровню, где установлены основные устройства. Для того чтобы действительно воспользоваться преимуществами цифровой технологии, необходим новый стандарт на цифровую связь низкого уровня. На сегодняшний день для таких задач применяются шины локального управления - Fieldbus. Следует сказать, что единого стандарта Fieldbus не существует, но имеется несколько решений, предлага­емых промышленностью и исследовательскими организациями. С течением времени то, что было предложено и работает в условиях производства, сконцентрируется вок­руг одной или нескольких технологий и станет частью более общего стандарта ло­кальных шин Fieldbus.

Стандарт шин локального управления должен получить широкое признание, как это было со стандартом на токовую петлю 4-20 мА. Принятие стандарта влечет за со­бой снижение цен и минимизацию проблем с несовместимостью компонентов. Так же как в случае со стандартом MAP, стандарт шин локального управления должен обеспечить взаимодействие различных устройств, присоединенных к одной и той же физи­ческой среде передачи. Очевидным преимуществом цифровой техники по сравнению с аналоговой является заметное уменьшение кабельных связей — один цифровой канал может заменить большое число проводников с токами в диапазоне 4-20 мА.

Применение шин локального управления дает значительные преимущества. Суще­ственная доля "интеллекта", необходимого для управления процессом, переносится на локальный уровень. Обслуживание датчиков значительно облегчается, поскольку та­кие операции, как тестирование и калибровка датчиков, можно выполнять дистанци­онно и без непосредственного участия наладчиков. Естественно, что качество управле­ния находится в прямой связи с достоверностью и качеством собираемых данных.

Несколько организаций, отвечающих за стандартизацию, например Международ­ная электротехническая комиссия, работают над созданием международного стан­дарта шин локального управления. В разных странах разрабатываются нацио­нальные программы по подготовке будущего стандарта. Хотя окончательное соглашение и не достигнуто, никто не хочет ждать введения общего стандарта — не­которые компании уже разработали свои продукты и выпустили их на рынок. Особо следует отметить национальные стандарты, выполненные во Франции и Германии. В конце концов опыт и предложения могут быть обобщены в едином и общеприня­том стандарте, хотя возможно, что различные, уже существующие решения будут жить своей собственной параллельной жизнью.

В этом разделе кратко рассмотрены основные черты шины Bitbus, разработанной компанией Intel, а также шина локального управления PROFIBUS, разработанная группой немецких компаний.

9.7.2. Шина Bitbus

Шина Bitbus была объявлена компанией Intel в 1984 году, и на ней базируются мно­гие промышленные продукты других компаний. Шина Bitbus соответствует двум пер­вым уровням модели ВОС — физическому (1-й уровень) и канальному (2-й уровень).

На физическом уровне Bitbus использует витую пару в соответствии со стандар­том RS-485. К одной шине можно подключить до 28 устройств, а несколько шин -соединить с помощью повторителей. Возможные скорости передачи — 62.5, 375 Кбит/с и 2.4 Мбит/с. При наименьшей скорости (62.5 Кбит/с) допустимое расстоя­ние между повторителями составляет 1200 м.

Шина Bitbus иерархически структурирована. Одно из присоединенных уст­ройств является ведущим, остальные — ведомыми. Ведущее устройство всегда уп­равляет процессом передачи сообщений с помощью механизма опроса: ведущий по­сылает запрос ведомому, который должен ответить; ведомое устройство не может передать сообщение по своей инициативе, а должно ждать запроса ведущего. Ведо­мый отвечает ведущему в течение определенного интервала времени. Если ведомый не отвечает, ведущий повторяет запрос несколько раз. Если ответ не получен, веду­щий переводит ведомого в разряд недоступных и виртуально выводит его из работы. Когда несколько таких шин объединены в сеть, ведущее устройство служит и сете­вым интерфейсом. Протокол Bitbus не предусматривает несколько ведущих уст­ройств и поэтому не определяет способ передачи прав ведущего. В обычной практике "мощное" устройство, например управляющий компьютер, является ведущим, а все остальные устройства с менее сложной электроникой — ведомыми. Четкое разделение на ведущее и ведомые устройства позволяет при работе в ре­жиме реального времени заранее точно рассчитать время реакции. Структура паке­тов данных Bltbus унаследована из протокола HDLC (раздел 9.4.5). Пакеты обра­батываются и пересылаются как межзадачные сообщения программ ведущего и ведомых устройств. Прикладной программист, однако, не работает непосредствен­но на уровне пакетов, поскольку функции взаимодействия с шиной реализованы в виде набора стандартных процедур программного обеспечения Bitbus. Эти про­цедуры включают функции чтения и записи в память ведомого устройства из памя­ти ведущего (и следовательно, обеспечивают двухстороннюю связь с управляемым процессом), загрузки задач и данных, запуска и остановки задач на удаленных уст­ройствах и т. д.

