книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации
.pdfжила трехфазную стратегию внедрения Ethernet в АСУТП. В основе DCA – интеллектуальный коммутатор, поддерживающий логическую кольцевую архитектуру с дублированными каналами связи. Hirschmann выпускает коммутаторы и концентраторы Ethernet, соответствующие требованиям механической монтажной шины DIN 35, с 24-вольтовым питанием постоянного тока, сохраняющие работоспособность при повышении температуры до 60 °С.
5. Основные вехи истории развития сетей Industrial Ethernet на базе шины Profibus (фирма Siemens) следующие:
♦1985 год – шинный кабель Sinechi: стандартный желтый кабель с дополнительным алюминиевым экраном, концепция заземления для всей установки.
♦1989 год – структура шины с резервированием: возросшие возможности сети благодаря двухшинной структуре, управление доступом с использованием специального ПО в системе автоматического управления.
♦1992 год – оптоволоконные сети: модульные звездообразные концентраторы и усиленные оптоволоконные кабели для использования в условиях производства.
♦1994 год – оптические кольца с резервированием: высокая надежность благодаря оптическим кольцам со звездообразными концентраторами, кольцевая структура снижает затраты на резервирование сети.
♦1995 год – сети на базе витой пары для использования в условиях производства (industrial twisted pair): витые двухпроводные кабели с усиленным экранированием, соединения с использованием разъемов типа Sub-D.
♦1996 год – оптимизированная концепция оптических компонентов и стандартных сигналов: оптический соединительный модуль (OLM) и звездообразный концентратор для монтажа на стандартной шине DIN дают выигрыш в затратах и обеспечивают возможность резервирования. Поддержка модулем OLM подключения дискретных сигналов и звездообразный концентратор, с помощью которого состояния сети могут быть выведены на человеко-машинный интер-
141
фейс (HMI) (например, WINCC), обеспечивают удешевление управления сетями.
♦ 1998 год – переключение и скорость обмена 100 Мбит/с: проверенные концепции Industrial Ethernet теперь доступны для Fast Ethernet. Информационные технологии входят в промышленную ком-
муникационнуюсвязь(Simatic Net-CP 443-1 IT дляSimatic S7-400).
♦1999 год Simatic S7 интегируется с IT коммуникационным процессором CP 443-1 IT, связывает Simatic с Интернетом.
♦2001 год – начало внедрения мобильных информационных систем в промышленности: мобильные приложения выполняются
сиспользованием беспроводных сетей LAN с помощью мобильного устройства MOBIC Internet Pad.
♦2003 год – Profinet: две шинные системы наращиваются с помощью модулей связи для Profibus и Ethernet. Становится воз-
можной автоматизация с добавлением компонентов.
♦2004 год – Profinet: Industrial Ethernet получает функции ре-
ального времени.
♦2005 год – Profinet получает развитие для полевых условий, ряд компаний принимают Profinet как стандарт для будущего применения.
6. Компания Foundation вначале предполагала разработать от-
дельный высокоскоростной вариант верхнего уровня (Н2), обеспечивающий скорость передачи от 1 до 2,5 млн бит в секунду (МБод). Однако впоследствии совет директоров Foundation принял решение сфокусировать усилия разработчиков на использовании высокоско-
ростной магистрали Fast Ethernet (High-Speed Ethernet – HSE), про-
веренного существующего протокола передачи, используемого при высокой скорости обмена информацией.
Проект HSE был одобрен советом директоров организации Fieldbus Foundation в марте 1998 года. HSE обеспечивает функциональные возможности, первоначально предполагавшиеся для Н2, но на скорости 100 Мбит/с (МБод) с использованием стандартных компонентов Ethernet. HSE дает возможность связи с сетью Н1 без обращения к главной системе, устраняет прокладку лишних кабе-
142
лей, работает на скорости передачи 100 МБод, дает возможность использовать дешевые кабели 10/100BASE-T, обеспечивает совместимость со всем коммерческим оборудованием Ethernet и использование протоколов Internet. Было решено дополнительно ввести поддержку TCP/IP и основных протоколов Internet, таких как FTP, HTTP, SMPT, SNMP и UDP, для обеспечения полной интеграции полевых устройств. Использование компонентов стандарта 10/100BASE-T обеспечит возможность установки сетевых коммутаторов, устраняющих переполнения и поддерживающих стабильную работу сети.