Bitbus — это зрелый промышленный продукт, поддерживаемый несколькими компаниями. Это очень хорошее решение для небольших производственных участ­ков или управляющих устройств с относительно небольшим объемом трафика, когда нет необходимости в нескольких ведущих устройствах для управления коммуника­циями, и в то же время есть жесткие требования к работе в режиме реального време­ни. В системах большого масштаба ведущие устройства можно связать между собой высокоскоростной сетью и передавать агрегированные данные на более высокий уровень центральному управляющему компьютеру.

9.7.3. Шина PROFIBUS

Шина PROFIBUS (Process Fieldbus) поддерживается группой немецких произ­водителей и институтов. Первоначально PROFIBUS разрабатывалась при коорди­нации Министерства исследований и техники Германии и теперь включена в не­мецкий и европейский стандарты (соответственно DIN 19245 и EN 50170). Подобно другим шинам локального управления, PROFIBUS сочетает функции уровней 1, 2 и 7 модели ВОС (физический, канальный и приложений). PROFIBFS соответствует существующим стандартам, определяющим разные уровни; основ­ное внимание уделялось сохранению совместимости с уже используемым оборудо­ванием. Наиболее важные операции с этим типом шин не требуют специализиро­ванных процессоров и выполняются программным обеспечением, работающим на обычных процессорах.

Физическая среда передачи PROFIBUS — это экранированная витая пара в соот­ветствии со спецификацией интерфейса RS-485 с максимальной длиной 1200 м (до 4800 м с использованием повторителей). Скорости передачи данных — 9.6, 19.2, 187 и 500 Кбит/с. В новых конструкциях предусмотрено применение оптоволоконного кабеля и, соответственно, более высокие скорости.

PROFIBUS может работать как с одним постоянным ведущим устройством, так и в конфигурации с несколькими ведущими. Управление доступом к среде основано на гиб­ридной версии маркерной шины IEEE 802.4, включающей ведущую и ведомую станции. К шине можно присоединить до 127 активных и пассивных станций. Между активными станциями циркулирует маркер — станция может передавать информацию, если владеет маркером. Маркер недоступен пассивным станциям — активная станция должна запро­сить пассивную, после чего она может ответить сообщением (рис. 9.28).

В системе PROFIBUS предусмотрено несколько типов сообщений — от простых запросов и подтверждений до более сложных пакетов данных. Сообщение имеет мак - симальную длину 256 байт; ему можно приписать один из двух уровней приоритета. Сообщения PROFIBUS основаны на подмножестве языка М MS, включающем поня­тия виртуального устройства (VMD) и модель клиент-сервер, а также набор команд для выполнения сетевых операций, удаленного запуска и остановки задач и т. д. До­полнительным свойством PROFIBUS являются функции управления, например из­менение конфигурации шины, добавление и удаление станций, выявление и изоля­ция аварийных элементов.

Рис. 9.28. Принцип работы шины PROFIBUS

Маркер циркулирует между ведущими станциями В, С, Е, F и G. Владелец маркера может вести передачу. Ведомые станции A, D и Н не могут передавать данные произ­вольно, а должны отвечать на запрос ведущей

PROFIBUS разработана для поддержки на одной шине интеллектуальных дат­чиков одновременно с более сложными устройствами (типа ПЛК, регуляторов, не­больших управляющих компьютеров и т. д.). Коммуникации на основе сообщений обеспечивают определенную гибкость в отношении типа и количества данных, кото­рыми обмениваются устройства, однако это достигается за счет быстродействия. PROFIBUS не может гарантировать, что данные от каждого датчика поступают с по­стоянной скоростью. Соответствует ли это требованиям процесса или нет, нужно ре­шать в каждом конкретном случае.

PROFIBUS может работать в режимах с несколькими или с одним ведущим ус­тройством. Если имеется только одно ведущее устройство, то порядок последова­тельного опроса ведомых устройств можно точно определить и рассчитать предва­рительно.

PROFIBUS позволяет осуществлять настройку различных параметров, кото­рые делятся на параметры шины, одинаковые для всех станций, и параметры уст­ройства, отличающиеся от станции к станции. Параметры шины должны быть оп­ределены таким образом, чтобы получить требуемые функциональные характеристики и при этом обойти слабые места. Например, параметр щины "Вре­мя обращения маркера" (Target rotation time), т. е. максимальное время, необходи­мое для полного обращения маркера по шине, должен выбираться таким образом, чтобы активные станции не простаивали бы слишком долго в ожидании доступа к среде передачи. Время обращения маркера можно вычислить только на основании информации о типе коммуникации и о типичной длине сообщения. На практике режим работы сети должен анализироваться, проверяться и настраиваться с помо­щью соответствующего анализатора, который позволяет оценить эффективность операций в терминах определенных показателей (пропускная способность, среднее время ожидания, среднее время реакции).

9.7.4. Будет ли создан стандарт Fieldbus?

Описанные здесь решения не являются единственными. Почти каждая серьезная компания, работающая в сфере промышленной автоматизации, пользуется собствен­ным типом шины локального управления, которая более или менее основана на су­ществующих стандартах и совместима с ними. Несколько различных вариантов шины Fieldbus не обязательно являются недостатком, если дают выигрыш в качестве управления. Для PROF1BUS характерна гибкость систем с маркером — любое уст­ройство может начать запрашивать данные, если обладает маркером. Bitbus, осно­ванная на идее центрального устройства, более эффективна, когда необходимо при­держиваться определенной последовательности операций и обращаться к простым ведомым устройствам, но менее эффективно поддерживает асинхронные операции с более или менее независимыми, т. е. обладающими интеллектом, устройствами. Bitbus — это строго иерархическая структура с единственным ведущим устройством, a PROFIBUS поддерживает параллельные действия нескольких интеллектуальных устройств.

Трудно предугадать, появится ли интегрированный стандарт Fieldbus или же бу­дут сосуществовать несколько разнотипных стандартов. Выполняется целый ряд на­циональных и международных проектов для выработки унифицированных стандар­тов, например проект SP50 под эгидой ISA (Instrument Society of America), проекты Европейского союза по программе ESPRIT — CNMA (Communication Network for Manufacturing Applications) и FICIM (Fieldbus Integration into Computer Integrated Manufacturing), проект программы EUREKA EU 68 Fieldbus и проект ТС 65 Между­народной электротехнической комиссии. Поскольку национальная гордость и ры­ночные механизмы играют по крайней мере такую же роль, как и комитеты по стан­дартизации, положение, описанное выше, скорее всего, таковым и останется. Хотя, может быть, это и не так плохо. Проигрыш в унификации на уровне компонентов будет перекрываться свободой выбора метода коммуникаций, который в наиболь­шей степени подходит к решаемой задаче. Ориентированные на задачи реального времени типы локальных шин, такие как Bitbus, могут применяться на самом низком уровне для сбора информации от датчиков в базу данных производственного участ­ка, а с помощью PROFIBUS можно соединить в гибридную систему несколько неза­висимых устройств и интеллектуальных датчиков.

9.8. Применение сетей общего пользования

Локальные вычислительные сети удобны для соединения устройств в пределах одного здания или какой-либо ограниченной территории. С другой стороны, локаль­ные сети редко используются, если расстояния превышают километр или если ка­бель должен пройти по общественной территории. Во многих странах, особенно в Европе, можно построить мощную локальную сеть в границах одной площадки и не получить разрешения от властей на то, чтобы протянуть кабель в офисное здание, находящееся на другой стороне улицы. Вопросы, касающиеся монополии на связь, довольно запутаны и здесь обсуждаться не будут, однако всегда нужно учитывать национальные или территориальные условия. На практике это означает, что в ряде случаев информация должна передаваться по сетям, находящимся в собственности государственных, смешанных или частных почтовых, телеграфных или телефонных компаний. Более того, набирающее силу ограничение естественных монополий озна­чает, что несколько компаний могут предложить обслуживание, связанное с переда­чей информации на основе разных технологий и по разумным ценам. Другим поло­жительным для пользователя фактом является то, что, несмотря на огромное число производителей и телекоммуникационных компаний, технология подключения к се­тям общего пользования постоянно унифицируется. Таким образом, если не удается протянуть кабель через дорогу, можно выбрать одну из конкурирующих компаний для передачи информации по ее сетям.

Применение сетей общего пользования для передачи информации может опреде­ляться и другими причинами. В некоторых типах производств необходимо собирать информацию с объектов, имеющих значительную географическую протяженность, например при наблюдении за линиями электропередачи, системами водо - или газо­снабжения. В ряде случаев сооружение собственных коммуникационных линий для наблюдения за удаленной на 100 километров трансформаторной подстанцией может оказаться непрактичным. Это типичная ситуация, когда рационально привлечение постороннего поставщика услуг связи.