7. На рынок промышленных сетей вышла компания Cisco Systems, которая организовала совместно с GE Industrial Systems компанию GE Cisco Industrial Networks. Партнеры надеются создать единую коммуникационную инфраструктуру предприятия и распространить на сферу АСУ такие преимущества Ethernet, как относительно низкую стоимость установки и технической поддержки, а также простоту интеграции с Internet. Ожидается, что в течение трех-пяти лет продажи нового предприятия достигнут 100 млн долл. Эксперты считают эту сумму вполне реальной, поскольку прогнозируют трехмиллиардный объемрынкаEthernet дляпромышленногоприменения.
Для сетевого гиганта Cisco несколько десятков миллионов долларов – незначительная добавка к многомиллиардному обороту. Однако тот факт, что компания, лидирующая в сетевой индустрии, проявила интерес к СА, весьма примечателен. Правда, ее появление на этом рынке может увеличить количество частных решений, предлагаемых всеми крупными производителями. По-видимому, ситуация будет развиваться по обычному сценарию: с опережением разработки стандартов начнут продвигаться продукты таких компа-
ний, как Hilscher, Hirschmann, Siemens, а также GE и Cisco.
Успешно завоевав мир офисной автоматизации, Ethernet и TCP/IP начали применяться и в распределенных системах управления производством. В качестве основного оружия при этом используется заманчивая идея бесшовного соединения всех уровней классической пирамиды автоматизации – от АСУТП до АСУП. Реализация
143
этой идеи потребовала серьезной адаптации Ethernet, особенно в плане поддержки реального времени. Недетерминированные протоколы связи типа HTTP и FTP, конечно, обеспечивают универсальность
иудобство использования, но для применения в промышленности все же пришлось разрабатывать на основе Ethernet специальные прикладные протоколы.
На нижних уровнях производства Ethernet долгое время не применялся. Однако настало время, когда Ethernet начинают использовать
идля инструментальных систем. Вложение огромных инвестиций вEthernet стремительно меняет функциональность этой технологии. Действительно, сегодня Ethernet так же разительно отличается от сво-
его предшественника, появившегося в начале 1980-х годов, как современныеПКоткомпьютеровтоговремени.
Вначале Industrial Ethernet развивался как стандартизованный (IEEE 802.3 и 802.1.1) вариант Ethernet для применения в промышленности, как сеть с процедурой доступа CSMA/CD. Industrial Ethernet обычно используется в этом случае для обмена данными между РLC и SCADA, реже для обмена данными между контроллерами и незначительно для подключения к контроллерам удаленного оборудования (датчиков и исполнительных устройств). Широкому применению Ethernet в последних задачах препятствует метод CSMA/CD, делающий невозможным гарантию обмена небольшим количеством информации (единицы байтов) с высокой частотой (миллисекундные циклы обмена).
В общем виде структура Industrial Ethernet в СА представлена на рис. 2.7.
Самый важный уровень СА – собственно управляющая производственным процессом сеть. Ее основу чаще всего составляет резервируемое оптоволоконное и электрическое Ethernet-кольцо. Передача по витой паре через порт 1000BASE-T поддерживает также автоматическую нисходящую установку скорости 100 или 10 Мбит/c для подключения оконечных устройств в соответствии с их возможностями. Для передачи данных по гигабитному сегменту с витой парой на расстояние до 100 м требуется кабель с четырьмя парами
144
проводов, удовлетворяющий требованиям каналов связи как минимум пятой категории; при более высоких требованиях применяются кабели шестой категории. Для передачи по оптоволокну на расстояние до 550 м используют многомодовый кабель (1000BASE-SX), а для большихрасстояний(20 км) – одномодовый кабель(1000BASE-LX).
Рис. 2.7. Структура Industrial Ethernet в СА
Устройства со скоростью обмена 31,25 кбит/с могут получать питание непосредственно по полевой шине Fieldbus и работать с использованием кабельных соединений, ранее применявшихся для устройств 4–20 мА.
Кроме того, полевая шина Fieldbus со скоростью обмена 31,25 кбит/с может обеспечивать искробезопасность при работе с устройствами, получающими питание по шине. Для достижения этого между источником питания в безопасной зоне и искробезо-
145
пасным устройством в опасной зоне должен быть установлен барьер искрозащиты.