Приведенное ниже описание — короткое введение в сети общего назначения
с точки зрения подключения абонентов. Внутренние механизмы этих сетей рассмат-­
риваться не будут.

9.8.1. Телефонная сеть и модемы

Телефонная сеть справедливо может считаться одним из современных чудес све­та. Она существует, работает и ее можно использовать для передачи информации. Она соединяет примерно полмиллиарда телефонов во всех странах мира и обеспечи­вает, хотя и не всегда, вполне удовлетворительное качество связи. Это хороший при­мер того, как очень сложная система может постепенно развиваться на сравнительно простой основе, вместо того чтобы строиться по плану, как это принято сейчас. До своего современного состояния телефонная система развивалась в течение более ста лет. Безусловно, телефонные сети отражают и значительные различия между страна­ми мира. По оценкам ООН телефон недоступен примерно двум третям населения планеты.

С точки зрения передачи информации типовое телефонное соединение является плохой средой. Полоса пропускания составляет приблизительно 3000 Гц, что доста­точно для различимой передачи человеческого голоса, но малоприемлемо с точки зрения данных. Ограничение ширины полосы пропускания происходит в действи­тельности не из-за качества цепей в телефонном аппарате и не из-за свойств кабель­ных линий, которые могут обеспечивать скорости передачи данных до нескольких сотен Кбит/с, а из-за фильтров, установленных на телефонных станциях и телефон­ных линиях. Частотный спектр искусственно сужается, чтобы обеспечить сжатие и мультиплексирование для передачи па большие расстояния. В телефонных систе­мах сочетаются аналоговые и цифровые технологии. Голосовой сигнал абонента передается на ближайшую телефонную станцию по витой паре (аналоговая форма). На телефонной станции сигнал преобразуется в цифровую форму и передается по ско­ростным мультиплексным каналам (по медному и оптоволоконному кабелю, по спут­никовым или микроволновым каналам) до следующей станции. Здесь выделяется ис­ходный сигнал и по витой паре передается абоненту.

Цифровую информацию нельзя передавать по телефонной линии непосредствен­но, поскольку узкая полоса пропускания срежет постоянные составляющие и иска­зит сигналы, изменяющиеся с высокой частотой. Чтобы преодолеть эти трудности, применяются модемы, которые согласуют цифровые данные с характеристиками те­лефонной линии. Слово "модем" является аббревиатурой от "модулятор/демодуля­тор". Модем относится к аппаратуре окончания канала данных (раздел 9.3.6). Модем генерирует несущую с частотой от 1000 до 2000 Гц и модулирует ее в соответствии с передаваемой информацией. Частота и тип модуляции (амплитудная, частотная или фазовая) меняются в зависимости от стандарта.

Режим работы модема может быть полудуплексным или дуплексным. В полудуп­лексном режиме одно устройство в каждый момент времени является передающим, другое — принимающим. Изменение направления передачи определяется протоко­лом. В дуплексном режиме для передачи в разных направлениях используются раз­ные частоты, поэтому прием и передача могут выполняться одновременно. Некото­рые из современных модемов способны адаптироваться к характеристикам сети, скоростям передачи и другим параметрам. Обычный интерфейс между ЭВМ или терминалом и модемом — EIA-232-D (раздел 9.3.6).

Модемы, работающие на основе сложных схем кодирования, достигают сегодня приблизительно половины максимальной теоретической скорости передачи, опре­деляемой теоремой Шеннона (уравнение 9.3). При наличии шума их эффектив­ность быстро уменьшается, а необходимость применения схем коррекции снижает их реальную пропускную способность до уровня, меньшего, чем у более медлен­ных модемов. Типичные модемы для обычных телефонных линий работают в ди­апазоне между 9600 ибит/с, а некоторые достигают скоростибит/с на хороших линиях с высоким отношением сигнал/шум. Скоростные модемы мо­гут автоматически переключаться на меньшие скорости, если это необходимо из-за низкого качества линии и узкой полосы пропускания. Скоростьбит/с является практически верхним пределом для передачи информации по обычным телефонным линиям и, скорее всего, не возрастет. Современная тенденция за­ключается в замене аналоговых линий цифровыми с большей пропускной способ­ностью.

Решение, которое позволяет увеличить скорость передачи данных и используется в некоторых конструкциях модемов, — это сжатие данных. Например, вместо того чтобы посылать последовательно сто нулей, более эффективно послать управляю­щий код, означающий, что следующие 100 знаков — это нули. Эффективность сжа­тия данных зависит от их вида. Значительного выигрыша можно достичь для данных с избыточностью, но сжатие неэффективно, если данные не содержат повторений и изменяются по закону, близкому к случайному.

9.8.2. Цифровые сети

К наиболее важным способам передачи цифровых данных относятся:

- коммутация цепей (устройств);

- выделенные линии;

- коммутация сообщений;

- коммутация пакетов.

Коммутация цепей

Коммутация цепей (устройств) (circuit switching) — это непосредственное соеди­нение двух устройств с помощью физического тракта передачи, например модемов через телефонную сеть. Соединение устанавливается после набора номера и остается активным до тех пор, пока одно из устройств не инициирует его разрыв — "повесит трубку". Название происходит от того, что на старых декадно-шаговых АТС при ус­тановке соединения происходит замыкание контактов соответствующих реле, после чего возникает прямой физический тракт передачи между двумя оконечными уст­ройствами. Стоимость зависит от продолжительности соединения.

Выделенные линии

Выделенная линия (leased line) — это постоянно установленное соединение меж­-
ду двумя определенными точками. Для передачи данных используются обычные
аналоговые линии повышенного качества, т. е. специально протестированные и экра-­
нированные, чтобы обеспечивать большую полосу пропускания и отношение сиг-­
нал/шум и, соответственно, пропускную способность. Арендная плата обычно фик-­
сирована за месяц или за год и не зависит от объемов трафика, который может
включать себя и голос, и данные. На таких линиях обычно используются модемы со
скоростями 19.2, 56 Кбит/си выше.

Коммутация сообщений и Интернет

Еще один способ передачи информации — коммутация сообщений (message switching). Цифровое сообщение целиком отправляется в сеть и передается от узла к узлу, пока не достигнет конечного пункта, при этом используется метод передачи данных с промежуточным хранением (store-and-forward). Этот способ применяется при передаче телексных сообщений и сообщений электронной почты и практически не представляет интереса в задачах промышленной автоматизации.

Особым типом сети коммутации сообщений является Интернет, который в после­дние годы приобрел всемирную популярность. Интернет является исключительно гибкой сетью, которая использует все возможные комбинации цифровых сетей. При­менение протокола TCP/IP позволяет пользователям обмениваться сообщениями и контактировать друг с другом по всему миру.

Следует, однако, отметить, что Интернет не дает ни гарантий какого-либо опреде­ленного качества работы, ни того, что сообщение достигнет адресата или что это про­изойдет за определенное время. Поэтому Интернет нельзя рассматривать в качестве надежного средства передачи информации для производственной системы реально­го времени. Если необходимо наблюдать за каким-либо удаленным объектом, то нужно обеспечить цифровую связь этого объекта с ближайшим сервером Интернета, от которого сообщения будут передаваться к центральной системе обработки инфор­мации. В таком случае можно потребовать от поставщика услуг связи трансляции цифровых сообщений прямо к пункту назначения, минуя Интернет.

Компании, придающие большое значение связям с общественностью, например энергосистемы или химические предприятия, могут открыть в Интернете страницу, описывающую их деятельность или даже позволяющую следить за реальным изме­нением во времени каких-либо основных параметров (например, текущих значений выработки и потребления мощности энергосистемы). Эта информация, конечно, не является существенной для работы системы, и любой сбой в работе Интернета не будет иметь неприятных последствий. Интернет не является приемлемым вариан­том при жестких требованиях к качеству и времени передачи.

Коммутация пакетов

Современное состояние в области цифровых коммуникаций — это коммутация

пакетов (packet switching), устанавливающая виртуальный канал связи между узла­ми. Сообщение от передатчика делится на пакеты ограниченной длины (до несколь­ких сот байт). Каждый пакет содержит протокольную информацию, в частности, пос­ледовательный номер пакета и адрес получателя. Пакеты направляются к адресату по виртуальным каналам. Маршрут каждого пакета вырабатывается независимо, по­этому возможна ситуация, когда пакеты, предназначенные одному адресату, переда­ются по разным физическим каналам. Более того, пакеты могут поступать адресату не в том порядке, в котором они были отправлены источником. Ответственность за переупорядочение поступающих пакетов на основе их номеров и восстановление ис­ходного потока данных несет последнее устройство в сети, к которому непосредствен­но подключен абонент-получатель.