Науровнеуправляющейсетипроисходятследующиепроцессы:
♦сбор, обработка и накопление информации обо всех параметрах технологического процесса и промышленного оборудования
иконтроллеров, а также о его состоянии;
♦обнаружение критических и аварийных ситуаций в работе оборудования и уведомление обслуживающего персонала;
♦управление технологическим процессом с АРМ-операторов;
♦формирование всех данных о состоянии и параметрах технологического процесса для использования в системах.
Информация из управляющей сети АСУТП в реальном времени передается на уровень сети предприятия (АСУП), где происходит формирование всего необходимого для обеспечения функционирования производства (потребности в материалах, готовая продукция), состояния технологического оборудования (простои, аварии), итоговых отчетных форм для руководящего персонала, ERP-систем и т.д.
В классическом Ethernet все станции имеют одинаковый при-
оритет; при этом каждая станция может обмениваться данными слюбой другой станцией в любом объеме и в любое время. Поскольку классический стандарт Ethernet разрабатывался как последовательная шинная система, то все станции имеют доступ к данным станцииотправителя. Доступом к сети управляет процедура CSMA/CD. Время передачи пакетов данных в большой степени зависит от загруженности сети и не может быть определено заранее. Скорость работы сети становится медленнее с ростом числа коллизий, поэтому Shared Ethernet (Ethernet-сеть с общим доступом) с коллизиями подходит для АСУТП только при определенных ограничениях.
Для разрешения указанной выше проблемы в промышленных условиях используются следующие решения: сегментирование сетей (разбиение коллизионных доменов), использование коммутационной техники, а также использование более скоростных сетей, та-
ких как Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.
146
Изначальный для сетей Ethernet протокол множественного доступа к среде передачи с обнаружением коллизий CSMA/CD – недетерминированный, и поэтому не пригоден для систем реального времени. Решение данной проблемы сводится к применению современной коммутируемой среды связи или к использованию специальных методов (например, метода создания сети с одним ведущим устройством). С помощью протоколов TCP/IP и новых системных решений на основе коммутаторов и маршрутизаторов получены определенные результаты применения этих сетей для задач АСУТП и АСУП.
Применительно к модели взаимодействия открытых систем OSI Ethernet охватывает ее первые два уровня и не касается третьего уровня, на котором находится протокол TCP/IP. Хабы работают на первом физическом уровне, коммутаторы– на втором, а маршрутизаторы– на третьем. Коммутаторы могут интерпретировать сигналы на первых двух уровнях, что отражается в таблице MAC-адресов. Если адрес отсутствует, то коммутатор посылает его всем портам. Если устройство не подключено (удалено), то его вход исключается из базы данных. Типподключения(MDI/MDIX) определяетсяавтоматически.
Системы реального времени на основе Ethernet создают посредством реализации специальных методов, используя, исходя из соображений стоимости и быстродействия, различные варианты среды связи. Один из методов создания систем реального времени вместо протокола CDMA/CD применяет переключаемые интервалы времени, распределяющие передачи пакетов и сообщений в последовательной сети. Однако при таком методе недостаточно рационально используется полоса частот. Другой метод основан на построении упрощенного варианта сети только с одним ведущим контроллером при большом количестве ведомых устройств без использования коммутируемой среды. РСУ на основе такой сети использует метод интеракций одного ведущегоустройств сомногимиведомыми.
Однако основное направление в решении проблемы реального времени – это развитие коммутируемой среды связи. Коммутаторы и маршрутизаторы быстрой связи используют двухточечные ка-
147
налы для передачи адресуемых IP-пакетов, при этом на основе таблиц маршрутизации определяют наилучший маршрут в сети. Сложные функции маршрутизаторов реализуются программно, поэтому они более совершенны, по сравнению с коммутаторами, но медленнее. Новые маршрутизирующие коммутаторы объединяют преимущества обоих типов устройств по быстродействию и гибкости сетевой связи.
Важной составляющей в решении проблемы является переход на оптические каналы связи. Новое поколение АСУТП начинает переходить на гигабитные сети Ethernet, все шире используются кольцевые топологии или многокольцевые структуры, обеспечивая высокую надежность сетевых решений. В недалекой перспективе станет возможным создание широкополосных коммутируемых промышлен-
ных сетей 10-Gigabit Ethernet.
В качестве примеров каналообразующего оборудования и типовых аппаратных решений по увеличению производительности и надежности систем управления рекомендуется рассмотреть изде-
лия фирмы Hirschmann.