Пакеты от различных пользователей мультиплексируются в магистральных ка­налах, поэтому пропускная способность сети используется более эффективно, чем при выделенных линиях или коммутации цепей. Загрузка сети может стать более равномерной, поскольку каждый абонент не использует постоянно всю емкость ка­нала связи, а спорадически передает значительные объемы данных в течение корот­ких промежутков времени. Поэтому в среднем пользователи загружают канал бо­лее или менее равномерно. Другим важным достоинством коммутации пакетов является возможность прозрачного для пользователя изменения маршрута при выходе из строя промежуточного узла или канала связи. Благодаря этим свой­ствам, сети с коммутацией пакетов обычно имеют хороший показатель готовности. Стоимость обслуживания в сети коммутации пакетов зависит от общей длительно­сти виртуального соединения (поскольку, даже ничего не передавая, абонент зани­мает порт у поставщика услуг) и объема переданных данных. Вообще говоря, сто­имость передачи цифровых данных по виртуальным сетям меньше по сравнению с другими способами.

Доступ к пакетным сетям обычно осуществляется по протоколу Х.25; соответ­ствующие рекомендации МСЭ включают первые три уровня модели БОС. На физи­ческом уровне интерфейс между ООД и ЛКД (раздел 9.3.6) — это Х.21; этот интер­фейс определяет электрическое соединение и протокол установки соединения, ориентированный на работу в телефонной сети ("набор номера", "линия занята", "со­единение установлено" и т. д.). 21 использует 15-штырьковый разъем, в котором задействовано только 8 контактов. 21, однако, применяется достаточно редко; поэтому разработана его модификация Х.21-bis, позволяющая применять соединение ООД и АКД с помощью EIA-232-D.

На канальном уровне стандарта Х.25 определен специальный протокол LAPB (Link Access Procedure-Balanced), являющийся подмножеством протокола HDLC (раздел 9.4.5). На сетевом уровне протокол Х.25 обеспечивает команды для установ­ки, управления и завершения виртуального соединения.

9.8-3. Цифровая сеть с комплексными услугами (ISDN)

Аналоговый способ передачи удовлетворителен для голосовой связи, но плохо подходит для цифровых данных, которые необходимо предварительно преобразовы­вать в аналоговую форму. Для передачи данных наилучшим решением является сквозное применение цифровых технологий.

Этой задаче отвечает сеть ISDN (Integrated Services Digital Network — цифровая сеть с комплексными услугами), которая была разработана в соответствии с моделью БОС. Главная идея ISDN заключается в том, что основная масса информации — это либо циф­ровые данные (потоки между ЭВМ, факсимильные сообщения, мониторинг удаленных объектов), либо информация, которую можно преобразовать к цифровой форме (для голосовых сообщений — дискретизацией), так что лучшим способом передачи являют­ся полностью цифровые каналы, из конца в конец, включая абонентское оборудование (телефон или другое устройство). ISDN является основной концепцией развития теле­фонной сети в настоящее время и, видимо, останется таковой и в начале XXI века.

В качестве основного набора услуг для стандартного абонента ISDN предоставля­ет два канала 64 Кбит/с и один 16 Кбит/с, называемые соответственно В - и D - кана­лами. Два В-каиала используются для двух параллельных соединений, например од­новременной передачи голоса и данных, К одному абонентскому окончанию можно присоединить до 8 устройств, хотя одновременно могут работать только два из них. , D-канал с пропускной способностью 16 Кбит/с применяется для вспомогательной информации и управляющих сигналов, например подачи коротких сообщений на дисплей телефонного аппарата, когда абонент разговаривает. Голос оцифровывается с частотой 8 кГц и восстанавливается на противоположном конце линии; все другие виды сообщений, которые имеют цифровую природу, передаются непосредственно. Абонентское подключение выполняется с мультиплексированием каналов по витой паре, пропускной способности которой для этого достаточно. Конфигурация из двух В - и одного D-канала называется базовой (Basic Rate Interface — BRI).

Пользователи с большими объемами трафика могут пользоваться так называемой первичной (Primary Rate Interface — PRI) конфигурацией, которая в Северной Аме­рике и Японии состоит из 23 В-каналов и 1 D-канала, с общей пропускной способно­стью около 1.5 Мбит/с, а в Европе — из 32 В-каналов и 1 D-канала, что в сумме со­ставляет 2 Мбит/с. В качестве канального протокола в ISDN используется протокол LAPD (Link Access Procedure D-Channel ~ процедура доступа к D-каналу), который является подмножеством HDLC, но с расширениями, выходящими за рамки после­днего. Другим интересным решением является широкополосная ISDN с пропускной способностью 150 Мбит/с. Новым элементом широкополосной ISDN является то, что это обслуживание переключаемого типа, т. е. может адресоваться как обычный телефонный вызов и не ограничено соединением типа быстрой связи "точка-точка". В качестве физического носителя для широкополосной ISDN применяется оптичес­кий кабель.

Базовая конфигурация (2B+D) была предложена исходя из маркетинговых со­ображений. Обычный абонент, заинтересованный только в голосовой связи, заме­тил бы только лучшее качество сигнала и меньшее время соединения по сравне­нию со стандартной телефонной сетью аналогового типа, но в одиночку это вряд ли послужило бы серьезным аргументом в пользу ISDN. Решающим фактором оказалась возможность предоставления одновременно двух услуг, например го - лосовой и факсимильной связи. Другим аргументом в пользу ISDN является то, что не требуется замена существующей кабельной инфраструктуры пользовате­ля — присоединение к новой цифровой телефонной станции можно выполнить на основе старой проводки.

В случае применения ISDN не требуются специальные сети для передачи данных, поскольку ISDN сама по себе является цифровой сетью. Благодаря тому, что ISDN была в деталях определена прежде, чем началось ее внедрение, все телекоммуника­ционные компании в разных странах могут строить ISDN, следуя одинаковым принципам, что позволяет свести к минимуму проблемы совместимости сетей и обо­рудования. Промышленность, выпускающая аппаратуру ISDN на мировой рынок, больше не имеет необходимости производить несколько версий одного и того же про­дукта для разных стран, как это случалось до недавнего времени.

9.8.4. Асинхронный режим передачи (ATM)

Асинхронный режим передачи (Asynchronous Transfer Mode — ATM) представля­ет собой очень быструю технологию, разработанную для объединения разнородных потоков цифровых данных, включая оцифрованные голос и видео, которые требуют как высокой пропускной способности, так и отсутствия каких-либо ощутимых запаз­дываний при передаче. При использовании ATM не делается различий между типа­ми трафика, а вся информация передается пакетами длиной по 53 байта, которые на­зываются ячейками (cells'). Каждая ячейка содержит 5-байтовый заголовок, несущий информацию о протокол, и 48 байт данных пользователя. Фиксированная длина не­обходима для высокоскоростной и эффективной коммутации. Длина пакета может показаться странной и в действительности является результатом компромисса меж­ду двумя наборами противоположных требований. Короткие ячейки больше подхо­дят для передачи голосовой и видеоинформации, а длинные — для передачи данных. В ходе определения стандарта была найдена компромиссная величина, составляю­щая 48 байт. При использовании ATM данные, превышающие по длине 48 байт, раз­биваются на ячейки в первом узле и восстанавливаются в последнем, аналогично сети коммутации пакетов типа Х.25 или ISDN. Коммуникационные каналы явля­ются виртуальными, но после установления соединения все промежуточные уст­ройства сети владеют информацией о маршруте, поэтому ячейки могут немедленно продвигаться дальше по направлению к получателю без анализа служебной инфор­мации, содержащейся в заголовке.

Стандарт ATM обеспечивает разные виды обслуживания в зависимости от прило­жения. Основным является выбор между постоянной (Constant Bit Rate — CBR) и переменной ( Variable Bit Rate — VBR) скоростью передачи от источника к приемни­ку. Первый тип необходим для задач, где недопустимы произвольные запаздывания, в частности передача голосовых сообщений. Второй тип приемлем для электронной почты и пересылки файлов, где величина разрыва между моментами отправки сооб­щения и его приема не играет большой роли, особенно в случае, когда это снижает стоимость услуг связи.

Наиболее известным стандартным интерфейсом для ATM является SONET (Synchronous Optical Network — синхронная оптоволоконная сеть), обеспечивающая пропускную способность 2 Гбит/с для оптоволоконного кабеля и 155 Мбит/с для витой пары.

9.9. Заключение

Коммуникации играют определяющую роль в работе сложных систем, в которых
должен происходить обмен данными между различными компонентами. Распреде­
ленное управление производством — пример такой системы. ф

Ключевым параметром, описывающим коммуникации, является пропускная спо­собность каналов связи. Пропускная способность есть функция полосы пропускания канала, уровня шума и применяемого способа кодирования.

Для того чтобы упорядочить содержание понятий "коммуникации" и "совмести­мость", была разработана эталонная модель взаимодействия открытых систем. В моде­ли ВОС процесс коммуникаций разбит на семь уровней, начиная с физического (кабе­ли, разъемы и величина электрических сигналов) и до уровня приложений, на котором происходит обмен прикладной информацией (файлы, данные о производстве). На каждом уровне специфицирован набор стандартных услуг и механизм их предоставле­ния. На базе модели ВОС разработаны несколько коммуникационных стандартов.