Для обеспечения защиты каналов связи от единичного отказа необходимо их резервировать. Резервирование неизбежно ведет к возникновению кольцевых участков сети – замкнутых маршрутов. Стандарт Ethernet предусматривает только древовидную топологию и не допускает кольцевых, так как это приводит к зацикливанию пакетов.
Современные коммутаторы, как правило, поддерживают до-
полнительный протокол Spanning Tree Protocol (STP, IEEE 802.1d),
который позволяет создавать кольцевые маршруты в сетях Ethernet. Постоянно анализируя конфигурацию сети, STP автоматически выстраивает древовидную топологию, переводя избыточные коммуникационные линии в резерв. В случае нарушения целостности построенной таким образом сети (обрыва связи, например) STP в считанные секунды включает в работу необходимые резервные линии, восстанавливая древовидную структуры сети. Этот протокол не требует первичной настройки и работает автоматически.
148
Более мощная разновидность данного протокола – Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP, IEEE 802.1w) – позволяет снизить вре-
мя перестройки сети до нескольких миллисекунд. Протоколы STP и RSTP дают возможность создавать произвольное количество избыточных линий связи и являются обязательными для промышленных коммутаторов, применяемых в резервированных сетях.
Отличительные особенности протокола Industrial Ethernet заключаются в следующем:
♦ быстрое восстановление соединения: если в офисном
Ethernet это время может составлять десятки секунд и даже минуты, то в промышленном не должно превышать 300–500 мс, иначе производственное оборудование может выйти из строя;
♦резервируемая технология: повышает надежность системы управления при выходе из строя одного из сегментов сети;
♦более высокое время наработки на отказ: оно составляет свыше 77 500 ч, что снижает вероятность остановок производства;
♦резервируемое питание (например, от сети и резервных аккумуляторов);
♦уведомление об аварийных ситуациях: посылка сообщений по электронной почте или выдача сигналов на релейные выходы для уведомления персонала об обрывах сегментов, превышении трафика;
♦индустриальный дизайн: промышленные корпусы, обеспечивающие функционирование устройств в агрессивных средах, пылевлагозащищенные, выдерживающие большой диапазон рабочих температур; прочные и предназначенные для применения в условиях производства компоненты сети сустройствамиввода для сигналов, кабели
иразъемы, отвечающие требованиям электромагнитной совместимости, крепление на DIN-рейку и специальные направляющие для крепленияв индустриальныхшкафах.
Необходимо обеспечить:
♦возможность применения Ethernet в системах РВ;
♦приемлемые стоимостные параметры.
Изменения, внесенные в стандарт Ethernet в последние годы, сделали эту технологию достаточно привлекательной для решения
149
задач промышленной автоматизации. Речь идет о дополнениях, не только обеспечивающих возможность повышения быстродействия (скорость передачи данных 10, 100 Мбит/с или 1 Гбит/с превосходит показатели полевых шин: быстродействие большинства из них не превышает 1–2 Мбит/с), но и позволяющих применить Ethernet в системах реального времени, вести передачу информации в заданные интервалы времени. При повышении уровня трафика задержки увеличиваются линейно и варьируются в пределах от 2 до 30 мс, что приемлемо для ряда промышленных применений.
Для большего быстродействия в спецификацию Ethernet были внесены дополнения. Появились коммутаторы, способные предоставить любому абоненту полную полосу пропускания сети, и полнодуплексные каналы, исключающие характерные для Ethernet коллизии за счет разделения линий приема и передачи данных абонентов.
Реализация требований стандартов IEEE 802.1p и IEEE 802.1Q предоставила возможность снабжать различные потоки данных приоритетами, определяемыми правилами управления сетью, и формировать виртуальные локальные сети, разделяя суммарный трафик и выделяя домены, поддерживающие режим реального времени.
Отсутствие временного детерминизма было предложено также компенсировать посредством учета необходимых временных соотношений взаимодействия различных устройств в протоколе, используемом поверх Ethernet. Представители Hewlett-Packard продемонстрировали подобный метод, обеспечивающий временное разрешение в пределах 200 нс.
Надежность сетей Ethernet обеспечивается с помощью введения избыточных компонентов в коммуникационные устройства, использования резервных линий связи в соответствии со стандартом IEEE 802.1d, применения современных методов управления сетями.
По мере развития СА совершенствовались способы повышения их надежности. Метод группового преобразования предполагал группирование и дублирование каналов связи: все кабели не укладываются в один и тот же короб по одному и тому же мар-
150