Некоторые решения на физическом и канальном уровнях имеют особое значение для промышленной автоматизации и систем управления процессами. Для передачи данных применяются витая пара, коаксиальный и оптоволоконный кабель. Важней­шими электрическими интерфейсами являются EIA-232-D и RS-485, рассмотренные в этой главе. Широко, распространенными протоколами для передачи данных явля­ются HDLC и его производные (например, протокол Ethernet) и протокол TCP/IP. Последний был первоначально разработан для передачи информации по сложным, взаимосвязанным сетям, но оказался вполне подходящим продуктом для задач про­мышленного производства.

Двумя важными концепциями, на которых основан обмен информацией в про­мышленности, являются MAP и ТОР. Они ориентированы на различные составляю­щие промышленной деятельности, соответственно производство и общее управле­ние), но в значительной мере совместимы друг с другом. Как MAP, так и ТОР являются сложными продуктами и поддерживают взаимодействие большого коли­чества устройств на производстве среднего и крупного масштаба.

Решения, применяемые на нижнем уровне (уровень участка) промышленной авто­матизации, обычно базируется на 1,2 и 7 уровнях ВОС. Шины локального управления представляют собой устройства, специально разработанные для использования в про­мышленных условиях. Развитие техники локальных вычислительных сетей, доступ­ность недорогого, гибкого и стандартизированного коммуникационного оборудования лежат в основе успешного применения цифровой техники на всех уровнях промыш­ленной автоматизации, вплоть до датчиков и исполнительных механизмов. Благодаря новым цифровым решениям, например обеспечиваемым шинами локального управле­ния, датчики и исполнительные механизмы могут обладать некоторыми собственны­ми вычислительными ресурсами и непосредственно взаимодействовать с управляю­щими ЭВМ, минуя этапы обработки и согласования аналоговых сигналов.

Вероятно, не существует другой области, кроме связи, где потребность в стандарти­зации была бы столь велика. В случае, когда возникает потребность в применении но­вой техники, но соответствующие стандарты либо отсутствуют, либо не полностью определяют ситуацию, целесообразно использовать продукцию одного признанного производителя. Последний должен взять на себя ответственность по обеспечению бу­дущей интеграции его продукции в рамках постепенно создаваемых стандартов.

Рекомендации по дальнейшему чтению

Классическим трудом по основам теории связи является [Shannon/Weaver, 1949] — собрание классических статей по статистическому анализу процессов передачи ин­формации.

Книга [Tanenbaum, 1996] на очень высоком уровне излагает практически все, что необходимо о коммуникациях между ЭВМ, и при этом не утомляет читателя а [Tanenbaum, 1995J посвящена работе сетей как важнейшей части распределенных вычислительных систем. Обе книги рекомендуются для изучения, поскольку Tanenbaum является одним из немногих авторов, которые способны дать весьма со"-лидное техническое обоснование и, не выходя за рамки устоявшихся способов изло­жения, сообщить новые идеи и взгляды, не отрываясь в то же время от реальных практических задач,

[Black, 1989] является современным и глубоким справочным руководством по общим вопросам связи, включая решения по передаче голоса и данных, ведущих те­лекоммуникационных компаний. Текст содержит детальную информацию о прото­колах связи. [Held, 1989] описывает передачу данных, уделяя основное внимание оборудованию (модемы, мультиплексоры, интерфейсы). Это весьма современный материал, в деталях иллюстрирующий передачу информации по сетям общего пользования. Протокол TCP/IP детально описан в [ Washburn/Evans, 1996] с соблю­дением очень удачного баланса между теоретическими положениями и практически­ми требованиями. Эта книга содержит также и хорошее описание общих принципов построения сетей.

Описание шины PROFIBUS дано в [Bender, 1990]. Полный стандарт существует в виде документа DIN 19245, часть 1 и 2. Обзор предложений и требований к общему стандарту шин локального управления (Fieldbus) дан в [Wood, 1988]. Соображения, связанные с проблемой открытых стандартов для взаимодействия с устройствами типа Fieldbus, рассмотрены в [Warrior/Cobb, 1988].

В статье [Kaminski, 1986] описаны главные идеи, положенные в основу MAP. В том же журнале [Farowich, 1986] представляет и протокол ТОР. Позднее был вы­пущен целый ряд книг, посвященных описанию протоколов MAP и ТОР.

Документацию по всем упомянутым нормативам и стандартам можно затребо­вать в национальных организациях по стандартизации. Некоторые адреса приведены в приложении "Стандарты и организации по стандартизации".

[1] В оригинале "communication". В русском языке этому понятию соответствуют термины Коммуникации" и "связь", причем первый носит обобщенный характер (например, транспортные коммуникации), а второй обычно ассоциируется с передачей речи.

[2] Существует еще несколько спецификаций формата кадров Ethernet.